直流和交流一体化不间断电源在水电站的应用

直流和交流一体化不间断电源在水电站的应用

陈智梁

国电新疆吉林台水电开发有限公司新疆伊犁州尼勒克县835716

摘要：在独立电源的基础上提出直流和交流一体化不间断电源系统，解决了一体化不间断电源共用蓄电池带来技术难题，节约了投资，提高了系统运行可靠性，减少了日常维护工作量。

关键词：水电站；一体化；不间断电源

0.引言

我公司先期建设的吉林台一级水电站、温泉水电站均采用相互独立的电源系统，即直流操作电源(DC)、通信电源、交流不间断电源(UPS)，由于电源系统多，设备分散，系统复杂，给日常维护工作、对外协调工作带来很多不便，且重复配置蓄电池组，也增加了很多前期投资。因为后续要建设尼勒克、萨里克特和塔勒德萨依电站，我公司就借鉴现代化水电站的电源配置和管理模式，提出一体化电源的需求，并在尼、塔、萨三站成功应用。

1.水电站电源系统现状分析

1.1直流操作电源(DC)

直流操作电源是在站用交流电源正常和事故状态下都能保持可靠供电给水电站内所有控制、保护、自动装置等控制负荷和各类直流电动机、断路器合闸机构等动力负荷的电源。直流操作电源系统电压一般选择220V或110V，采用不接地方式。对220kV及以上水电站均装设2组蓄电池及2套充电装置，构成两电两充方式。

从90年代开始智能高频开关电源技术的成熟，实现了模块化和并联热备份运行，蓄电池组则采用免维护的阀控式铅酸蓄电池，采用分布式计算机及现场总线技术对直流电源系统进行集中监控，提高了充电模块的智能化管理水平及维护方便性，以及系统运行的可靠性。

1.2通信电源

通信电源提供给水电站内载波机、光端机等通信设备及保护复接设备电源。系统电压为48V，采用正极接地方式，220kV及以上电压等级的水电站一般按两电两充设计。

1.3交流不间断电源(UPS)

交流不间断电源在水电站中UPS主要是给不允许短时停电的计算机监控设备供电，可靠性及稳定性要求高，一般均采用一用一备串联运行方式，即正常时由主机供电，主机故障时从机自动投入。UPS正常由交流电源供电，当交流电源消失或整流器、逆变器等元件故障，则由自带的蓄电池向逆变器供电，由于其内置的蓄电池组容量小且没有专业的维护措施，因此造成蓄电池容量不足或损坏而无法满足自动化的要求。

2.一体化不间断电源的实施方案

直流电源、电力用交流(UPS)和电力用逆变电源(INV)、通信用直流变换电源(DC／DC)等装置组合为一体，共享直流电源的蓄电池组，并统一监控的成套设备。根据公司已投水电站存在的电源类型及其缺点，考虑目前运行管理体制的差别，公司后续建设电站的一体化不间断电源按以下类型进行改造。

2.1DC—UPS—DC／DC一体化电源

该接线设计同时取消了UPS系统、通信电源系统的蓄电池，共用直流操作电源DC的蓄电池组。统一由直流操作电源供电，除提供直流操作电源DC、交流不间断电源UPS，还提供通信用48V电源。

在前述接线1的基础上，利用DC／DC电源变换装置代替原通信专业48V蓄电池电源系统，将DC／DC装置作为直流系统的一个负荷考虑。它同样是取消了配套的蓄电池组，从站内直流控制电源系统的蓄电池组取得直流电，经高频变换输出满足通信设备要求的48V控制电源。DC-DC变换器不但实现了直流输入与输出的电气隔离，而且通过模块的并联冗余，可以获得很高的可靠性，绝缘及耐压也满足电力系统的特殊要求。

