一种变电站用智能交直流一体化电源系统的制作方法

1.发明涉及变电站的领域,尤其涉及一种变电站用智能交直流一体化电源系统。


背景技术：

2.变电站内部供电系统的稳定运行是供电可靠的前提。近年来，随着互联网与自动化技术的发展，数字化与智能化设备被大量的应用于变电站中，为提高电源管理的可靠性具有积极的意义。传统变电站电源系统由直流部分、交流部分、ups、通信系统等构成。各个子系统的设计制造到现场的安装调试由不同的生产厂家对应负责，后期运行维护也由相应的专业人员负责检修。随着智能变电站系统的成熟发展，较多智能变电站在投运后逐步提出了交直流一体化电源设计。
3.在智能变电站设计运行中，将传统变电站各个子系统完成统一化设计、统一化安装配置、统一化监测控制。利用直流变换器直接接入直流母线代替了通信蓄电池组，应用智能终端，合并单元等装置，利用庞大的交换机组。因此，改变传统变电站的不足，使智能变电站的电源更加可靠、合理。此外，技术更加先进，减少人力资源投入，完成自动化设计具有现代化的意义。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的缺点与不足,本发明提供一种变电站用智能交直流一体化电源系统。
5.本发明所利用的技术方案是，该系统利用系统化技术对交直流一体化电源系统进行设计，将站用电源系统对变电站站用交流、直流、逆变、通信部分并结合工程实际，将智能变电站所有控制部分模块化、单元化，该系统由充电模块、直流部分交流进线、降压模块、逆变电源、蓄电池模、功率模块、馈线开关构成，整体装置在直流馈线开关中完成直流馈线的监控部分设置，变电站供电部分智能化、一体化、网络化；
6.该系统各个电源形成统一管理维护，实时监督各部分是否有损坏产生，所述监控部分利用以太网以双绞线为传输介质，并利用iec61850作为通信协议，将智能开关模块应用于全站站用电源开关的控制当中，将开关、各类传感器以及功能集成电路集成一体，该智能开关模块内的所有1次回路开关和2次回路开关互相隔离，保证2次侧回路的监测功能不受1次侧回路的干扰，该智能变电站交流进线3回，进线开关分别分布于3个屏柜中；
7.所述智能开关模块完成进线开关和母线电压电流的监测数据采集，同时将进线和母线的统一控制，智能开关模块的布置方式利用3面屏柜完成所有进线和母线的控制与监测；
8.所述馈线开关利用开关、各类传感器和功能集成电路集中的智能模块化设计，在这种方式下，单个交流开关模块同时管控多个开关，单个开关柜内的开关容量增大，减少占用馈线屏柜的数量，利用智能模块化设计后，馈线屏柜数量为4面，进线屏柜数量为3面，所需总屏柜数量仅为7面，同时这种模块化的开关系统将所有站内开关的远程控制以及进线、
母线的实时监测。
9.进一步地，所述馈线开关由输出接口及标准通信接口构成，该部分对各厂家、各型号开关规格参数主要通过集成设计技术的使用完成汇总过程，适用各品牌开关的安装，利用软铜牌连接部分一次线，以确保开关与模块间灵活可靠的连接。
10.进一步地，所述馈线开关使用pcb板走线作为二次电缆，在馈线开关内部集成电流传感器、电压及温度检测功能，完成对电流/压、温度参数的实时采集过程，通过各模块的智能采集单元完成模拟量数据到数字信号的转换过程后再将其上传至总监控处理分析，根据rs485通讯协议，同时能够汇总电流、电压、温度、功率数据，模块具有较高的通用性，便于生产和后期维护，为大数据计算提供支撑。
11.进一步地，所述直流部分交流进线由直流总监控、指示灯、端子及交流进线断路器、接触器、监控器、防雷器构成，用于220kv及以下变电站的交直流一体化电源系统，该部分的电源包含两路交流电源，为确保直流电源交流供电的可靠性，供电质量通过交流监控单元进行检测，两路电源通过利用交流接触器进行自动投切即利用正常交流电源供电。
