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变电站交流不间断电源系统设计


电力建设

专栏

变电站交流不间断电源系统设计
□谷新梅
摘 要: 交流不间断电源系统为变电站自动化系统、 火灾报警装置等重要负荷提供高质量、 稳定可靠的不间断 电源, 是电网调度自动化和变电站监控系统的关键电源设备。本文分析了电力专用交流不间断电源系统的组 成和功能特点, 并结合工程实际, 分析变电站交流不间断电源系

统的设计方法和应用中需要注意的一些问题。 关键词: 电力专用不间断电源 (UPS 电源 ; ) 蓄电池组

随着电力系统的飞速发展, 各地区对电网安全经济运行都 提出了更新更高的要求, 这就需要不断完善和提高电力系统的 自动化水平。变电站作为电网运行的重要组成部分, 自动化水 平越来越高, 目前大多数 220kV 及以下变电站已实现无人值班 远动 运行。为了使变电站自动化系统中当地监控系统计算机、 设备、 保护故障信息子站、 电能计量 (ERTU 、 ) 火灾报警系统、 调 度数据网通信及安防等设备能够安全可靠地运行, 就需要为上 述系统提供稳定、 不间断、 高质量的电源。变电站交流不间断电 源系统 (以下简称 UPS 电源系统 由电力专用交流不间断电源 ) (以下简称 UPS 电源 和外围设备 ) (交流输入单元、 直流输入单 监视控制器、 数字表计、 交流馈线单元等 组成, ) 是变电站自 元、 动化系统的关键电源设备, 是电网调度自动化系统安全稳定运 行的基础。

运行状态、自动旁路运行状态以及逆变器运行状态等开关量。 监控单元具备交流输入 / 输出电压超限告警、交流输入中断告 警、 交流输入频率超限告警、 整流器关闭告警、 逆变器关闭告警 以及旁路供电告警等告警功能。监控单元通过 RS485/RS232 或以太网通讯接口与变电站自动化系统通信。

2 变电站 UPS 电源系统的主要接线形式
考虑到变电站 UPS 电源负载的重要性, UPS 电源系统配 置两台 UPS 电源, 构成双机冗余供电系统。两台 UPS 电源分 “主机”“从机”它们各自由一路交流和一路直流电 和 , 别被称作 源供电, 没有独立的旁路输入电源。从机的交流输入与旁路输 入并联, 均取自同一路交流电源, 从机的输出作为主机的旁路 输入电源, 主机的输出作为 UPS 电源系统的交流输出。具体接 线参考下图:

1 变电站 UPS 电源系统构成和功能
(1 变电站 UPS 电源系统包括: ) UPS 电源、 外部交直流输 交流输出、 数字表计、 屏柜及安装辅助设施等。UPS 电源由 入、 逆变器、 静态旁路切换开关、 手动维修旁路开关、 输入 / 整流器、 输出隔离变压器、 旁路隔离变压器 (可选 、 ) 内置防雷器、 监视控 制器、与外系统的通信接口、输入 / 输出保护电器等元器件组 因为变电站内配置有独立的直流电源系统, 带直流蓄 成。另外, 电池组, 所以 UPS 电源的直流输入取自站内直流系统, 不再为 UPS 电源系统配置专用的蓄电池。 (2 变电站 UPS 电源工作方式如下: ) 当交流输入电源正常 时, 交流输入电源经整流器由交流变成直流, 再经逆变器由直 流变成交流输出到负载;当交流输入电源故障时, UPS 电源由 交流输入电源供电切换至由变电站直流系统接取的直流输入 电源经逆变器供电, 切换时间为 0ms; 当交流输入电源恢复正 常后, UPS 电源自动由直流输入电源经逆变器供电切换至由交 流输入电源供电, 切换时间应为 0ms。 UPS 电源逆变输出中 当 断时,通过 UPS 电源旁路静态切换开关自动切换至交流旁路 输入电源供电,切换时间小于 5ms;当逆变输出恢复后, UPS 电源自动切换至逆变输出供电, 切换时间小于 5ms。 (3 变电站 UPS 电源系统除具备 UPS 电源自动切换功能 ) 外, 还配有旁路检修开关, UPS 退出检修维护时可闭合检修 在 开关为负载供电。此外, 系统配置监视控制器, 监控单元具有操 作权限密码管理功能, 任何改变运行方式和运行参数的操作均 需要权限确认。监控单元能对交流输入保护定值、 UPS 电源运 行及告警参数定值、蓄电池组运行及告警参数定值进行设置。 监控单元还具备显示和存储功能, 能显示相关保护定值、 模拟 量测量值、开关量记录和告警记录等,能以模拟盘方式显示 UPS 电源的不同工作状态。 监控单元负责测量包括交流输入线 电压、 相电流; 交流旁路输入线电压和相电流; 交流输出线电 压、 相电流; 交流输入、 输出和旁路频率等模拟量和包括整流器

