新一代智能變電站二次關鍵技術

摘 要：為有效應對傳統變電站二次設備分散配置集成度低、協調性差的突出問題，新一代智能變電站技術應運而生。文章詳細分析預制艙構成、類型、屏柜特點、布置方式與技術優勢等關鍵技術與層次化保護系統的功能配置和工作特點，為進一步提高新一代智能變電站二次系統設計與應用水平提供參考。

關鍵詞：預制艙；層次化保護；新一代智能變電站

引言

為有效促進清潔能源的高效消納和快速發展，建設安全、可靠、經濟、高效的智能電網逐漸成為全球各國的共識[1]-[2]。智能電網的發展戰略對變電站技術提出了新的、更高的要求，快速提升變電站智能化水平，已經成為建設堅強智能電網不可或缺的環節。

我國變電站技術先后經歷了傳統變電站、數字化變電站、智能化變電站的發展歷程，取得了較大發展進步。然而，即使目前最先進的智能變電站技術，仍存在一體化集成理念實施不到位、各二次系統獨立分散配置等突出問題[3]-[5]，使得變電站設備間功能獨立、集成度低、協調性差、信息共享度低、維護量大，難以實現整體設計最優，尚不滿足電網運維管理體質變革的需求。為解決上述突出問題，新一代智能變電站技術應運而生。

文章對新一代智能變電站的預制艙式二次設備、層次化保護系統等二次關鍵技術的定義、組成、工作特點等內容進行了重點分析。

1 新一代智能變電站系統結構

新一代智能變電站不再拘泥于單一變電站范圍，通過廣域層和站域層兩層結構配置，實現廣域信息的統一采集和完全共享，為廣域范圍的智能保護和控制奠定基礎。

站域層涵蓋整個變電站，在現有智能變電站的“三層兩網”結構基礎上，新一代智能變電站新增了“兩層一網”的分層分布式結構。“兩層”指就地層智能設備和站控層設備；“一網”指就地層和站控層通信網。就地層智能設備采用測量、保護等智能組件與一次設備高度融合的智能化一次設備，打破一二次技術壁壘，有效降低設備維護工作量。站控層采樣共網共端口技術，有效減少設備端口數量，提高經濟性。通信網采用一體化高速以太網，實現數據、信息的快速交互，為變電站智能控制、狀態檢修等提供物理基礎。

廣域層面向區域電網，利用多個變電站綜合信息，統一判定決策，實現相關保護和控制功能。廣域信息的統一采集和完全共享，改變了繼電保護等二次系統的配置方式，為層次化保護系統奠定技術基礎。

2 新一代智能變電站二次關鍵技術

2.1 預制艙式二次設備

預制艙是指在工廠內完成箱體制作、相關配線、二次設備安裝調試等工作，并作為一個整體運送至施工現場，在現場與一次設備、土建直接對接，以便于多種方式裝卸、運輸和設備運行維護的標準工作間。

2.1.1 預制艙組成

預制艙由預制艙艙體、二次設備模塊、二次設備屏柜（機架）和艙體輔助設施組成，采用標準集裝箱式構造。

預制艙艙體包括艙體框架、照明設備及開關（正常照明和應急照明）、艙體配電系統、電源插座、有線電話、折疊桌等設備。艙體輔助設施包括安全防護及視頻監控措施、通訊設施、輔助功能設備、采暖通風設備、消防安全設備等。

2.1.2 預制艙類型和尺寸

根據功能不同，預制艙可以分為公用間隔預制艙、110kV間隔設備預制艙、220kV間隔設備預制艙、主變壓器間隔設備預制艙、交直流電源預制艙、蓄電池預制艙等。根據材料不同，預制艙可以分為鋼結構預制艙和玻纖復合材料預制艙。

受運輸車輛“車貨總寬度不宜超過2.5m、總長不宜超過18m、總高度不宜超過4.2m”的限制，標準預制艙艙體外形尺寸設置如表 1所示。對于大型預制艙，可由1個或多個標準艙體拼接而成。

當采用單列布置或站內布置、設備運輸條件受限時，預制艙寬度也可采用2500mm。

2.1.3 預制艙內屏柜類型

傳統變電站二次屏柜多采為前顯示、后接線裝置，新一代智能變電站為有效利用預制艙空間，設計了前開門接線機柜和“前接線前顯示”2種新型屏柜類型。

前開門接線機柜。前開門接線機柜的二次裝置端子位于裝置背面，整個裝置布置于機柜門上并隨柜門移動，從而實現裝置的背面接線，進而提高空間利用效率。

前接線前顯示裝置。在不改變現有插件結構形式的基礎上，將人機界面與接線端子位置同時置于裝置正面，通過將人機界面翻轉的動作機構，露出接線端子，實現可在裝置正面進行人機對話與接線工作。常見的人機界面翻轉方式通常有上移、側翻和上翻等。

2.1.4 預制艙內屏柜布置方式

新一代智能變電站組屏方案有屏柜雙側布置方案和單側布置方案兩種方式。結合現有二次屏柜設備，雙側布置方案又可以分為前開門旋轉式屏柜、普通屏柜艙體側開門及普通屏柜裝置前接線三種方式。各布置方式性能比較如表2所示。

