0 引言

变电站的保护、测控、智能组件等电气二次设备主要由直流电源供电^[1]，而蓄电池组的性能直接影响到直流系统的运行状态。

目前，变电站内直流系统多采用蓄电池串接方式^[2-3]，该方式存在单个蓄电池故障影响整组输出、蓄电池部分损坏导致整组报废、蓄电池不能在线核容等缺陷^[4-5]。目前，国内外关于直流系统的相关研究多集中在蓄电池放电性能的试验研究。文献[6]提出了1种新型蓄电池，该蓄电池在运行过程中不产生氢气等易燃气体，具有安全、高效的优点；文献[7]设计了1种直流系统短路电流控制方法，能较好地控制变电站馈线短路造成的空气开关越级跳闸问题。现有的研究成果较少从变电站直流系统优化设计角度整体重构直流系统接线形式。本文利用并联蓄电池技术^[8]，结合变电站直流负荷分布式布置方式，设计了1种分布式并联直流系统，并结合某220 kV智能变电站工程实例，详细计算分析直流配置情况。分布式并联直流系统的应用改变了传统站内直流系统的运行方式，配置方式灵活，系统可自动对电池进行在线核容维护，提高了直流系统的灵活性^[9]，并节省了建设投资。

1 负荷分类方式

某220 kV变电站按模块化变电站设计。根据配电装置布置形式，全站总平面主要分为220 kV设备区、110 kV设备区、主变压器设备区。

针对该站配电装置分区情况，按电压等级配置相应的保护、测控等二次设备，并就近布置在一次设备区。因此全站设置了220 kV预制舱、110 kV预制舱和二次设备室。220 kV配电区二次设备布置在220 kV预制舱，110 kV配电区二次设备布置在110 kV预制舱，主变压器及其他二次设备布置在二次设备室，形成了直流负荷按配电装置布置形式和电压等级分类方式。

2 并联蓄电池组件技术

并联蓄电池组件技术目前在国内应用较少，仅在110 kV变电站中的开展过试点，尚无220 kV及以上电压等级变电站应用先例。该组件技术的硬件由12 V蓄电池与AC/DC变换器、DC/DC变换器等构成^[10-12]。

如图 1所示，站用交流系统的220 V交流电压进入AC/DC电路中以产生直流电压，该直流电压较高，还不能直接用于二次设备供电。需要经过DC/ DC电路和储能电路修正为220 V直流电压，12 V的蓄电池挂接在DC/DC充电变换器上，以实现对蓄电池的充电^[13]。

3 分布式并联直流系统设计方案 3.1 主接线优化设计

单场地并联直流系统主接线示意图如图 2所示。可以看出，预制舱（或二次设备室）内2套并联直流电源系统间设置联络开关，且每套直流电源系统按2段母线所有负荷考虑。每个预制舱和二次设备室均考虑设置2段直流电源，直流电压为220 V，以满足双重化配置的保护设备直流电源分别取自2段直流母线的要求。

各预制舱（或二次设备室）之间独立配置直流电源系统，不设置联络开关，形成分布式并联直流系统。各场地直流系统互相独立，单个直流系统故障不影响其他场地二次设备正常运行，因此，直流系统主接线的运行方式更加灵活。

3.2 负荷统计及电池参数选择

以该变电站220 kV预制舱内二次设备负荷为例，统计直流负荷情况，计算直流系统参数。220 kV预制舱直流负荷统计如表 1所示。

3.2.1 模块数量的选择计算

参考DL/T 5044—2014 《电力工程直流电源系统设计技术规程》 ^[14]中的计算方法，该舱2 h长期负荷电流为13.35 A，模块数量计算见公式（1）：

(1)

其中，I为长期负荷电流，13.35 A；U为直流系统标称电压，220 V；P为模块最大输出容量^[15]，400 W。

经计算，N=9.18，模块数量为10只。

3.2.2 蓄电池容量的选择计算

由于蓄电池是并联，因此每个蓄电池承担的功率份额相同。

单个蓄电池放电电流I_s计算见公式（2）：

(2)

其中，P_x为直流负荷实际容量，2937 W；N为直流系统选择模块数量；η为电池的放电效率，考虑目前多家主流蓄电池厂家参数，本文取值0.85；U为蓄电池额定电压，取值12 V。

蓄电池容量C_c计算为：

(3)

其中，K_rel为可靠系数，取1.40；K_C为容量换算系数，根据规程（DL/T 5044—2014）查表可得铅酸电池K_C为0.429。

经计算，单个蓄电池放电电流I_s=28.79 A；蓄电池容量C_c=93.95 Ah；蓄电池容量选择150 Ah。

3.2.3 直流系统设备配置

220 kV预制舱设置2套并联智能直流电源，根据前述模块数量计算结果和蓄电池容量计算结果，可以给出具体配置方案：

（1）Ⅰ段并联电池组件柜1（内含5只并联电池组件，配12 V/150 Ah蓄电池）；

（2）Ⅰ段并联电池组件柜2（内含5只并联电池组件，配12 V/150 Ah蓄电池）；

（3）Ⅱ段并联电池组件柜1（内含5只并联电池组件，配12 V/150 Ah蓄电池）；

（4）Ⅱ段并联电池组件柜2（内含5只并联电池组件，配12 V/150 Ah蓄电池）；

（5）Ⅰ段馈线及监控柜（内含40只馈线开关组件、直流监控器）；

（6）Ⅱ段馈线及监控柜（内含40只馈线开关组件、直流监控器）。

某220 kV预制舱内屏柜布置如图 3所示，布置数量见表 2。由于蓄电池容量未超过300 Ah（全部选择150 Ah），因此蓄电池可以与其他二次设备一样，组屏放置在舱内，不需要建设专用的蓄电池室。舱内共设置22面屏位，其中直流系统包括蓄电池4面，直流联络柜1面、直流馈线开关柜2面。

3.2.4 系统优点

该站采用分布式并联直流系统取代传统直流方案^[16]，具有配置方式灵活、可靠性强、蓄电池利用率高等优点。

3.2.4.1 可靠性

分布式并联直流系统中各直流负荷分区配置，彼此独立，相互影响程度较弱，可靠性更强。

3.2.4.2 利用效率

并联直流系统各蓄电池间为独立、互斥关系，故障时只更换损坏的电池即可。由于电池并联，直流系统对蓄电池品牌种类不敏感，因此可以实现废旧电池的重复利用。

3.2.4.3 运行维护

并联直流系统可以实现在线核定蓄电池的容量，减少运维过程中蓄电池放电核容工作量^[17]。另外，由于电池并联，避免了传统方式下1个电池损坏，更换整组电池的情况，节约了运维成本。

3.2.5 方案对比分析

本文设计方案与常规方案的经济性对比情况见表 3。

从表 3可以看出，与变电站常规直流系统技术方案相比，本文设计方案虽然初期采购成本较高，但从整体来看，蓄电池核容成本节约100%，专用蓄电池室建设成本节约100%，全生命周期成本投资可减少约20万元。

4 结论

本文按配电装置布置形式对直流设备及负荷进行分区分类，设计了分布式并联直流系统。

（1）直流系统运行方式更加灵活可靠。根据场地负荷分布的不同，布局不同类型的并联组件，能够减少负荷间干扰，提高直流电源供电可靠性，减少运维工作量。

（2）与传统直流系统相比，蓄电池核容成本节约100%，专用蓄电池室建设成本节约100%，整体成本投资可减少约44万元，经济性更优。