新一代智能變電站平面布置優化設計

史京楠，胡君慧，黃寶瑩，楊小光

(國網北京經濟技術研究院，北京市100052)

0 引言

作為實現低碳電力的基礎與前提，近年來智能電網技術在很多國家得到快速發展，已成為電網未來發展的新趨勢［1-4］。面對新形勢和新挑戰，2009年5月，國家電網公司提出了立足自主創新，以統一規劃、統一標準、統一建設為原則，建設以特高壓電網為骨干網架，各級電網協調發展，具有信息化、自動化、互動化特征的統一堅強智能電網的發展目標，努力實現我國電網從傳統電網向高效、經濟、清潔、互動的現代電網的升級和跨越，積極促進清潔能源發展，為實現經濟社會又好又快發展提供強大支撐。智能變電站是統一堅強智能電網的重要基礎，是堅強智能電網實現能源轉換和控制的核心平臺，是實現風能、太陽能等新能源接入電網的重要支撐，是電網運行數據的采集源頭和命令執行單元，與其他環節聯系緊密，是堅強智能電網安全、優質、經濟運行的重要保障。根據國家電網公司統一部署，自2009年7月起，通過精心組織、嚴密論證，公司總部先后組織開展了2批工程的試點建設。在此基礎上，通過全面分析、認真總結成果經驗，并結合通用設計、兩型一化、全壽命周期等設計理念，本著“安全可靠、成熟適用、經濟合理”的原則，從2011年開始全面推廣建設具備“兩型一化”特征的智能變電站。

隨著規模增大，智能電網的建設為智能變電站提出新的需求，2012年國家電網公司總結試點工程經驗，結合設備研制和電子技術的最新成果，進一步加強二者融合，由從頂層設計入手，開展新一代智能變電站概念設計，引導設備研制，提出新一代智能變電站發展方向，新一代智能變電站的建設目標及功能特點。

平面布置是變電站設計的重要內容，是體現變電站可靠性高、節約占地、節省造價、方便運維的重要方面。新一代智能變電站的建設需求為變電站平面布置提出了新的要求，主接線的優化、新型集成式智能設備的應用及二次系統的整合為新一代智能變電站平面布置的優化提供了條件。變電站總平面布置，依據電氣主接線要求，通過空間布置，實現其功能。它與主接線型式、電氣設備密切相關，其中電氣設備的型式是總平面布置的關鍵。本文根據戶外變電站電氣設備選型，配電裝置型式分類，研究220 kV、110 kV戶外AIS、GIS變電站的平面布置，選擇通用設計方案的邊界條件，提出平面布置優化方案。

1 新一代智能變電站建設目標及功能特點

智能變電站技術是智能電網發展的基礎，也是區別傳統電網的主要標志之一。截至2011年底，國家電網公司已成功投運41座試點建設的智能變電站，在原理研究、設備制造、設計優化、標準制定等方面取得了豐富的創新成果［5-7］。

新一代智能變電站以“系統高度集成、結構布局合理、裝備先進適用、經濟節能環保、支撐調控一體”為目標［8］，具有“全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化、應用功能互動化、運維檢修高效化”的功能特點，采用“一體化設備、一體化網絡、一體化系統”的體系結構，實現建設方便、運行可靠、控制靈活、先進適用、投資節約的建設效果。

新一代智能變電站作為技術發展的的方向，提出“一體化設計、工廠化制造、模塊化安裝”的設計理念，結合目前及遠期設備發展方向，對變電站平面布置進行了充分優化，并與通用設計對應方案進行了比較，提出變電站布置優化方向。

2 平面布置優化基本思路

2.1 配電裝置布置優化

配電裝置的布置尺寸主要由配電裝置間隔縱向尺寸和間隔寬度決定。

2.1.1 優化配電裝置間隔縱向尺寸

配電裝置縱向尺寸的確定主要考慮設備、道路、溝道、架構等相互間的距離，除需保證安全運行外，還應滿足巡視、操作、維護、檢修、測試、運輸等要求。

配電裝置縱向尺寸的確定主要考慮以下幾個因素:(1)安全凈距的要求，配電裝置必須滿足安裝、檢修及電氣設備與帶電部分之間的安全凈距的要求;(2)運行方面的要求，運行中要對電氣設備作定期巡視并進行各項操作;(3)導線與設備連接的要求;(4)設備端子受力要求。

