一種集成型智能變電站設計思路的探討

花 植

(山西國辰建設工程勘察設計有限公司，山西 陽泉 045000)

1 概述

電力系統重要組成部分之一就是35 kV變電站，為適應電力市場激烈競爭及信息化、自動化的要求，改建及新建35 kV變電站必須做到更低的成本、更高的可靠性、更好的電能質量和更小的建設規模。35 kV變電站設有許多一、二次設備原件，其綜合性、系統性的技術要求很高。伴隨材料科學、電力電子技術、通信技術、網絡技術及人工智能等技術的發展，35 kV變電站建設有了更廣闊、更人性化的實現方式及更豐富的實現技術手段。同時基于這些領域的新發展、新技術，35 kV變電站更加智能化、自動化的要求也更高，也已成為配電系統發展的重要研究方向。

35 kV變電站的微機數字化已經實現功能包含監測、控制、保護、記錄等，但這些功能從硬件構成到功能實現基本相互獨立，各子系統間交叉、重疊的功能甚多，有些硬件需要在幾個子系統中重復安裝，各子系統間信息孤立且電流互感器、電壓互感器負載偏大，且二次接線繁多，造成整個35 kV配電系統可靠性偏低、建設投資偏大的缺陷。本文參照國家電網公司推薦的35 kV變電站典型設計方案，結合電網改造向縱深過程中各有關研究和生產部門積累的大量實踐經驗，對新式集成型智能變電站的建設模式進行了有益探索，有助于現代電網35 kV變電站建設和升級改造，提高供電質量。

2 變電站的分類

目前變電站使用較多的型式為箱變，箱變型式又分為美式箱變和歐式箱變，這兩種箱變內部結構及外形都有較大區別，應用的場合也不同。隨著科技的發展，緊湊型的變電站也已經成為了研究和應用熱點。

1)美式箱變。其特點是占用空間小，安裝簡便，為與環境景觀協調更便于在外觀做美化，電纜出線長度較短，線路損耗及壓降更小，同時價格較低。美式箱變缺點是供電的穩定性偏低，沒有電動機構，現有箱體無法新增額外配電系統自動化設備，其不設電容無功補償裝置等。

2)歐式箱變。其優點是對環境噪聲污染較美式箱變更小，對環境電磁輻射較美式箱變更低，歐式箱變的電力變壓器安放于變壓器金屬柜內，金屬柜體可有效屏蔽變壓器的電磁輻射。同時歐式箱變箱體內部能夠增設配電系統自動化設備。歐式箱變的缺點是其箱體較美式箱變箱體更大，造成安裝更繁瑣，同時不利于與周圍環境相協調進而達到美觀要求。

3)緊湊型變電站。目前，隨著我國緊湊型變電站技術高速發展，其市場占有率得到提升，全國各地都制定了緊湊型變電站技術發展要求，市場使用率進一步增加。然而緊湊型變電站依然有許多需要改進的不足之處：仍然缺乏更加節能環保新材料電力變壓器的研究和使用；缺乏研究新型電量變換器及數字式光電量測系統；缺乏變電站集成技術的研發，包含智能型空氣斷路器和智能型其他開關設備及系統；缺乏對數控和集成保護研究；缺乏人工智能和光纖網絡通信技術在變電站的應用研究；缺乏以上述技術為基礎的智能化變電站設計新理念研究。

3 35 kV集成型變電站典型模式

國家電網公司系統內35 kV變電站，包括戶外、戶內和箱式變電站。35 kV變電站典型設計方案分類自上而下按兩個層次進行劃分，即變電站布置方式、配電裝置型式。第一層按變電站布置方式：35 kV變電站典型設計分為戶外站(A型)、戶內站(B型)和箱式變電站(D型)三大類；第二層按配電裝置型式：例如戶外變電站，可再劃分為戶外裝配式配電裝置和戶內成套開關柜配電裝置兩類進行設計。

電氣二次部分設計原則：35 kV變電站采用微機檢測控制系統(由高可靠性專用設備實現數據遙傳)；分散布置的35 kV變電站保護及控制系統，低壓側采用柜內安裝的一體化保護測控裝置；主變壓器的保護和控制設備采用微機型設備，微機保護控制系統實現35 kV及10 kV系統小電流接地選線功能；變電站安裝安全警戒系統和視頻監控系統，完成35 kV變電站的安全警戒任務；變電站設置一套火災探測報警系統。

集成型變電站將一次開關設備、自動化保護裝置、交直流電源系統、自動化監控系統、通信設備、照明系統、環境控制系統(空調、除濕器、加熱器、煙霧監測報警器、圖像監視攝像設備等)、安防系統等設備和系統集成到同一個箱體中，箱體材料具有耐火、保溫、隔熱、防潮、防雨、防盜、防腐等特性。

4 新式集成型變電站建設模式探索

本文提出的35 kV變電站采用模塊化設計，如圖1所示的是基于模塊化設計的變電站,主要包括40.5 kV組裝模塊、變壓器組裝模塊、10 kV組裝模塊3個部分，各個模塊之間的連接采用架空橋架或電纜兩種形式。

