智能化變電站分布式直流電源子系統的製作方法

2023-05-10 11:14:46 2

專利名稱：智能化變電站分布式直流電源子系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種智能化變電站分布式直流電源子系統。
背景技術：
目前智能變電站要求二次設備分層分布式布置且設備就地安裝。當主變側保護測控、低壓側保護測控、合併單元等設備距離直流電源屏較遠時，直流電源需增加分電屏並使用大量電纜給設備供電。目前站用直流電源已成為一個規模很龐大的系統，饋線多達幾百路以覆蓋整站的直流用電設備。若採用常規直流電源系統，則直流供電迴路勢必過長過多。這將增加引入諸如1、母線多次分段後斷路器級差配合困難，級差配合不合理出現越級跳閘將故障範圍擴大化。2、接地隱患增多。直流母線竄入交流、直流母線互竄、正負母線同時接地及多點接地，分布電容大易導致保護設備誤動等多種故障隱患的可能。這也是當前220kV及以上電壓等級的站用直流電源系統的常見故障點。當然常規直流電源系統還存在:3、蓄電池長期運行在浮充備用狀態，蓄電池的性能很難做出正確評價。4、系統設計龐雜、故障多。直流母線失電後，全站設備癱瘓。5、一段母線只依賴於一組蓄電池，設計可靠性不高。6、直流故障後，若主要部件如電池、充電模塊、監控裝置等發生故障，工作人員需要給電池拆線，很難及時快速地修復直流電源系統。中國專利(申請號:2011101300550，專利名稱:分布式直流電源不間斷供電系統)，該專利公開了一種分布式直流電源不間斷供電系統，包括直流母線和若干分布在各個場合的直流電源子系統，所述若干個直流電源子系統均連接於直流母線上構成供電網絡，每個直流電源子系統包括:交流輸入單元、能量供給單元、儲能裝置和多路直流輸出迴路，也提到了儲能裝置包括鉛酸電池和鋰電池。但是該專利沒有涉及電池可以模塊化設計，更沒有提到如何檢測直流母線是否混入交流、沒有涉及蓄電池單體溫度的採集和內阻的採集、沒有解決如何維護蓄電池組的整組壽命、保證鋰蓄電池組的性能、沒有涉及將光伏發電設備和風力發電設備供給的電能轉換為穩定的站用直流電源，從而實現綠色能源節能降耗。

實用新型內容本實用新型的目的就是為了解決上述問題，提供一種智能化變電站分布式直流電源子系統，它具有根據變電站的格局規劃和用電設備的設計容量將直流電源分成若干個各自獨立運行的小系統且能與用電設備就近布置，每個分布式直流電源子系統規模較小、結構簡單、安全可靠，能更好的保證本區間直流電源供電穩定性及安全性優點。為了實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案:一種智能化變電 站分布式直流電源子系統，包括電源監測裝置，所述電源監測裝置通過現場總線分別與系統狀態監測裝置和供電系統連接，所述供電系統還與採用模塊化設計且支持即插即用的蓄電池組連接，所述蓄電池組的每組模塊內包含若干個蓄電池。[0014]進一步的，所述電源監測裝置還通過現場總線與直流絕緣監測裝置連接。[0015]進一步的，所述電源監測裝置還通過現場總線與蓄電池監測系統連接，所述蓄電池監測系統與蓄電池組連接。[0016]進一步的，所述電源監測裝置還通過現場總線與蓄電池維護系統連接，所述蓄電池維護系統與蓄電池組連接。[0017]所述系統狀態監測裝置包括模擬量採集模塊、開關量採集模塊或故障檢測模塊。[0018]所述系統狀態監測裝置是直流系統的常規配置單元，通過現場總線如RS485與電源監測裝置連接。[0019]所述模擬量採集模塊用於交流進線及直流母線上的電壓、電流等模擬量採樣。[0020]所述開關量採集模塊用於直流饋線開關狀態及脫扣狀態的採樣。[0021]所述故障檢測模塊用於避雷器故障、輸出側熔絲、防雷空開跳閘等狀態的檢測。[0022]所述直流絕緣監測裝置包括母線絕緣檢測模塊、支路絕緣檢測模塊或交流混入檢測模塊。