01 柔性直流配电网-配电站总论

广东电网有限责任公司智能配电网典型设计方案第五册 柔性直流配电网2配电站部分总论广东电网有限责任公司2019年10月1.编制目的程标准建设的要求，探索柔直配电电网标准建设模式，特编制本方案。本柔性直配电站方案，提出了主接线、设备选型、布置、控制保护方案方案，为后续换流站工程的建设和设备采购提供设计指导。2.编制依据1) GB/T 13498 高压直流输电术语2) GB 311.1 高压输变电设备的绝缘配合3) GBT 16927.1 高电压试验技术第一部分：一般试验要求4) GB/T 20989 高压直流换流站损耗的确定5) GB 14549 国家技术监督局电能质量、公用电网谐波6) GB/T164346 高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准7) GB 50229 火力发电厂变电站设计防火规范8) DL/T 52235 高压直流换流站设计技术规定9) DL 5057 变电站总布置设计技术规程10) DL 5222 导体和电器选择设计技术规定11) DL/T 5352-2018 高压配电装置设计技术规程12) IEC 60071 绝缘配合13) IEC 60076 电力变压器14) IEC 62501 Voltage sourced converter (VSC) valves for high-voltage direct current 15) (HVDC) power transmission Electrical testing3建设规模GD-RZ-HL方案的建设规模如表3-1：表3-1 建设规模1开关站接线3进线2直流主接线方式对称单极系统3联接变1台三相双绕组变压器设计4交流进线1回4.电气一次部分4.1 电气主接线10kV开关站为3回进线，可采用单母线接线。现阶段直流断路器结构复杂，造价高，因此可以采用多端口断路器方案。其原理见图4-1中，Q1Q4为隔离开关，分别与线路14连接；CB1CB4为快速机械开关，分别安装在AB、BC、CD、AD两点之间；U1、U2为双向电力电子器件串联开关，分别跨接在AC、BD两点之间；R1、R2为能量吸收支路，分别与双向电力电子器件串联开关U1、U2并联。正常工作时快速机械开关CB1CB4导通，用于承担正常电流，双向电力电子器件串联开关U1、U2保持关断。该混合式直流断路器新拓扑总共需要四个快速机械开关、四个隔离开关、两个双向电力电子器件串联开关和两个能量吸收支路即可实现对四条直流线路的双向关断，且关断速度等性能与传统方案完全一致。由于快速机械开关、隔离开关、能量吸收支路的价格与双向电力电子器件串联开关相比几乎可以忽略不计，因此该拓扑的设备成本何占地均大幅度降低。图41 多端口混合式直流断路器本方案设有一台三端口断路器，三端口断路器共有三回10kV直流进出线，采用三角形接线方式。三端口断路器装设了隔离开关、直流断路器成套装置、直流电压测量装置、直流电流测量装置、避雷器等设备，其中隔离开关满足改变运行方式及检修的隔离等需求，测量装置提供可靠的用于调节、控制和保护功能的测量数据，避雷器限制直流侧产生的各种过电压并保护重要设备。10kV降压换流站新建一台10kV/375V/110V，容量2/2/0.2MW直流变压器，降压变压器有自清除能力，10kV侧不设断路器。375V采用单母线接线，出线9回，分别接直流负荷、储能系统、光伏系统、充电桩等；110V侧也是采用单母线接线，出线4回。直流变压器采用单极对称接线型式为了使得孤岛运行时，直流变压器可维持正负电压对称，直流变压器的低压侧需配置中性点接地装置，在375V和110V分别设置电阻分压的高阻接地。4.1 电气平面 开关站和降压换流站采用一层布置。10kV开关站布置于断路器及降压变室中，按照主接线连接次序布局，第一排从左至右依次为断路器正极柜、隔离柜、断路器负极柜、隔离正极柜、断路器正极柜、主控柜；第二排从左至右依次为断路器正极柜、隔离柜、断路器负极柜、隔离负极柜、断路器负极柜、合并单元柜。