2.1.2 優化配電裝置間隔寬度

滿足帶電距離是配電裝置設計最基本的要求，帶電部分對地和帶電部分之間的距離是各種帶電距離的基礎，應根據3種條件進行校驗:外過電壓和風偏;內過電壓和風偏;最大工作電壓，短路搖擺和風偏［9］。在最大風速為30 m/s、短路電流為50 kA的情況下，安全凈距一般由外過電壓和風偏或內過電壓和風偏決定。

屋外配電裝置的最小安全距離宜以金屬氧化鋅避雷器的保護水平為基礎確定，根據《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》中的方法，計算作用在空氣間隙上的放電電壓值，以避雷器的保護水平為基礎，對110～220 kV電壓等級采用慣用法進行計算，確定最小安全距離［10］。

由于目前氧化鋅避雷器的保護水平沒有變化，因此近期設計方案中采用的空氣間隙距離仍沿用現有電氣凈距的數值。

2.2 平面布置優化

變電站總平面布置設計應遵守《中華人民共和國土地管理法》的相關規定，符合國家土地使用政策，因地制宜，合理使用土地，提高土地利用效率。變電站總平面布置應按照最終規劃規模進行設計，根據系統負荷發展要求，宜留有擴建空間，并使站區總平面盡量規整。

根據工程經驗，變電站總平面布置除與站址地形條件，進出線走廊等有關外，站內主要影響因素主要包括以下幾個方面。

2.2.1 主接線優化對平面布置的影響

對于確定電壓等級、規模的變電站，主接線型式決定變電站各電壓等級間隔數量，設備配置，影響配電裝置型式，對變電站總平面布置影響較大，主接線型式及設備配置的優化將給變電站總平面布置優化創造有利條件。

2.2.2 主變低壓側無功補償裝置對主變低壓側布置的影響

220 kV、110 kV變電站主變低壓側電壓等級為35 kV、10 kV，主要采用戶內開關柜布置，無功補償裝置一般采用框架式并聯電容器。主變低壓側在總平面布置中占有較大比例。新一代智能變電站選用高度集成的高壓設備后，低壓側占地問題將更為突出。應在滿足系統要求的前提條件下，優化電容器的容量、分組、設備選型，合理優化主變低壓側布置。

2.2.3 主設備選擇對配電裝置的影響

高壓電氣設備對配電裝置寬度、縱向尺寸均有影響。隨著新型AIS設備的研制、組合安裝，GIS設備的結構優化，設備進一步小型化，設備的尺寸可以進一步優化。

2.2.4 二次系統整合對平面布置的影響

變電站平面布置除滿足電氣需求外，還要考慮建構筑物的要求，隨著新一代智能變電站的二次系統整合，站內電纜、光纜數量減少，為電纜溝的優化、主控樓采用集裝箱式建筑創造了條件。

電氣總平面布置應從主接線、配電裝置、主設備選型等方面入手，全面了解各電壓等級配電裝置的布置特點，結合變電站站址及自然地質地形條件、線路走廊等諸多因素，經過對各級配電裝置合理組合并通過技術經濟比較后，確定最佳的方案。

以通用設計 220-C1－1、220-A1－1、110-C －5、110-A1－1邊界條件進行220 kV、110 kV戶外變電站的平面布置優化方案研究。

3 電氣主接線及主要設備選擇

3.1 電氣主接線優化

電氣主接線應根據變電站在電網中的地位、進出線回路數、設備特點及負荷性質等條件確定。應滿足供電可靠、運行靈活、操作檢修方便、節約投資和便于擴建等要求。主接線設計需要考慮與電網的協調和內部設備的相互影響。智能化設備功能的集合、可靠性的提高，為主接線及設備配置的優化提供了條件。

根據建設規模情況，220 kV變電站220 kV側維持雙母線接線不變，110 kV側主接線在滿足系統要求的情況下由雙母線接線優化為單母線分段接線，10 kV側維持單母線分段接線不變。