12.进一步地，所述直流部分交流进线为个体存在的直流部分交流进线的各组成器件，以导致型号选择、安装方案上的差异，通过断路器、接触器、交流监控、防雷器进行模块化设计以作为标准化模块，将其集成于一个模块内，以标准的交流输/输出端子及通讯接口作为对外预留接口，全模块一体化电源利用标准rs485方式作为通信方式及协议，按照标准协议规范各功能模块通信协议点位，完成不同厂家模块的共用。
13.进一步地，所述功率模块，通过对四个功率模块进行集成设计，具有在线热插拔功能，提高使用过程的规范性，再将集成后的大模块均完成标准接口的设计包括输入、输出、通讯接口，提高在线维护的质量和效率，通过更换大模块，接口与原模块保持一致，完成快速更换或技术升级。
14.进一步地，站内照明、风机的智能控制设计，该系统中增加照明开关的智能控制模块，利用传感器、监控设备、控制器与开关之间的互联与通信，完成照明设备与监控设备的相互关联，并根据监控设备的监控环境与区域控制照明设备的开启，在该照明控制系统的基础上，仍保留手动开启方式，同时该电源系统对风机与空调设备设计智能控制系统，通过温度与湿度传感器采集环境温度与湿度，达到空调和风机的自动运行，并保留人工操作方式。
15.进一步地，电源一体化智能监控系统的总体设计，该系统的站用交直流电源系统的监控方案利用工作进线、备用线及重要回路电动操作，完成断路器的远程断开与合闸操作，将进线部分安装cpu控制器完成对装置的监控，并涵盖系统的测量控制和记录。
16.进一步地，该系统将各种常规开关、传感器、高性能微处理器安装在1个开关柜内，完成信息采集，控制开通关断在1个开关柜内完成，在通信层利用上行下达的数据处理模式，对外通信利用光纤为媒质，对内利用双绞线，完成变电站电源状态共享功能，设计供电总监控模块，其他的通信模块全部通过总线系统接入总监控模块，供电总监控模块，通过网络接口与上位机通信。
17.该系统对交直流混联系统无功优化，设立目标函数以降低交、直流系统的网络损耗p
loss
为优化目标y，可表示为:
18.y＝minp
loss
19.p
loss
＝p
ac，loss
+p
dc，loss
20.式中p
ac，loss
、p
dc，loss
分别为交流系统网损和直流系统网损，可表示为:
[0021][0022][0023]
式中n
l
、n
d
分别为交流系统支路数和hvdc个数；g
k
为支路k的电导；u
i
为节点i的电压幅值；θ
ij
为节点i和j间的电压相角差；i
dk
为第k个hvdc的直流电流；r
dk
为第k个hvdc的直流线路电阻；
[0024]
所述目标函数的约束条件分为等式约束和不等式约束；
[0025]
所述等式约束，对于无换流器相连接的交流节点，功率平衡方程表示为:
[0026][0027]
式中p
is
、q
is
分别为注入节点i的有功功率、无功功率；g
ij
、b
ij
分别为支路i
‑
j的电导和电纳；
[0028]
对于有换流器相连接的直流节点，功率平衡方程表示为:
[0029][0030]
式中u
dm
、i
dm
分别为换流器m的直流电压、直流电流；φ
m
为换流器m的功率因数角；s
pm
为有功功率流入或流出换流器m的方向，节点为整流侧时sp
m
＝1，节点为逆变侧sp
m
＝
‑
1；
[0031]
所述不等式约束将交流电网中的发电机机端电压、有载调压变压器变比、并联电容器补偿容量外，直流电压、直流电流、直流功率、控制角也可作为控制变量，控制变量约束表示为:
[0032][0033]
式中u
gi
分为发电机i的机端电压；q
ci
为电容器i的补偿容量；k
i
为变压器i的变比；u
di
、i
di
、p
di
、θ
di
分别为第i个换流器的直流电压、直流电流、直流功率、控制角；max、min分别
为变量的上、下限；
[0034]
状态变量约束可表示为:
[0035][0036]
式中q
gi
为发电机i的无功出力；t
i
为第i个换流变压器的变比。
[0037]
