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摘 要：目前110 kV变电站普遍配置单套直流电源系统。为了提高变电站直流电源系统可靠性，运维单位根据需要对原直流电源系统进行双重化改造，即增加一套直流电源系统（含一个充电屏、一组蓄电池及一个馈线屏）。在直流电源系统双重化改造过程中出现了多种设计、施工问题，不符合相关规程、反措规定，影响变电站后续正常运行。本文为解决以上问题，从前期准备、设计、采购到施工和原系统补充改造等方面提出切实有效的措施，并已在现场实施验证。
关键词：直流电源系统;双重化;改造;设计;负荷分配
中图分类号：TM63;TN86 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0030-04
Research on Design and Implementation of Dual Transformation of DC Power Supply System
KONG Shengli 1 HUANG Xiaochuan 2 SU Haitao 2 CHEN Yu1 CAO Rui3 WANG Feiyu4
（1.State Grid Henan Electric Power Research Institute， Zhengzhou Henan 450052; 2.State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou Henan 450016; 3.State Grid Henan Electric Power Company Nanyang Power Supply Company， Nanyang Henan 473000; 4.State Grid Henan Electric Power Company Anyang Power Supply Company， Anyang Henan 455000）
Abstract： At present， 110 kV substations are generally equipped with a single DC （direct-current） power supply system. In order to improve the reliability of the DC power supply system， power supply companies carry out the dual transformation of the DC power supply system， which is to add the second DC power supply system （including a charging machine， a group of batteries and a feeder screen）. In the process of the dual transformation of the DC power， there is a variety of design and construction problems appeared which infringe the relevant regulations and affect the normal operation of the substation. In order to solve the above problems， this paper proposes practical and effective measures are from the aspects of preparation， design， procurement， construction and modification of the original system， and these measures has been implemented and verified in practical application.
Keywords： DC power supply system; double; modification; design; load distribution
《电力工程直流电源系统设计技术规程》（DL/T 5044—2014）规定“110 kV及以下变电站宜装设1组蓄电池，对于重要的110 kV变电站也可装设2组蓄电池”[1]，国家电网公司輸变电工程通用设计也执行此规定[2]。河南省河南110 kV变电站普遍配置单套直流电源系统。受老旧变电站设备条件限制，部分充电机不具备“采用两路交流电源输入且具备自动投切功能”[3]，且比率较高，导致低压交流母线近端发生短路故障时直流充电机失电。而近年来部分厂家蓄电池质量低劣，急需蓄电池供电时，蓄电池却发生开路或容量突降，造成110 kV变电站直流电源全失[4]。为避免类似事故，河南省开展110 kV变电站直流电源系统双重化改造，即新增一套直流电源系统（以下称“第二套直流系统”，原系统称“第一套直流系统”）。在实施过程中出现了多种问题，如未采购母联开关、直流负荷如何实现最优分配等。针对这些问题，文章阐述设计、实施过程中需重点关注的技术细节。
1 设备参数典型配置
第二套直流系统参数应与第一套直流系统相同或相近，如蓄电池组容量、电压、充电机额定容量等。典型参数配置表见表1。
2 前期准备
2.1 屏位准备 按照第二套直流系统的蓄电池容量准备屏位或蓄电池室。300 Ah及以上的应安装在蓄电池室内[5]。300 Ah以下的可准备2～3面蓄电池屏。准备充电屏位1面，视第一套直流系统及现场负荷情况准备馈电屏位1～2面，条件确不具备时可配置充馈一体屏位1面。
2.2 设备准备
