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摘 要： 首先对变电站直流系统的组成进行简单介绍，然后对当前一些直流系统蓄电池、充电电源等方面存在问题进行讨论，最后针对各个问题提出优化目标及优化的具体方案。
关键词： 变电站；直流系统；优化
中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0810010－02
随着科学技术的进步和电力事业的不断发展，变电站更多的采用无人值守的方式，直流系统也越来越自动化、数字化，这对变电站直流系统提出了更高要求。本文就变电站现状进行分析，指出相应不足之处和提出优化方案。那什么是直流系统呢，直流系统事由充电设备、蓄电池组、用电设备、直流馈出等组成的变电站或者电力系统发电厂直流电源系统。它主要给计算机监控、控制信号、继电保护等直流负荷。
1 变电站直流系统
由图1可以看出，交流输入电源主要分成两路，工作方式为三相四线制主备。其中含有工作电源的回路为主供电回路，含有备用电源的回路为备用供电回路，这两个回路是可以互相投切的。主电路由两部分构成，一部分为充电模块，主要为蓄电池进行均冲和浮充；另一部分为供电模块，主要为控制母线提供220V直流电压。而在蓄电池组、控制母线和充电模块之间有电压调节器，电压调节器的作用为：当交流电源故障时，蓄电池组通过电压调节器给控制母线供电；当供电模块发生故障时，蓄电池组和充电电源通过电压调节器给控制母线充电，从而保证控制母线供电的连续性。
直流系统接线形式主要为母线分段形式的母线形式，例如单套蓄电池单套充电装置、单套蓄电池双套充电装置、双套蓄电池三套充电装置等。其中第一种主要适用于老站改造且改造限制比较大的场合，第二种为新建变电站直流系统的主流方式，第三种适用于特殊的和非常重要的变电站。
2 直流系统设备
2.1 充电装置
目前大部分整流装置都采用传统的硅整流充电装置，而少部分变电站直流系统中的整流充电装置已采用高频开关。
2.2 蓄电池
对于大部分变电站直流系统来说，蓄电池组只配置一套，只有少部分的配置了两套，每套蓄电池容量也有限，超过500Ah的很少。蓄电池的形式主要有阀控式全密封铅酸蓄电池和防酸式铅酸蓄电池。
2.3 其它
传统的直流馈线网络以环形小母线布置为主，因此各馈线保护装置比较复杂，大多数老变电站仍以熔断器为主，而新变电站则以直流断路器为主。
3 直流系统优化
3.1 直流系统存在的问题
一是充电装置和蓄电池组本身的配置很难达到直流负荷所要求的可靠性；二是变电站监控系统与直流系统自动化程度低，不能进行实时信息共享和利用，不能满足远程监测和控制；三是无电装置采用晶闸管整流器，这种装置效率低、功耗大、可靠性差；四是蓄电池采用防酸式蓄电池，维护麻烦，可靠性低；五是空气开关、熔断器问题导致的熔断器越级熔断，控制母线失压；六是设备陈旧，与新技术配合和运用不够；七是变电中没有配置专用UPS，使得变电站中的智能装置对可靠电源的要求无法实现。未建立变电站专用UPS，无法满足变电站大量智能装置对可靠的交流不停电电源的需求。因此为了保证变电站直流系统的稳定运行，有必要对直流系统进行优化。
3.2 优化目标
随着直流电源的发展，直流电源已经慢慢由相控电源转变为高频开关电源，其优越性也越来越明显。随着变电站自动化程度的提高，阀控式全密封铅酸蓄电池的广泛使用，对整流器的要求也就越来越高，高频开关电源已是大势所趋。