本发明针对普通变电站电源系统运行效率低下，人力资源消耗大，安全保障不足等问题，提出了智能化变电站交直流一体化的解决方案，使用网络通信、整体化监控优化了站用电源控制系统，并提出了开关的模块化设计方案，完成了对全部变电站供电系统维护管理，将该交直流一体化电源系统应用在该变电站后，站内设备维护管理效率显著提高，站内屏柜总数减少一半，节约成本50％以上。
附图说明
[0038]
图1为本发明220kv变电站结构图；
[0039]
图2为本发明的交流进线屏柜示意图；
[0040]
图3为本发明的照明设备控制流程图；
[0041]
图4为本发明的电源一体化智能监控系统结构图。
具体实施方式
[0042]
需要说明的是,在不冲突的情况下,本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互结合,下面结合附图和有具体实施例对本技术作进一步详细说明。
[0043]
如图1所示,(以220kv变电站为例)一种变电站用智能交直流一体化电源系统，利用系统化技术解决交直流一体化电源系统，针对变电站站用交流、直流、逆变、通信等部分并结合工程实际，提出了站用电源系统。
[0044]
我国某220kv智能变电站利用gis方式设计，内含3个240mva的主变压器，额定电压等级220/110/10kv，220kv、110kv全部利用双母线接线。220kv系统8回出线端，110kv系统12回出线端，10kv系统36回出线端。次卧，还有电容器、电抗器等。控制系统的设计是专门针对供电部分集中管理，将交流、直流、逆变、通信、监控、调试、维护等通过网络通信模块整合到一体，可以使变电站信息整体共享。同时完善软件系统，构建数字化信息交互平台。控制系统监控单元利用自动化通信，以太网接口以及iec61850规范。
[0045]
全站电源开关的智能模块化设计，将智能变电站所有控制部分模块化、单元化。该系统利用系统化技术对交直流一体化电源系统进行设计，将站用电源系统对变电站站用交流、直流、逆变、通信部分并结合工程实际，将智能变电站所有控制部分模块化、单元化，该系统由充电模块、直流部分交流进线、降压模块、逆变电源、蓄电池模、功率模块、馈线开关构成，整体装置在直流馈线开关中完成直流馈线的监控部分设置，变电站供电部分智能化、一体化、网络化；各个电源形成统一管理维护，实时监督各部分是否有损坏产生。监控部分使用以太网以双绞线为传输介质，并利用iec61850作为通信协议。本发明将1种智能开关模
块应用于全站站用电源开关的控制当中，将开关、各类传感器以及功能集成电路集成一体。该智能开关模块内的所有1次回路开关和2次回路开关互相隔离，保证2次侧回路的监测功能不受1次侧回路的干扰。该智能变电站交流进线3回，其交流进线屏柜示意图如图2所示。其中，进线开关分别分布于3个屏柜中。
[0046]
图2所示的开关模块化设计可以完成进线开关和母线电压电流的监测数据采集。同时，可以完成进线和母线的统一控制。这种开关智能模块的布置方式只需要3面屏柜即可完成所有进线和母线的控制与监测，较传统电源系统的5面屏柜系统有较大的改进。#1屏柜为例，由于1号电源监控模块完成对1号进线开关和母线母联开关的控制及监测。因此，将回路1的各开关、传感器和功能集成电路等集中布置在1号屏柜中。该屏柜将完成#1电源的集中控制和监测，其余两回路的完成方式与#1电源相同。
[0047]
馈线开关同样利用开关、各类传感器和功能集成电路集中的智能模块化设计。在这种方式下，单个交流开关模块可以同时管控多个开关。单个开关柜内的开关容量增大，如此可以减少占用馈线屏柜的数量，使馈线开关管理更加规范、条理，且有效节省了空间成本。传统的站用电源系统需要的屏柜总数量至少为15面。利用本文提出的智能模块化设计后，馈线屏柜数量为4面，进线屏柜数量为3面，所需总屏柜数量仅为7面，较大减少了材料和空间成本。同时，这种模块化的开关系统设计可以完成所有站内开关的远程控制以及进线、母线的实时监测。从而在减少了站内屏柜数量的同时提高了站内设备的维护水平，为站用电源系统的日常维护提供了便利。