图1DC—UPS—DC／DC一体化电源设计图

2.2一体化电源设备的技术要求

2.2.1接线方式

直流母线应采用单母线运行方式，母线接一组蓄电池、一套充电装置、一套逆变及一套UPS。蓄电池组经保护电器接入母线。外部放电设备经保护电器直接与蓄电池并接。

2.2.2一体化电源屏配置

一体化电源屏应包括充电装置进线、蓄电池进线、放电试验、逆变进线、UPS进线、馈线开关等开断设备。

组屏按充电装置及馈线屏、蓄电池屏、逆变屏、UPS屏原则设置。

阀控式密封铅酸蓄电池要安装在蓄电池屏内，放置于户内。

2.2.3网络设计

交流电源输入回路应采用双回，且能自动切换，在切换后输入高频开关整流模块、逆变电源模块和UPS电源模块前均需配置防雷设施。

直流回路的操作与保护设备采用西门子直流型自动空气开关，交流回路的操作与保护设备采用西门子交流型自动空气开关。

所有回路需有指示灯，空开带报警接点。

2.2.4一体化电源设备应具有遥信、遥测、遥控、遥调功能，留有与计算机监控系统和梯级水电站集控中心的数字接口，满足无人值守的要求。四遥的基本功能见下表：

2.3高频开关电源及直流馈线屏的技术要求

采用高频开关电源作蓄电池的充电，浮充电装置应具有稳流、稳压、精度高、纹波系数小、安装调试简单，运行维护方便的特点，主要功能：

高频开关电源采用微机型高频开关电源，模块并联组合方式供电，高频开关电源由微机总监控器和电源模块组成。每个模块自主输出电压出厂整定值为2.23×54（伏）硅链。模块可带电插拔更换，不影响系统运行。高频开关模块的数量应能满足容量要求，采用N＋2热备份方式，当任一模块发生故障时，系统应报警，而不影响系统的正常运行。

某路过压，欠压，缺相，应能自动瞬时切换至另一路交流电源。且要求交流电源切换电压与模块工作电压相对应，即交流电源电压超出额定电压±15%时，交流电源切换就应动作，交流电源电压超出额定电压±20%时，发报警信号。

交流输入具备雷击防护及告警功能（标称放电电流大于40KA，残压小于1kV），防浪涌功能。

模块有输出电流电压显示窗口。

监控器退出工作时，模块应能自主均流、可靠运行。

具有过电压、过电流保护和自动限流、报警等功能。

2.4微机控制

高频开关电源应采用微机控制，满足对蓄电池组的初充电、浮充电和补充充电的要求。高频开关电源应有自动控制（微机监控单元）和手动控制两种方式。

2.4.1微机控制的自动化程序应具有以下功能：

初充电程序：首先对蓄电池以恒流（0.1C10）充电，当电压上长到设定电压时自动转为恒定充电，当恒压充电电流小于整定值（0.01C10）时，3小时后发出初充电完毕信号并自动转为浮充电。

正常充电程序：正常以恒定电压对蓄电池进行浮充电，并能根据环境温度对浮充电压进行补偿。

均衡充电程序：在正常浮充电运行状态下，每间隔3~12个月（可根据用户要求整定），微机控制高频开关电源自动由浮充电状态转入均衡充电状态。均衡充电时，首先对蓄电池以恒流（0.1C10）充电，当电压上长到系统最高允许电压时自动转为恒压充电，当恒压充电电流小于整定值（0.01C10）时，3小时后自动返回到浮充电状态。

交流失电后补充充电程序：当高频开关电源交流失电后恢复供电时，能根据交流失电期间蓄电池的事故放电容量进行补充充电。当失电期间事故放电容量不大于设定值时，交流恢复供电后自动转为浮充电方式运行；当失电期间事故放电容量大于设定值时，交流恢复供电后按均衡充电程序对蓄电池进行补充充电，在此过程中自动记录对蓄电池的充电容量，当为恒压充电状态且充电容量达到蓄电池放电容量时，自动转为浮充电运行。

2.4.2高频开关电源柜上配置集中监控器，并具有以下功能：

该监控器对交流配电进线、整流模块都应监控，通过馈线开关状态采集模块对各直流馈电回路进行监视，并对蓄电池进行全自动监测及管理。监控单元应留有开关量输入接口，以便将直流系统其它需监测的开关量输入，监控单元具有“遥测、遥控、遥信、遥调”功能，并按用户规定的通讯口传送到现地局域网或异地计算机，以实现集中监控。