第二套直流系统充电机两路交流输入电源应取自两段站用交流电源母线[6]。站用交流系统应增加2路馈线接入位置。馈线开关应满足第二套直流系统充电机容量要求，且不应与其他交流负荷共用开关。站内公用测控、规约转换等设备应能满足本期工程相关遥测、遥信的接入需求。
2.3 设备采购
应在采购技术规范书中明确采购1套蓄电池巡检装置、1个母联开关、1个绝缘监测装置等。
3 直流负荷分配典型方案
以双主变变电站为例，提出直流负荷分配的三种典型方案。推荐选用方案一。单主变变电站直流负荷分配方案类似方案三。三种方案优缺点分析中均不考虑两组蓄电池同时故障的情况。
3.1 方案一
主变保护与35 kV、10 kV出线保护交叉接入两套直流系统，如图1所示。
110 kV变电站保护装置配置数量均为单套。当单套保护的直流电源失去时，保护无法发挥作用。要解决单套保护、双套直流系统的不适配问题，发挥双套直流系统的后备作用，就不能单单考虑每个保护本身，而要从后备保护方向考虑。本文提出的方案一，即双主变直流负荷交叉分配方案，有2个优点。①当10 kV出线故障，10 kV母线电压降低[8]，充电机失电时[9]，能保证故障由10 kV出线保护或主变保护切除。②在最严重短路故障情况下，能保证有一台主变保护可正常跳闸;跳开一台主变后，可减小故障电流。该方案的缺点是，两套直流系统馈线支路改动较多，改造工作量较大。
3.2 方案二
将两台主变相关负荷分别接入两套直流系统，即#1主变、110 kVI母、35 kVI母、10 kVI母系统对应负荷接入第一套直流系统，#2主变、110 kVII母、35 kVII母、10 kVII母系统对应负荷接入第二套直流系统。
方案二有3个优点。①直流负荷分配符合运维管理习惯。②在发生最严重短路故障情况下，能保证有一台主变保护可正常跳闸;跳开一台主变后，可减小故障电流。③该方案特别适用于原直流系统将两台主变相关直流负荷分配在两面馈线屏的情况，可实现馈线屏整体转移负荷。
方案二有3个缺点。①跳开一台主变后，故障电流减小，同时也降低了上级变电站保护的灵敏度[10]。②100开关合闸情况下，若10 kV系统出口短路，两段10 kV母线电压均会降低，造成充电机失电;如蓄电池组同时发生故障，则故障蓄电池组供电的保护同时失电，只能由上一级变电站保护切除故障，在保护灵敏度不足时会造成较为严重的后果。③原直流系统配置一面馈线屏时，两套直流系统馈线支路改动较多，改造工作量相对较大。
3.3 方案三
将直流负荷按照电压等级分配，主变及高压侧负荷接入第一套直流系统，主变中压侧及低压侧负荷接入第二套直流系统，即#1主变、#2主变、110 kVI母、110 kVII母系统对应负荷接入第一套直流系统，35 kVI母、35 kVII母、10 kVI母、10 kVII母系统对应负荷接入第二套直流系统。
方案三有2个优点。①当10 kV出线故障，10 kV母线电压降低，充电机失电时，能保证故障由10 kV出线保护或主变保护切除。②第二套直流系统接35 kV、10 kV系统对应负荷，馈线支路不多，改造工作量较小。
该方案也有2个缺点。①100开关合闸情況下，若主变低压侧发生故障，且第一套直流系统蓄电池故障，两台主变保护失电拒动，此时两台主变均会承受较大的短路电流[11]，需经上一级变电站保护切除故障，在保护灵敏度不足的情况下会造成较为严重的后果。②若10 kV系统出线开关拒动，也会造成上述后果。
4 实施步骤
以原有#1蓄电池组、#1充电屏、#1馈线屏，现增配#2蓄电池组、#2充电屏、#2馈电屏为例，具体实施步骤建议有5点。
①安装新增设备。#2馈线屏应尽量靠近#1馈线屏，避免直流负荷转移时电缆长度不够。
②敷设#2充电屏至低压交流母线进线电缆;敷设#2蓄电池组至#2充电屏电缆。
③在#1段直流母线和#2段直流母线间接入母联开关。敷设#2充电屏至#1馈线屏（或#1充电屏）电缆，在#1馈线屏（或#1充电屏）接入母联开关接线，两段母线分列运行。按现场情况将母联开关接入#1馈线屏或#1充电屏。
④对#1馈线屏需要转移的直流负荷，采用电源车临时接线转移或敷设电缆至#2馈线屏临时转移。
⑤在#1馈线屏拆除需转移直流负荷的原有接线电缆，并转移至#2馈线屏相应位置接入，验电无误后拆除临时接线。
5 原系统全核对性放电补充改造措施
5.1 双重化改造后遗留问题
双重化改造后直流电源系统，如图5所示。
《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》（DL/T 724）规定两组蓄电池的变电站需进行全核对性充放电试验[12]。但110 kV 变电站直流电源双重化改造后，原蓄电池组无法进行全核对性充放电，原因在于原直流系统是作为单套直流系统进行设计，蓄电池不可脱离母线，即充电机通过母线对蓄电池充电，故未设计充电机至蓄电池的开关。
合母联开关 S3，断开 S1、S2，对#1蓄电池做全核对性充放电试验后，充电时存在如下风险：①合S1，对#1蓄电池充电。两组蓄电池组压差较大，并联引起环流[13]，影响蓄电池寿命[14]。②合 S1、S2，断开S3，通过#1充电机对#1蓄电池充电。#1蓄电池已容量不足，存在第一套直流负荷供电中断的风险。 5.2 解决措施
在原直流系统中，加装#1充电机至#1蓄电池组的开关，与图2中#2充电机至#2蓄电池组的开关S6作用相同，则可对两组蓄电池做全核对性充放电试验。加装前，使用充放电一体测试仪实现#1蓄电池组全容量放电试验。
6 结语
老旧110 kV变电站存在不满足反措要求的因素较多，如断路器为电磁操动机构断路器，合闸时易对蓄电池造成较大冲击;低压交流开关不具备电动操作功能，无法实现备自投功能等，加之蓄电池质量近年来有所下降，导致单套直流电源系统供电可靠性较低，威胁电网安全运行。因此，110 kV 变电站配置单套直流电源系统的设计，有值得商榷之处。开展直流电源系统双重化改造，在设计、采购、施工的各个阶段都应遵照相關规程和反事故措施，以期实现具备双套安全可靠直流电源的目标。
参考文献：
[1] 国家能源局.DL/T 5044―2014电力工程直流电源系统设计技术规程[S].北京：中国电力出版社，2015.
