一体化电源系统
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第一章 系统概述

智能一体化电源系统主要应用在电网、发电等领域,作为所有电力自动化系统、通讯系统、远方执行系统、高压断路器的分合闸、继电保护、自动装置、信号装置等的交、直流不间断电源。它的质量直接关系到电网的安全运行,是发电设备和输变电设备的“心脏”。
    目前变电站一般配置三套各自独立的操作电源系统,即直流操作电源(DC)、通信电源、交流不间断电源(UPS),每套电源系统单独配置蓄电池室、蓄电池组和监控管理系统。

为控制、信号、保护、自动装置以及某些执行机构等供电的直流电源系统,通常称为直流操作电源。为微机、载波、消防等设备供电的交流电源系统,通常称为交流操作电源;为交换机、远动等通信设备供电的直流电源系统,则称为通信电源。

1.1 变电站操作电源系统现状分析

1.1.1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变电站内所有控制、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220 V或110 V,采用不接地方式。对220 kV及以上变电站均装设2组蓄电池及2套充电装置,构成两电两充方式,采用单母线分段接线,2段母线之间设联络电器,2组蓄电池及2套充电装置分别接于不同母线段。

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,系统运行的可靠性和技术水平取得了质的飞跃,目前在变电站中已完全取代相控电源而广泛应用。

 


图1 智能高频开关直流电源典型系统结构图

1.1.2通信电源

通信电源提供给变电站内载波机、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。220 kV及以上变电站按两电两充设计,采用单母线接线,两组蓄电池及2套充电装置分别接于不同母线段,2段母线之间不设联络电器。

1.1.3 交流不间断电源 (UPS)

交流不间断电源在变电站中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。

从90年代中期开始,大量应用在变电站中UPS,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。

1.2 独立的操作电源给客户带来的问题

1)           无法综合优化资源,各自独立的操作电源系统重复配置蓄电池组,使一次投资增加。

2)           分散布置的设备增加了日常运行维护工作。

3)           各操作电源系统的供应商由于利益的差异使安装、服务等协调困难。

4)           供电局各操作电源系统专业班组无法统一管理。

针对以上问题,我司设计完成智能一体化电源系统,并解决了一体化电源共用蓄电池带来的隔离、DC/DC馈线短路脱扣、统一信息管理等技术难题。

1.3 智能一体化电源系统的实施方案

直流电源、电力用交流(UPS)或电力用逆变电源(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。根据变电站存在的电源类型及其特点,考虑目前运行管理体制的差别,我司一体化不间断电源可按以下2种类型进行接线设计。

1.3.1  DC—UPS一体化电源

统一由直流操作电源供电,除提供直流操作电源DC外,还提供交流不间断电源UPS。主要由直流操作电源、电力专用UPS或逆变、集中监控等部分组成。UPS不配置独立蓄电池组,与直流电源共用蓄电池组,UPS装置作为直流系统的负荷之一。电力专用逆变器直流输入取自站内直流控制电源系统的蓄电池组,并且实现了直流与交流输入和输出的电气隔离,以及高精度的稳压稳频逆变输出,是真正意义上的干净电源。

 



图3 电力专用UPS电源典型系统结构图

从系统结构图中我们可以看出,电力专用UPS与逆变电源INV的区别仅仅是在逆变电源的基础上增加了整流器,正常运行为在线模式,即交流输入经整流器变为直流电后再经逆变器变为标准的正弦波输出,电网停电时无间断地切换至直流控制电源供电,适用于对电源质量要求较高的微机监控设备。另外在可靠性要求更高的变电站中,可采用1+1双机热备份或者N+1多机热备份方式供电。电力专用逆变电源INV主要用于后备模式运行,即交流输入正常时经旁路输出,电网停电时无间断地切换至直流控制电源逆变输出,适用于对电源质量要求不高的交流负荷,如事故照明。电力专用逆变电源虽然可以运行在在线模式,但要增加直流控制电源系统的经常负荷电流和充电装置的选择容量,显然是不合理的选择。

DC—UPS一体化电源装置设计理念能较好地符合当前变电站的管理体制和运行习惯。


 

 

1.3.2  DC—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48 V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48 V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。


 