因此，优化目标可以概括为以下几点：1）保证系统的可靠性、安全性，这是所有优化前提。2）为了提高蓄电池的使用寿命，尽量减少蓄电池的更换次数。3）优化直流系统的接线方式，只要满足供电可靠，接线方式应该尽可能的简单，所用设备也应尽可能简化。4）直流系统在满足要求的情况下，尽可能减小它的体积，提高效率，节省电能，节省占地面积，提高输电能力。5）提高变电站的自动化程度，带有遥测和遥控接口，全面实现直流系统的远程监控功能。6）改进系统的保护装置，加强各保护装置级差配合，提高直流系统的绝缘水平和可靠性。7）做好电气隔离，避免交流电干扰充电机造成直流母线电压波动，进而破坏蓄电池等。杜绝一切来自一次回路的电磁干扰，避免交流电传入二次回路和直流系统。
3.3 优化方案
1）是蓄电池优化
阀控式全密封铅酸蓄电池的基本原理是使蓄电池内的气体在极板间转移，促进蓄电池的再化合反应，同时通过减压阀使电池内保持一定的压力。这种蓄电池不仅有防酸式铅酸蓄电池的优点，还具有热容量小、体积小、装配紧凑、不产生酸雾，正常情况下不用加电解液的特点，可在主控室里与成套的直流电源一起安装。但由于其寿命受温度的影响极大，因此，对温度的要求比较高，一般来说温度在10-25℃即可。对于蓄电池容量的选择，主要有阶梯负荷法和电压控制法，一般选择后一种方法，按照满足事故全停电状态下的持续放电容量和事故全停电状态下的冲击电流值选择蓄电池的容量。换句话说，无论你是选择双套电池组还是单套电池组，对于每套电池组的容量，都按变电站全站事故停电持续时间内承担直流负荷的要求选择。
对于单组蓄电池的直流系统，接线方式采用单母线或分段接线，可以配置一套或者两套充电装置。对于单母线接线方式，开关充电装置宜采用高频开关，配置的充电模块按照（N+1）配置，最好配一套。对于单母线分段接线方式，由于分段电器没有采用隔离电器而采用保护电器，而保护功能主要是保证在直流馈线越级跳闸时至少半段的母线完好，防止事故进一步恶化，提高系统的可靠性。所以，对于单组蓄电池直流系统，配置的充电模块一套即可。根据相关要求，直流系统运行过程中蓄电池不能退出，配置两套充电装置后对系统安全性没有什么提高，故单母线分段接线方式配置一套充电装置即可。
对于双组蓄电池的直流系统，接线方式采用单母线分段接线，可配置二套或三套充电装置。两段母线之间有保护电器，当系统正常运行时，两母线分列运行，发生事故或者进行维护时可并列运行，从而大大提高系统的可靠性。如果充电装置采用相控型，由于可靠性比较低，所以原则上配置一套备用充电装置，换句话说，配置三套充电专职；如果充电装置采用高频开关，可靠性相对来说比较高，可不设每套装置的备用，即每套充电装置采用（N+1）电源模块备用，配置两套充电装置。
2）充电装置优化
一般变电站直流系统中的充电机由晶闸管相控整流和工频变压器及滤波装置构成。这类充电机的缺点是一旦充电模块发生故障，就需要停机维修，并且时间很长，这就导致蓄电池得不到充电，变电站电源处于没有保证的危险状态。如果采用双电机，则会增加成本。因此，在直流系统优化时，充电机中的整流装置可用IGBT这种高频开关替代晶闸管。它不仅具有开关速度快、输出容量大、输入阻抗高的特点，还能很好的解决输入谐波、功率因数等问题，是提高变电站自动化程度的可靠的供电装置。为了提高系统的可靠性，电源模块最好采用N+1冗余高频开关，也就是说，用多个高频开关逆变器代替充电机，使其中N个模块承担额定负载，剩下的一个为备用模块。这样，当一个模块发生故障时，不会影响系统的运行，不需要全容量备用，这不仅减少了成本，同时也使系统的可靠性得到提高，提高其优越性。如果高频开关和监控系统一起使用，则可通过监控系统实现充电装置对蓄电池组的充电功能，并且，即使监控系统发生故障，充电模块可变为均充电状态，从而保证系统的可靠性，使系统正常工作。
3）直流系统接线形式优化