直流系统采用微机控制管理，对蓄电池进行智能管理，可检测单体电池电压，控制高频开关电源实现对蓄电池的自动浮充及均充，并实现浮充电压自动温度补偿。

监控器能定时采集直流绝缘监测仪对地电阻数据，将每天的正负接地电阻值记录下来，每小时采一点,绘制成每天的接地电阻的变化图表或曲线，保存30天的记录量；将每天的最低接地电阻值记录下来，每天记录一点,绘制成可供调看最近一个月接地电阻变化的图表或曲线。接收的信息可通过通讯口输出。

3.一体化电源已解决的技术问题

3.1不同电源系统与直流操作电源系统的隔离

直流操作电源系统为不接地系统，所以交流侧的UPS装置的交流输入、输出与直流侧必须采取措施进行隔离，如采用隔离变，可避免交流侧的运行及故障影响直流操作电源系统侧的绝缘降低，造成直流系统接地等异常。通信电源系统采用正极接地方式，所以DC／DC装置的输入、输出部分也是隔离的。另外，对于单电单充的水电站，蓄电池组出现故障，则全站所有的交直流电源系统都将失电，带来较为严重的后果，以上都是我公司一体化不间断电源改造所解决的问题。

3.2DC/DC馈线短路保护装置

当电力通信专用ＤＣ/ＤＣ模块一条馈线支路发生短路故障，馈线短路保护装置能够在DC/DC短路保护情况下，能可靠切除故障馈线，同时不影响通信电源正常供电。

3.3蓄电池容量的选择

一体化电源设备增加了UPS、DC／DC装置，其直流负荷系数为0．6，避免蓄电池容量选择过大。事故放电时间计算时，直流操作电源系统按无人值班考虑2h，而通信电源系统则按12h考虑，容量选择时也考虑了不同运行条件要求，保证可靠性要求。

4.一体化不间断电源为水电站创造的价值和效益

一体化不间断电源与水电站传统独立操作电源相比，具有以下主要特点：

4.1设备资产优化，提高工程投资经济性

一体化不间断电源减少了通信用蓄电池及UPS蓄电池，与加大直流操作电源蓄电池容量所增加的投资比，可节约一定资金。减少了蓄电池组，也就是节省了使用空间。一体化不间断电源仅用一组蓄电池，减少了长期维护费用。

4.2减少日常维护工作量，减少人员配置

一体化不间断电源仅配置1套直流操作电源蓄电池，取消UPS电源、通信电源蓄电池组，减少了维护管理工作量。蓄电池的日常维护由电气专业人员完成，对蓄电池的日常管理具有更严格的巡视、检查、维护体系，因而可以延长电池的使用寿命，并提高电源系统的可靠性。

一体化不间断电源将打破目前水电站的运行管理体制和习惯，将原各操作电源分开进行维护管理的工作转变到了由电气专业人员统一管理维护，减少人员冗余配置。

4.3经济效益

减少蓄电池的使用量，对改善环境质量具有积极的作用。并节约了蓄电池生产所需的铅、铜等不可再生资源。

4.4精细化管理，能较好地实现电源系统管理的网络化、智能化

将原由不同供货商提供的、通信规约不兼容的电源系统统一为同一标准的产品，设置集中监控器与水电站后台监控通信，实现站用电源系统数据一体化的实时监视，被监控对象的控制、调节和运行方式便于实施集中管理、分散控制。集中监控采用总线式结构，能方便地进行监控功能的扩展，方便维护。

5.结论

一体化不间断电源系统减少了设备配置、蓄电池及检测设备、屏柜数和安装建筑面积，提高设备可靠性、数据共享及系统分析水平，统一运行、维护，减少了运维人员和工作量，提高了工作效率和运营管理经济性。从一体化电源在尼、塔、萨水电站的成功应用，可看出一体化电源必将发挥出它的优势，具有良好的发展前景。

参考文献：

DL/T1074《电力用直流和交流一体化不间断电源设备》

DL/T5044《电力工程直流系统设计技术规定》

DL/T724《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》

何有均.发电厂和水电站一体化电源的探讨.

解放.王美君.浅析水电站交直流一体化电源系统.

王炳林.郭巍.水电站交直流一体化电源系统的设计与应用.