直流电源概述及新技术

变电站、发电厂的直流电源系统作为控制保护、自动化装置、高压断路器分合闸机构、通信、计量、事故照明等设备的重要电源，其性能与质量直接关系直接关系到变电站，甚至电网的正常运行。直流电源好比变电站的“心脏”，对变电站的安全可靠运行至关重要，电源的可靠稳定是保护装置、自动化设备安全稳定运行的前提。特别是无人值班变电站、综合自动化变电站的广泛采用，程序化变电站、数字化变电站的推广应用，智能电网、智能变电站的发展，变电站自动化水平的不断提高，电源系统的问题日渐显现，重要性越来越突出。   

直流电源系统典型主接线见图1

两组蓄电池两套充电装置的直流电源系统应采用两段单母线接线，两段直流母线之间应设联络电器。每组蓄电池组和充电装置应分别接人不同母线。   

在进行切换操作时，蓄电池组不得脱离直流母线，在切换过程中允许两组蓄电池短时并列运行。直流电源系统应采用不接地方式。

直流电源系统主要由以下单元组成:交流输人，充电模块，监控单元(含馈线状态监测单元)，电压监测、绝缘监察(含接地选线)装置，硅降压回路(可选)，蓄电池管理单元(可选)，直流馈线网络，蓄电池。详见图2

3.1 交流输入单元   

充电装置交流输入应设两个回路，两路交流电源应分别取自站用电不同段交流母线。当充电装置两路交流输入采用切换方式时，切换装置应稳定可靠;当充电装置两路交流输入不采用切换方式时，每路交流输入应尽量均分充电模块的数量。

3.2 充电模块   

高频开关电源充电模块的主要功能是将交流电源变换为高品质的直流电源。模块由全波整流及滤波器、高频变换及高频变压器、高频整流滤波器等构成。模块内部应具有监控功能，显示输出电压/电流值，能不依赖监控单元独立工作;应具有保护、报警功能;并可带电插拔更换及具有软启动功能。

3.3 监控单元(含馈线状态监测单元)   

监控单元是高频开关电源及其成套装置的监控、测量、信号和管理系统的核心部分，应根据直流电源系统运行状态，综合分析各种数据和信息，对整个系统实施控制和管理。    馈线状态监测模块应能采集每回直流馈线回路的断路器位置，并与监控单元通信，实现对所有直流馈线的工作状态进行监视。

3.4 电压监测、绝缘监察(含接地选线)装置    

在线监测直流电源系统对地绝缘状况(包括直流母线和各个馈线回路绝缘状况)，并自动检出故障回路。能监测母线正对地、母线负对地电压，能检测出每个支路的正对地电阻和负对地电阻。为了实时监测直流电源系统的绝缘状况，应安装绝缘监察装置。

3.5 硅降压回路   

为了实行有效的蓄电池充电和保证直流电源控制母线的电压要求，设有硅降压回路，其应有防止硅元件开路的措施。额定电流应满足所在回路最大持续负荷电流的要求，并应有承受冲击电流的短时过载和承受反向电压的能力。

3.6 蓄电池管理单元   

检测蓄电池的基本运行状态，实现蓄电池组和每个单体的实时电压、电流、环境温度的采集和记录，并实现蓄电池组端电压过高、过低，单体蓄电池端电压过高、过低，各单体蓄电池压差过高，蓄电池环境温度的过高、过低，蓄电池组充电电流过大，蓄电池组浮充电流过大等报警内容。

3.7 直流馈线网络   

直流电源供电回路分为环形供电方式和辐射供电方式。环形供电网络干线或小母线的二回直流电源应分别经直流断路器接人两段直流母线，正常时为开环运行。环形供电网络干线引接负荷支路应设置直流断路器。   

直流电源系统支路直流熔断器和直流断路器级差配合原则:应注意上下级之间的配合。当直流断路器与熔断器配合时，应考虑动作特性的不同，对级差做适当调整。直流断路器下一级不宜再接熔断器。上、下级均为直流断路器的，额定电流宜按照4级及以上电流级差选择配合。蓄电池出口为熔断器，下级为直流断路器的，宜按照2倍及以上额定电流选择级差配合。变电站内设置直流保护电器的级数不宜超过4级。

3.8 蓄电池   

蓄电池是一种可多次重复使用的化学电源。它可将储备的化学能转变为电能供给负荷，这一过程称为放电。当参加反应的物质以电能的形式释放完毕之后，可用充电器对其输人直流电能，将电能转变为化学能，这一过程称为充电。   

