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摘 要：本文首先介绍交直流一体化电源系统的应用特点，提出对实际直流负荷进行分类统计，并根据计算结果合理选择相应设备参数的方案。通过对通用设计方案中直流负荷进行分类统计和计算，得出蓄电池组、UPS电源、高频充电模块等主要设备的额定容量和额定电流值。为智能变电站交直流一体化电源的设计提供参考。
关键词：智能变电站；交直流一体化电源系统；电缆截面积；馈线开关
中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）12-0035-02
引 言
交直流电源系统是变电站一、二次设备可靠运行的重要保障，主要包括ATS、蓄电池组、直流充电机屏、直流馈线屏、通信电源DC/DC模块、UPS等主要设备。自2017年开始，国家电网公司在系统内全面推广智能变电站模块化建设，相继制定并颁布了110（66）kV智能变电模块化建设（2015年版）、35～10kV智能变电站模块化建设施工图设计（2016年版）2份重要的通用设计方案，要求在基建工程中严格执行。
1 交直流一体化电源系统的特点
（1）通过科学地应用直流电源系统、交流电源系统、UPS电源系统、通信电源系统、科学的一体化设计方案，可以对于智能化、无人值守变电站的情况进行一体化配置与一体化监控。
（2）智能化与模块化的应用模式可以使智能化、无人值守变电站电源功能分散化，建立起有效的智能电源硬件平台应用模式，不需要模块进行二次接线，不需要进行跨屏二次电缆的建设。
（3）一体化监控单元展示智能化、无人值守变电站的运行情况以及有关的数据信息，并且可以显示在远方控制中心，最终使得智能化、无人值守变电站发展成为开放性的整体系统。
2 交直流一体化电源系统优化设计方案
2.1 直流系統
（1）应用具有并联特性的智能电池组件和阀控式铅酸蓄电池进行直流电源的科学设计，以最小的投资获得最大的应用效果。
（2）对二次设备内中的部件与设备进行科学维护。如：设计两套独立直流电源系统，使得220V直流通过隔离后可以变换为48V，最终为通信负荷提供电源上的保障。
（3）采用模块化构造的交流不停电电源系统，双主机冗余配置，保障其具有2h满负荷放电时间、8kVA的容量。
2.2 交流系统
应用双电源智能化自动切换开关，可以有效地对交流电源线路进行控制与监测。这种开关不仅可以对交流电源线路进行电气闭锁，还可以进行机械闭锁，从根本上保障电源的安全切换。另外，应用双电源智能化自动切换开关还可以对变电站中的集控中心和监控系统进行远端切换。事实表明，这种应用方式有利于变电站事故处理与倒闸操作，全面提高了交流电源进线的可靠性，最终提升了交直流一体化电源系统的应用质量和水平。
2.3 进行一体化模块化电源组屏
交直流一体化电源系统外观如图1所示。应用的主要部件有：并联智能电池组件馈线柜、事故照明逆变电源柜、交流站用电源、通信电源、智能化一体化交直流电源监控系统等。设计方案：应用智能化一体化交直流电源监控系统与通信电源等实现电源整体系统的报警、数据信息的远程遥控操作、运行数据和信息的记录与保存，各子系统与总控制器进行科学的通信连接，最终使电源监控系统更好满足变电站的应用要求。可以将并联智能电池组件柜的每6个面组成一个模块，把一次交流电源柜组成一个模块，将事故照明逆变电源柜、交流站用电源柜组成一个模块。
3 案例分析
某智能变电站根据国家电网公司模块化通用设计方案（2015年版）中110-A3-3方案建设。具体规模为：主变压器本期2台50MVA，终期3台；110kV本期2回进线，内桥接线，终期3回，扩大内桥接线；10kV本期出线24回、电容器组4回、接地变2回，单母三分段接线，终期出线36回、电容器组6回、接地变3回，单母四分段接线。
4 直流负荷统计
根据通用设计方案，智能变电站配置交直流一体化电源系统，取消UPS电源、通信电源的独立蓄电池组，所以直流负荷统计应包含全站直流经常性负荷、UPS电源负荷和通信用DC/DC负荷。
4.1 UPS电源负荷统计
根据《电力用直流和交流一体化不间断电源设备》（DL/T1074-2007）和变电站实际运行要求，该工程UPS负荷统计情况如表1所示。
UPS计算容量：
S =K ×K ×K ×K （1）