1.5 额定值

l  交流额定输入电压

单相:220V 。

三相:380V。

l  交流额定输入频率

50Hz。

l  直流额定输出电压

25,50,115,230V。

l  直流标称输出电压

24,48,110,220V。

l  充电装置额定输出电流

5,10,15,20,30,40,50,60,80,100,160,200,250,315,400,500A

l  蓄电池组额定容量

10AH~3000AH

l  设备负载等级

设备负载等级为一级(即连续输出额定电流)。

l  交流额定输出电压

单相:220V。

三相:380V。(注:若有特殊电压条件,请与我司协商确定)

l  交流额定输出频率

50Hz。(注:若有特殊频率条件,请与我司协商确定)

l  交流额定输出容量

单相输出:1,2,3,5,7.5,10,15,20,25,30kVA。

三相输出:7.5,10,15,20,30,40,50,75,100,125kVA。

1.6 正常使用条件

l  海拔不超过1000m。

l  设备运行期间周围空气温度不高于40℃,不低于-5℃、-10℃。

l  日平均相对湿度不大于95%,月平均相对湿度不大于90%。

l  安装使用地点无强烈振动和冲击,无强电磁干扰,外磁场感应强度不得超过0.5mT。

l  安装垂直倾斜度不超过5%。

l  使用地点不得有爆炸危险介质,周围介质不含有腐蚀金属和破坏绝缘的有害气体及导电介质,不允许有霉菌存在。

l  频率变化范围不超过±2%。

l  交流输入电压波动范围不超过±15%。

l  交流输入电压不对称度不超过5%。

l  交流输入电压谐波含量不超过10%。

l  UPS、INV和DC/DC的直流输入电压范围不超过直流电源标称电压的80%~130%,特殊要求的直流输入电压范围:上限值为蓄电池充电浮充电装置的上限,下限值为单个蓄电池额定电压值与蓄电池个数乘积的85%。

1.7 主要引用标准

l  DL/T 1074-2007 电力用直流和交流一体化不间断电源设备

l  GB/T 4208-1993 外壳防护等级

l  GB/T 17626.2-1998 电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验

l  GB/T 17626.4-1998 电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验

l  GB/T 17626.5-1998 电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验

l  GB/T 17626.12-1998 电磁兼容 试验和测量技术 振荡波抗扰度试验

l  DL/T 459-2000 电力系统直流电源柜订货技术条件

l  DL/T 856-2004 电力用直流电源监控装置

l  DL/T 857-2004 发电厂、变电所蓄电池用整流逆变设备技术条件

l  DL/T 5044-2004 火力发电厂、变电所直流系统设计技术规定

l  DL/T 5149-2001 220kV~500kV变电所计算机监控系统设计技术规程

 


 

 

第二章 智能一体化电源系统的构成

2.1智能一体化电源系统构成

通合智能型一体化电源系统由直流操作电源系统、交流电源系统、UPS电源系统、DC/DC通信电源系统四项分系统组成。直流分系统额定输出电压为DC220V,系统采用单母线接线方式。交流分系统额定输出电压为AC380/220V,采用单母线不分段接线方式,三相四线制。UPS电源分系统额定输出电压为AC220V,采用单母线接线方式,单相制。通信电源分系统额定输出电压为DC48V,采用单母线接线方式。智能站用交直流电源一体化系统将交流系统、直流操作系统、UPS电源系统、通信电源系统统一设计、监控、生产、调试,实现站用电源安全化、网络化、智能化、一体化。

 2.2各电源系统简介

2.2.1交流系统

2.2.1.1接线条件

1)   进线塑壳开关:100 A/3P;2回;进线品牌 ABB ;

2)   双电源自动转换开关 100 A/3P;1回; ATS品牌: 沈阳斯沃;

3)   CT电流比:BH-0.66 100/5A;

4)   多功能表 2只(三相四线制),品牌:上海安科瑞;

5)   出线开关数量和额定电流: 32A 3P:4个;馈线开关品牌 ABB ;

6)   开关量模块 1只 ,型号:KGL-64,用于采集交流进线开关和交流馈线开关的脱扣状态。

7)   进、出线方式: 电缆下进、下出线;

8)   接线型式:单母线;

9)   柜体 1面。

2.2.1.2 系统构成

    交流系统主接线采用单母线不分段接线。该系统由自动切换开关ATS、进线塑壳开关、电流互感器、多功能表、馈线断路器、开关量采集单元等组成。

2.2.1.3 系统功能

1)   闭锁功能:自动转换开关ATS带机械电气双闭锁功能。

2)   互投功能:备用电源自动投入。

3)   不自复功能:备用电源投入后,需手动切换才能回主供电源供电。

4)   通讯功能:多功能表以及开关量采集单元通过分监控(THJK002G-3S)带有RS485通讯接口与一体化电源监控(THJK008G-3S)通讯。

5)   状态监视

6)   能监测ATS开关位置状态,动作、故障、电压异常告警、馈线开关故障脱扣状态等。

7)   电气量远方监测与显示

8)   能监测母线三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、频率、电度等电气参量,可方便接入变电站综合自动化系统。

9)   具有告警事件记录、装置动作事件记录信号。

10)  支持运行模式

Ø  固定电源I供电;

Ø  固定电源II供电;

Ø  自动电源I,电源I为主供电源;

Ø  自动电源II,电源II为主供电源;