[0023]所述直流絕緣監測裝置用於監測直流母線竄入交流，直流母線互竄，正負母線同時接地等故障。採用漏電流法檢測饋線的對地絕緣狀況不會對母線注入低頻交流信號，保證母線健壯穩定。單母線設計不存在直流母線互竄故障並通過專用電路能實現上述反錯涉及的故障檢測。[0024]所述母線絕緣檢測模塊用於檢測直流模塊對地絕緣電阻。[0025]所述支路絕緣檢測模塊用於檢測直流饋線對地絕緣電阻。[0026]所述交流混入檢測模塊用於檢測直流母線是否混入交流。[0027]所述蓄電池監測系統包括蓄電池電壓檢測模塊、蓄電池組溫度檢測模塊或蓄電池組內阻檢測模塊。[0028]蓄電池監測系統與蓄電池維護系統協同工作，所述蓄電池監測系統用於用於監測本系統內單體電池的電壓、溫度、內阻等數據，[0029]所述蓄電池電壓檢測模塊用於採集蓄電池單體電壓。[0030]所述蓄電池組溫度 檢測模塊用於採集蓄電池單體溫度。[0031 ] 所述蓄電池組內阻檢測模塊用於採集蓄電池單體內阻。[0032]所述蓄電池維護系統包括正負脈衝充電裝置、被動充電均衡裝置或主動充電均衡>J-U裝直。[0033]所述蓄電池維護系統用於依據蓄電池監測系統監測的信息對電池進行均衡操作，提高蓄電池組內部單節電池性能一致性，提高整組壽命和容量，保證鋰蓄電池組的性能。[0034]對鉛酸蓄電池組來說，採用正負脈衝充電裝置可提高充電速度，同時起到蓄電池活化和均衡作用。被動充電均衡裝置及主動充電均衡裝置可用於鉛酸和鋰離子蓄電池組。被動充電均衡裝置在均充電過程中通過對電壓偏高的單體電池側並聯電阻方案消耗其電能，實現整組內單體電壓及容量一致。主動充電均衡裝置通過相鄰單體雙向DC-DC能量變換方式實現相鄰單體間電壓容量一致，從而最終達到整組內各單體一致。[0035]所述供電系統包括電源切換控制裝置、高頻開關充電裝置、光伏充電裝置或風電充電裝置。所述供電系統用於對外提供穩定可靠站用直流電源。所述電源切換控制裝置用於主備電池組間在線投退控制切換，保證系統供電安全。所述高頻開關充電裝置用於為主備電池組快速充電。高頻開關充電裝置由多個AC-DC充電模塊組成。所述主電池組是指當前與直流母線連接的蓄電池組，備用電池組是指已脫離直流母線的蓄電池組所述光伏充電裝置用於將光伏發電設備供給的電能轉換為穩定的站用直流電能。所述風電充電裝置用於將風力發電設備供給的電能轉換為穩定的站用直流電源。若干所述分布式直流電源子系統通過站控層網絡與主控室通信，若干所述分布式直流電源子系統、站控層網絡和主控室三者共同組成了分布式直流電源系統。所述電源監測裝置是本系統的核心控制單元。它採用高性能的嵌入式平臺設計。可實現運行及故障信息匯集和轉發、整個電源系統的邏輯控制、主備蓄電池組的充電及維護，最終保障直流供電的穩定性。
電源監測裝置通過乙太網口接入智能變電站站控層網絡，遵循《DLT 329-2010基於DLT 860的變電站低壓電源設備通信接口》標準的設計模型及通信接口，實現雙向信息交互，滿足智能變電站基於DL/T 860的通訊一致性要求。基於IEEE1588的對時功能滿足了測量和控制應用的分布網絡定時同步的需要，並能解決乙太網延遲時間長和同步能力差的瓶頸。所述蓄電池組是站用直流電源的核心部件，採用磷酸鐵鋰蓄電池組或閥控式鉛酸蓄電池組。蓄電池組採用模塊化設計且支持即插即用，蓄電池組的每個模塊內包含若干個蓄電池，當蓄電池組出現故障時只需用同規格的備品電池組更換，即能快速恢復分布式直流電源子系統。蓄電池組可分為主電池組和備用電池組，所謂主電池組是指當前與直流母線連接的蓄電池組，備用電池組是指已脫離直流母線的蓄電池組。所述蓄電池組用於儲存電能，當交流失電後保障直流電源供給。本實用新型的有益效果:將原來規模龐大的直流電源系統按照空間區間分為若干分布式直流電源子系統，這種設計方式有以下優勢:1、分布式直流電源子系統與用電負荷集中布置，每個子系統規模小，斷路器等保護設備級數減少，斷路器級差配合更容易實現。