对于只配置单套蓄电池组的变电站，当蓄电池组进行维护、检修或者蓄电池组发生故障时，会影响系统的可靠性。因此，为了提高系统的可靠性，在原来直流系统的基础上，增加一套蓄电池组，以保证当一套蓄电池组发生故障或者退出工作时，另一套蓄电池组可以继续保证变电站的正常工作。另外，对蓄电池组放电实验回路进行优化，使蓄电池的充放电实验对直流母线的工作没有影响。
4）直流馈线网络优化
变电站直流系统馈线网络采用辐射式，即对于220kV及以上线路和主变的元件的每套保护和控制单元，直流系统用大量单独馈线直接向其供电。对于规模比较大，电压等级较多的变电站，还可采用就地直接分屏的辐射式馈线网络，即直流分屏上的两段直流分母线直接从直流系统的两条总母线上各引一路电源为其供电，然后直流分屏以辐射式为各套保护装置提供两个相互独立的直流电源。这不仅简化了馈线网络，又降低了成本。
5）保护装置优化
直流系统各回路采用直流断路器进行保护。相对于熔断器而言，功能更全，如限流、过流、速断，在瞬动区间、延时动作区间、动作特性曲线稳定性具有优势，对于直流回路上下级断路器之间动作配合非常有利，从而提高了系统故障时保护动作的选择性。
6）监控系统的优化
为了提高变电站的自动化水平，需要将直流系统中的各类数据上传到监控系统之中，这就需要用到直流系统的监控装置，而要完成数据的采集与上传，就需要在变电站直流系统中装有必要的应用通信软件和串口通信硬件设备。
7）专用UPS装置
由于变电站自动化程度的提高，各种装置对高质量的交流不停电电源的要求也越来越高，因此，对于交流电源需要设置专用的UPS装置，该装置没有设置独立的蓄电池组，而是通过变电站本身提供直流和交流电源，这样有利于系统的维护和统一管理。UPS装置由主从两部分构成，正常工作时，主UPS负责供电，当主UPS发生故障或其他原因不能工作时，从UPS代替工作，从而保证系统的正常运行。
4 存在的问题
4.1 蓄电池
虽然阀控式全密封铅酸蓄电池具有防爆、无腐蚀性气体泄露、完全封闭的特点，可以和变电站中的保护装置和控制器放在一起，但出于对新产品可靠性的怀疑，很多变电站对蓄电池设置了小室布置，防止意外的发生。如果加强了阀控式全密封铅酸蓄电池制造质量的控制以及设备的选型，可以将布置到专用的室内。根据蓄电池的特性，蓄电池的发热量仅相当于一个几十瓦的灯泡，当环境温度比较低，而存放蓄电池的室内空间比较大时，用专门的空调进行控制以解决蓄电池运行的温度问题，这一点的经济性值得考虑。
4.2 充电装置
虽然（N+1）配置的充电装置在其整机故障率和单模块故障率远远小于其它充电装置，一旦发生故障，就有可能带来重大损失。可针对变电站配置高频开关装置进行备用，以备小概率故障情况的发生，但这回增加成本。
5 结论
作为变电站信号、通信、继电保护、事故照明、动力、仪器仪表等设备的电源，直流系统是电力系统中的重要组成部分，其性能的好坏直接关系到电网和设备运行的安全。特别是随着自动化程度的提高，对直流系统的可靠性、功能等多方面提出了更高的要求，因此，本文在充分发挥变电站直流系统原有优势的基础上，对直流系统进行优化，有效地提高系统的自动化程度和可靠性，优化直流系统的接线，降低制造成本，为变电站系统优化提供理论依据。
参考文献：
[1]国家电网公司，输变电工程典型设计，北京：国家电网公司，2007.
[2]丁成良，常规变电站无人值班改造，电力系统自动化，1998，73（8）.
[3]顾宁，浅谈变电站直流系统优化，电力建设，2010（237）.
[4]王永，变电站直流系统的运行分析和改进措施，电工技术应用，2007.
[5]李伟梁，变电站直流系统改造的讨论，大众科技，2004.
