变电站蓄电池容量计算和算法改进

第38卷第22期电力系统保护与控制Vol.38No.222010年11月16日PowerSystemProtectionandControlNov.16,2010变电站蓄电池容量计算和算法改进田羽1，何仲1，范春菊2（1.上海电力设计院，上海200025；2.上海交通大学电气工程系，上海200240）摘要：根据工程实际数据，使用HOXIE算法和电压控制两种方法计算蓄电池容量，寻求两种方法的异同和联系。分析中发现电压控制法对于较复杂的蓄电池放电过程的计算存在不准确的地方，经过探讨对电压控制法提出了改进方案，改进后的电压控制法在复杂放电过程中也可以得到精确的计算结果。同时使用现有220kV变电站参数，为220kV变电站直流系统研究提供了较实际的详细数据。关键词：直流系统；蓄电池；电压控制法；电流法；负荷统计StoragebatterycapacitycalculationandalgorithmimprovementTIANYu1，HEZhong1，FANChun-ju2（1.ShanghaiElectricPowerDesignInstituteCorporation，Shanghai200025，China；2.DepartmentofElectricalEngineering，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China）Abstract：Onthebasisofpracticaldatain220kVsubstationHOXIEmethodandvoltagecontrolm，ethodareusedinstoragebatterycapacitycalculationS．imilaritiesanddifferencesbetweentwomethodsarefoundIti．salsofoundthatthereisinaccuracyincomplexstoragebatterydischargecalculationwhenusingvoltagecontrolmethodFurthe．rmorethispaperproposesimprovementschemeforvoltagecontrolmethodwhichmakesvoltagecontrolmethodaccuratein，complexdischarge．Atthesametimethepresent220kVsubstationparrmeterprovidespracticaldataforDCsystemresearch．Keywords：DCsystem；storagebattery；voltagecontrolmethod；currentmethod；loadstatistics中图分类号：TM744文献标识码：B文章编号：1674-3415(2010)22-0210-040引言直流系统在变电站中为控制、信号、继电保护、自动装置及事故照明，交流不停电电源等提供直流用电[1]。直流系统的可靠与否对变电站的安全运行起着至关重要的作用，是变电站安全运行的保证。发电厂和110kV及以上变电所通常用蓄电池做直流电源。直流系统的重要性决定了直流电源要有高度的可靠性和稳定性，电源容量和电压质量均应在最严重的事故情况下保证用电设备能可靠工作。因此发输变电电气设计中蓄电池容量计算十分关键。目前新建变电站一般采用无端电池直流系统。选择合适的蓄电池容量首先需要对变电站的直流负荷进行统计，并参照直流系统设计规程明确各种直流负荷的计算时间。使用蓄电池容量算法求取蓄电池的容量，选取合适的蓄电池。目前国内文献关于变电站直流系统的研究[2-11]已经开展了一段时间，但是多集中在110kV的变电站研究上[2-3]，而220kV变电站由于二次设备复杂得多，直流系统的负荷统计也更难把握。本文在收集220kV变电站直流系统实际运行数据的基础上，做了完整的直流负荷统计。更重要的是，目前国内常用蓄电池容量算法有阶梯电流法和电压控制法，这两种计算方案，有的时候结果是一致的，而有的时候结果相差很大，没有一个统一的理论体系。本文在公式推导的基础上对电压控制法提出新的改进。下面在220kV典型变电站基础上首先对直流负荷进行统计分析，然后分别使用HOXIE算法和电压控制法计算蓄电池的容量。之后对两种算法进行对比分析，并对事故放电时间持续到2h的情况，对原有电压控制法的公式进行了改进。然后深入分析了两种方法的联系，指出其本质区别，解决了两种方法在计算上的差异问题。田羽，等变电站蓄电池容量计算和算法改进-211-1直流负荷统计以一个220kV变电站典型设计为例进行负荷统计，该站的规模是：主变压器额定容量为3×240MVA，三绕组220/110/35kV，220kV为双母线单分段接线，共12回线；110kV为单母线三分段接线，共12回出线；35kV为单母线六分段接线，共30回出线，6组电容补偿装置，2台站用变。二次设备采用变电站自动化系统，配置微机保护、测控装置等。《GB/T15145-94微机线路保护装置通用技术条件》功率消耗部分对直流电源回路要求是：正常工作时不大于50W，保护动作时不大于80W。而通过查阅资料发现目前各大厂家生产的微机保护、测控装置的直流功耗都能满足上述要求，正常时在25～40W，动作时多在40～60W。表1直流负荷统计Tab.1TableofDCloads负荷名称220kV设备／W110kV设备／W35kV设备／W合计／W负荷系数直流负荷电流／A保护装置54×40＝216014×40＝56038×25＝95036700.620.02控制电源24×40＝96014×40＝56015200.68.29公共设备故录3×200，GPS2×100，子站500，自动化36000.621.82/12.73事故照明50001.045.45UPS50000.627.27断路器跳闸1.0118.5断路器自投1.012根据变电站规模和直流负荷的大小，统计在表1中。