2、採用單母線無矽鏈設計，結構簡單，接地、交流混入等故障點就少。同時饋線路數少，分布電容小，可有效降低單點接地危害性，使整個系統的可靠性提高。並可避免常規直流系統因電纜過長造成的採樣信號衰減及採樣精度偏差引起的設備誤動誤報警等故障。採用漏電流法的交流饋線接地監測，交流混入、直流互竄等檢測方法的引入，能夠更全面的對整個電源系統用電狀況進行監測，更準確的反映系統的對地絕緣狀況。3、鋰電池均充頻率高，其電池性能參數更易於獲取。通過單體電池內阻及溫度監測，能實時反映其健康狀態及實現SOC估算。蓄電池均衡系統的採用能提高蓄電池組內部單節電池性能一致性，提高整組壽命和容量。4、分布式供電，單個子系統電源出現問題，只限於本區間癱瘓，故障面小，不會造成整站直流電源系統癱瘓，從某種程度上說會提高整站運行安全係數係數及可靠性。系統規模小，可與現場設備就近小空間安裝。且分布式直流電源子系統與當前主流智能變電站分層、分布式設計理念一致，可與合併單元、智能終端等用電設備共置於同一戶外櫃。5、磷酸鐵鋰蓄電池組替換常規的閥控式鉛酸蓄電池組，具備壽命長，安全不爆炸，工作溫度範圍寬，大容量、綠色環保、可快速充電、無記憶效用等優勢，更符合大規模推廣應用的條件。主備式蓄電池配置，電源可靠性更高。因為鋰電池適合滿充滿放式管理，電池的性能及健康狀況實時反映給運行人員，能更早的發現電池隱患。6、各主要部件模塊化設計，採用統一接口、統一規格。可提高組屏生產效率，且設計更加靈活。電池模塊、充電機模塊、監控裝置等部分採用即插即用設計，現場上述部件出現故障後，可使用備件熱插拔替換。提高了故障恢復效率。另外:7、監控裝置採用符合電力推薦標準的通信模型及通訊接口，使其整個系統與上級設備通信時接口 更標準，一致性更好。8、支持光伏、風電等綠色新能源的接入，支持節能降耗。

圖1為分布式電源子系統功能框圖；圖2為分布式直流電源系統；圖3為採用鉛酸蓄電池的常規分布式直流電源子系統接線示意圖；圖4為分布式直流電源子系統1+1模式接線示意圖；圖5為分布式直流電源子系統2+1模式接線示意圖；圖6為分布式直流電源子系統2+2模式接線示意圖；圖7為新能源接入框圖；圖8為1+1模式鋰電池組接線示意圖；圖9為本實用新型選用的交流混入檢測等效電路。其中，1、電源監測裝置，2、系統狀態監測裝置，3、直流絕緣監測裝置，4、蓄電池監測系統，5、蓄電池維護系統，6、供電系統，7、蓄電池組，8、現場總線，9、主控室，10、站控層網絡，11、分布式直流電源子系統，21、模擬量採集模塊，22、開關量採集模塊，23、故障檢測模塊，31、母線絕緣檢測模塊，32、支路絕緣檢測模塊，33、交流混入檢測模塊，41、蓄電池電壓檢測模塊，42、蓄電池組溫度檢測模塊，43、蓄電池組內阻檢測模塊，51、正負脈衝充電裝置，52、被動充電均衡裝置，53、主動充電均衡裝置，61、電源切換控制裝置，62、高頻開關充電裝置，63、光伏充電裝置，64、風電充電裝置。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1所示，一種智能化變電站分布式直流電源子系統，包括電源監測裝置1，所述電源監測裝置I通過現場總線8分別與系統狀態監測裝置2和供電系統6連接，所述供電系統6還與蓄電池組7連接。進一步的，所述電源監測裝置I還通過現場總線8與直流絕緣監測裝置3連接。進一步的，所述電源監測裝置I還通過現場總線8與蓄電池監測系統4連接，所述蓄電池監測系統4與蓄電池組7連接。[0070] 進一步的，所述電源監測裝置I還通過現場總線8與蓄電池維護系統5連接，所述蓄電池維護系統5與蓄電池組7連接。[0071 ] 所述系統狀態監測裝置2包括模擬量採集模塊21、開關量採集模塊22或故障檢測模塊23。[0072]所述直流絕緣監測裝置3包括母線絕緣檢測模塊31、支路絕緣檢測模塊32或交流混入檢測模塊33。