Ø  停止供电。

2.2.2 直流操作电源系统

 2.2.2.1接线条件

1)   充电模块: 3×10A/220V,1组,TH230D10ZZ-3,通合电子

2)   降压装置:20A/35V 1套,品牌:大连恒力

3)   出线开关数量和额定电流见如下;(馈线开关数量:合母:32A  5个;控母:20A  4个;)

4)   ZHCL-2  1只,采集交流输入电压、合母电压、控母电压、电池组电压、电池充放电电流、负载电流、开关量采集、报警干接点输出等。

5)   JYJC-32 1只,采集直流馈出回路支路绝缘信息。

6)   DCXJ-19 1只,采集单体电池电压以及蓄电池组环境温度。

7)   进、出线方式: 电缆下进、下出线;

8)   接线型式:单母线;

9)   充电模块和馈线组屏 1面,蓄电池屏 1面。

10)  阀控铅酸蓄电池: 100AH/12V; 全密封阀控式铅酸蓄电池,蓄电池额定直流电压(单体):12V/只,蓄电池数量:18只,蓄电池联接电缆及其附件。

2.2.2.2系统组成

直流操作电源电压为: DC220V, 其基本接线方式采用控制母线和合闸母线分开、1组电池、1组充电机。高频开关电源的充电模块采用N+1热备份型式。

2.2.2.3系统功能

1)   通讯功能

充电模块、综合测量单元、绝缘检测单元以及电池巡检单元通过分监控(THJK002G-3S)带有RS485通讯接口,与一体化电源监控(THJK008G-3S)通讯。

2)   状态监视

能监测模块输出开关、电池开关以及各馈线开关位置脱扣状态,母线及支路绝缘异常告警,单体电池电压异常告警、交流输入电压异常告警、母线及电池组电压异常告警等。

3)   电气量远方监测与显示

能监测模块输出电压电流、电池电压电流、合母电压、控母电压、负载电流、正负母线对地电压等电气参量,可方便接入变电站综合自动化系统。

4)   事件记录

具有告警事件记录、装置动作事件记录信号。

5)   支持运行模式

Ø  自动智能电池管理。

Ø  手动均浮充转换对电池进行管理。

2.2.3  DC/DC通信电源系统

2.2.3.1接线条件

1)   充电模块: 2×30A/48V,1组,TH48V30A-220,通合电子,可拓展到3台。

2)   出线开关数量和额定电流见如下;(馈线开关数量: 16A  4个;)

3)   进、出线方式: 电缆下进、下出线;

4)   接线型式:单母线;

5)   与直流电原充馈屏共同组屏1面。

2.2.3.2系统组成

DC/DC通信电源电压为: -48V, 其基本接线方式采用单母线,正极接地。

2.2.3.3系统功能

1)   通讯功能:DC/DC通信模块通过分监控(THJK002G-3S)带有RS485通讯接口,与一体化电源监控(THJK008G-3S)通讯。

2)   状态监视

能监测模块输入开关以及各馈线开关位置脱扣状态,模块输出电压异常报警等。

3)   电气量远方监测与显示

能监测模块输出电压、电流等电气参量,可方便接入变电站综合自动化系统。

4)   事件记录

具有告警事件记录、装置动作事件记录信号。

2.2.4  UPS电源系统

2.2.4.1 接线条件

1)   UPS电源模块: 1×3kVA,1组,TD630E,厦门拓宝。

2)   出线开关数量和额定电流见如下;(馈线开关数量: 10A  4个;

3)   进、出线方式: 电缆下进、下出线;

4)   接线型式:单母线;

5)   与交流系统共同组屏1面。

2.2.4.2 组成

UPS电源输出电压为: AC220V, 其基本接线方式采用单母线接线。

2.2.4.3系统功能

1)   通讯功能

UPS电源模块带有RS485通讯接口,与一体化电源监控(THJK008G-3S)通讯。

2)   状态监视

能监测模块直流输入开关、交流输入开关、交流旁路开关、交流输出总开关以及各馈线开关脱扣状态,模块交直流输入电压、交流输出电压、电流异常报警等。

3)   电气量远方监测与显示

能监测UPS电源模块交流输入电压、直流输入电压、交流输出电压、输出电流、输出频率等电气参量,可方便接入变电站综合自动化系统。

4)   事件记录

具有告警事件记录、装置动作事件记录信号。

2.2.5 一体化电源监控

    一体化电源监控装置是管理变电站交流系统、直流系统、通信电源、UPS电源等站内电源系统的综合监控,计算机监控和一体化电源监控通信实现对变电站电源系统的三遥功能。本监控存储整个站用电源数据,通过一个IEC61850协议与综自系统连接,能完成站用电源三遥功能。站用电源一体化监控模块故障不会影响其他电源智能模块运行。