10kV降压换流站直流变压器布置于断路器及降压变室中，按照主接线连接次序布局，从左至右依次为直流刀闸柜、启动柜、功率柜、控制柜和电抗器柜。降压换流站内375V、110V、DC-AC变流器及380V低压配电屏均布置在交直流低压配电室，另外开关站和降压换流站的控保和辅助系统布置在继保室。4.3 主要电气设备选型4.3.1 选型原则交流10kV侧短路耐受水平按不低于25kA设计，直流10kV侧短路耐受水平按不低于10kA设计。375V侧及110V侧短路水平按不低于10kA设计，操作冲击耐受电压按2kV考虑。4.3.2 主要电气一次设备选型为了解决高压输入问题，直流变压器可采用的方案有半导体器件串联技术和功率模块级联技术。现阶段的半导体器件串联技术尚不成熟可靠，功率模块级联技术已经具有成熟应用经验，双向LLC-DCT、多电平MA-DCT或MM-DCT方案，应带阻断环节。高压直流断路器采用混合式，低压直流断路器采用框架断路器或塑壳断路器。直流电流测量装置包括直流极线的各种电流互感器，直流电流测量装置均有规定的测量精度，直流电流测量装置要有足够好的暂态响应和频率响应特性，确保在最大误差情况下测量信号仍在控制保护系统功能所要求的精度范围之内，10kV采用电子式电压测量装置、直流电子式电流测量装置。低压直流测量装置可选用电阻分流器或磁电阻效应传感器为电流测量器件，也可以零磁通霍尔电流互感器。4.4 过电压与绝缘配合4.4.1 绝缘配合的保护原则对于交流系统电气设备的绝缘配合，参照国家标准GB/T 50064交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范确定的原则进行设计。各交流电压等级的氧化锌避雷器按GB 11032交流无间隙金属氧化物避雷器的使用原则中的规定进行选择。直流10kV系统配电装置的绝缘水平，按GB/T 25091高压直流隔离开关和接地开关中的规定进行选择，并能承受交流单相接地后10kV系统产生的过电压。4.4.2 直流侧绝缘配合参考IEC 60071-2规定的高压直流换流站的绝缘配合裕度，并考虑配电系统电压等级较低，可适当提高设备的绝缘裕度。主要设备绝缘配合裕度见表41，主要设备绝缘水平见表42. 表41主要设备绝缘配合裕度设备RSIWV/SIPLRLIWV/LIPLRSFIWV/STIPL直流开关与断路器20%25%30%RSIWV要求的操作冲击耐受电压SIPL操作冲击保护水平RLIWV要求的雷电冲击耐受电压LIPL雷电冲击保护水平RSFIWV要求的陡波前冲击耐受电压STIPL 陡波前冲击保护水平配合系数仅适用于由紧靠的避雷器直接保护的设备RSFIWV用于阀避雷器表42主要设备绝缘水平直流变压器关键位置操作冲击耐受/kV降压换流站高压侧极间35高压侧极对地354.5 防雷接地4.5.1 雷电侵入波保护为防止雷电侵入波，配电站采用在不同地点装设避雷器作为过电压保护，避雷器步配置如下：直流进线侧、直流变压器两侧三相安装避雷器。4.5.2 直击雷保护建筑物防直击雷保护采用在屋顶装设避雷带保护。4.5.3 接地站内接地方式采用以水平接地体为主，垂直接地体为辅的复合接地装置。站内计算机接地、载波及微波等通讯接地，均连接于统一的接地网。各站应敷设以水平接地极为主的人工接地网，经常有人出入的走道处可敷设均压带。4.5 站用电及照明一路站用电源取自外引低压交流系统，一路取自375V直流母线经逆变器后供电。照明采用普通节能荧光灯。灯具数量按照终期规模一次性上齐。照明电源引自380/220V配电盘。4.6 电缆设施与电缆防火4.6.1 电缆设施继保室内设防静电活动地板，各布置一次设备的配电装置室设一次电缆沟和二次电缆沟，一次电缆和控制电缆分开敷设。敷设电缆时,电缆支架上下层敷设顺序采用由高压至低压动力电缆,强电至弱电控制电缆、通讯电缆的敷设顺序。电缆敷设在任何敷设方式下及全部路径条件上下左右改变时应满足其转弯半径的要求，全站需敷设与主接地网紧密连接的等电位接地网。电缆在敷设中需满足GB50217-2007电力工程电缆设计规范的要求。