[2] 国家电网公司.国家电网公司输变电工程通用设计[M].北京：中国电力出版社，2017.
[3] 国家电网有限公司关于印发十八项电网重大反事故措施（修订版）[Z].国家电网公司，2018.
[4] 赵美荣.变电站直流电源应急装置的研究[D].南京：东南大学，2017.
[5] 吕晓春.蓄电池电源装置设备房设计探讨[J].建筑电气. 2017（2）：41-44.
[6] 高擎.直流屏中的两路电源自动切换故障分析[J].广播电视信息，2013（12）：103-105.
[7] 梁昌奇.通信直流双电源系统安装母联开关的必要性及应用分析[J].通信电源技术，2019（10）：130-131.
[8] 李明.对一起由直流故障引起的全站失压事件的分析[J].河南科技，2011（22）：83.
[9] 何明，王粟，辛占强.直流故障引起全站失压案例分析及防范措施[J].湖北工业大学学报，2015（2）：86-88.
[10] 徐习东.电力变压器纵差保护研究[D].杭州：浙江大学，2005.
[11] 吴金玉，高金伟.防止主变时限速断误动作的整定方案[J].中国电力企业管理，2011（14）：123-124.
[12] 国家经济贸易委员会.电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程DL/T 724―2000[S].电力行业高压开关设备标准化技术委员会，2000.
[13] 王琼，李跃峰.电池组并联环流抑制方法的研究[J].电源技术，2017（1）：44-45.
[14] 张磊，王海波，拾华杰，等.阀控式蓄电池并联充放电研究[J].电源技术，2011（11）：1394-1398.
关键词：直流电源系统;双重化;改造;设计;负荷分配
中图分类号：TM63;TN86 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0030-04
Research on Design and Implementation of Dual Transformation of DC Power Supply System
KONG Shengli 1 HUANG Xiaochuan 2 SU Haitao 2 CHEN Yu1 CAO Rui3 WANG Feiyu4
（1.State Grid Henan Electric Power Research Institute， Zhengzhou Henan 450052; 2.State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou Henan 450016; 3.State Grid Henan Electric Power Company Nanyang Power Supply Company， Nanyang Henan 473000; 4.State Grid Henan Electric Power Company Anyang Power Supply Company， Anyang Henan 455000）
Abstract： At present， 110 kV substations are generally equipped with a single DC （direct-current） power supply system. In order to improve the reliability of the DC power supply system， power supply companies carry out the dual transformation of the DC power supply system， which is to add the second DC power supply system （including a charging machine， a group of batteries and a feeder screen）. In the process of the dual transformation of the DC power， there is a variety of design and construction problems appeared which infringe the relevant regulations and affect the normal operation of the substation. In order to solve the above problems， this paper proposes practical and effective measures are from the aspects of preparation， design， procurement， construction and modification of the original system， and these measures has been implemented and verified in practical application.