[0048]
进一步地，所述馈线开关由输出接口及标准通信接口构成，该部分对各厂家、各型号开关规格参数主要通过集成设计技术的使用完成汇总过程，适用各品牌开关的安装，利用软铜牌连接部分一次线，以确保开关与模块间灵活可靠的连接。
[0049]
进一步地，所述馈线开关使用pcb板走线作为二次电缆，在馈线开关内部集成电流传感器、电压及温度检测功能，完成对电流/压、温度参数的实时采集过程，通过各模块的智能采集单元完成模拟量数据到数字信号的转换过程后再将其上传至总监控处理分析，根据rs485通讯协议，同时能够汇总电流、电压、温度、功率数据，模块具有较高的通用性，便于生产和后期维护，为大数据计算提供支撑。
[0050]
直流部分交流进线由直流总监控、指示灯、端子及交流进线断路器、接触器、监控器、防雷器构成，用于220kv及以下变电站的交直流一体化电源系统，该部分的电源包含两路交流电源，为确保直流电源交流供电的可靠性，供电质量通过交流监控单元进行检测，两路电源通过利用交流接触器进行自动投切即利用正常交流电源供电。
[0051]
直流部分交流进线为个体存在的直流部分交流进线的各组成器件，以导致型号选择、安装方案上的差异，通过断路器、接触器、交流监控、防雷器进行模块化设计以作为标准化模块，将其集成于一个模块内，以标准的交流输/输出端子及通讯接口作为对外预留接口，全模块一体化电源利用标准rs485方式作为通信方式及协议，按照标准协议规范各功能模块通信协议点位，完成不同厂家模块的共用。
[0052]
功率模块，通过对四个功率模块进行集成设计，具有在线热插拔功能，提高使用过程的规范性，再将集成后的大模块均完成标准接口的设计包括输入、输出、通讯接口，提高在线维护的质量和效率，通过更换大模块，接口与原模块保持一致，完成快速更换或技术升级。
[0053]
站内照明、风机的智能控制设计，传统的站内电源系统在为站内照明设备提供电力支持时，需要依靠人力介入，根据值班人员的主观判断来控制照明的开启和关闭。这种方式过度依赖值班人员的主观性，且值班人员的工作质量无法保证、极易因为值班人员的工作懈怠造成大量的能源浪费，增加站内负荷。同时，由于视频监控设备对拍摄环境的要求。通常在夜间，照明设备保持持续工作状态，增大了不必要的资源浪费。为了减少这种情况的发生，增加能源和照明设备的有效利用率。本系统中增加了照明开关的智能控制模块，利用传感器、监控设备、控制器与开关之间的互联与通信，完成照明设备与监控设备的相互关联。并根据监控设备的监控环境与区域控制照明设备的开启，照明设备控制流程如图3所示。在该照明控制系统的基础上，仍保留手动开启方式。
[0054]
同时与照明控制系统类似，该电源系统对风机与空调等设备设计了类似的智能控制系统，通过温度与湿度传感器采集环境温度与湿度，达到空调和风机的自动运行，并保留了人工操作方式。
[0055]
电源一体化智能监控系统的总体设计，本发明提出的站用交直流电源系统的监控方案利用工作进线、备用线及重要回路电动操作，完成断路器的远程断开与合闸操作；将进线部分安装cpu控制器完成对装置的监控，并涵盖系统的测量控制和记录等。图4为电源一体化智能监控系统结构图。该系统基本完成了电气装置的智能化，符合变电站系统的智能化要求。
[0056]
智能变电站电源系统特点，交直流一体化电源系统主要通过综合重组传统变电站的各类电源使用装置(包括交/直流、交流不间断、通信、逆变、直流交换等类型的电源)，使其形成统一的运行模块，建立直流电源蓄电池组以完成充分共享(通过使用统一监视控制信息完成)，在保证电源供应的同时是电源运行的系统性得以提升。
[0057]