4.6.2 电缆防火电缆阻燃措施按照电力工程电缆设计规范(GB50217)、火力发电厂与变电站设计防火规范(GB50229) 等有关规程规定的要求执行。电缆沟接口处和配电装置电缆沟的适当位置，以及电缆竖井入口处均采用防火封堵，设置阻火墙。对低压配电盘、直流屏、控制屏、控制箱、保护屏、以及预留孔洞、电缆穿管孔洞等，均应采用防火阻燃材料封堵。为了防止电缆窜燃，选用A级阻燃电缆。在换流站进出口的电缆沟及站区内电缆沟的适当位置设置阻火墙，并在阻火墙两侧各1.5m处涂防火涂料,在进出阀厅的电缆孔洞设置带屏蔽的封堵。5.电气二次部分5.1.1设计范围电气二次设计范围为配电站内生产及辅助生产设备相应的控制、保护、信号及相应的二次回路，主要包括控制保护、监控、故障录波、保信子站、阀冷控制保护、站用直流、交流不间断电源、时钟同步、视频及环境监控、火灾报警等系统相关设计。4.1.2主要技术原则1）配电站按无人值班设计。2）控制系统采用分层分布式结构，分为优化层、协调层和就地层。3）直流配网控制系统采用“关键设备统一控制、接入间隔分布自治”的设计原则。关键设备包括三端口断路器、直流变压器和直流断路器等构成直流配电系统骨干网架的设备，对这些设备进行统一控制。接入间隔则按照“分布自治”的控制原则接入直流配电系统，实现“即插即用”。4）配电站配置独立计算机监控系统，实现站内的信号采集及处理、监视和控制功能。5）配电站直流控制保护宜采用一体化系统，系统宜按双重化配置，并满足不停电检修要求。6）配电站三端口断路器、直流变压器及直流断路器的本体控制保护应由一次设备厂家配套提供。7）配电站二次设备宜采用集中布置方式。5.2直流控制保护系统： 5.2.1 总体原则1) 直流控制保护系统包括为实现柔性直流配电系统安全、稳定、可靠运行所必须的控制保护功能所需的硬件系统及其软件。2) 直流控制系统采用分层分布式结构，分为优化层、协调层和就地层。3) 直流控制保护系统应能实现对主要电力电子设备（三端口断路器、直流变压器及直流断路器）、交直流线路、连接变压器、直流母线等的状态采集、控制、保护等功能。4) 直流控制保护系统应具备协调及能量优化调度层中的协调控制主站功能及站控制保护层、现场I/O层的相关功能。5) 直流控制保护系统应具有较强的开放式结构，网络通信规约采用标准的国际通用协议，实现与其它系统的联接和数据传输。6) 直流控制保护系统的设计应具有足够的冗余度和100%的系统自检能力，能够保证整个直流系统的正常和安全运行。7) 系统及站级直流控制保护系统设计为就地总线和现场I/O 接口的完整的控制系统，以完成设计中所要求的所有监控功能。8) 系统及站级直流控制保护系统应能完成控制、监视、保护每一个配置区域内的电力电子设备、故障录波器接口、紧急停运接口。系统及站级直流控制保护系统从I/O到主机均采用完全冗余配置。配置显示器和键盘，可完成就地的监视和就地控制功能。9) 协调控制主站应能实现在稳态、暂态运行工况下配电系统内各三端口断路器和直流变压器的协调控制，并能平滑、快速的进行运行方式切换、故障后的自愈与负荷转供等功能。10) 直流控制保护系统主要是I/O 以及与其它二次子系统的接口，包括：运行人员控制系统、换流器控制保护系统、辅助系统、远动通信设备、测量系统等。主要工作内容：1）系统架构标准设计对柔性直流配网的控制保护系统（包括直流控制保护系统和主设备的控制系统等）的整体系统架构进行标准化设计，确定柔性直流配网控制系统采用分层分布式结构，明确各层设备及功能配置、通信规约及采样方式等。2）控制功能标准化设计a) 对柔直配网控制功能进行标准化设计，明确各层功能配置、技术要求及性能要求。b) 对柔直配网典型运行及控制策略进行标准化设计，明确典型拓扑结构的运行方式及控制策略。3）保护功能标准化设计a) 对柔直配网保护方案及设备配置进行标准化设计，明确保护系统要求、动作策略及配置原则（控保是否合一、是否双重化配置等）。b) 对柔直配网保护功能进行标准化设计，明确保护具体区域划分、功能要求及性能要求。5.2计算机监控系统：配电站按无人值班设计，计算机监控系统实现对配电站可靠、合理、完善的监视、测量、控制，并具备遥测、遥信、遥调、遥控等全部的远动功能和同步对时功能，具有与调度通信中心交换信息的功能，实现调度端及集控中心对变电站的远方监视和控制。