[0073]所述蓄電池監測系統4包括蓄電池電壓檢測模塊41、蓄電池組溫度檢測模塊42或蓄電池組內阻檢測模塊43。[0074]所述蓄電池維護系統5包括正負脈衝充電裝置51、被動充電均衡裝置52或主動充電均衡裝置53。[0075]所述供電系統6包括電源切換控制裝置61、高頻開關充電裝置62、光伏充電裝置63或風電充電裝置64。[0076]所述蓄電池組7是站用直流電源的核心部件，採用磷酸鐵鋰蓄電池組7或閥控式鉛酸蓄電池組7。蓄電池組7採用模塊化設計且支持即插即用，當蓄電池組7出現故障時只需用同規格的備品電池組更換，即能快速恢復分布式直流電源子系統11。[0077]如圖2所示，若干所述分布式直流電源子系統11通過站控層網絡10與主控室9通信，若干所述分布式直流電源子系統11、站控層網絡10和主控室9三者共同組成了分布式直流電源系統。所述電源監測裝置I是本系統的核心控制單元。它採用高性能的嵌入式平臺設計。可實現運行及故障信息匯集和轉發、整個電源系統的邏輯控制、主備蓄電池組7的充電及維護，最終保障直流供電的穩定性。[0079]電源監測裝置I通過乙太網口接入智能變電站站控層網絡10，遵循《DLT329-2010基於DLT 860的變電站低壓電源設備通信接口》標準的設計模型及通信接口，實現雙向信息交互，滿足智能變電站基於DL/T 860的通訊一致性要求。基於IEEE1588的對時功能滿足了測量和控制應用的分布網絡定時同步的需要，並能解決乙太網延遲時間長和同步能力差的瓶頸。[0080]如圖3所示，若蓄電池組7仍選用閥控式鉛酸蓄電池組7，本子系統設計方式與小負荷的站用常規直流電源系統類似。電池組都與直流母線連接，充電裝置也與直流母線連接。[0081]如圖4所示，充電裝置、監控裝置和兩個電池組都與直流母線連接，充電裝置分別與兩個電池組連接，監控裝置還會監測充電裝置、第一電池組和第二電池組的信息交流進線進入充電裝置。[0082]如圖5所示，考慮到電源系統的可靠性在1+1模式的基礎上可以再增加一組蓄電池7，增大系統的冗餘度，本發明稱之為2+1模式。正常運行時兩組蓄電池同時掛在母線上進行供電，第三組蓄電池作為替換電池使用。充電裝置優先對先脫離的電池進行充電。[0083]如圖6所示，針對500kV及以上智能變電站某些區間要求存在雙母線設計，可採用2+2模式(一般情況下分別用兩組蓄電池給兩段母線供電，兩組備用蓄電池組7作為兩段母線的備用電源)配置。當然也可選用兩套1+1模式配置的分布式直流電源子系統方案分別給兩段母線供電。蓄電池組7採用模塊化設計且支持即插即用，當蓄電池組7出現故障時只需用同規格的備用電池組更換，即能快速恢復分布式直流電源子系統11。如圖7所示，供電系統6是分布式直流電源子系統11中的核心組件。它由風電充電裝置64、光伏充電裝置63、高頻開關充電裝置62、電源切換控制裝置61等部分組成。風電充電裝置64、光伏充電裝置63等綠色環保電源的接入實現了電能輸入的多樣化，並使系統更加健壯。以1+1模式配置鋰離子電池組系統為例其接線示意圖如下圖8所示:高頻開關充電模塊由多個AC-DC充電模塊組成。如圖所示充電模塊與控制單元協調工作完成對兩組鋰電池組的充電維護及母線供電功能。由控制單元控制完成對兩組鋰電池組充電，當1#鋰電池組供電2#鋰電池組充電時，Kl、K4閉合Κ2、Κ3斷開；當2#鋰電池充電完畢時，Κ4斷開，2#鋰電池組處於熱備狀態；當1#鋰電池組電量不足時，由2#鋰電池組供電，1#鋰電池組充電，此時，Κ2、Κ3閉合，Kl斷開；當1#鋰電池組充電完畢時，Κ2斷開，1#鋰電池組處於熱備狀態。周而復始不斷循環。2+2模7式配置鋰離子電池組系統接線與1+1模式略有不同:1#鋰電池組為一母供電，2#鋰電池組為二母供電，3#鋰電池組作為一母的備用電源，4#鋰電池作為二母的備用電源。