第三章 整流模块使用说明

    我公司生产的高频开关电源采用国际领先的“谐振电压型双环控制技术”,具有体积小、重量轻、效率高、空载损耗低、运行稳定、可靠性高等优点。产品包括220V、110V、48V三大系列,几十个品种,配有标准RS485接口,易于与自动化系统对接,适用于各种容量及电压等级的直流系统。

3.2 产品列表

各系列产品主要型号见下表。

表3-1 三相输入充电模块产品列表

模块型号

额定电压

额定电流

冷却方式

外形尺寸(深×高×宽mm)

TH230D05ZZ-3

220   V

5   A

自然冷却

260×179×109

TH220D07ZZ

220   V

7   A

自然冷却

260×179×109

TH230D10ZZ-3

220   V

10   A

自然冷却

325×230×130

TH230D20ZZ-3

220   V

20   A

自然冷却

400×323×146

TH230D20NZ-3

220   V

20   A

强制风冷

357×218×118

TH230D30NZ-3

220   V

30   A

强制风冷

410×303×136

TH230D40NZ-3

220   V

40   A

强制风冷

410×303×136

TH110D10ZZ-3

110   V

10   A

自然冷却

260×179×109

TH110D20ZZ-3

110   V

20   A

自然冷却

325×230×130

TH110D40ZZ-3

110   V

40   A

自然冷却

400×323×146


表3-2 单相输入充电模块产品列表

模块型号

额定电压

额定电流

冷却方式

外形尺寸(深×高×宽mm)

TH230D05ZZ-220AC

220 V

5 A

自然冷却

260×179×109

TH230D10ZZ-220AC

220 V

10 A

自然冷却

325×230×130

TH110D10ZZ-220AC

110 V

10 A

自然冷却

260×179×109

TH110D20ZZ-220AC

110 V

20 A

自然冷却

325×230×130

 

表3-3 电力用通信电源产品列表

模块型号

额定电压

额定电流

冷却方式

外形尺寸(深×高×宽mm)

TH24V20A-220

24V

20A

自然冷却

260×179×109

TH48V10A-220

48V

10A

自然冷却

260×179×109

TH48V20A-220

48V

20A

自然冷却

260×179×109

TH48V30A-220

48V

30A

自然冷却

325×230×130

TH48V30A-110

48V

30A

自然冷却

325×230×130

 


3.3 模块主要特点

l 采用全程软开关技术,效率高,空载功耗小,体积小。

l 交流输入内置符合安规的保险管。

l 直流输出内置二极管,可以不增加额外措施实现热插拔。同类其他没有内置二极管的产品,    用户需要额外在直流屏上增加二极管及散热片,接线繁琐。

l 三相输入模块采用“三相无源功率因数校正电路”,输入无中线,功率因数可达0.94。

l 采用隔离自主均流,并机不均流度<±3%,可保证二十台以上模块良好并机。

l 模块具有RS-485接口,方便接入自动化系统进行通信。

l 输出过压保护:内置过压保护电路,出现过压后模块自动锁死,模块故障指示灯亮,故障模块自动退出工作,不影响整个系统正常运行。

l 输出限流保护:每个模块输出电流最大限制为额定输出电流的105%。如果超负荷,模块自动调低输出电压以保护模块及蓄电池。

l 短路保护:采用回缩下垂限流方式,模块电流输出特性如图2-1,输出短路时模块在瞬间把输出电压拉低到零,限制短路电流在额定输出电流的15%以下。模块可长期工作在短路状态,不会损坏,排除故障后模块可自动恢复工作。



l 模块并联保护:模块内部有并联保护电路,故障时模块自动退出系统,不影响其它模块正常工作。

l 过温保护:模块检测散热器温度超过85℃时自动关机保护,温度降低后模块自动启动。

l 电力用通信电源模块可适用于交流或直流220V两种输入方式(TH48V30A-110只适用于直流110V输入)。

l 电力用通信电源模块有故障节点输出功能:模块输出过压、输出过流、过温故障时,故障节点之间输出低阻。

 

 

3.4 技术指标

          整流模块特点及技术参数如下表所示。  

 

表3-4  三相输入220V输出系列模块特点及技术参数

            型号

项目                

TH230D05ZZ-3

TH220D07ZZ

TH230D10ZZ-3

TH230D20ZZ-3

TH230D20NZ-3

TH230D30NZ-3

TH230D40NZ-3

输出电流(A)

5

 7

10

20

20

30

40

功率(KW)

1.5

2.1

3

6

6

9

12

重量(kg)

5.2

5.2

9

16

10.5

19

19

冷却方式

自然冷却

强制风冷

散热器温升

≤30℃

≤20℃

输入电压 范围(VAC)

最小值

323

典型值

380

最大值

437

输出可调 范围(VDC)

最小值

190

典型值

220

最大值

286(TH220D07ZZ为260)

稳压精度

 ≤±0.5%

稳流精度

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