这种接线的特点是: 从机 UPS 电源容量相同, 主、 单台容 量不小于 1.2 倍全部负载额定功率总和。UPS 电源系统的交流 输入电源采用双路电源供电方式, 两路交流输入电源分别来自 不同的站用变, 根据 UPS 容量大小, 输入电源可选用三相或单 相。UPS 电源系统的直流输入电源采用双路电源供电方式, 两 路输入电源分别来自不同的直流母线。 UPS 电源系统输出为单 相交流电源。因为主机的旁路输入接自从机的交流输出, 保证 了主机旁路输入的可靠性。UPS 电源系统输出为一段交流母 线, 全部负载电源均从该母线上馈线开关接取。UPS 电源系统 内部接线比较简单, 输出至负载电源配电统一, 两台 UPS 电源 一主一备, 提高了设备的可靠性。 目前大部分变电站的 UPS 电源系统均采用上述接线方 式, 变电站自动化系统中当地监控系统计算机、 远动设备、 火灾 报警系统等对电源的稳定性和可靠性要求较高的设备均从该 系统接取电源, 运行效果良好。随着变电站自动化水平的提高, 更多的智能设备加入变电站自动化系统, 担负着重要的生产任 务, 如保护故障信息子站、 电能计量 (ERTU 、 ) 调度数据网通信 及安防等设备, 使交流不间断电源需求增长。变电站内各重要 系统设备配置和选型也更加完善, 基本实现了重要系统设备冗 余配置或采用双电源设备来保证系统的安全运行。针对这种变 化, UPS 电源系统接线方式也应相应调整,调整后的系统采用

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双机双母线带母联开关的接线方式, 如下图:

其分享的变电站直流系统蓄电池容量, 考虑负载接入时必须遵 摄像机等功率大、 启动电流大、 循上述原则, 严禁接入打印机、 布置分散、 容易发生接线短路等故障的设备, 以免消耗 UPS 容 量或者故障扩大、 影响重要设备用电。 根据各电压等级变电站负载情况, 建议负载按以下原则接 入 UPS 电源母线:
3.2.1 500kV 变电站 UPS 电源负载接入

UPS 电源系统配置两台 UPS 电源,构成双机冗余供电系 它们各自由两路交流 统。两台 UPS 电源正常均处于工作状态, 和一路直流电源供电, 有独立的旁路输入电源。两台 UPS 电源 的交流输出各带一段交流母线,两段母线之间设置母联开关, 母联开关具有防止两段母线均带电合开关的防误操作功能, 当 两台 UPS 电源其中一台故障退出时,该电源所带负载可通过 手动闭合两段母线的母联开关由另一台 UPS 电源供电。由 UPS 电源供电的设备按照负载均分原则分别接到 UPS 电源输 出的两段母线上:双电源设备的两路交流输入电源分别接到 UPS 电源输出的两段母线上; 单电源冗余配置的设备, 两台设 备交流输入电源分别接到 UPS 电源输出的两段母线上;单电 源非冗余配置的设备根据负载均分原则分别接到 UPS 电源输 出的两段母线上。 调整后的接线方式较原有接线方式复杂, 主要是增加了两 路旁路输入, 增加了母线段和母线运行方式。UPS 电源容量选 择不变, 增强了两台 UPS 电源的互换性, 取消了 “主机 / 从机” 的固定分配模式, 提高了设备使用率。两段母线分担冗余配置 的负载电源, 增强了电源可靠性, 杜绝了因一台 UPS 电源输出 可靠。这种接线 故障影响整段母线的问题, 运行方式更加灵活、 方式更加适用于新的变电站自动化系统的电源需求。但是, 调 整后的接线也存在一些需要注意的问题, 如两段母线不能同时 必须在选用 带电合母联, 否则将导致电源并列。为防止误操作, 对于单电源非冗余配 母联开关时配置相应功能的设备。另外, 置的设备, 其电源只能取自一段母线, 失电可能性相对调整前 的接线方式稍大。