主要工作内容：1) 配电站计算机监控系统配置方案标准化设计，明确监控系统配置原则及与直流控制系统接口等。2) 多端柔直配网工程站间监控网络通信及远动信息上送方案设计。5.3故障录波系统：配电站配置一套直流故障录波器，记录柔性直流系统信号，直流变压器系统的中间模拟量和开关量等。5.4直流系统：直流系统额定电压为220V，采用单母线分段接线。采用两组容量为*Ah的阀控式铅酸蓄电池组和两组高频开关充电装置，充电装置的高频开关电源模块应采用N+1模式。通信电源电压选择-48V，通信电源宜采用直流系统经两套DC/DC电源变换装置供给，通信设备供电后备时间按照6小时计算。主要工作内容：确定站内一、二次设备交直流电源设备配置及接线方案（直流系统是否双套配置、设备供电方式等）。5.5交流不间断电源系统：配电站配置两套交流不停电电源（UPS）系统，按2X5kVA冗余配置，两台UPS模块采用互为备用接法。UPS系统不自带蓄电池组。5.6交流元件保护及自动装置：全站交流元件保护采用微机型保护。5.7电能计量：电能表选用电子式多功能电能表，站用变和补偿装置采用有功0.5S级。电流互感器采用专用计量二次绕组。5.8图像监视及安全警卫系统：配电站可设置图像监视及安全警卫系统，主要实现变电站安全警戒功能。有关信号远传至监控中心；有关图像，在系统通信条件允许的情况下，远传至监控中心。5.9火灾报警系统：配置一套火灾报警控制器及消防联动扩展柜，布置于主控通信楼主控制室，消防火灾报警信号接入计算机监控系统。5.10二次设备布置：配电站二次设备采用集中布置方式。除10kV线路及站用变采用保护测控合一装置就地安装在开关柜，其他二次设备宜采用组屏方式集中布置在继电器及通信室内。5.11抗干扰措施应采取下列抗干扰措施：1、网络介质可采用超五类以上屏蔽双绞线、光纤。通往户外的通信介质采用铠装光纤。2、不同电平的回路，不合用同一根电缆。3、CT的二次回路接地：由几组CT二次组合的电流回路，例如3/2断路器接线的保护/测量电流回路，应在第一级合电流保护/测量装置处一点接地；其余独立的、与其它CT二次回路没有电的联系的CT二次回路，在就地端子箱(汇控柜)处一点接地。4、经继电器及通信室零相小母线(N600)连通的几组电压互感器二次回路，只应在继电器及通信室将N600一点接地，各电压互感器二次中性点在开关场地接地点应断开；为保证接地可靠，各电压互感器地中性线不得接有可能断开的断路器或接触器等。5、站内敷设独立的二次接地网，该接地网全网由截面120mm2 的铜排构成，由户内和户外二次接地网组成。在主控通信楼继电器及通信室和主控制室活动地板下的电缆层中，按屏柜布置方向敷设首末端相连的专用接地铜排网，形成户内二次接地网。该接地网按终期屏位上齐来敷设。并以一点通过截面120mm2 的绝缘阻燃铜导线与变电站主地网引下线可靠连接接地。用截面50mm2 的阻燃绝缘软铜导线将二次屏内底部的铜排与户内二次接地网可靠连接。在二次电缆沟上层敷设专用铜排，贯穿主控通信楼继电器及通信室至开关场地的汇控柜、就地端子箱、机构箱及保护用结合滤波器等处的所有二次电缆沟。 该接地网在电缆沟中的各末梢处分别用截面120mm2 的铜导线与变电站主地网可靠连接。 户外二次接地铜排进入室内时，以截面120mm2 的铜导线与户内二次接地网可靠连接。 开关场端子箱内接地铜排用截面120mm2 的铜导线与户外二次接地网可靠连接。户外二次接地网不可以首尾相连。6、继电器及通信室内的屏外壳与主接地网可靠连接。除以上措施外，最有效的方法是选用屏蔽性能优越的电缆，根据电力系统反措要点，本模块选用阻燃B类铜芯双屏蔽铠装控制电缆，外屏蔽层两端接地，内屏蔽层宜在户内端一点接地。5.12 二次系统防雷5.12.1 总体要求1、变电站二次系统雷电防护区的划分应符合GB 50343-2012建筑物电子信息系统防雷技术规范的要求，根据雷电防护区的划分原则，变电站二次系统的防雷工作应减少直击雷（试验波形10/350s