Keywords： DC power supply system; double; modification; design; load distribution
《电力工程直流电源系统设计技术规程》（DL/T 5044—2014）规定“110 kV及以下变电站宜装设1组蓄电池，对于重要的110 kV变电站也可装设2组蓄电池”[1]，国家电网公司輸变电工程通用设计也执行此规定[2]。河南省河南110 kV变电站普遍配置单套直流电源系统。受老旧变电站设备条件限制，部分充电机不具备“采用两路交流电源输入且具备自动投切功能”[3]，且比率较高，导致低压交流母线近端发生短路故障时直流充电机失电。而近年来部分厂家蓄电池质量低劣，急需蓄电池供电时，蓄电池却发生开路或容量突降，造成110 kV变电站直流电源全失[4]。为避免类似事故，河南省开展110 kV变电站直流电源系统双重化改造，即新增一套直流电源系统（以下称“第二套直流系统”，原系统称“第一套直流系统”）。在实施过程中出现了多种问题，如未采购母联开关、直流负荷如何实现最优分配等。针对这些问题，文章阐述设计、实施过程中需重点关注的技术细节。
1 设备参数典型配置
第二套直流系统参数应与第一套直流系统相同或相近，如蓄电池组容量、电压、充电机额定容量等。典型参数配置表见表1。
2 前期准备
2.1 屏位准备 按照第二套直流系统的蓄电池容量准备屏位或蓄电池室。300 Ah及以上的应安装在蓄电池室内[5]。300 Ah以下的可准备2～3面蓄电池屏。准备充电屏位1面，视第一套直流系统及现场负荷情况准备馈电屏位1～2面，条件确不具备时可配置充馈一体屏位1面。
2.2 设备准备
第二套直流系统充电机两路交流输入电源应取自两段站用交流电源母线[6]。站用交流系统应增加2路馈线接入位置。馈线开关应满足第二套直流系统充电机容量要求，且不应与其他交流负荷共用开关。站内公用测控、规约转换等设备应能满足本期工程相关遥测、遥信的接入需求。
2.3 设备采购
应在采购技术规范书中明确采购1套蓄电池巡检装置、1个母联开关、1个绝缘监测装置等。
3 直流负荷分配典型方案
以双主变变电站为例，提出直流负荷分配的三种典型方案。推荐选用方案一。单主变变电站直流负荷分配方案类似方案三。三种方案优缺点分析中均不考虑两组蓄电池同时故障的情况。
3.1 方案一
主变保护与35 kV、10 kV出线保护交叉接入两套直流系统，如图1所示。
110 kV变电站保护装置配置数量均为单套。当单套保护的直流电源失去时，保护无法发挥作用。要解决单套保护、双套直流系统的不适配问题，发挥双套直流系统的后备作用，就不能单单考虑每个保护本身，而要从后备保护方向考虑。本文提出的方案一，即双主变直流负荷交叉分配方案，有2个优点。①当10 kV出线故障，10 kV母线电压降低[8]，充电机失电时[9]，能保证故障由10 kV出线保护或主变保护切除。②在最严重短路故障情况下，能保证有一台主变保护可正常跳闸;跳开一台主变后，可减小故障电流。该方案的缺点是，两套直流系统馈线支路改动较多，改造工作量较大。
3.2 方案二
将两台主变相关负荷分别接入两套直流系统，即#1主变、110 kVI母、35 kVI母、10 kVI母系统对应负荷接入第一套直流系统，#2主变、110 kVII母、35 kVII母、10 kVII母系统对应负荷接入第二套直流系统。
方案二有3个优点。①直流负荷分配符合运维管理习惯。②在发生最严重短路故障情况下，能保证有一台主变保护可正常跳闸;跳开一台主变后，可减小故障电流。③该方案特别适用于原直流系统将两台主变相关直流负荷分配在两面馈线屏的情况，可实现馈线屏整体转移负荷。
方案二有3个缺点。①跳开一台主变后，故障电流减小，同时也降低了上级变电站保护的灵敏度[10]。②100开关合闸情况下，若10 kV系统出口短路，两段10 kV母线电压均会降低，造成充电机失电;如蓄电池组同时发生故障，则故障蓄电池组供电的保护同时失电，只能由上一级变电站保护切除故障，在保护灵敏度不足时会造成较为严重的后果。③原直流系统配置一面馈线屏时，两套直流系统馈线支路改动较多，改造工作量相对较大。
3.3 方案三
将直流负荷按照电压等级分配，主变及高压侧负荷接入第一套直流系统，主变中压侧及低压侧负荷接入第二套直流系统，即#1主变、#2主变、110 kVI母、110 kVII母系统对应负荷接入第一套直流系统，35 kVI母、35 kVII母、10 kVI母、10 kVII母系统对应负荷接入第二套直流系统。
方案三有2个优点。①当10 kV出线故障，10 kV母线电压降低，充电机失电时，能保证故障由10 kV出线保护或主变保护切除。②第二套直流系统接35 kV、10 kV系统对应负荷，馈线支路不多，改造工作量较小。