式中：Ki为动态稳定系数，取1.1；Kd为直流电压下降系数，取1.1；Kt为温度补偿系数，取1.05；Ka为设计预度系数，取1.05；P 为全部负载计算功率，kW；cos？准为负载功率因数，取0.8。
将上述负荷统计结果，代入式（1）可得出Sc=6.1kW，根据国家电网公司物资采购标准，UPS容量选取7.5kVA。
4.2 直流电源负荷统计
4.2.1 统计原则
（1）保护测控装置功耗不超过50W/台，断路器分合闸线圈电流不超过2.5A/台；
（2）交换机满载时整机功耗应不大于（10+1×电口数量+2×光口数量）W，本站按照平均40W/台进行统计；
（3）高压断路器跳闸的冲击负荷考虑低周减载动作时切除低压侧某一段母线出线的情况；
（4）全站电气负荷及通信负荷均按2h事故放电时间计算。
4.2.2 统计结果
与常规综自站相比，智能变电站直流经常性负荷主要增加了智能终端、合并单元设备，站控层设备及全站交换机数量也有所增加，直流经常性负荷共约15A。
5 直流电源系统设计
5.1 蓄电池组设计 5.1.1 基本参数选择
本站直流系统额定电压为220V，蓄电池组为阀控式密封铅酸蓄电池，单体浮充电压选用2.23V可计算出蓄电池数量为104只，放电终止电压为1.85V。
5.1.2 容量选择
本站直流负荷在事故放电期间，分为初期负荷（1min）和持续负荷（2h）2个阶段。根据蓄电池容量简化计算法：
初期冲击容量：
C =K （2）
第一阶段计算容量：
C =K （3）
随机负荷计算容量：
C =K （4）
式（2）～（4）中：Kk为可靠系数，取1.4；Ich0为初期冲击放电电流，I1为持续放电电流，Ir为随机负荷电流；Kch0，Kch1，Kcr分别为放电时间1min，119min及5s时对应的容量系数，根据阀控式密封铅酸蓄电池（单体2V）的容量换算系数表，按照放电终止电压、持续放电时间查表得Kch0=1.24，Kch1=0.34，Kcr=1.34。代入式（2）～（4）可得Kch0=79.47Ah，Kch1=191.2Ah，Cr=1.87Ah；取Kch0与K 的较大值，因此蓄電池组容量选取200Ah。
6 直流断路器设计
该工程交直流电源系统采用集中辐射形供电，网络接线方式如图2所示。
图1中F1为蓄电池出口熔断器；S2为直流馈线柜内出线断路器，选用C型脱扣直流断路器；S3为保护测控屏、智能汇控柜等终端负荷的电源空开，选用B型脱扣直流断路器。S3额定电流根据负荷电流实际大小，可选2A，4A，6A等不同的额定电流，最大不超过10A。S2的额定电流选择除了应满足额定负荷的需求，同时还应满足上下级选择性的配合要求。
实际上，直流馈线回路负荷一般很小，因此设计中主要考虑馈线开关的选择性配合问题。根据3.3节ΔUP计算值，按照“A.5-1集中辐射型系统保护电器选择性配合表”的推荐值并结合国家电网直流电源物资采购标准进行简要选择，结果如表2所示。
F1额定电流按式（5）、（6）计算：
In≥5.5I10（5）
In≥2In，max（6）
上式中：I10=20A为蓄电池组10h放电电流，In，max为馈线屏断路器S2中额定值最大值。
直流充电机容量计算：蓄电池浮充电流20A+直流经常性负荷15A=35A，根据N+1配置原则，充电机模块应配3台20A.
7 DC/DC模块设计
根据通信专业提资：通信设备负荷2.5kW，DC/DC模块额定电压为2500/48V。计算可得模块输出电流52A，根据N+1原则，通信电源模块额定电流选择（3+1）×20A。
8 结 语
本文通过案例对智能变电站内直流负荷进行分类统计与计算，该工程直流电源系统配置为：蓄电池组200Ah，2V，104节；220V充电机3X20A；UPS电源7.5kVA；通信电源DC/DC模块额定电流选择4×20A。与国网通用设计方案模块化建设施工图设计（2016）相比，在UPS电源容量等方面进行设计优化，这有利于提高变电站电源系统应用质量与水平。
参考文献
[1]唐林友.变电站交直流一体化电源系统设计的探讨[J].低碳世界，2013（22）：84～85.
[2]程利娟.交直流一体化电源系统优化设计[J].低碳世界，2016（18）：21～22.
[3]苗 梅.智能变电站站用电源系统的设计及应用[D].北京：华北电力大学，2011.