110 kV變電站110 kV側、35 kV側、10 kV側都維持單母線分段接線不變。

各側主接線設備配置可根據設備集成情況進行優化。

3.2 220 kV、110 kV戶外開關設備

目前，高壓開關設備以真空斷路器和SF6斷路器及其成套設備為主導;發展方向是通過一次設備的功能集成及智能組件、傳感器與一次設備的一體化集成，實現設備有效集成，功能高度整合，提高工程調試效率，實現一次設備智能化向智能一次設備轉變。

AIS變電站220 kV、110 kV設備選用集合斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器等功能以及融合有在線監測及二次智能組件功能的新型一體化集成式智能隔離斷路器，集成式智能隔離斷路器功能如圖1所示。斷路器斷口達到隔離開關的斷口要求，線路側配置接地刀，可取消線路側雙接地隔離開關，該設備應具有高可靠性、維護周期達15 a以上，檢修可與母線配合進行，110 kV單母線接線可取消母線側隔離開關，優化變電站內設備配置，提高可靠性，滿足運行維護要求。

圖1 集成式智能隔離斷路器Fig.1 Integrated-smart-isolated circuit breaker

GIS變電站220 kV、110 kV設備選用集合斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器等功能以及融合有在線監測及二次智能組件功能的新型一體化智能GIS設備。

3.3 10 kV開關柜

10 kV開關柜采用智能環境友好型金屬封閉開關設備。開關柜利用環保氣體絕緣技術，實現與原SF6氣體絕緣開關設備相同的尺寸，真正實現環境友好、占地面積小、產品經濟運行、周期成本低的目的。

3.4 無功補償裝置

10 kV選用串聯電抗器與并聯電容器一體化設備，可實現緊湊型布置，節約土地資源，縮短建設周期，減少運行維護量。

3.5 氣體絕緣封閉母線

氣體絕緣封閉母線主要具有性能可靠，使用壽命長，通流能力強，體積小，質量小，連接方式靈活等特點，可以通過套管與架空線連接，油氣套管與變壓器連接，可以與GIS直連，也可以在其線路上增加避雷器、電壓互感器等保護和測量設備，具有結構緊湊，布置施工方便，占地面積小的特點，可以實現比較復雜的接線方案［11］。

經過技術經濟比較后，將氣體絕緣母線應用于110 kV母線，鑒于其封閉絕緣性能，可以不考慮帶電距離，同時由于其免維護性可簡化主接線形式，達到縮小變電站占地面積的目的。

4 集裝箱式建筑

目前，集裝箱式建筑在電力行業多應用于低壓配網的箱式變，在高壓輸變電工程中僅處于試點應用階段［12-13］。新一代智能變電站利用集裝箱式建筑標準、安全、經濟、環保等特點，優化結構、保溫、通風、散熱、防火等條件后，可與10 kV小型化開關柜、站用變、二次屏柜整合，并可作門衛室、衛生間、工具間等功能房間，取消站內配電裝置樓，優化平面布置。集裝箱式建筑效果如圖2所示。

圖2 集裝箱式建筑Fig.2 Container type building

5 平面布置優化設計

5.1 220 kV戶外AIS變電站

220 kV戶外AIS變電站選取通用設計220-C1-1方案進行研究對比。

5.1.1 配電裝置布置優化

根據屋外AIS配電裝置設備配置的調整及具體的布置情況，對影響間隔寬度的主要因素，即上層導線以及構架處跳線進行各種電壓和風偏下的距離校驗，確定220 kV出線、主進間隔寬度保持在13 m。110 kV出線、主進間隔寬度保持在8 m，分段間隔由8.2 m優化為8 m。

根據設備選擇及配置優化，220 kV的AIS配電裝置間隔內縱向尺寸由54 m優化為40.7 m。110 kV母線采用GIL管型封閉母線，取消母線架構。

220 kV AIS變電站斷面優化如圖3所示。

5.1.2 總平面布置優化

圖3 220 kV AIS變電站斷面優化對比圖Fig.3 Comparison of section optimization of 220 kV AIS substation

