智能變電站預制艙式二次組合設備設計優化

吳聰穎，閆培麗

(國網北京經濟技術研究院，北京 100052)

智能變電站預制艙式二次組合設備設計優化

吳聰穎，閆培麗

(國網北京經濟技術研究院，北京 100052)

預制艙式二次組合設備是新一代智能變電站模塊化建設的重要內容，著力實現工廠化預制、現場裝配式安裝，以提高智能變電站的建設效率。本文從工程實際出發，分析了常規二次裝置及屏柜結構，調研了目前預制艙式 二次組合設備方案及應用現狀，并進行梳理總結，針對目前存在的問題，提出了預制艙及艙內二次裝置、屏柜結構優化方案，提出了預制艙內屏柜布置方案，并給出了預制艙方案的設計建議。

智能變電站；預制艙式二次組合設備；設計；方案。

1 概述

2012年起，國家電網公司啟動了新一代智能變電站的研究與設計工作。新一代智能變電站提出以“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，著力探索前沿技術，推動智能變電站創新發展，實現能量智能調節，設備可控在控，信息共享互動，服務便捷優質。

為此，新一代智能變電站提出了緊湊型、模塊化、集裝箱式建筑、節能環保及間隔插拔式的設計理念。 其中，預制艙式二次組合設備是新一代變電站模塊化設計理念的重要體現，并在湖北未來城110 kV變電站和重慶大石220 kV變電站2座戶外站中應用，效果顯著。另外，由于受當時建設工期及二次設備廠商研發周期限制，實施的預制艙式二次組合設備仍存在一些弊端。隨著研究的不斷深入和各方配合，預制艙式二次組合設備各方面技術逐步取得新的成果，本文就預制艙式二次組合設備布置相關技術，包括裝置結構、屏柜結構、預制艙尺寸及布置方案等展開研究，并提出優化設計建議。

2 應用現狀

2.1 二次裝置與屏柜結構

目前，智能變電站內二次設備包括監控系統、保護、測控、通信、電源設備等。裝置結構普遍采用前操控面板，后背板接線方式。由于裝置柜前操作、柜后接線，對于二次屏柜而言需要前后開門，以滿足正常運行維護的基本要求，端子排柜后左右側配置，二次設備柜典型尺寸為2260 mm×800 mm×600 mm，見圖1。

圖1 屏柜示意圖

1.2 預制艙尺寸

為保證預制艙的通用性，縮減造價，因此參考ISO標準的集裝箱尺寸系列。

二次系統的屏柜高度均為2200 mm，加上眉高為2260 mm，柜頂(底)上(下)方還需要橋架及走線的空間。而ISO標準的集裝箱內部凈高度為2394 mm，不滿足上述要求，因此需要選取增加高度的集裝箱，其外部高度為2896 mm、內部高度為2646 mm，滿足二次設備布置需求。行業內通用的標準加高型集裝箱規格尺寸見表1。

1.3 布置現狀

重慶大石220 kV及湖北未來城110 kV首批2座AIS示范智能變電站全面落實新一代智能變電站的模塊化設計理念，首次使用了全預制艙方案。

表1 標準加高型集裝箱規格

1.3.1 單艙單列布置(雙艙拼接方式)

單列布置方式，即預制艙內采用前操控面板、后背板接線的二次屏柜，采用并柜聯接，沿箱體長度方向單列布置于箱體中，考慮柜前操作巡視通道、柜后檢修維護通道及預制艙內輔助設施的布置，如在湖北未來城110 kV站內設置了2個1200 mm單列布置的預制艙，采用拼接方式置于站區，艙內均使用前顯示后接線屏柜，其中電源柜采用800 mm×600 mm柜體，服務器柜采用800 mm×800 mm柜體，保護測控柜、通信機柜均采用600 mm×600 mm柜體，見圖2。