新一代智能變電站預制艙二次屏柜布置方式可優先選擇“方案四：前接線前顯示屏柜，雙側布置”方案，充分利用艙內空間。而當變電站規模較少或裝置集成化程度較高時，可采用“方案五：普通屏柜前后開門，單側布置”方案，以方便運行、檢修操作。

2.1.5 技術優勢

（1）建設周期短。各二次設備在廠家完成制造、安裝、調試，可以與電氣一次設備、土建部分同時開工，大量減少現場工作量，施工周期有效縮短。

（2）投資省。預制艙將各二次設備功能整合、有效集中，端子排數量和壓板個數大量減少，二次屏柜占地面積有效降低，節省了工程投資。同時，二次設備采用就地化布置方式，減少了電纜/光纜長度，能進一步降低工程造價。

（3）安全性提高。各二次設備在廠內聯調，有效保障了二次設備工作環境，避免了施工現場粉塵大、環境惡劣的弊端，設備性能和施工安全性得到可靠保障。

2.2 層次化保護系統

層次化保護是指通過相互協調的分布式功能配置和廣域測量信息，實現系統保護在時間、空間、功能等多維度的協調配合，保障電網繼電保護性能和系統安全穩定控制能力的、面向功能的保護控制系統。層次化保護控制系統包括就地級、站域級和廣域級三個層面。

2.2.1 就地級

就地級保護以快速隔離故障元件為目的，利用本地（和對側）信息獨立決策，實現快速、可靠的元件主保護，面向線路、變壓器、母線、斷路器等獨立的設備間隔，多靠近一次設備布置。

各電壓等級所用保護原理與傳統保護相同，區別在于新一代智能變電站中110kV線路保護采用了保護、測控、考核計量的集成裝置，35kV/10kV間隔保護采用了保護、測控、考核計量、合并單元、智能終端等功能多合一的裝置。

2.2.2 站域級

站域級保護是綜合利用全站多個對象的電氣量、開關量、就地級保護設備等網絡數據信息，集中分析和決策，采用網采網跳的方式不經就地級保護直接下達控制指令，以實現保護的冗余和優化配置，以及全站備自投、低周減載等緊急控制功能并支撐廣域保護控制技術的設備。

站域級保護在層次化保護系統中承擔著“上傳下達”的重要任務，需要接收廣域保護系統（子站）的廣域測量信息、控制指令等，并進行校核和下達。同時，也需要將本站測量、控制等信息上傳到廣域保護系統。此外，站域級保護還需要匯集本站各類信息，對整站系統進行故障判定、穩定識別等，防止出現站域級安全穩定事故。

2.2.3 廣域級

廣域級保護基于高速通信網，面向整個區域電網，綜合利用區域內各變電站站域及就地級保護信息，統一分析和決策，優化實施安全穩定控制測量和廣域后備保護，實現區域內保護與控制的協調配合。具體包括，廣域后備保護、局部電網冗余保護、自適應保護定值、區域安全穩定控制、廣域低頻低壓減載和失步解列、電網自愈等。

2.2.4 工作特點

（1）提高可靠性和靈敏性。綜合利用全站多間隔信息，優化保護功能和動作邏輯，實現故障快速定位、系統穩定態勢感知等功能，加速后備保護動作，提高全站保護的靈敏性、可靠性和速動性。

（2）信息共享。層次化保護解決了傳統二次系統分散配置、采樣重復、共享度低的問題，實現了全站信息綜合共享。通過綜合利用全站信息，實現了低周低壓減載、過載連切等安全穩定裝置的協調控制，有效避免了系統層面的故障災害。

（3）協調配合。層次化保護實現單一設備保護、站內綜合防御和安全控制、區域電網保護和安全文檔系統等功能的協調配合，能夠實現區域電網保護的全覆蓋。

3 結束語

為應對智能變電站二次設備分散化配置、集成度低、協調性差的問題，新一代智能變電站技術應運而生。文章詳細介紹了新一代智能變電站預制艙、層次化保護的工作原理、功能配置、技術優勢等關鍵技術，為進一步開展新一代智能變電站二次關鍵技術研究與實證應用提供了參考。

參考文獻

[1]Grids S. European technology platform for the electricity networks of the future[M]. 2010.

[2]Farhangi H. The path of the smart grid[J]. Power and Energy Magazine， IEEE，2010，8（1）：18-28.

[3]宋璇坤，沈江，李敬如，等.新一代智能變電站概念設計[J].電力建設，2013，34（6）：11-15.

[4]宋璇坤，李敬如，肖智宏，等.新一代智能變電站整體設計方案[J].電力建設，2013，33（11）：1-6.

[5]唐衛華，楊俊武，歐陽帆.新一代智能變電站技術綜述[J].湖南電力，2015，35（5）：1-6.

作者簡介：安佳坤（1988，09-），男，河北石家莊人，主要研究方向為電力系統規劃、設計。

劉雪飛（1984，10-），男，河北石家莊人，工程師，主要研究方向為電力系統規劃、設計。