220 kV配電裝置布置于站區北側，110 kV配電裝置布置于站區南側，220 kV及110 kV線路均采用架空出線。220 kV配電裝置采用支持式管型母線中型斷路器單列布置，110 kV采用GIS封閉母線中型斷路器單列布置，10 kV開關柜單列布置。主變與220 kV、110 kV主進斷路器采用架空導線直接連接，與10 kV開關柜采用絕緣銅管母線連接。變壓器、10 kV配電裝置布置于站區中部，原配電裝置樓優化為集裝箱設計，站區設置環形消防道路，同時供安裝、檢修、運行巡視用［14］。新一代智能220 kV AIS變電站電氣總平面布置如圖4所示。

圖4 電氣總平面布置圖(220 kV新一代智能AIS變電站)Fig.4 General layout of electrical system(new generation 220 kV smart AIS substation)

變電站南北方向尺寸由 128.5 m［15］優化為78 m，圍墻內減少用地39.3%。優化前后對比見表1。

表1 220 kV AIS方案優化前后對比Tab.1 Comparison of 220 kV AIS scheme before and after optimization

5.2 220 kV戶外GIS變電站

220 kV戶外GIS變電站選取通用設計220-A1-1方案進行研究對比。

5.2.1 配電裝置布置優化

近期設計方案中考慮了全架空出線和全電纜出線2個設計方案。

在全架空出線方案中，根據220 kV及110 kV屋外GIS配電裝置設備配置的調整及具體的布置情況，對影響間隔寬度的主要因素，即出線側上層導線以及構架處跳線進行各種電壓和風偏下的距離校驗，確定220 kV、110 kV GIS出線間隔寬度仍分別保持在12.5，7.5 m。

在全電纜出線方案中，考慮了線路與變電站內設備的協調配合，采用全電纜出線，可以縮小變電站出線側橫向尺寸，由此可同時取消進出線門型架構、主變架構，簡化配電裝置型式，進一步縮小配電裝置縱、橫向尺寸。由于取消了構架及外露帶電連接導線，影響間隔寬度的主要因素也隨之消失，配電裝置的寬度只需由GIS設備本身的產品尺寸及檢修要求確定。

220 kV GIS變電站斷面優化對比如圖5所示。

圖5 220 kV GIS變電站斷面優化對比圖Fig.5 Comparison of section optimization of 220 kV GIS substation

5.2.2 總平面布置優化

220 kV、110 kV配電裝置分別布置于站區北側、南側，采用全架空出線或全電纜出線。10 kV開關柜單列布置于集裝箱式建筑內。主變與220 kV及110 kV主進斷路器均采用油氣套管、GIL管連接，與10 kV側開關柜采用絕緣銅管母線連接。10 kV配電裝置及無功補償電容器裝置布置于站區東側，原配電裝置樓優化為集裝箱設計，變壓器布置在變電站中部，站區設置環形消防道路。新一代智能220 kV GIS變電站電氣總平面布置如圖6、7所示。

對于全架空方案，變電站東西方向由103 m優化為110 m，南北方向尺寸由86 m優化為63 m，圍墻內減少用地22%。全電纜方案，變電站東西方向由103 m優化為65 m，南北方向尺寸由86 m優化為45 m，圍墻內減少用地67%。優化前后對比見表2。

5.3 110 kV戶外AIS變電站

110 kV戶外AIS變電站選取通用設計110-C1-1方案進行研究對比。

圖6 電氣總平面布置圖(220 kV新一代智能GIS變電站(架空出線))Fig.6 General layout of electrical system(new generation 220 kV smart GIS substation(overhead outlet))

圖7 電氣平面布置圖(220 kV新一代智能GIS變電站(電纜出線))Fig.7 Layout of electrical system(new generation 220 kV smart GIS substation(cable outlet))

表2 220 kV GIS方案優化前后對比Tab.2 Comparison of 220 kV GIS scheme before and after optimization

5.3.1 配電裝置布置優化

110 kV設備選擇及配置優化，母線采用GIS封閉母線，取消母線架構。AIS配電裝置間隔內縱向尺寸優化如圖8所示。

圖8 110 kV AIS變電站斷面優化對比圖Fig.8 Comparison of section optimization of 110 kV AIS substation

