220kV 華陽智能變電站二次模塊化設計關鍵技術研究

蘭芳

（國網江蘇電力設計咨詢有限公司，江蘇 南京 210008）

隨著科技的快速發展，新技術、新理念在變電站中得到了廣泛應用。智能變電站作為未來的發展趨勢，還有許多關鍵技術需要進一步完善。模塊化在智能站中的推廣，對于研制主保護的信息采集和二次設備的集成都有新的突破，合并單元使模擬量就地轉成數字量就可以，智能終端將控制信號傳輸介質由電纜傳輸改光纜。

本文針對220kV 華陽智能變電站二次模塊化設計關鍵技術進行研究，首先介紹模塊化二次設備的含義與劃分原則，重點研究華陽智能變電站二次模塊化設計的關鍵技術。

1 二次設備模塊化的含義與劃分原則

1.1 二次設備模塊化的含義

模塊就是可以組合成系統的具有某種特定功能和接口形式的通用獨立單元，這個定義揭示了模塊的如下特征：

（1）通過獨立單元組合配置成系統；（2）具有確定的功能；（3）是一種標準單元；（4）具有能組合成系統的接口。

華陽變模塊化是根據二次設備的總要求，將分散裝置整合成若干個相對獨立的系統。其大小以功能、權限、運行、維護為標準進行劃分，同時規范各設備的接口。

1.2 二次設備劃分模塊

二次設備大致劃分六大模塊，其中各模塊包含內容如下：

站控層設備模塊：含監控系統工作站、調度數據網、二次系統安防等設備；

公用設備模塊：含電量采集傳輸、GPS 對時、絡網分析系統、智輔系統等；

通信設備模塊：含站間通信、站內通信等設備；

一體化電源模塊：為變電站內設備提供所需電源；

主變間隔層設備模塊：含主變保護、測控、合并單元，智能終端等設備；

消弧線圈設備模塊：含消弧線圈控制裝置等，依據電壓等級和出線線路總長度及性質確定。

2 二次設備模塊化整合及關鍵技術

2.1 需求分析

設備的整合集成是實現新一代模塊化變電站的目標和途徑。變電站為每個主設備配置有集保護、測量、計量于一體的智能設備，但是，設備在現場安裝時存在連接復雜、信息交換不足，站級缺乏協調以及總造價成本高等問題。

2.2 關鍵技術

220kV 華陽智能變電站自動化系統方案配置圖如圖1 所示，其主要技術包括以下內容：（1）變電站按無人值守模式進行設計。（2）采用三層兩網的組網結構。（3）站內設備統一組網，統一建模，便于信息交互。（4）系統具有與電力調度數據傳輸的接口，軟件、硬件配置支持聯網要求。（6）向調空中心上傳的信息實現雙平面配置。

圖1 華陽智能變電站自動化系統方案配置圖

3 智能匯控柜在模塊化變電站存在的問題及優化方案探索

3.1 智能匯控柜存在的問題

（1）二次設備布置及柜體結構未執行標準化。匯控柜是采集控制的集成模塊，由GIS 廠家成套。但在項目實施過程中，過程層設備與間隔層設備分開招標，如在設備生產時缺乏統一的設計標準，必然因接口形式不同，導致數據交互不暢等問題。（2）智能匯控柜運行環境方面。高度集中的模塊化設備能耗大，導致柜內溫度較高，成套設備長期處于高溫之中極有可能造成無法正常工作。因此在進行成套設備應用和模塊化設計時，設備布局及散熱要求將與傳統方式有較大不同。如果變電站采用的是戶內GIS，則匯控柜的運行環境相對較好，柜內的除濕和散熱基本沒有問題。但如果匯控柜安裝在戶外，則需要配置的空調或熱交換器，進行降溫和通風，并對柜內環境進行實時監測。

（3）智能匯控柜設計不規范。在項目實施過程中，本間隔連接需在廠家完成，間隔間連接必須在現場完成。界面劃分不清晰會給各廠家和設計院帶來嚴重的銜接問題，等設備到達現場后發現問題，因現場部分實驗無法進行，留下安全隱患，同時嚴重影響工期。