该方案也有2个缺点。①100开关合闸情況下，若主变低压侧发生故障，且第一套直流系统蓄电池故障，两台主变保护失电拒动，此时两台主变均会承受较大的短路电流[11]，需经上一级变电站保护切除故障，在保护灵敏度不足的情况下会造成较为严重的后果。②若10 kV系统出线开关拒动，也会造成上述后果。
4 实施步骤
以原有#1蓄电池组、#1充电屏、#1馈线屏，现增配#2蓄电池组、#2充电屏、#2馈电屏为例，具体实施步骤建议有5点。
①安装新增设备。#2馈线屏应尽量靠近#1馈线屏，避免直流负荷转移时电缆长度不够。
②敷设#2充电屏至低压交流母线进线电缆;敷设#2蓄电池组至#2充电屏电缆。
③在#1段直流母线和#2段直流母线间接入母联开关。敷设#2充电屏至#1馈线屏（或#1充电屏）电缆，在#1馈线屏（或#1充电屏）接入母联开关接线，两段母线分列运行。按现场情况将母联开关接入#1馈线屏或#1充电屏。
④对#1馈线屏需要转移的直流负荷，采用电源车临时接线转移或敷设电缆至#2馈线屏临时转移。
⑤在#1馈线屏拆除需转移直流负荷的原有接线电缆，并转移至#2馈线屏相应位置接入，验电无误后拆除临时接线。
5 原系统全核对性放电补充改造措施
5.1 双重化改造后遗留问题
双重化改造后直流电源系统，如图5所示。
《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》（DL/T 724）规定两组蓄电池的变电站需进行全核对性充放电试验[12]。但110 kV 变电站直流电源双重化改造后，原蓄电池组无法进行全核对性充放电，原因在于原直流系统是作为单套直流系统进行设计，蓄电池不可脱离母线，即充电机通过母线对蓄电池充电，故未设计充电机至蓄电池的开关。
合母联开关 S3，断开 S1、S2，对#1蓄电池做全核对性充放电试验后，充电时存在如下风险：①合S1，对#1蓄电池充电。两组蓄电池组压差较大，并联引起环流[13]，影响蓄电池寿命[14]。②合 S1、S2，断开S3，通过#1充电机对#1蓄电池充电。#1蓄电池已容量不足，存在第一套直流负荷供电中断的风险。 5.2 解决措施
在原直流系统中，加装#1充电机至#1蓄电池组的开关，与图2中#2充电机至#2蓄电池组的开关S6作用相同，则可对两组蓄电池做全核对性充放电试验。加装前，使用充放电一体测试仪实现#1蓄电池组全容量放电试验。
6 结语
老旧110 kV变电站存在不满足反措要求的因素较多，如断路器为电磁操动机构断路器，合闸时易对蓄电池造成较大冲击;低压交流开关不具备电动操作功能，无法实现备自投功能等，加之蓄电池质量近年来有所下降，导致单套直流电源系统供电可靠性较低，威胁电网安全运行。因此，110 kV 变电站配置单套直流电源系统的设计，有值得商榷之处。开展直流电源系统双重化改造，在设计、采购、施工的各个阶段都应遵照相關规程和反事故措施，以期实现具备双套安全可靠直流电源的目标。
参考文献：
[1] 国家能源局.DL/T 5044―2014电力工程直流电源系统设计技术规程[S].北京：中国电力出版社，2015.
[2] 国家电网公司.国家电网公司输变电工程通用设计[M].北京：中国电力出版社，2017.
[3] 国家电网有限公司关于印发十八项电网重大反事故措施（修订版）[Z].国家电网公司，2018.
[4] 赵美荣.变电站直流电源应急装置的研究[D].南京：东南大学，2017.
[5] 吕晓春.蓄电池电源装置设备房设计探讨[J].建筑电气. 2017（2）：41-44.
[6] 高擎.直流屏中的两路电源自动切换故障分析[J].广播电视信息，2013（12）：103-105.
[7] 梁昌奇.通信直流双电源系统安装母联开关的必要性及应用分析[J].通信电源技术，2019（10）：130-131.
[8] 李明.对一起由直流故障引起的全站失压事件的分析[J].河南科技，2011（22）：83.
[9] 何明，王粟，辛占强.直流故障引起全站失压案例分析及防范措施[J].湖北工业大学学报，2015（2）：86-88.
[10] 徐习东.电力变压器纵差保护研究[D].杭州：浙江大学，2005.
[11] 吴金玉，高金伟.防止主变时限速断误动作的整定方案[J].中国电力企业管理，2011（14）：123-124.
[12] 国家经济贸易委员会.电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程DL/T 724―2000[S].电力行业高压开关设备标准化技术委员会，2000.
[13] 王琼，李跃峰.电池组并联环流抑制方法的研究[J].电源技术，2017（1）：44-45.
[14] 张磊，王海波，拾华杰，等.阀控式蓄电池并联充放电研究[J].电源技术，2011（11）：1394-1398.