作者简介：
容晓松（1981-），男，汉族，湖北荆州人，大学本科，研究方向：变电运行；陈磊（1982-），男，汉族，浙江萧山人，大学本科，研究方向：变电运行。
关键词： 变电站；直流系统；优化
中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0810010－02
随着科学技术的进步和电力事业的不断发展，变电站更多的采用无人值守的方式，直流系统也越来越自动化、数字化，这对变电站直流系统提出了更高要求。本文就变电站现状进行分析，指出相应不足之处和提出优化方案。那什么是直流系统呢，直流系统事由充电设备、蓄电池组、用电设备、直流馈出等组成的变电站或者电力系统发电厂直流电源系统。它主要给计算机监控、控制信号、继电保护等直流负荷。
1 变电站直流系统
由图1可以看出，交流输入电源主要分成两路，工作方式为三相四线制主备。其中含有工作电源的回路为主供电回路，含有备用电源的回路为备用供电回路，这两个回路是可以互相投切的。主电路由两部分构成，一部分为充电模块，主要为蓄电池进行均冲和浮充；另一部分为供电模块，主要为控制母线提供220V直流电压。而在蓄电池组、控制母线和充电模块之间有电压调节器，电压调节器的作用为：当交流电源故障时，蓄电池组通过电压调节器给控制母线供电；当供电模块发生故障时，蓄电池组和充电电源通过电压调节器给控制母线充电，从而保证控制母线供电的连续性。
直流系统接线形式主要为母线分段形式的母线形式，例如单套蓄电池单套充电装置、单套蓄电池双套充电装置、双套蓄电池三套充电装置等。其中第一种主要适用于老站改造且改造限制比较大的场合，第二种为新建变电站直流系统的主流方式，第三种适用于特殊的和非常重要的变电站。
2 直流系统设备
2.1 充电装置
目前大部分整流装置都采用传统的硅整流充电装置，而少部分变电站直流系统中的整流充电装置已采用高频开关。
2.2 蓄电池
对于大部分变电站直流系统来说，蓄电池组只配置一套，只有少部分的配置了两套，每套蓄电池容量也有限，超过500Ah的很少。蓄电池的形式主要有阀控式全密封铅酸蓄电池和防酸式铅酸蓄电池。
2.3 其它
传统的直流馈线网络以环形小母线布置为主，因此各馈线保护装置比较复杂，大多数老变电站仍以熔断器为主，而新变电站则以直流断路器为主。
3 直流系统优化
3.1 直流系统存在的问题
一是充电装置和蓄电池组本身的配置很难达到直流负荷所要求的可靠性；二是变电站监控系统与直流系统自动化程度低，不能进行实时信息共享和利用，不能满足远程监测和控制；三是无电装置采用晶闸管整流器，这种装置效率低、功耗大、可靠性差；四是蓄电池采用防酸式蓄电池，维护麻烦，可靠性低；五是空气开关、熔断器问题导致的熔断器越级熔断，控制母线失压；六是设备陈旧，与新技术配合和运用不够；七是变电中没有配置专用UPS，使得变电站中的智能装置对可靠电源的要求无法实现。未建立变电站专用UPS，无法满足变电站大量智能装置对可靠的交流不停电电源的需求。因此为了保证变电站直流系统的稳定运行，有必要对直流系统进行优化。
3.2 优化目标
随着直流电源的发展，直流电源已经慢慢由相控电源转变为高频开关电源，其优越性也越来越明显。随着变电站自动化程度的提高，阀控式全密封铅酸蓄电池的广泛使用，对整流器的要求也就越来越高，高频开关电源已是大势所趋。