圖2 湖北未來城預制艙布置示意圖

預制艙內采用單列布置，空間的利用率不高，預制艙設置數量較多，尤其對220 kV及以上電壓等級變電站，經濟性較差。

1.3.2 單艙雙列布置且側壁開門

在重慶大石220 kV站內設置了4個1200 mm雙列布置的預制艙，其中包含了1個公共設備預制艙，1個220 kV二次設備及直流電源預制艙，1個主變壓器及110 kV二次設備預制艙和1個蓄電池組預制艙。

基于目前普遍采用前操控面板、后背板接線的二次屏柜現狀，綜合考慮預制艙尺寸、二次設備、屏柜尺寸及通道需求，預制艙內屏柜采取雙列靠墻布置方式時，由于采用800 mm寬的前顯示后接線屏柜，需將預制艙側壁對應屏柜位置開多扇側門(當前門朝側壁時增加視窗)，以滿足正常運行維護要求。接線維護時操作人員在箱外打開側壁上的門，進行操作，見圖3。

圖3 重慶大石預制艙布置示意圖

雖此方式預制艙內二次設備可雙列布置，空間利用率有所提高，但預制艙艙體結構復雜，側壁開多個門將增加大量成本，且為解決開門帶來的強度、防雨、防腐等問題還將額外增加成本。且對出現惡劣環境時維護帶來不便，此方案性價比也不高。

2 設計優化方案

2.1 預制艙及二次設備優化

(1)預制艙尺寸優化

原先工程中，確定預制艙式二次組合設備外形尺寸時參考了標準集裝箱的尺寸系列，使I型、II型、III型預制艙分別對應20呎、30呎、40呎標準集中箱的外形尺寸，為加大屏正-屏正之間檢修通道，結合對國內大件運輸實際情況，預制艙寬度由原來的2500 mm增加到2800 mm。優化后預制艙尺寸見表2。

表2 優化后預制艙尺寸

同時為滿足預制艙內屏柜雙列靠墻布置方式，實現最大化利用艙內空間，提出了前顯示前接線設備。

(2)二次設備優化

前顯示前接線裝置是在不改變現有裝置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。人機界面翻轉的方式通常有上移、側翻、上翻等，側翻結構見圖4。

圖4 前接線、前顯示裝置側翻結構示意圖

前顯示前接線設備的應用，使艙內屏柜在不開后門的情況下，操作人員方便的對柜內裝置進行安裝、操作及維護，不需艙壁側面開門即可實現艙內屏柜的雙列布置，避免了艙體側壁開門帶來的艙體密封性差，運維對天氣依賴性強的缺點。

基于前接線、前顯示二次裝置的應用，屏柜結構可優化為只前開門型式。當靠墻布置屏柜時，只需在屏背與墻之間預留一定的散熱空間即可，并能保證屏正-屏正之間檢修通道可大于1300 mm。

2.2 預制艙內屏柜布置方案優化

采用2800 mm寬的預制艙及“前接線前顯示裝置”800 mm寬屏柜，同時保證預制艙廠家對艙內保暖等措施處理，考慮一定艙壁厚度后各個尺寸預制艙推薦布置方式見圖5～圖7。

根據應用情況，當采用800 mm屏柜時可布置屏柜數量見表3。

圖5 I型艙布置示意圖

圖6 II型艙布置示意圖

圖7 III型艙布置示意圖

表3 布置屏柜量

2.3 工程配置方案

應結合工程規模及總平面布置，因地制宜合理設置二次設備預制艙，可采用“全預制艙”方案或“艙+建筑物”方案。

2.3.1 全艙方案

將全站二次系統設備模塊化布置于一個預制艙，在工廠內完成整站的全部二次系統生產、安裝、接線、調試，作為一個整體運輸至現場，采用預制光、電纜與一次設備插拔式連接，極大縮短了建設周期，尤其適用于施工環境相對惡劣場合，同時也提升了二次系統安裝接線質量，提高了系統的可靠性，是終端110 kV變電站及出線規模較小110 kV變電站規模化快速建設新模式，見圖8，為全艙布置方案，將監控主機和應用服務器橫向擺放。

