特高压换流站直流电源系统方案设计

李世亮，刘耀辉，宋 琪

(1.山东鲁能智能技术有限公司，山东 济南 250101；2.济南汇智电力科技有限公司，山东 济南 250101)

0 引言

直流电源系统是发电厂、变电站、换流站中为控制、信号、保护、自动装置以及某些执行机构供电的电源系统。随着发电厂、变电站、换流站自动化程度的提高，为保证电力系统在遇到各种突发状况时，能够及时、可靠地进行远程调度和遥控操作，无人值守变电站的控制负荷和动力负荷对直流电源系统稳定性和可靠性的要求越来越高。

目前，可靠性要求较高的变电站一般采用“两充两电”或者“三充两电”的架构模式。这些模式通过增加蓄电池组数和充电机套数，形成独立的2条供电母线，为重要负载设备提供双电源供电，这大大提高了供电可靠性。国家电网公司在大力推进建设的特高压变电站项目中，直流换流站对站用直流电源系统提出了新的要求，这些变电站要求直流电源系统在现有的2条直流母线之外，再提供第3条直流母线对负载进行供电。常规的“两充两电”或者“三充两电”模式已经不能完全满足用电设备对电源的需求。为此，对现有直流电源系统结构进行改进，衍生出3条母线的方案，即2条常规的独立母线A和母线B经过双电源切换产生母线C，形成“三充两电三母线”的方案。该方案虽然满足了换流站对直流电源系统的需求，但也存在着一定的风险。

下面针对上述“三母线”系统的缺陷，基于换流站对站用直流电源系统的需求，参照变电站对直流电源系统的基本要求，以换流站工程实际应用为目的，提出一套高可靠性电力工程直流电源系统的工程设计解决方案，即“五充三电三母线”的直流系统架构方案，并对方案的工作原理和操作步骤进行详细阐述。

1 原架构模式简介

直流电源系统的“两充两电”和“三充两电”的架构模式中，后者在前者的基础上多配置了1套公用充电机。下面选取“三充两电”的直流电源系统模式进行分析说明。

1.1 “三充两电双母线” 直流电源系统

“三充两电双母线” 直流电源系统是电力标准中推荐的系统组合方式，在对直流电源系统可靠性要求较高的变电站、发电厂中较为常见。其系统结构如图1所示。

图1 “三充两电双母线”直流电源系统

1.2 “三充两电三母线” 直流电源系统

“三充两电三母线” 直流电源系统是为了适应特高压变电站对直流电源系统的新需求，在“三充两电双母线”系统的基础上衍生出来的解决方案，其系统结构如图2所示。C段母线的电源切换装置分为手动和自动2种。手动切换可进行先合后分操作，C段母线不会失电。自动切换会导致C段母线短暂失电，失电时间由切换元件类型决定。

图2 “三充两电三母线“直流电源系统

1.3 “三母线”系统分析

“三充两电双母线”直流电源系统是经过时间和实践检验的成熟直流电源系统方案，不多做讨论。

“三充两电三母线”直流电源系统是在“双电双充双母线”直流电源系统的基础上衍生出来的解决方案。2条独立母线A和母线B加上经过双电源切换产生母线C，形成“三充两电三母线”直流电源系统。这个直流电源系统架构是存在风险的。

1.3.1 没有接入独立的蓄电池

它是由A，B段母线切换产生，依赖于母线A，B存在。一旦出现交流失电的情况，C段母线会使用A段或者B段的电池进行供电。这会使2组蓄电池放电速率不一致，在A，B 2段母线之间产生压差，导致2段母线无法进行倒闸操作，C段母线也不能在不停电的情况下进行电源切换。

1.3.2 故障易扩大和传导

正常运行时，C段母线会投入A，B 2段母线中的1段，一旦相应母线段出现故障，必然会影响到C段母线的稳定运行；C段母线一旦出现故障，也必然会波及A或B母线。C段母线的电源切换装置分为手动和自动2种，下面分类举例说明。