其中保护装置按照每个馈线每回路1个，220kV主变按每台4个，考虑后备保护。测控装置35kV不单独考虑。公用部分包括故障录波3个，保护管理子站1个，GPS装置2个。断路器的跳闸电流按照1.5A计算。负荷系数全部参照直流系统设计技术规程中给出的系数进行计算。在负荷统计中，将事故放电时间分为0～1min，1～60min，60～120min，并对应电流I1、I2、I3，事故放电计算时间有无人值班和有人值班之分。有人值班自动化负荷按照4000W计算，无人值班自动化计算按照3000W计算。将表1中的电流数据，参照《电力工程直流系统设计技术规程》给出的直流负荷统计计算时间表，划分到上述三个时间段，并累计为I1、I2、I3电流值并汇总至表2。表2求出的各个放电时间段的直流负荷电流可以直接代入蓄电池容量算法中进行计算。表2放电时间电流Tab.2Circuitindischargetime有人值班变电站／A无人值班变电站／AI1（0~1min）241.35186.81I2（1~60min）122.8568.31I3（60~120min）0113.76IR（随机5s）12122蓄电池个数的确定确定蓄电池的个数主要应该考虑两个因素。一个因素是事故放电末期应维持直流母线的电压值，按照规程放电末期直流母线电压应该不低于85%标称电压。第二个因素是事故放电末期允许的每个蓄电池的最低电压值，即终止电压的高低。对于变电站的直流系统负荷，要求电压稳定，电压波动较小，终止电压取1.80V。此时电池个数为：0.85110521.80n×==（1）3HOXIE法计算蓄电池容量国际上广泛采用的是HOXIE计算方法，在国内称为阶梯电流法。此方法概念清楚，计算精度较高。它的原理是保证蓄电池终止电压不低于最低允许电压的前提下来计算蓄电池的容量。HOXIE计算方法的公式如式（2）~（5）所示。由于目前新建变电站多选用阀控式密封铅酸蓄电池，这里从阀控式密封铅酸蓄电池对应的选择系数表中选取系数代入公式计算，可靠系数KK取1.4，具体如下：1K11'C1111.4(1)1.43QKIIK==×（2）2K121''C1C212111[()](60)(59)111.4[()]0.5980.6QKIIIKKIII=+−=×+−（3）-212-电力系统保护与控制3K121''C1C2321'C3213211[()(120)(119)11()]1.4[(60)0.37411()()]0.3750.598QKIIIKKIIIKIIII=+−+−=×+−+−·（4）RK1R''CR111.4(5)1.45QKIIK==×（5）蓄电池容量应等于123Rmax{,,}QQQQ+。即公式（2）~（5）中的最大值叠加随机负荷。综上220kV典型中心站蓄电池容量为：有人值班变电站计算容量306Ah，无人值班变电站计算容量362Ah。均可选择容量为400Ah的蓄电池。4电压控制法误差分析及其改进电压控制法蓄电池容量按满足事故全停电状态下的持续放电容量：SCCCKCCKK=（6）其中，KCC为容量换算系数，对应于不同放电终止电压和要求的放电时间。电压控制法的优点是公式上直观简单，但是有的时候会与阶梯电流法的计算结果差异很大。仔细观察就会发现电压控制法的问题所在。在蓄电池计算中要注意的是放电容量应与其对应的容量换算系数相除。所谓对应是指，在T时间段内的放电容量，应该除以T时间的容量换算系数。这里的T，应该是一个放电时间阶段，也就是说T时间内的负荷电流值应该是一个恒定的量。审视电压控制法的公式可以看出，它是只能计算放电时间为1h的蓄电池的容量。而对于部分负荷需要1h电源，另一部分负荷需要2h电源的负荷模式，其实存在两个放电时间阶段，若仍然代入公式（6）进行计算，分母取2h放电时间，计算结果就会出现较大的偏差。这是由于其中仅参与第一个小时放电的负荷电流与分母2h的系数不对应引起的。按照电压控制法的物理意义，可以将存在1h放电电流和2h放电电流的模式进行分解，理解成两个容量的叠加，并将每个容量与其容量系数对应起来。推导出适用于三个放电阶段的电压控制法的计算公式：322CKCCCCCC(1h)(2h)(1h)[](2h)(1h)(1h)CCCCKKKK=+−（7）其中：C2（2h）为电流I2与时间2h的乘积，C3（1h）为电流I3与时间1h的乘积，C2（1h）为电流I2与时间1h的乘积，可靠系数KK取1.4，KCC从容量系数表中查到，将本文中的数据代入得到：322C21.4[]0.7480.5980.598IIIC=+−至此电压控制法应根据不同的放电模式选取不同的公式计算，若1min的冲击电流后，仅有单一放电时间，则选用公式（6）进行计算。若冲击电流后，尚存在两个放电阶段，即1～60min负荷电流和60～120min负荷电流，两个大小不等的电流则应选用公式（7）进行计算。综上，用改进的电压控制法计算得到220kV典型中心站蓄电池容量为：有人值班变电站计算容量代入公式（6）得出306Ah，无人值班变电站计算容量代入公式（7），得到362Ah。均可选择容量为400Ah的蓄电池。这与HOXIE的计算结果相仿。5总结HOXIE与电压控制法的联系通常在计算中，电压计算法的计算容量略小于HOXIE方法的计算容量。这是因为电压输入法忽略了初始1分钟放电电流消耗的容量。此外，考虑到CCCKKt=（8）其中：KCC是电压控制法中使用的容量系数，而KC是电流控制法中使用的容量换算系数，将公式（8）代入公式（4）中，就会发现，电压法是将HOXIE的公式进行了变形得到的，而本质上是一致的。不同点在于，电压法将1min的计算阶段忽略，从而简化了计算。因此对于工程上的计算是比较适用的，但是其准确程度不如电流法。此外，电压法只提供了1h放电的计算公式。虽然本文推导出了2h放电的计算容量公式，但是仍然忽略了1min的冲击电流。6结论本文在直流负荷分析的基础上，对220kV典型变电站中心站进行