根據110 kV AIS戶外配電裝置設備配置的調整及具體的布置情況，對影響間隔寬度的主要因素，即上層導線以及構架處跳線進行各種電壓和風偏下的距離校驗，確定110 kV出線、主進間隔寬度保持在8 m，分段間隔由8.2 m優化為4 m。

開關柜單列布置，35 kV進、出線采用電纜方式，10 kV開關柜單列布置，進線采用銅母線橋，出線采用電纜方式。

5.3.2 總平面布置優化

110 kV配電裝置布置于站區北側，架空出線，主變與110 kV主進斷路器導線直接連接。35 kV、10 kV配電裝置布置于站區南側，原配電裝置樓優化為集裝箱設計，變壓器布置在變電站中部，站區設置環形道路。新一代智能110 kV AIS變電站電氣總平面布置如圖9所示。

圖9 電氣平面布置圖(110 kV新一代智能AIS變電站)Fig.9 Layout of electrical system(new generation 110 kV smart AIS substation)

110 kV新一代智能AIS變電站的東西方向由57 m優化為55 m，南北方向尺寸由65 m優化為38 m，圍墻內占地面積減少44%，建筑面積減少72.6%，優化前后對比情況詳見表3。

表3 110 kV AIS方案優化前后對比表Tab.3 Comparison of 110 kV AIS scheme before and after optimization

5.4 110 kV戶外GIS變電站

110 kV戶外AIS變電站選取通用設計110-A1-1方案進行研究對比。

5.4.1 配電裝置布置優化

近期設計方案中考慮了全架空出線和全電纜出線2個設計方案。GIS配電裝置間隔內縱向尺寸優化如圖10所示。

圖10 110 kV GIS變電站斷面優化對比圖Fig.10 Comparison of section optimization of 110 kV GIS substation

在全架空出線方案中，經計算校驗，確定110 kV GIS出線間隔寬度仍保持為7.5 m。

在全電纜出線方案中，配電裝置寬度只需由GIS設備本身的產品尺寸及檢修要求確定。

5.4.2 總平面布置優化

110 kV配電裝置布置于站區北側，采用全架空出線或全電纜出線。10 kV配電裝置及無功補償電容器裝置布置于站區南側，10 kV無功補償電容器裝置布置于站區西側，主變與110 kV主進斷路器采用油氣套管或GIL管連接，與10 kV側開關柜采用電纜或絕緣銅管母線連接。變壓器布置在變電站中部。新一代智能110 kV GIS變電站電氣總平面布置如圖11、12 所示。

(1)全架空方案。變電站東西方向由60.8 m調整為62 m，南北方向尺寸由63.9 m優化為40 m，圍墻內減少用地36%。

(2)全電纜方案。變電站東西方向由60.8 m優化為53 m，南北方向尺寸由63.9 m優化為29 m，圍墻內減少用地60%。優化前后對比見表4。

圖11 電氣總平面布置圖(110 kV新一代智能GIS變電站(架空出線))Fig.11 General layout of electrical system(new generation 110 kV smart GIS substation(overhead outlet))

圖12 電氣總平面布置圖(110 kV新一代智能GIS變電站(電纜出線))Fig.12 General layout of electrical system(new generation 110 kV smart GIS substation(cable outlet))

6 結論

新一代智能變電站平面布置的優化應以電網工程設計經驗、新技術、新設備的研發為基礎，主要采取技術論證的方法進行研究，根據典型工程條件設計應用方案，通過技術經濟對比進行分析論證。設計方案必然涉及到相關設備的研發，需要與制造廠商密切溝通，提出技術需求，引導制造廠商的研究方向，通過合作，實現制造設計與安裝設計的內在統一，既保證了產品的安全可靠性，又可滿足工程實用性要求。

變電站平面布置要樹立全局觀念，在電氣主接線優化、新型設備研制應用的基礎上，梳理影響平面布置的因素，將新技術、新工藝與布置方案融合，提高土地利用率，減少占地面積，實現平面布置方案功能分區明確、布置緊湊合理的要求。本文以國家電網公司通用設計整體方案典型工程條件為實例，得出新一代智能變電站近期平面布置優化設計方案，引導今后變電站的電氣平面布置優化方向。

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