智能变电站直流电源系统运行方式切换远方操作解决方案
国家电投集团科学技术研究院有限公司的研究人员赵军，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文，论述了已运行的智能变电站直流电源系统的现状。针对这种直流电源系统在运行方式切换时仍需人工手动操作完成，不适应智能变电站发展趋势的要求，提出了硬件上采用电动操作、机械保持的双稳态开关，软件上采用顺序控制逻辑的解决方案，实现直流电源系统运行方式切换的远方智能操作。
对于双套直流电源设备配置的变电站，如果某组蓄电池组或某套充电装置故障，首先需要切换直流电源系统运行方式，将故障直流电源设备所在直流母线上的负荷由未故障的另一套直流电源设备供电，然后退出故障直流电源设备进行检修。
国家电网公司十八项电网重大反事故措施明确规定：应定期对直流充电装置的稳压精度、稳流精度和纹波系数进行校验，定期对蓄电池组进行核对性放电试验[1]。
对于双套直流电源设备配置的变电站，在按规定进行定期试验时需要进行直流电源运行方式切换操作，即将待试验的一套直流电源设备退出运行，由另外一套直流电源设备带两段直流母线运行。因此定期试验和直流电源设备故障时进行直流电源运行方式切换的操作是非常必要的。
随着自动化技术水平的大幅提高，智能变电站的迅猛发展，变电站一次设备、系统运行方式以及二次保护、测控装置均已经可以实现远方智能化“一键式”顺序控制操作[2]，然而变电站直流电源系统运行方式的切换操作却还没有实现远方智能操作。不能满足智能变电站发展的要求[3-4]。
1 已运行智能变电站直流电源系统现状
目前已经运行的智能变电站，将全站直流电源、交流电源、逆变电源、UPS电源、通信电源等，进行一体化设计、一体化配置、一体化监控，取消独立的通信电源用蓄电池组、充电装置等，使用DC/DC变换器直接接至直流母线代替[5]。取消UPS的独立组屏，使用DC/AC逆变器直接接至直流母线代替，从而减少了一次投资，减少了组屏数量，节省了空间，简化了电源系统的结构。
交流电源切换采用ATS自动转换开关，可对其进行远方控制和状态监测。直流电源系统依然通过操作传统的直流断路器和隔离开关完成切换，无法对其进行远方自动控制。直流电源系统运行方式的切换仍然需要人工手动操作来实现。直流电源系统接线方式如图1所示。
集中监控模块实现对全站直流电源、交流电源、逆变电源、UPS电源、通信电源等的一体化监控，目前其对直流电源监控的主要任务仅实现了对系统中各功能元件和蓄电池组进行监测，获取系统中的各种运行参数和状态，根据测量数据及运行状态进行系统中各功能元件自身功能的实时管理和异常报警。但却无法实现直流电源系统运行方式的远方切换操作。
图1 某变电站直流系统接线图
2 智能变电站直流电源系统运行方式远方操作解决方案
智能变电站已经广泛投运，国家电网公司2009年编制的《智能变电站技术导则》中关于站用电源系统要求“全站直流、交流、逆变、UPS、通信等一体化设计、一体化配置、一体化监控，其运行工况和信息数据能通过一体化监控单元展示并转换为标准模型数据，以标准格式接入当地自动化系统，并上传至远方控制中心[6]。”，该导则只是对站用电源的一体化设计和运行工况、信息数据的一体化监控及上传提出了要求，却并未对直流电源系统运行方式的远方操作提出要求。
实现直流电源系统运行方式切换的远方操作需要从硬件和软件两个方面解决。
2.1 硬件方面解决方案
硬件方面在如图1所示的直流电源系统中增加5个电动操作机构（双稳态开关），构成具备电动操作条件的直流电源系统[7]，接线图如图2所示。这种双稳态开关有合位和分位两种工作状态，由两个控制回路分别完成开关的合、分操作控制，并机械保持合位和分位工作状态。
正常运行方式下，1#双稳态开关处于断开位置，2#、3#、4#、5#四个双稳态开关处于闭合位置，变电站直流母线分段、分列运行；当定期试验或直流电源设备故障时，通过逻辑软件顺序控制这5个双稳态开关的合分状态来完成直流电源系统运行方式切换的远方操作，开关异常或故障时将报警并闭锁远方切换操作。
由于本方案中双稳态开关的分合采用电动操作、机械保持的原理，因此可以保证在出现控制电源失电、系统复位或控制断线等异常情况时主回路双稳态开关均不会动作，从而避免直流母线失电的严重事件发生。
2.2 软件方面解决方案
在硬件方面通过增加双稳态开关，使直流电源系统具备了电动操作的条件，但要真正实现运行方式切换的远方操作，还需要在集中监控模块中实现逻辑控制功能。
图2 增加双稳态开关的变电站直流电源系统接线图
闭环控制是控制理论的一个基本概念。指作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。在控制理论中，闭环控制通常是输出端通过“旁链”方式反馈到输入，并参与对输出端再控制。
本方案中直流电源系统运行方式切换远方操作即采用闭环逻辑序列控制策略，操作过程中严格按照电力相关标准，设计操作控制序列，每个操作步骤，均有反馈信息，即为闭环的，并且通过对上一个或几个操作步骤反馈信息以及直流电源系统运行状态（如直流母线电压是否正常）等综合逻辑判断的基础上，根据判断结果，来决定下一个步骤如何执行；整个执行过程就是由无数个“执行—反馈—逻辑判断—再执行”的小循环构成。
1）退出1套直流电源设备的逻辑框图
在定期试验或直流电源设备故障时需要将待试验（故障）直流电源设备退出运行，由另一套直流电源设备带全站直流负荷，这种情况的逻辑控制框图如图3所示。
2）投运直流电源设备的逻辑框图
在定期试验结束或直流电源设备故障处理完毕后需要将被试验（故障）直流电源设备重新投入运行，全站直流负荷分别由两套直流电源设备供电，这种情况的逻辑控制框图如图4所示。
图3 退出直流电源设备的软件流程图
图4 投运直流电源设备的软件流程图
在本方案中，整个操作序列执行过程中，均是在上一个操作步骤正确完成、反馈信息收到后，才进行下一个操作，任一步骤执行出现异常，将执行故障恢复序列并报警。整个操作序列，具有软、硬件多重闭锁和保护。
变电站直流电源系统的运行方式切换实现远方“一键式”顺序控制操作[8]可以从根本上杜绝由于人为因素造成运行方式切换过程中发生直流母线失电等异常事件发生[9]，是智能变电站直流电源系统发展的必然趋势。
本方案在硬件上采用电动操作、机械保持的双稳态开关，可以保证在出现控制电源失电、系统复位或控制断线等异常情况时均不会动作，从而避免直流母线失电等严重事件发生[10]，在软件上采用闭环顺序控制逻辑，顺应了智能变电站技术发展的方向。