3.2 間隔模塊劃分

220kV 線路、母聯間隔：保測裝置+合智裝置＋過程層交換機

220kV 主變間隔：智能終端+合并單元

220kV 母設間隔：母線測控+合智裝置

110kV 線路、母聯間隔：保測裝置+合智裝置+電度表。

110kV 主變間隔：合智裝置（雙套配置）

110kV 母設間隔：母線測控+合智裝置

以上所述間隔模塊化智能組件，分別布置于對應間隔的 GIS 智能匯控柜內，放置于相應電壓等級的GIS 室內，一、二次設備之間用預制電纜連接。

10kV 保測裝置、電度表布置在開關柜內。

3.3 預制式智能匯控柜優化布置

傳統的220kV 變電站將保測裝置集中放置于二次設備室，設備之間通過電纜連接，而保護屏柜與匯控柜放置于不同小室，中間的電纜連接必然要跨越幾個小室，從而導致造價高、施工難度大、周期長等問題。模塊化智能變電站將合智裝置及保測裝置等集中布置于GIS 匯控柜內，做到間隔內接線不出屏柜，間隔間由光纜、尾纜連接，大大減少電纜用量，從而減少建筑物內電纜溝、電纜橋架以及電纜豎井的使用，節約投資成本，降低土建設計施工難度，電纜接線數量減少90%，大幅縮減工周期。

4 模塊化智能變電站的網絡設計

4.1 系統遠動通信網絡

華陽變遠動信息采集由變電站監控系統完成，遠動系統與變電站自動化系統共享信息。配置一套全新的監控系統，站控層包括監控主站兼操作員站等，間隔層包括全站所有的保護測控裝置，過程層包括全站智能終端及合并單元。站內信息通過站控層網絡向調度端傳輸，分別接入省調和地調，實現調度數據網絡雙面模式。

4.2 二次系統安全防護

（1）按照“安全分區、網絡專用、橫正隔離、縱向認證”的基本原則，配置站名內二次系統安全防護裝置。

（2）縱向安全防護：各應用系統接入電力調度數據網前加裝IP 縱向加密認證裝置。

（3）橫向安全防護：實時區和非實時區的各應用系統之間加裝防火墻。

（4）變電站監控系統、保護、測量裝置劃入實時區，保護及故障信息管理子站、電能量計量系統子站等劃入非實時區。

4.3 計算機監控系統信息分區

本工程按無人值班模式設計，根據一體化監控系統安全分區及防護原則，計算機監控系統信息分區如下所述示：

（1）安全Ⅰ區的設備包括綜合自動化監控系統、Ⅰ區通信網關機、數據服務器、保測裝置、PMU 等；

（2）安全Ⅱ區的設備包括Ⅱ區通信網關機，主變油色監測系統、視頻監控系統、環境監測系統、火災報警系統等；

（3）安全Ⅰ區設備與Ⅱ區設備之間通信采用防火墻進行安全隔離；

（4）智能變電站綜自監控通過正反向隔離裝置向Ⅲ/Ⅳ區通信數據網關機傳遞數據；

（5）智能變電站后系統監控臺與調控中心之間裝設了縱向認證加密裝置。

5 模塊化設備的即插即用

站控層網絡采用雙Y 型以太網進行連接，間隔層設備之間通過網絡進行通訊，傳輸SV 和GOOSE 報文。間隔層采用雙Y 型以太網。過程層設備之間通過光口連接，220kV 過程層采用雙網結構；110kV 過程層采用單網結構。配置過程層中心交換機，用于信息匯總。故錄、網分等裝置通過中心交換機采集所需數據。主變不單獨組過程層網絡，高壓側接入220kV 過程層網絡，中、低壓側接入110kV 過程層網絡。10kV 不單獨配置過程層網絡，信息利用站控層網絡傳輸。

上述設備間的連接導體需提前預制，聯調完成后現場拼裝，即插即用。

6 結語

本文從模塊化的定義與劃分、技術要求、功能布置幾個方面進行研究，為模塊化設計與設備的研發應用提供重要依據，其主要進步及創新點如下：（1）模塊化設計技術能夠大幅提高二次設備的集成化水平，顯著地提高工程質量。（2）模塊化設計促進廠商提高生產技術水平，有效節約社會資源，降低工程造價。（3）模塊化的二次設備，填補了國內空白，使變電站的結構更緊湊，實施更方便，建造更經濟。