(1) 手动切换。当C段母线投入A段运行时，一旦A段母线出现失电或者电压波动等状况，C段母线也会出现同样状况；当C段母线出现接地故障、交流窜入等状况时，会影响到A段母线，情况严重时会出现保护误动等。投入B段时亦然。

(2) 自动切换。当C段母线投入A段运行时，一旦A段母线出现失电的状况，C段母线就会自动投入B段母线。而如果A段母线失电是由C段母线导致的，那么就可能会使B段母线也失电，导致故障扩大化。另外，接地故障、交流窜入等状况也同样会在母线之间传导。

2 “五充三电三母线”直流电源系统

2.1 系统结构

在典型的“三充两电双母线”直流电源系统基础上，将系统的基本功能模块拆分、重新组合，演化形成了“五充三电三母线” 直流电源系统。其系统结构如图3所示。

2.2 系统原理

“五充三电三母线”直流电源系统是由2套“三充两电双母线”直流电源系统组成的，它由充电机1，3，4号和蓄电池组1，3号以及母线A、母线C组成第1套“三充两电双母线”直流电源系统；由充电机2，3，5号和蓄电池组2，3号以及母线B、母线C组成第2套“三充两电双母线”直流电源系统。“三充两电双母线”直流电源系统是经过运行实践考验的典型设计和标准设计，其2个子系统的运行是可靠且稳定的。

从整体上来看，A，B，C 3条母线分别带有独立的蓄电池和充电机，并设置有备用充电机和母线联络开关，保证母线可靠地不间断供电。任一母线出现故障，不会影响其他2段母线的正常运行；任一蓄电池退出运行，可以通过联络开关使2段母线并列运行，满足母线不间断供电的要求；任一充电机退出运行，可以方便地投入备用充电机进行替代，其操作流程与“三充两电”类似，但灵活性和可靠性大大提高。

2.3 运行方式及倒闸操作步骤

2.3.1 正常运行

图3 “五充三电三母线”直流电源系统

1号充电机与A段母线接通(即1QS1左侧接通)，1号蓄电池组与A段母线接通(即1QS2接通)，A段母线接入1号充电机和1号蓄电池组，处于正常运行状态。

2号充电机与B段母线接通(即2QS1右侧接通)，2号蓄电池组与B段母线接通(即2QS2接通)，B段母线接入2号充电机和2号蓄电池组，处于正常运行状态。

3号充电机与C段母线接通(即3QS1右侧接通)，3号蓄电池组与C段母线接通(即3QS2接通)，C段母线接入3号充电机和3号蓄电池组，处于正常运行状态。

2.3.2 充电机检修

1号充电机进行检修时，先将4号备用充电机组投入(即4QS1左侧接通)，后将1号充电机退出(即1QS1处于中间位置)，即可对1号充电机进行检修。A段母线接入4号备用充电机和1号蓄电池组运行。

2号充电机进行检修时，先将5号备用充电机组投入(即5QS1右侧接通)，后将2号充电机组退出(即2QS1处于中间位置)，即可对2号充电机进行检修。B段母线接入5号备用充电机和2号蓄电池组运行。

3号充电机进行检修时，先将4号(5号)备用充电机组投入，即4QS1右侧(5QS1左侧)接通，后将3号充电机组退出(即3QS1处于中间位置)，

即可对3号充电机进行检修。C段母线接入4号(5号)备用充电机和3号蓄电池组运行。

2.3.3 蓄电池组退出

如需将1号蓄电池组退出，先将A段母线与C段母线接通(即6QS1接通)，后将A段母线与1号蓄电池组断开(即1QS2断开)，由3号充电机及3号蓄电池组带A，C段母线并列运行。而1号充电机可以连接A段母线(即1QS1左侧接通)或者退出(即1QS1处于中间位置)，此时可对1号蓄电池组进行核对性放电等工作。

如需将2号蓄电池组退出，先将B段母线与C段母线接通(即6QS2接通)，后将B段母线与2号蓄电池组断开(即2QS2断开)，由3号充电机及3号蓄电池组带B，C段母线并列运行。而2号充电机可以连接B段母线(即2QS1右侧接通)或者退出(即2QS1处于中间位置)，此时可对2号蓄电池组进行核对性放电等工作。