因此，优化目标可以概括为以下几点：1）保证系统的可靠性、安全性，这是所有优化前提。2）为了提高蓄电池的使用寿命，尽量减少蓄电池的更换次数。3）优化直流系统的接线方式，只要满足供电可靠，接线方式应该尽可能的简单，所用设备也应尽可能简化。4）直流系统在满足要求的情况下，尽可能减小它的体积，提高效率，节省电能，节省占地面积，提高输电能力。5）提高变电站的自动化程度，带有遥测和遥控接口，全面实现直流系统的远程监控功能。6）改进系统的保护装置，加强各保护装置级差配合，提高直流系统的绝缘水平和可靠性。7）做好电气隔离，避免交流电干扰充电机造成直流母线电压波动，进而破坏蓄电池等。杜绝一切来自一次回路的电磁干扰，避免交流电传入二次回路和直流系统。
3.3 优化方案
1）是蓄电池优化
阀控式全密封铅酸蓄电池的基本原理是使蓄电池内的气体在极板间转移，促进蓄电池的再化合反应，同时通过减压阀使电池内保持一定的压力。这种蓄电池不仅有防酸式铅酸蓄电池的优点，还具有热容量小、体积小、装配紧凑、不产生酸雾，正常情况下不用加电解液的特点，可在主控室里与成套的直流电源一起安装。但由于其寿命受温度的影响极大，因此，对温度的要求比较高，一般来说温度在10-25℃即可。对于蓄电池容量的选择，主要有阶梯负荷法和电压控制法，一般选择后一种方法，按照满足事故全停电状态下的持续放电容量和事故全停电状态下的冲击电流值选择蓄电池的容量。换句话说，无论你是选择双套电池组还是单套电池组，对于每套电池组的容量，都按变电站全站事故停电持续时间内承担直流负荷的要求选择。
对于单组蓄电池的直流系统，接线方式采用单母线或分段接线，可以配置一套或者两套充电装置。对于单母线接线方式，开关充电装置宜采用高频开关，配置的充电模块按照（N+1）配置，最好配一套。对于单母线分段接线方式，由于分段电器没有采用隔离电器而采用保护电器，而保护功能主要是保证在直流馈线越级跳闸时至少半段的母线完好，防止事故进一步恶化，提高系统的可靠性。所以，对于单组蓄电池直流系统，配置的充电模块一套即可。根据相关要求，直流系统运行过程中蓄电池不能退出，配置两套充电装置后对系统安全性没有什么提高，故单母线分段接线方式配置一套充电装置即可。
对于双组蓄电池的直流系统，接线方式采用单母线分段接线，可配置二套或三套充电装置。两段母线之间有保护电器，当系统正常运行时，两母线分列运行，发生事故或者进行维护时可并列运行，从而大大提高系统的可靠性。如果充电装置采用相控型，由于可靠性比较低，所以原则上配置一套备用充电装置，换句话说，配置三套充电专职；如果充电装置采用高频开关，可靠性相对来说比较高，可不设每套装置的备用，即每套充电装置采用（N+1）电源模块备用，配置两套充电装置。
2）充电装置优化
一般变电站直流系统中的充电机由晶闸管相控整流和工频变压器及滤波装置构成。这类充电机的缺点是一旦充电模块发生故障，就需要停机维修，并且时间很长，这就导致蓄电池得不到充电，变电站电源处于没有保证的危险状态。如果采用双电机，则会增加成本。因此，在直流系统优化时，充电机中的整流装置可用IGBT这种高频开关替代晶闸管。它不仅具有开关速度快、输出容量大、输入阻抗高的特点，还能很好的解决输入谐波、功率因数等问题，是提高变电站自动化程度的可靠的供电装置。为了提高系统的可靠性，电源模块最好采用N+1冗余高频开关，也就是说，用多个高频开关逆变器代替充电机，使其中N个模块承担额定负载，剩下的一个为备用模块。这样，当一个模块发生故障时，不会影响系统的运行，不需要全容量备用，这不仅减少了成本，同时也使系统的可靠性得到提高，提高其优越性。如果高频开关和监控系统一起使用，则可通过监控系统实现充电装置对蓄电池组的充电功能，并且，即使监控系统发生故障，充电模块可变为均充电状态，从而保证系统的可靠性，使系统正常工作。
3）直流系统接线形式优化
