1 變電站、發(fā)電廠直流電源系統(tǒng)概述
變電站、發(fā)電廠的直流電源系統(tǒng)作為控制保護、自動化裝置、高壓斷路器分合閘機構、通信、計量、事故照明等設備的重要電源，其性能與質量直接關系直接關系到變電站，甚至電網的正常運行。直流電源好比變電站的“心臟”，對變電站的安全可靠運行至關重要，電源的可靠穩(wěn)定是保護裝置、自動化設備安全穩(wěn)定運行的前提。特別是無人值班變電站、綜合自動化變電站的廣泛采用，程序化變電站、數(shù)字化變電站的推廣應用，智能電網、智能變電站的發(fā)展，變電站自動化水平的不斷提高，電源系統(tǒng)的問題日漸顯現(xiàn)，重要性越來越突出。
2 直流電源系統(tǒng)典型主接線
直流電源系統(tǒng)典型主接線見圖1
兩組蓄電池兩套充電裝置的直流電源系統(tǒng)應采用兩段單母線接線，兩段直流母線之間應設聯(lián)絡電器。每組蓄電池組和充電裝置應分別接人不同母線。
在進行切換操作時，蓄電池組不得脫離直流母線，在切換過程中允許兩組蓄電池短時并列運行。直流電源系統(tǒng)應采用不接地方式。
3 直流電源的組成
直流電源系統(tǒng)主要由以下單元組成:交流輸人，充電模塊，監(jiān)控單元(含饋線狀態(tài)監(jiān)測單元)，電壓監(jiān)測、絕緣監(jiān)察(含接地選線)裝置，硅降壓回路(可選)，蓄電池管理單元(可選)，直流饋線網絡，蓄電池。詳見圖2
3.1 交流輸入單元
充電裝置交流輸入應設兩個回路，兩路交流電源應分別取自站用電不同段交流母線。當充電裝置兩路交流輸入采用切換方式時，切換裝置應穩(wěn)定可靠;當充電裝置兩路交流輸入不采用切換方式時，每路交流輸入應盡量均分充電模塊的數(shù)量。
3.2 充電模塊
高頻開關電源充電模塊的主要功能是將交流電源變換為高品質的直流電源。模塊由全波整流及濾波器、高頻變換及高頻變壓器、高頻整流濾波器等構成。模塊內部應具有監(jiān)控功能，顯示輸出電壓/電流值，能不依賴監(jiān)控單元獨立工作;應具有保護、報警功能;并可帶電插拔更換及具有軟啟動功能。
3.3 監(jiān)控單元(含饋線狀態(tài)監(jiān)測單元)
監(jiān)控單元是高頻開關電源及其成套裝置的監(jiān)控、測量、信號和管理系統(tǒng)的核心部分，應根據(jù)直流電源系統(tǒng)運行狀態(tài)，綜合分析各種數(shù)據(jù)和信息，對整個系統(tǒng)實施控制和管理。 饋線狀態(tài)監(jiān)測模塊應能采集每回直流饋線回路的斷路器位置，并與監(jiān)控單元通信，實現(xiàn)對所有直流饋線的工作狀態(tài)進行監(jiān)視。
3.4 電壓監(jiān)測、絕緣監(jiān)察(含接地選線)裝置
在線監(jiān)測直流電源系統(tǒng)對地絕緣狀況(包括直流母線和各個饋線回路絕緣狀況)，并自動檢出故障回路。能監(jiān)測母線正對地、母線負對地電壓，能檢測出每個支路的正對地電阻和負對地電阻。為了實時監(jiān)測直流電源系統(tǒng)的絕緣狀況，應安裝絕緣監(jiān)察裝置。
3.5 硅降壓回路
為了實行有效的蓄電池充電和保證直流電源控制母線的電壓要求，設有硅降壓回路，其應有防止硅元件開路的措施。額定電流應滿足所在回路最大持續(xù)負荷電流的要求，并應有承受沖擊電流的短時過載和承受反向電壓的能力。
3.6 蓄電池管理單元
檢測蓄電池的基本運行狀態(tài)，實現(xiàn)蓄電池組和每個單體的實時電壓、電流、環(huán)境溫度的采集和記錄，并實現(xiàn)蓄電池組端電壓過高、過低，單體蓄電池端電壓過高、過低，各單體蓄電池壓差過高，蓄電池環(huán)境溫度的過高、過低，蓄電池組充電電流過大，蓄電池組浮充電流過大等報警內容。
3.7 直流饋線網絡
直流電源供電回路分為環(huán)形供電方式和輻射供電方式。環(huán)形供電網絡干線或小母線的二回直流電源應分別經直流斷路器接人兩段直流母線，正常時為開環(huán)運行。環(huán)形供電網絡干線引接負荷支路應設置直流斷路器。
直流電源系統(tǒng)支路直流熔斷器和直流斷路器級差配合原則:應注意上下級之間的配合。當直流斷路器與熔斷器配合時，應考慮動作特性的不同，對級差做適當調整。直流斷路器下一級不宜再接熔斷器。上、下級均為直流斷路器的，額定電流宜按照4級及以上電流級差選擇配合。蓄電池出口為熔斷器，下級為直流斷路器的，宜按照2倍及以上額定電流選擇級差配合。變電站內設置直流保護電器的級數(shù)不宜超過4級。
3.8 蓄電池
蓄電池是一種可多次重復使用的化學電源。它可將儲備的化學能轉變?yōu)殡娔芄┙o負荷，這一過程稱為放電。當參加反應的物質以電能的形式釋放完畢之后，可用充電器對其輸人直流電能，將電能轉變?yōu)榛瘜W能，這一過程稱為充電。
大中型變電站一般都采用將若干個蓄電池連接組成的蓄電池組作為直流操作電源，它是一種獨立式電源系統(tǒng)，與一次系統(tǒng)的運行方式無關，在一次系統(tǒng)發(fā)生故障，甚至在變電站失去全部交流電的情況下，仍能在一定時間內可靠工作，以保證直流負荷的正常工作，因此具有較高的供電可靠性和穩(wěn)定性。而且蓄電池電壓平穩(wěn)，容量較大，能夠適用任何復雜的繼電保護和自動裝置，對于各種類型的斷路器都可以用直流操動機構進行遠距離操作。