500kV 变电站当地监控系统服务器、 调度数据网纵向认证 装置等双电源冗余配置的设备, 每台设备的双路电源分别接到 UPS 电源输出的两段母线上。当地监控系统工作站、 保护故障 电能计量遥测设备 (ERTU 、 ) 远动设备 (RTU 、 ) 变电 信息子站、 站当地监控系统交换机、 调度数据网交换机、 调度数据网路由 器、 调度数据网防火墙等单电源冗余配置的设备, 两台设备分 别接到 UPS 电源输出的两段母线上。火灾报警系统等单电源 非冗余配置的设备,根据负载均分原则分别接到 UPS 电源输 出的两段母线上。
3.2.2 220kV 变电站 UPS 电源负载接入

220kV 变电站调度数据网纵向认证装置等双电源非冗余 配置的设备,设备的双路电源分别接到 UPS 电源输出的两段 母线上。变电站当地监控系统工作站、 保护故障信息子站、 电能 (RTU 、 ) 变电站当地监控系统 计量遥测设备 (ERTU 、 ) 远动设备 交换机、 等单电源冗余配置的设备, 两台设备分别接到 UPS 电 源输出的两段母线上。调度数据网交换机、 调度数据网防火墙、 调度数据网路由器、火灾报警系统等单电源非冗余配置的设 备, 根据负载均分原则分别接到 UPS 电源输出的两段母线上。
3.2.3 110kV 变电站 UPS 电源负载接入

3 变电站 UPS 电源系统设计相关问题
3.1 变电站 UPS 电源容量选择 UPS 电源容量大小由负载大小决定,按单台容量不小于 1.2 倍全部负载额定功率总和计算,功率因数取 0.8。变电站 UPS 电源系统为当地监控系统计算机、 远动通信设备、 保护故 障信息子站、 电能计量遥测设备 (ERTU 、 ) 火灾报警系统、 调度 数据网通信及安防设备提供稳定、 可靠的交流电源, 将上述设 备额定功率总加即为负载总和, 1.2 倍冗余系数, 取 再除以功 率因数就得到单台 UPS 电源容量。根据工程经验, 500kV 变电 站宜配置的单台 UPS 电源容量不小于 10kVA, 220kV 变电站 宜配置的单台 UPS 电源容量不小于 5kVA, 110kV 变电站宜配 置的单台 UPS 电源容量不小于 3kVA。 3.2 变电站 UPS 电源系统负载接入原则 变电站 UPS 电源系统输出高质量、稳定、可靠的交流电 源,为监控系统等变电站生产控制核心设备正常运行提供电 源, 因其直流输入取自变电站直流系统, 所以能够在全站失压 的情况下维持一定时间的供电。变电站 UPS 电源系统供电范 围明确为: 与变电站生产控制密切相关的、 要求高质量电源供 不能中断电源的设备负载。限于 UPS 电源自身的容量和 电的、

110kV 变电站当地监控系统工作站、电能计量遥测设备 (ERTU 、 ) 远动设备 (RTU 、 ) 变电站当地监控系统交换机等单电 源冗余配置的设备,两台设备分别接到 UPS 电源输出的两段 母线上。保护故障信息子站、 调度数据网交换机、 调度数据网防 调度数据网路由器、 火灾报警系统等单电源非冗余配置 火墙、 的设备,根据负载均分原则分别接到 UPS 电源输出的两段母 线上。 3.3 变电站 UPS 电源系统开关选择 变电站 UPS 电源系统开关含: 交流输入开关、 旁路输入开 交流输出开关、 直流输入开关等。选择开关时应注意以下几 关、 个方面: 开关宜带有辅助触点和报警触点, 以便监视开关状态; 交流输入、输出开关宜按照 2 倍及以上 UPS 电源额定电流配 置, 并考虑 1.2 倍裕度; 交流馈线开关宜按照 2 倍及以上负载 额定电流选择; 交流旁路输入开关、 交流输出开关与馈线开关 之间的级差配合最小应为两级;直流输入开关可根据 UPS 电 源额定电流选择, 宜按照 1.5 ̄2 倍 UPS 电源额定电流选择, 并 考虑 1.2 倍裕度; 直流输入开关应选用直流专用空开, 不得用 交流空开替代。

4 结束语
本文通过分析电力专用交流不间断电源系统的组成和功 能特点, 以及变电站常用的 UPS 电源系统接线方式, 结合工程 应用, 提出了变电站交流不间断电源系统设计过程中应遵循的 原则和需要注意的问题。随着变电站自动化水平的提高, 变电 站设备向数字化、 智能化方向发展, 变电站内电源系统的可靠 性要求越来越高,交流不间断电源系统设计也将推陈出新, 变 得更加合理、 更加可靠。■

(作者单位: 广东省电力设计研究院 )

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