对于只配置单套蓄电池组的变电站，当蓄电池组进行维护、检修或者蓄电池组发生故障时，会影响系统的可靠性。因此，为了提高系统的可靠性，在原来直流系统的基础上，增加一套蓄电池组，以保证当一套蓄电池组发生故障或者退出工作时，另一套蓄电池组可以继续保证变电站的正常工作。另外，对蓄电池组放电实验回路进行优化，使蓄电池的充放电实验对直流母线的工作没有影响。
4）直流馈线网络优化
变电站直流系统馈线网络采用辐射式，即对于220kV及以上线路和主变的元件的每套保护和控制单元，直流系统用大量单独馈线直接向其供电。对于规模比较大，电压等级较多的变电站，还可采用就地直接分屏的辐射式馈线网络，即直流分屏上的两段直流分母线直接从直流系统的两条总母线上各引一路电源为其供电，然后直流分屏以辐射式为各套保护装置提供两个相互独立的直流电源。这不仅简化了馈线网络，又降低了成本。
5）保护装置优化
直流系统各回路采用直流断路器进行保护。相对于熔断器而言，功能更全，如限流、过流、速断，在瞬动区间、延时动作区间、动作特性曲线稳定性具有优势，对于直流回路上下级断路器之间动作配合非常有利，从而提高了系统故障时保护动作的选择性。
6）监控系统的优化
为了提高变电站的自动化水平，需要将直流系统中的各类数据上传到监控系统之中，这就需要用到直流系统的监控装置，而要完成数据的采集与上传，就需要在变电站直流系统中装有必要的应用通信软件和串口通信硬件设备。
7）专用UPS装置
由于变电站自动化程度的提高，各种装置对高质量的交流不停电电源的要求也越来越高，因此，对于交流电源需要设置专用的UPS装置，该装置没有设置独立的蓄电池组，而是通过变电站本身提供直流和交流电源，这样有利于系统的维护和统一管理。UPS装置由主从两部分构成，正常工作时，主UPS负责供电，当主UPS发生故障或其他原因不能工作时，从UPS代替工作，从而保证系统的正常运行。
4 存在的问题
4.1 蓄电池
虽然阀控式全密封铅酸蓄电池具有防爆、无腐蚀性气体泄露、完全封闭的特点，可以和变电站中的保护装置和控制器放在一起，但出于对新产品可靠性的怀疑，很多变电站对蓄电池设置了小室布置，防止意外的发生。如果加强了阀控式全密封铅酸蓄电池制造质量的控制以及设备的选型，可以将布置到专用的室内。根据蓄电池的特性，蓄电池的发热量仅相当于一个几十瓦的灯泡，当环境温度比较低，而存放蓄电池的室内空间比较大时，用专门的空调进行控制以解决蓄电池运行的温度问题，这一点的经济性值得考虑。
4.2 充电装置
虽然（N+1）配置的充电装置在其整机故障率和单模块故障率远远小于其它充电装置，一旦发生故障，就有可能带来重大损失。可针对变电站配置高频开关装置进行备用，以备小概率故障情况的发生，但这回增加成本。
5 结论
作为变电站信号、通信、继电保护、事故照明、动力、仪器仪表等设备的电源，直流系统是电力系统中的重要组成部分，其性能的好坏直接关系到电网和设备运行的安全。特别是随着自动化程度的提高，对直流系统的可靠性、功能等多方面提出了更高的要求，因此，本文在充分发挥变电站直流系统原有优势的基础上，对直流系统进行优化，有效地提高系统的自动化程度和可靠性，优化直流系统的接线，降低制造成本，为变电站系统优化提供理论依据。
参考文献：
[1]国家电网公司，输变电工程典型设计，北京：国家电网公司，2007.
[2]丁成良，常规变电站无人值班改造，电力系统自动化，1998，73（8）.
[3]顾宁，浅谈变电站直流系统优化，电力建设，2010（237）.
[4]王永，变电站直流系统的运行分析和改进措施，电工技术应用，2007.
[5]李伟梁，变电站直流系统改造的讨论，大众科技，2004.
作者简介：
容晓松（1981-），男，汉族，湖北荆州人，大学本科，研究方向：变电运行；陈磊（1982-），男，汉族，浙江萧山人，大学本科，研究方向：变电运行。