4 直流電源系統(tǒng)的新技術應用
4.1 監(jiān)控裝置的高級功能應用
目前國內外對無人值班變電站均沒有提出符合智能化電網的直流監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)定。應進一步完善直流系統(tǒng)智能化功能，使之具備直流電源實時仿真系統(tǒng)、信號報警顯示系統(tǒng)、自動診斷系統(tǒng)、遠程訪問及維護系統(tǒng)等功能。
無人值班變電站直流監(jiān)控系統(tǒng)除應符合一般規(guī)定外，還需要滿足以下高級功能應用要求:統(tǒng)一數(shù)據(jù)信息平臺，實時監(jiān)測各種運行狀態(tài);支持可視化運行維護;具有智能告警、信息綜合分析、自診斷及遠程維護等功能。這些功能對準確了解現(xiàn)場直流電源系統(tǒng)問題及提升故障處理響應速度，及時矯正運行狀態(tài)參數(shù)有重要意義，將是未來無人值班變電站直流監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
4.2 絕緣檢測技術提升
絕緣檢測裝置需具有下列功能:
①每段母線配置一套絕緣檢測裝置，兩套裝置之間具有通信接口;
②每套裝置正常獨立運行，當兩段母線臨時并列時，經過選定，一套裝置退出運行，其所有被檢測回路自動切換到另一套裝置;
③具有如下報警功能:交流竄人報警、直流互竄報警、絕緣降低報警、母線電壓異常報警、電池接地定位顯示、檢測二段母線環(huán)網功能、自檢功能。
絕緣檢測裝置檢測數(shù)據(jù)、信號，經過整理分析，通過通信接口輸送到監(jiān)控裝置，重要報警信號用無源硬接點輸出。
新要求的交流竄人報警、直流互竄報警等環(huán)網檢測功能的加人將有效提升直流電源系統(tǒng)的運行可靠性。
4.3 蓄電池在線監(jiān)測及遠方監(jiān)控
蓄電池組是直流系統(tǒng)的獨立后備電源，是變電站的最后一道防線，對變電站的安全可靠運行起著至關重要的作用。由于電池長期處于備用狀態(tài)，因此電池的制造質量和日常管理及維護是否到位決定著電池在關鍵時刻能否發(fā)揮作用。應加強蓄電池日常專業(yè)化維護管理，加強狀態(tài)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)存在的隱患。
蓄電池在線監(jiān)測裝置可在線監(jiān)測蓄電池的電壓、電流、溫度和內阻，并可對蓄電池的容量進行智能預測。通過測量蓄電池參數(shù)，發(fā)現(xiàn)蓄電池內部問題。也可實現(xiàn)蓄電池遠距離實時在線監(jiān)測，遠方在線監(jiān)測蓄電池運行狀況，及時判斷電池設備性能，提高運行可靠性，減少工作量，提高設備維護質量。
4.4 鋰離子蓄電池在直流電源系統(tǒng)的應用
近年來，鋰離子蓄電池因其屬于無毒、無污染的新型環(huán)保電池，具有比能量大、壽命長、自放電率小、工作溫度范圍寬、維護工作量小等多項優(yōu)點，在電力系統(tǒng)已有試運行。但由于其設計原型是用于頻繁充放電的啟動型蓄電池，將其應用為以浮充電方式運行的直流電源，對蓄電池安全性、容量選擇計算以及現(xiàn)有直流電源系統(tǒng)接線適用性、充放電運行方式等方面的影響還需要做深人研究。需要繼續(xù)跟蹤研究銼電池安全穩(wěn)定運行的方法和措施，對鋰電池的各種曲線、系數(shù)等重要數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)試驗和資料整理，確定其在電力工程的應用范圍、運行參數(shù)、系統(tǒng)構成以及設備選擇等相關技術要求。在經過實際變電站工程的設計、計算、安裝、調試，驗證研究成果后，逐漸推廣應用。
4.5 交直流電源一體化設計
整個站用電源包括交流電源、直流電源、逆變電源、UPS電源、通信電源，采用一體化電源設計，就是對變電站的所有電源進行系統(tǒng)的設計。其特點為:
1)采用統(tǒng)一的監(jiān)控平臺，避免了各種電源通信不統(tǒng)一，重復檢測及電源間溝通困難的缺點，可根據(jù)負荷的需要優(yōu)化配置。
2)可集中引人故障預警(如蓄電池的在線監(jiān)測)和設備自檢等功能，安全高效。
3)原各種電源間的跨屏電纜可大大減少。
4)一體化的防雷設計，使得整個系統(tǒng)成本降低，防雷性能更好。
5)不同電源間的開關品牌、極差配合的問題可一體化考慮。
6)整個變電站站用電源統(tǒng)一使用電池，避免電池的分散投資和維護，使變電站的電池成本更低，可靠性更高。
7)由于數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，統(tǒng)一分析，使得整個電源系統(tǒng)的維護變得非常簡潔、高效。 但目前一體化的通信以及過載和短路的配合還需要深人、系統(tǒng)的研究。