圖8 “單艙整站預制”平面布置圖

2.3.2 艙和建筑物方案

“艙+建筑物”方案，針對220 kV變電站或規模相對較大的110 kV變電站，間隔層設備采用預制艙式二次組合設備，下放布置布置于一次設備場地，站控層設備、電源設備等模塊布置于二次設備室內，毗鄰低壓配電裝置建筑物布置，見圖9。其他二次設備均放于二次設備室中，屏柜按間隔按功能統籌組柜。

圖9 “艙+建筑物”艙內屏柜平面布置圖

3 結論

預制艙式二次組合設備改變了以往智能變電站的建設模式，根據屏柜功能，合理組合，在工程內預制、接線和調試，大大提高了現場施工效率。設計人員在做設計時，應本著最大化工廠預制原則，結合工程實際，合理配置。對于戶外規模較小的110 kV終端變電站，宜推薦采用“單艙整站預制”方案；對于戶外220 kV變電站，宜采用“艙+建筑物”方案，設置1～2個預制艙。

技術方案固化后，建議推進預制艙式二次組合設備的標準化工作，包括艙內模塊化布置、模塊內屏間接線、模塊間接線及艙對外接線的標準化等。以大大提高預制艙的生產效率。在艙內屏柜結構、組柜方案、柜內工作分區等方面可繼續深化研究，真正體現變電站工業化理念，方便運維檢修，大力支撐智能變電站建設。

[1] Q/GDW 383—2009，智能變電站技術導則[S]．

[2] Q/GDW 393—2009，110(66) kV～220 kV智能變電站設計規范[S]．

[3] Q/GDW/441—2010，智能變電站繼電保護技術規范[S]．

[4] Q/GDW 11157—2014，預制艙式二次組合設備技術規范[S]．

[5] 國家電網公司．國家電網公司輸變電工程通用設計∶110(66)-750 kV變電站(2011年版)[M]．北京：中國電力出版社，2010．

[6] 國家電網公司．國家電網公司輸變電工程通用設計：110(66)-750 kV智能變電站部分(2011年版)[M]．北京：中國電力出版社，2010．

[7] 國家電網公司．國家電網公司輸變電工程通用設備：智能變電站一、二次設備(2012年版)[M]．北京：中國電力出版社，2011．

[8] 國家電網公司科技部；國網北京經濟技術研究院．新一代智能變電站典型設計110 kV變電站分冊 [M]．北京：中國電力出版社，2015．

[9] 國家電網公司科技部；國網北京經濟技術研究院．新一代智能變電站典型設計220 kV變電站分冊 [M]．北京：中國電力出版社，2015．

[10] 宋璇坤，劉開俊，沈江．新一代智能變電站研究與設計[M]．北京：中國電力出版社，2014．

[11] 宋璇坤，等．新一代智能變電站整體設計方案[J]．電力建設，2012，11(7)．

[12] 蔣懷貞，等．一種前接線二次保護裝置顯示終端的設計與實現[J]．電力系統保護與控制，2015，43(1)．

[13] 彭鵠，等．重慶大石220 kV新一代智能變電站優化設計[J]．電力建設，2013，34(7)．

Design Optimization of Prefabricate Cabin Pattern Secondary Combination Equipment Intelligent Substation

WU Cong-yin, YAN Pei-li
(State Power Economic Research Institute，Beijing 100052，China)

The secondary combination device in prefabricated cabin is an important part of the modular construction of the new generation intelligent substation. In order to improve the efficiency of the construction of intelligent substation，it focus on the realization of factory prefabrication and site assembly installation. The paper analysys the conventional structure of the secondary device and the cabinet. Then it researchs and summarizes the application situation of the prefabricated cabin and related. Finally it proposes the optimization scheme of the secondary combination device in prefabricated cabin and gives the design suggestion of prefabricated cabin scheme.

intelligent substation; secondary combination device in prefabricated cabin; design; scheme.

TM63

B

1671-9913(2016)06-0060-05

2016-01-11

吳聰穎 (1987- )，男，福建龍巖人，碩士，工程師，主要從事變電站設計。