淺析智能化變電站建設模式的選擇

文／國網浙江寧波市鄞州區供電公司 謝江寧 俞沛宙 朱登科／

0 前言

智能化變電站是電力系統綜合自動化的發展趨勢，也是當前國內的一個熱點。智能化變電站是指采用先進、可靠、集成、低碳、環保的智能設備，以全站數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能的變電站。智能化變電站的建設是一項系統工程，涵蓋了變電站的全部范圍，如一次設備中的互感器、斷路器、變壓器，二次設備中的保護、控制、通信，以及軟件開發、系統建模、數據應用等。一次設備革新的核心是一次測量設備和智能斷路器，綜合自動化通信的關鍵是IEC61850標準。

1 智能化變電站的系統結構

智能化變電站是智能電網的重要節點。國家電網公司規劃了2020計劃：至2020年，全面建成統一、堅強智能電網。

智能化變電站的系統結構繼承了分層分布式變電站結構的優點，同時由于高速以太網、新型傳感器、智能操作箱技術以及IEC 61850 協議的運用，對智能化變電站的系統結構產生了重大影響。智能化變電站的自動化系統可以劃分為站控層、間隔層、過程層三層。

站控層包括自動化站級監控系統、站域控制、通信系統、對時系統等子系統，實現面向全站設備的監視、控制、告警及信息交互功能，完成數據采集和監視控制（SCADA）、操作閉鎖、電能量采集、保護信息管理等相關功能。

間隔層設備一般指繼電保護裝置、系統測控裝置、監測功能組的主智能電子設備（IED）等二次設備，實現使用一個間隔的數據并且作用于該間隔一次設備的功能。

過程層包括變壓器、斷路器、隔離開關、電流/電壓互感器等一次設備及其所屬的智能組件以及獨立的智能電子設備。其主要功能是完成實時運行電氣量的采集、設備運行狀態的監測、控制命令的執行等。

2 智能化變電站的建設模式

目前的智能化變電站建設模式，概括來說可歸納為過渡型、實用型、理想型等類型。

過渡型智能化變電站站控層和間隔層實現智能化，過程層仍采用常規電磁型互感器，優點是信息和通信符合最新國際標準，實現了信息的共享，具有很好的互操作性，大量減少二次電纜。部分傳統的保護控制功能通過網絡方式實現。二次設備在現有的成熟設備基礎上完成，具有較高的實用性，便于現階段在變電站推廣和老站改造。但過程層未實現模擬量智能化采集。

實用型智能化變電站采用電子式互感器，站控層和間隔層全部智能化，過程層基本實現智能化。優點是過程層的采樣數據實現共享，節省電纜，簡化二次接線，電子式互感器原理先進。但過程層的一次設備未實現智能化，目前電子式互感器的技術應用在國內還不完全成熟，成本較高。

理想型智能化變電站的站控層、間隔層、過程層全部實現智能化。優點是變電站過程層的測量、監視、控制全部實現智能化、網絡化，徹底解決了二次電纜接線復雜問題，最終降低成本、提高可靠性，是今后的發展方向。

3 智能化變電站建設模式的選擇

在智能化變電站的規劃與設計階段，選取哪一種智能化變電站發展建設模式，成為決定此項工程面貌與效果的關鍵。

理想型是今后的發展方向，但因為一次設備的智能化（如智能化斷路器），在目前階段，過程層全部實現智能化，尚有一定難度。

過渡型與實用型智能化變電站的區別，主要在于是否采用電子式互感器。于是，是否選用電子式互感器，就成為選擇的焦點。

電子式互感器分為2種：有源電子式互感器和無源電子式互感器。有源電子式互感器的技術相對較為成熟，其技術性能已基本可以滿足實用化要求，國內目前建設的智能化變電站使用的互感器絕大部分均為有源電子式互感器。

有源電子式電流互感器工作原理如下：

有源電子式電流互感器利用空芯線圈及低功率線圈傳感被測一次電流。低功率CT（LPCT）的工作原理與常規CT的原理相同，只是LPCT的輸出功率要求很小，因此其鐵芯截面就較小。空芯線圈是一種密繞于非磁性骨架上的螺線管，如圖所示。空芯線圈不含鐵芯，避免了因鐵芯引起的CT飽和等問題，具有很好的線性度。

空芯線圈的輸出信號e與被測電流i有如下關系：

圖1 有源電子式電流互感器示意圖

由此公式可知，輸出信號e與截面積s相關，即空芯線圈輸出信號與其結構相關，一方面加工時需保證截面積s符合設計要求；一方面運行時溫度變化可能會導致空芯線圈結構變化，進而影響輸出信號精度。

電子式互感器還存在采樣同步問題：電壓、電流之間需要同步、變壓器不同的電壓等級之間三相電流、電壓采樣必須同步，變壓器差動保護從不同電壓等級的多個間隔獲取數據存在也同步問題。而且常規互感器與電子式互感器可能會并存，更增加了同步的難度。如果選用電子式互感器，同步問題是一個繼電保護專業必須面對的一個難點。

現在以南瑞繼保電氣有限公司ECVT1電子式互感器為例：

在溫度問題上，ECVT1電子式互感器說明書標明使用環境氣溫：-25—+40℃，日平均≤+35℃。查詢氣象資料：寧波地區2010年超過+35℃的氣溫的天數為28天，最高溫度為40.7℃,而2013年寧波地區地區遭遇極端高溫天氣，截止目前，寧波地區2013年超過+35℃的氣溫的天數已超過45天，最高溫度高達43.5℃。

變電所運行溫度還要高于環境氣溫，根據實例變電站（110kV布政變）夏季110kV開關室溫度斷面監測顯示，其日最高氣溫均在37℃以上，在散熱設施全開情況下，最高溫度仍然到達過42℃，如部分散熱設施故障，最高溫度會達到45℃以上；10kV開關室因裝有空調，室溫較低，但不可忽視的是作為輔助設施的空調設備，其可靠性尚不足以滿足要求，當一臺空調停機時，室溫仍有可能上升至較高水平。如圖2所示。

圖2 110kV布政變夏季最高溫度斷面監測表

維護方面，二次部分依靠自檢功能實現狀態檢修，產品運行1～3年后需光纖傳光性能檢測、互感器變比測試。目前寧波地區尚無電子式互感器運行維護經驗，從未進行過電子式互感器檢測和測試。

我們再來參考其他公司運行經驗：某110kV變電站，采用實用型智能化模式，投產3年后，因運行中出現問題太多，不得不進行二次部分全站改造。

華東電網內某110kV變電站，采用實用型智能化模式，投產后，缺陷大量出現，給運行和維護帶來較大壓力。

《浙江省電力公司2011年新建變電站設計補充規定實施細則》也規定：“選用電子式互感器時，需進行充分技術經濟論證”。

4 結語

綜上所述，以目前的產品技術水平和寧波地區的實際情況，普通110kV變電站如建設為智能化變電站，宜采用過渡型智能化變電站模式。

[1]Q/GDW 383-2009 智能化變電站技術導則.北京：國家電網公司,2009.

[2]Q/GDW 441-2009 智能化變電站繼電保護技術規范.北京：國家電網公司,2010.

[3]馬輝.智能化變電站技術叢書——設計分冊.中國電力出版社,2010.

[4]馬輝.智能化變電站技術叢書——成果與展望分冊.中國電力出版社,2010.

[5]劉振亞.智能電網知識問答.中國電力出版社,2010.

[6]劉振亞.智能電網技術.中國電力出版社,2010.

[7]ECVT1電子式互感器技術和使用說明書.南瑞繼保電氣有限公司,2010.