高頻開關充電模塊及電源切換控制協調工作完成對兩組鋰電池組充電維護及對應母線供電功能。單側的切換方式與上述的1+1配置類似。如圖9所示，本系統中選用的交流混入檢測等效電路，直流絕緣監測已經成為整個直流電源系統中非常重要的一個組成部分。特別是各級設計院幾次設計反錯後，直流絕緣檢測需檢測直流母線竄入交流，直流母線互竄，正負母線同時接地等故障。我們採用漏電流法檢測饋線的對地絕緣狀況不會對母線注入低頻交流信號，保證母線健壯穩定。單母線設計不存在直流母線互竄故障並通過專用電路能實現上述反錯涉及的故障檢測。R1，R2是平衡橋電阻，Cl為直流系統等效電容。
`[0089]上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式
進行了描述，但並非對本實用新型保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護範圍以內。
權利要求1.一種智能化變電站分布式直流電源子系統，其特徵是，包括電源監測裝置，所述電源監測裝置通過現場總線分別與系統狀態監測裝置和供電系統連接，所述供電系統還與採用模塊化設計且支持即插即用的蓄電池組連接，所述蓄電池組的每組模塊內包含若干個蓄電池。
2.如權利要求1所述的一種智能化變電站分布式直流電源子系統，其特徵是，所述電源監測裝置還通過現場總線與直流絕緣監測裝置連接。
3.如權利要求1所述的一種智能化變電站分布式直流電源子系統，其特徵是，所述電源監測裝置還通過現場總線與蓄電池監測系統連接，所述蓄電池監測系統與蓄電池組連接。
4.如權利要求1所述的一種智能化變電站分布式直流電源子系統，其特徵是，所述電源監測裝置還通過現場總線與蓄電池維護系統連接，所述蓄電池維護系統與蓄電池組連接。
5.如權利要求1所述的一種智能化變電站分布式直流電源子系統，其特徵是，所述系統狀態監測裝置包括模擬量採集模塊、開關量採集模塊或故障檢測模塊。
6.如權利要求2所述的一種智能化變電站分布式直流電源子系統，其特徵是，所述直流絕緣監測裝置包括母線絕緣檢測模塊、支路絕緣檢測模塊或交流混入檢測模塊。
7.如權利要求3所述的一種智能化變電站分布式直流電源子系統，其特徵是，所述蓄電池監測系統包括蓄電池電壓檢測模塊、蓄電池組溫度檢測模塊或蓄電池組內阻檢測模塊。
8.如權利要求4所述的一種智能化變電站分布式直流電源子系統，其特徵是，所述蓄電池維護系統包括正負脈衝充電裝置、被動充電均衡裝置或主動充電均衡裝置。
9.如權利要求1所述的一種智能化變電站分布式直流電源子系統，其特徵是，所述供電系統還包括電源切換控制裝置、高頻開關充電裝置、光伏充電裝置或風電充電裝置。
10.如權利要求1所述的一種智能化變電站分布式直流電源子系統，其特徵是，所述蓄電池組採用磷酸鐵 鋰蓄電池組或閥控式鉛酸蓄電池組。
專利摘要本實用新型公開了一種智能化變電站分布式直流電源子系統，包括電源監測裝置，電源監測裝置通過現場總線分別與系統狀態監測裝置和供電系統連接，供電系統還與蓄電池組連接，蓄電池組採用磷酸鐵鋰蓄電池組或閥控式鉛酸蓄電池組。直流電源監控裝置還通過現場總線與直流絕緣監測裝置連接。直流電源監控裝置還通過現場總線與蓄電池監測系統和蓄電池維護系統連接，蓄電池監測系統和蓄電池維護系統與蓄電池組連接。根據變電站的格局規劃和用電設備的設計容量將直流電源分成若干個各自獨立運行的小系統且能與用電設備就近布置，每個直流電源子系統規模較小、結構簡單、安全可靠，能更好的保證本區間直流電源供電穩定性及安全性。
文檔編號H02J11/00GK203119616SQ20132011967
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月15日 優先權日2013年3月15日
發明者孟祥軍, 鞏方彬, 何軍田, 孫志周, 劉敦秀 申請人:山東魯能智能技術有限公司