收稿日期：2018-3-24
作者简介：谢牡芳（1981-），女，电气助理工程师，大专，任珠海泰坦科技股份有限公司设计主管。
关键词：智能变电站；交直流一体化电源系统；电缆截面积；馈线开关
中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）12-0035-02
引 言
交直流电源系统是变电站一、二次设备可靠运行的重要保障，主要包括ATS、蓄电池组、直流充电机屏、直流馈线屏、通信电源DC/DC模块、UPS等主要设备。自2017年开始，国家电网公司在系统内全面推广智能变电站模块化建设，相继制定并颁布了110（66）kV智能变电模块化建设（2015年版）、35～10kV智能变电站模块化建设施工图设计（2016年版）2份重要的通用设计方案，要求在基建工程中严格执行。
1 交直流一体化电源系统的特点
（1）通过科学地应用直流电源系统、交流电源系统、UPS电源系统、通信电源系统、科学的一体化设计方案，可以对于智能化、无人值守变电站的情况进行一体化配置与一体化监控。
（2）智能化与模块化的应用模式可以使智能化、无人值守变电站电源功能分散化，建立起有效的智能电源硬件平台应用模式，不需要模块进行二次接线，不需要进行跨屏二次电缆的建设。
（3）一体化监控单元展示智能化、无人值守变电站的运行情况以及有关的数据信息，并且可以显示在远方控制中心，最终使得智能化、无人值守变电站发展成为开放性的整体系统。
2 交直流一体化电源系统优化设计方案
2.1 直流系統
（1）应用具有并联特性的智能电池组件和阀控式铅酸蓄电池进行直流电源的科学设计，以最小的投资获得最大的应用效果。
（2）对二次设备内中的部件与设备进行科学维护。如：设计两套独立直流电源系统，使得220V直流通过隔离后可以变换为48V，最终为通信负荷提供电源上的保障。
（3）采用模块化构造的交流不停电电源系统，双主机冗余配置，保障其具有2h满负荷放电时间、8kVA的容量。
2.2 交流系统
应用双电源智能化自动切换开关，可以有效地对交流电源线路进行控制与监测。这种开关不仅可以对交流电源线路进行电气闭锁，还可以进行机械闭锁，从根本上保障电源的安全切换。另外，应用双电源智能化自动切换开关还可以对变电站中的集控中心和监控系统进行远端切换。事实表明，这种应用方式有利于变电站事故处理与倒闸操作，全面提高了交流电源进线的可靠性，最终提升了交直流一体化电源系统的应用质量和水平。
2.3 进行一体化模块化电源组屏
交直流一体化电源系统外观如图1所示。应用的主要部件有：并联智能电池组件馈线柜、事故照明逆变电源柜、交流站用电源、通信电源、智能化一体化交直流电源监控系统等。设计方案：应用智能化一体化交直流电源监控系统与通信电源等实现电源整体系统的报警、数据信息的远程遥控操作、运行数据和信息的记录与保存，各子系统与总控制器进行科学的通信连接，最终使电源监控系统更好满足变电站的应用要求。可以将并联智能电池组件柜的每6个面组成一个模块，把一次交流电源柜组成一个模块，将事故照明逆变电源柜、交流站用电源柜组成一个模块。
3 案例分析
某智能变电站根据国家电网公司模块化通用设计方案（2015年版）中110-A3-3方案建设。具体规模为：主变压器本期2台50MVA，终期3台；110kV本期2回进线，内桥接线，终期3回，扩大内桥接线；10kV本期出线24回、电容器组4回、接地变2回，单母三分段接线，终期出线36回、电容器组6回、接地变3回，单母四分段接线。
4 直流负荷统计
根据通用设计方案，智能变电站配置交直流一体化电源系统，取消UPS电源、通信电源的独立蓄电池组，所以直流负荷统计应包含全站直流经常性负荷、UPS电源负荷和通信用DC/DC负荷。
4.1 UPS电源负荷统计
根据《电力用直流和交流一体化不间断电源设备》（DL/T1074-2007）和变电站实际运行要求，该工程UPS负荷统计情况如表1所示。
UPS计算容量：
S =K ×K ×K ×K （1）
式中：Ki为动态稳定系数，取1.1；Kd为直流电压下降系数，取1.1；Kt为温度补偿系数，取1.05；Ka为设计预度系数，取1.05；P 为全部负载计算功率，kW；cos？准为负载功率因数，取0.8。