如需将3号蓄电池组退出，先将C段母线与A段(B段)母线接通，即6QS1(6QS2)接通，后将C段母线与3号蓄电池组断开(即3QS2断开)，由1号(2号)充电机及1号(2号)蓄电池组带C，A(B)段并列运行。而3号充电机可以连接C段母线(即3QS1右侧接通)或者退出(即3QS1处于中间位置)，此时可对3号蓄电池组进行核对性放电等工作。

2.3.4 特殊运行方式

当出现需要2组蓄电池组同时退出的极端情况时，该系统也具有保证3条母线在一定时间内不间断供电的能力。如果需要将2，3号蓄电池组同时退出，那么先将A段母线与B，C段母线接通(即6QS1，6QS2接通)，后将B，C段母线与各自蓄电池组断开(即2QS2，3QS2断开)。

需要注意的是，此时要根据3条母线总的负荷情况来决定2，3号充电机能否脱离各自母线，使1号充电机和1号蓄电池带载3条母线。如1号充电机能够满足负荷需求，那么2，3号充电机退出(即2QS1，3QS1处于中间位置)；如1号充电机不能满足负荷需求，那么2，3号充电机需要至少保留1套在系统内。

2.3.5 倒闸操作注意事项

系统切换采用双投隔离开关和单投隔离开关，切换通过手动完成。系统切换过程中，馈电母线不能脱离蓄电池组单独运行；2段带蓄电池组的馈电母线在满足标称电压相同、电压差小于规定值，且直流电源系统均处于正常运行状态时，可以短时间并列运行；系统切换完成后，应尽快将1组蓄电池退出系统。

3 结束语

直流电源系统作为变电站的二次辅助设备，其投资成本占变电站总成本的比值极小，就是在二次设备总成本中也只占很小的一部分，但这并不意味着直流电源系统不重要。因直流电源问题而导致的变电站跳闸失电或者越级跳闸事件已发生多次。直流电源系统的架构设计合理、运行稳定可靠、操作标准规范，是确保变电站正常运行的基础之一。不论直流电源将来是向灵活化、分散化发展还是向综合化、集成化发展，对其稳定可靠的基本要求都不会改变。直流电源系统的典型设计——“两充两电”和“三充两电”经过实践证明是可靠的。“五充三电” 直流电源系统在理论上是先进的，在实际工程应用中还需要经过时间和实践的检验。随着特高压交直流输电工程的不断发展，在满足工程需要的同时提高可靠性和稳定性将是直流电源系统未来发展的一个重要方向。

参考文献：

1 国家能源局.DL/T 5044—2014电力工程直流电源系统 设计技术规程[S].北京：中国计划出版社，2014.

2 白忠敏，刘百震，於崇干.电力工程直流系统设计手册(第 2版)[M].北京：中国电力出版社，2009.

3 尚 晋.变电站直流电源系统的设计与可靠性研究[D]. 广州：华南理工大学，2010.

4 赵洪伟.智能电力操作直流电源系统的研究[D].北京： 华北电力大学，2014.

5 国家电网公司.国家电网公司十八项电网重大反事故措 施（修订版）[M].北京：中国电力出版社， 2012.

6 舒印彪，刘泽洪，高理迎，等.±800 kV 6 400 MW 特 高压直流输电工程设计[J].电网技术，2006，30(1)：1-8.

7 赵 兵.二次直流系统一点接地故障理论分析[J].电力 系统保护与控制，2012，40(21)：138-141.

8 刘 超，樊树根，刘迎龙，等.直流电源系统两点或一 点接地引起保护出口继电器误动的分析[C].2012中国国 际输配电技术创新与应用交流峰会，北京，2012：12-18.

9 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家 标准化管理委员会.GB/T 19826—2014电力工程直流电 源设备通用技术条件及安全要求[S].北京：中国标准出 版社，2014.