完成智能化和网络化，变电站设备的增加提升了所使用电源的复杂程度，使用不同线路及电源的各类设备则增加了维护与保养的难度，而一体化建设通过重组与设计线路使电源供应的稳定与安全性得以提高。交直流一体化电源系统作为智能变电站的重大突破之一，在一体统一外形的同时完善了功能设计，优化了电源系统的整体设计和安装过程，节约了整个电源系统的占地空间，提高了平台利用效率。一体化设计使新的供电模式得以有效完成，显著减少了了组屏数量，在确保整体集中统一的同时简化了系统供电运行过程，能够统一监控和分析各电源子系统，便于后期使用和维护。使不同的电源通信兼容问题(由不同供应商供应)得以充分解决，从而提高了变电站系统的智能化及自动化水平。
[0058]
提高了安全性和经济性，信息技术的运用完成了基础设备的自动检测，使系统安全性得以显著提高，一体化电源系统通过有机结合设备和信息技术形成了整体的系统结构特征(合围不同子系统)，通过关联各系统完成总控制，各子系统在此基础上完成内部网络化，进而能够统一调整和控制各子系统运行状态和参数，特别是科对电源盲点部位进行及时监控，进一步提升看系统运行的稳定性和安全性。除此之外，各模块间参数通过全面互换能够在不影响整机运行工作的基础上检测单个开关或模块，减少了作业流程，完成了整体设备检修的连续性，从而简化了使用和维修的操作环节。相比于传统常规变电站电源，交直流一体化电源系统运行过程的成本更低，更能满足电力系统的经济实用的需求，优化后的系统整体结构使相关设备更加集成，有利于人力合理分配的完成，显著降低设备投入，节约了变电站运行成本。使用蓄电池还可在一定程度上降低污染，提升经济和社会效益。
[0059]
提升电源管理水平，运行复杂的传统变电站电源易引发安全事故，增加了电源管理的难度，随着交直流一体化电源系统在智能变电站中的应用范围逐渐增大，完成了统一整体的电源使用维护过程，使变电站电源使用效率得以显著提升，能够对各条线路进行精准设计，提高了电源管理的科学化和智能化，全部电源设计方案及安装服务均由厂家统一提供，使电源管理过程更加准确及时，管理各线路的历史数据，能够针对事故情况
[0060]
精准判断位置并做出报警处理(以系统各种设置数据为依据)，同时对结果进行有效分析，控制操作电池管理输出确保各项事务合理处置，以确保电站安全稳定的运行。
[0061]
一体化智能监控系统的主要特征是将各种常规开关、传感器、高性能微处理器等安装在1个开关柜内，可以完成信息采集，控制开通关断在1个开关柜内完成。在通信层利用上行下达的数据处理模式，对外通信利用光纤为媒质，对内利用双绞线。改变了常规设计中，易出现问题的馈线监测系统。
[0062]
完成变电站电源状态共享功能，设计供电总监控模块，其他的通信模块全部通过总线系统接入总监控模块。供电总监控模块，通过网络接口与上位机通信。
[0063]
在变电站中利用智能变电站交直流一体化电源系统后，有效减少了站内交直流电源系统的设备数量。以220kv智能变电站为例，增加了1面监控总屏。但经过了开关模块化设计后，总屏柜数量由普通变电站的32面减少到16面，减少了建筑面积和设备投资，利用本发明提出的一体化电源系统后，总的屏柜设备成本理论可降低50％。
[0064]
本系统还提出了照明系统与监控系统相互关联的方案。在该变电站应用过程中，据观测每片照明负荷区域工作时间平均为3.6小时/天。普通变电站照明方案的照明负荷工作时间为8小时/天，变电站照明总负荷为20kw。按此计算，每年可节约用电3.2万度。而按照每度电售价0.5元计算，则该智能照明监控系统的年净节省值为1.6万元。同时，在该变电站应用交直流一体化电源系统后，完成了站内所有开关的模块化管理。且在监测开关位置、事故跳闸、泄漏电流等方面均表现良好，有效解决了馈线监测盲点问题，并提高了站内电源设备的维护管理效率。
[0065]