大中型变电站一般都采用将若干个蓄电池连接组成的蓄电池组作为直流操作电源，它是一种独立式电源系统，与一次系统的运行方式无关，在一次系统发生故障，甚至在变电站失去全部交流电的情况下，仍能在一定时间内可靠工作，以保证直流负荷的正常工作，因此具有较高的供电可靠性和稳定性。而且蓄电池电压平稳，容量较大，能够适用任何复杂的继电保护和自动装置，对于各种类型的断路器都可以用直流操动机构进行远距离操作。    

4.1 监控装置的高级功能应用   

目前国内外对无人值班变电站均没有提出符合智能化电网的直流监控系统的规定。应进一步完善直流系统智能化功能，使之具备直流电源实时仿真系统、信号报警显示系统、自动诊断系统、远程访问及维护系统等功能。   

无人值班变电站直流监控系统除应符合一般规定外，还需要满足以下高级功能应用要求:统一数据信息平台，实时监测各种运行状态;支持可视化运行维护;具有智能告警、信息综合分析、自诊断及远程维护等功能。这些功能对准确了解现场直流电源系统问题及提升故障处理响应速度，及时矫正运行状态参数有重要意义，将是未来无人值班变电站直流监控系统的发展趋势。

4.2 绝缘检测技术提升   

绝缘检测装置需具有下列功能:

①每段母线配置一套绝缘检测装置，两套装置之间具有通信接口;

②每套装置正常独立运行，当两段母线临时并列时，经过选定，一套装置退出运行，其所有被检测回路自动切换到另一套装置;

③具有如下报警功能:交流窜人报警、直流互窜报警、绝缘降低报警、母线电压异常报警、电池接地定位显示、检测二段母线环网功能、自检功能。    

绝缘检测装置检测数据、信号，经过整理分析，通过通信接口输送到监控装置，重要报警信号用无源硬接点输出。   

新要求的交流窜人报警、直流互窜报警等环网检测功能的加人将有效提升直流电源系统的运行可靠性。

4.3 蓄电池在线监测及远方监控   

蓄电池组是直流系统的独立后备电源，是变电站的最后一道防线，对变电站的安全可靠运行起着至关重要的作用。由于电池长期处于备用状态，因此电池的制造质量和日常管理及维护是否到位决定着电池在关键时刻能否发挥作用。应加强蓄电池日常专业化维护管理，加强状态监测，及时发现存在的隐患。    

蓄电池在线监测装置可在线监测蓄电池的电压、电流、温度和内阻，并可对蓄电池的容量进行智能预测。通过测量蓄电池参数，发现蓄电池内部问题。也可实现蓄电池远距离实时在线监测，远方在线监测蓄电池运行状况，及时判断电池设备性能，提高运行可靠性，减少工作量，提高设备维护质量。

4.4 锂离子蓄电池在直流电源系统的应用   

近年来，锂离子蓄电池因其属于无毒、无污染的新型环保电池，具有比能量大、寿命长、自放电率小、工作温度范围宽、维护工作量小等多项优点，在电力系统已有试运行。但由于其设计原型是用于频繁充放电的启动型蓄电池，将其应用为以浮充电方式运行的直流电源，对蓄电池安全性、容量选择计算以及现有直流电源系统接线适用性、充放电运行方式等方面的影响还需要做深人研究。需要继续跟踪研究锉电池安全稳定运行的方法和措施，对锂电池的各种曲线、系数等重要数据进行系统试验和资料整理，确定其在电力工程的应用范围、运行参数、系统构成以及设备选择等相关技术要求。在经过实际变电站工程的设计、计算、安装、调试，验证研究成果后，逐渐推广应用。

4.5 交直流电源一体化设计  

整个站用电源包括交流电源、直流电源、逆变电源、UPS电源、通信电源，采用一体化电源设计，就是对变电站的所有电源进行系统的设计。其特点为:

1)采用统一的监控平台，避免了各种电源通信不统一，重复检测及电源间沟通困难的缺点，可根据负荷的需要优化配置。

2)可集中引人故障预警(如蓄电池的在线监测)和设备自检等功能，安全高效。

3)原各种电源间的跨屏电缆可大大减少。

4)一体化的防雷设计，使得整个系统成本降低，防雷性能更好。   

5)不同电源间的开关品牌、极差配合的问题可一体化考虑。   

6)整个变电站站用电源统一使用电池，避免电池的分散投资和维护，使变电站的电池成本更低，可靠性更高。   

7)由于数据统一管理，统一分析，使得整个电源系统的维护变得非常简洁、高效。    但目前一体化的通信以及过载和短路的配合还需要深人、系统的研究。