将上述负荷统计结果，代入式（1）可得出Sc=6.1kW，根据国家电网公司物资采购标准，UPS容量选取7.5kVA。
4.2 直流电源负荷统计
4.2.1 统计原则
（1）保护测控装置功耗不超过50W/台，断路器分合闸线圈电流不超过2.5A/台；
（2）交换机满载时整机功耗应不大于（10+1×电口数量+2×光口数量）W，本站按照平均40W/台进行统计；
（3）高压断路器跳闸的冲击负荷考虑低周减载动作时切除低压侧某一段母线出线的情况；
（4）全站电气负荷及通信负荷均按2h事故放电时间计算。
4.2.2 统计结果
与常规综自站相比，智能变电站直流经常性负荷主要增加了智能终端、合并单元设备，站控层设备及全站交换机数量也有所增加，直流经常性负荷共约15A。
5 直流电源系统设计
5.1 蓄电池组设计 5.1.1 基本参数选择
本站直流系统额定电压为220V，蓄电池组为阀控式密封铅酸蓄电池，单体浮充电压选用2.23V可计算出蓄电池数量为104只，放电终止电压为1.85V。
5.1.2 容量选择
本站直流负荷在事故放电期间，分为初期负荷（1min）和持续负荷（2h）2个阶段。根据蓄电池容量简化计算法：
初期冲击容量：
C =K （2）
第一阶段计算容量：
C =K （3）
随机负荷计算容量：
C =K （4）
式（2）～（4）中：Kk为可靠系数，取1.4；Ich0为初期冲击放电电流，I1为持续放电电流，Ir为随机负荷电流；Kch0，Kch1，Kcr分别为放电时间1min，119min及5s时对应的容量系数，根据阀控式密封铅酸蓄电池（单体2V）的容量换算系数表，按照放电终止电压、持续放电时间查表得Kch0=1.24，Kch1=0.34，Kcr=1.34。代入式（2）～（4）可得Kch0=79.47Ah，Kch1=191.2Ah，Cr=1.87Ah；取Kch0与K 的较大值，因此蓄電池组容量选取200Ah。
6 直流断路器设计
该工程交直流电源系统采用集中辐射形供电，网络接线方式如图2所示。
图1中F1为蓄电池出口熔断器；S2为直流馈线柜内出线断路器，选用C型脱扣直流断路器；S3为保护测控屏、智能汇控柜等终端负荷的电源空开，选用B型脱扣直流断路器。S3额定电流根据负荷电流实际大小，可选2A，4A，6A等不同的额定电流，最大不超过10A。S2的额定电流选择除了应满足额定负荷的需求，同时还应满足上下级选择性的配合要求。
实际上，直流馈线回路负荷一般很小，因此设计中主要考虑馈线开关的选择性配合问题。根据3.3节ΔUP计算值，按照“A.5-1集中辐射型系统保护电器选择性配合表”的推荐值并结合国家电网直流电源物资采购标准进行简要选择，结果如表2所示。
F1额定电流按式（5）、（6）计算：
In≥5.5I10（5）
In≥2In，max（6）
上式中：I10=20A为蓄电池组10h放电电流，In，max为馈线屏断路器S2中额定值最大值。
直流充电机容量计算：蓄电池浮充电流20A+直流经常性负荷15A=35A，根据N+1配置原则，充电机模块应配3台20A.
7 DC/DC模块设计
根据通信专业提资：通信设备负荷2.5kW，DC/DC模块额定电压为2500/48V。计算可得模块输出电流52A，根据N+1原则，通信电源模块额定电流选择（3+1）×20A。
8 结 语
本文通过案例对智能变电站内直流负荷进行分类统计与计算，该工程直流电源系统配置为：蓄电池组200Ah，2V，104节；220V充电机3X20A；UPS电源7.5kVA；通信电源DC/DC模块额定电流选择4×20A。与国网通用设计方案模块化建设施工图设计（2016）相比，在UPS电源容量等方面进行设计优化，这有利于提高变电站电源系统应用质量与水平。
参考文献
[1]唐林友.变电站交直流一体化电源系统设计的探讨[J].低碳世界，2013（22）：84～85.
[2]程利娟.交直流一体化电源系统优化设计[J].低碳世界，2016（18）：21～22.
[3]苗 梅.智能变电站站用电源系统的设计及应用[D].北京：华北电力大学，2011.
收稿日期：2018-3-24
作者简介：谢牡芳（1981-），女，电气助理工程师，大专，任珠海泰坦科技股份有限公司设计主管。