根据对传统变电站电源的分析和研究，可以发现，其运行的稳定性比较差，而依托于交直流一体化电源系统之下，智能变电站的电源在运行期间更加稳定，这是由于其在线路问题上进行了更新和调整，不仅将交流线路和直流线路进行更好地分离，更是能够保证线路的随时切换。在这样的条件下，可以将一些相关的技术难题进行相应的降低，也能够促使运行期间的风险不断地下降。与此同时，相对于以往繁冗复杂的操作流程，智能变电站中的电源系统已经基本完成了对操作流程的简化，促使操作的时间持续性的缩短。
[0066]
由于电力系统具有一定程度的复杂性，所以，针对交直流一体化技术来说，一样具有一定程度的特殊性。具体来说，其是在原有的线路模式上进行了相应的调整和改变，虽然在交流线路和直流线路之间进行了分隔，但是在管理上是统一的，这样可以有效的保证电源系统的安全。同时，针对电流方面的冲击，已经不足以对电力设备产生较大的影响，由此也会减少相应的安全问题。在双重管理模式之中，进行了监控技术的应用，这样能够更好地分析出系统中存在的问题，并有针对性的进行处理和解决，进而使得系统更加安全、平稳地运行。
[0067]
依托于一体化电源系统之下，能够不断地更新相关电力设备，也能够搭建一个优良的管理平台，从而促使电力企业更好更快的发展。智能变电站的管理平台是统一的，可以
将电力系统进行有效的管理，并且将相关电力设备进行良好更新，必要时进行升级。同时，对系统实施监督，由此能够认知和明确与系统运行相关的数据，进而完成科学、有效的管理。
[0068]
该系统对交直流混联系统无功优化，设立目标函数以降低交、直流系统的网络损耗p
loss
为优化目标y，可表示为:
[0069]
y＝minp
loss
[0070]
p
loss
＝p
ac，1oss
+p
dc，loss
[0071]
式中p
ac，loss
、p
dc，loss
分别为交流系统网损和直流系统网损，可表示为:
[0072][0073][0074]
式中n
l
、n
d
分别为交流系统支路数和hvdc个数；g
k
为支路k的电导；u
i
为节点i的电压幅值；θ
ij
为节点i和j间的电压相角差；i dk
为第k个hvdc的直流电流；r
dk
为第k个hvdc的直流线路电阻；
[0075]
所述目标函数的约束条件分为等式约束和不等式约束；
[0076]
所述等式约束，对于无换流器相连接的交流节点，功率平衡方程表示为:
[0077][0078]
式中p
is
、q
is
分别为注入节点i的有功功率、无功功率；g
ij
、b
ij
分别为支路i
‑
j的电导和电纳；
[0079]
对于有换流器相连接的直流节点，功率平衡方程表示为:
[0080][0081]
式中u
dm
、i
dm
分别为换流器m的直流电压、直流电流；φ
m
为换流器m的功率因数角；s
pm
为有功功率流入或流出换流器m的方向，节点为整流侧时sp
m
＝1，节点为逆变侧sp
m
＝
‑
1；
[0082]
所述不等式约束将交流电网中的发电机机端电压、有载调压变压器变比、并联电容器补偿容量外，直流电压、直流电流、直流功率、控制角也可作为控制变量，控制变量约束表示为:
[0083][0084]
式中u
gi
分为发电机i的机端电压；q
ci
为电容器i的补偿容量；k
i
为变压器i的变比；u
di
、i
di
、p
di
、θ
di
分别为第i个换流器的直流电压、直流电流、直流功率、控制角；max、min分别为变量的上、下限；
[0085]
状态变量约束可表示为:
[0086][0087]
式中q
gi
为发电机i的无功出力；t
i
为第i个换流变压器的变比。
[0088]
综合分析，本发明提出的智能变电站交直流一体化电源系统，解决了站用电源2次设计复杂的问题以及施工2次线多和跨屏2次电缆多的问题。同时减少了屏柜数量，完成了照明系统和监控系统的智能互联，可以为变电站建设和运行成本减少50％以上。
[0089]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解的是,在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。