4.1 40.5 kV組裝模塊

40.5 kV組裝模塊放置于變壓器組裝模塊的進線側，該模塊與其他模塊通過工廠預制的整體式電纜套管及可插拔式電纜插接頭來連接。進線接口通過接插件與上級電站的出線側相連,是變電站能源的輸入口；出線接口除了電流輸出外，還留有供各模塊交流信息用的通信接口。該模塊在變壓器的高壓側設置貫穿式高壓電量數據終端，即傳感器式高壓電能表或者傳感器式組合互感器，以此實現對高壓側的計量，并將計量數據經遠傳無線、光纖等傳到低壓側；高壓側的電流電壓信號分別用毫安毫伏的弱信號傳到低壓側，還可用于精確控制。為了保證模塊能長期穩定運行，需要其具有防潮、隔熱、防凝露等功能，因此需要附加環境測控裝置。該模塊在使用時，直接運到現場通過快速接頭即插即用，具有較高的安裝效率和運行維護可靠性。

4.2 變壓器組裝模塊

該變電站的變壓器模塊主體選用新型變壓器。變壓器鐵芯選用符合能效標準的新材料，其空載損耗U0(變壓器二次側斷開時，在一次側產生的損耗功率)比傳統材料硅鋼片制成鐵芯的變壓器至少降低一半，空載電流(變壓器次級開路時，初級仍有一定的電流，這部分電流稱為空載電流)下降50%以上，同時具有運轉溫度低、絕緣老化慢、使用壽命長、運行性能穩定的特點。該新型變壓器要能適用于發展中地區電網等配變利用率較低的地方。該模塊除了選擇適合的配電變壓器外，集成化部分主要考慮對變壓器進出線端子進行改造，通過采用可拔插的電纜附件與進出線模塊相連，提高設備安裝效率和集成度，方便調試檢修。

4.3 10 kV組裝模塊

10 kV組裝模塊放置于變壓器組裝模塊的出線側，該模塊與其他模塊是通過工廠預制的整體式電纜套管及可插拔式電纜插接頭來連接。進線接口通過接插件與變壓器組裝模塊的出線側相連；出線接口除了電流輸出外，留有供各模塊交流信息用的通信接口；模塊的核心部件是內部的智能開關，通過現場總線的信息共享，智能開關除了智能開斷/閉合變壓器組裝模塊的出線側的電流外，還可將該模塊的狀態監測信息共享到現場總線上，供其他模塊實時使用，以達到整個變電站的高智能化；為了保證模塊能長期穩定運行，需要其具有防潮、隔熱、防凝露等功能，因此需要附加環境測控裝置。該模塊在使用時，直接運到現場通過快速接頭即插即用，具有較高的安裝效率和運行維護可靠性。

5 新式集成型變電站建設模式特點

新式35 kV集成型變電站容量及出線回數不同，其組裝箱體的體積也不同，必須結合實際情況確定相應的建設模式。本模式旨在建設集成化、智能化、高可靠、低成本、免維護的35 kV集成型變電站。

1)單個設備小型化。按照本變電站建設模式的思路，涉及到的主要設備包括40.5 kV組裝模塊、變壓器組裝模塊、10 kV組裝模塊。設備小型化可分為兩項：開關柜的小型化；變壓器組裝模塊的小型化。

開關柜小型化技術，需要細分到每一個組件的小型化。開發體積小、結構簡單、可靠性高的操動機構；以減小智能單元尺寸為目的，選用高集成度的芯片；合理布置開關柜內部幾個單元之間的進出線格局，將進一步減小整個集成柜體的體積。變壓器小型化主要是通過對35 kV集成型變電站的變壓器進行選型，在保證整體效率的基礎上縮減體積。

2)一次設備和二次設備的融合。為適應智能化變電站的發展趨勢，35 kV集成型變電站需要在有限的箱體空間內最優化設計和布置一次主設備與相應的二次系統及設備，配置相應的采集、測量、自動控制、保護、自動裝置、故障錄波等必備的保護功能。主變需要主保護裝置和后備保護裝置配合使用,主要實現主變差動、后備保護，測控、計量、故障錄波等功能。小型化開關為以最小的空間提供最多的回路，需要將整體變電站的自動化、保護、控制集中在集成型變電站的低壓室，實現便于運行調度的目的。同時在模塊之間實現補償設備與站內其他設備的集成、消弧控制系統的設計與集成也是一次設備和二次設備的集成化設計和融合的重要內容。以及如何從整個電站的角度進行設備防雷、操作電源和控制電源與其他設備的集成也是項目的難點。在滿足上述功能要求的同時，還要在有限的空間內為35 kV集成型變電站預留相應的維護空間和通道，滿足運行維護人員工作的安全距離，便于設備的檢修和維護。

3)設備的模塊化安裝。在變壓器容量較小時，40.5 kV及10 kV的額定電流一般不會很大，臺套量一般不是很多。設計時考慮將整個變電站設計成40.5 kV組裝模塊、變壓器組裝模塊、10 kV組裝模塊三個可獨立運輸安裝模塊，其他功能模塊盡可能分散集成到各設計模塊內，比如：電容器補償為安裝方便就設計在相應電壓等級的模塊內；操作電源模塊可與中性點裝置等組成一個可獨立運輸的模塊；廠內安裝時可根據功能分區不同，采用不同的隔間。每個模塊內可將與本站就地控制的各項保護控制及智能控制單元功能分散到各開關單元內，同時將與遠端有關的各項信號預留出光纖通訊接口。設計完成后，按設計要求在廠內完成各個可獨立運輸模塊的安裝、設備調試、電氣控制(包括保護)預聯調等工作。現場安裝，可簡單將上述四個獨立單元模塊就位，用預制好的快速連接器連接后進行設備聯調。

在變壓器容量較大時，40.5 kV及10 kV的額定電流大，臺套量多。設計時將整個變電站設計成40.5 kV組裝模塊、變壓器組裝模塊、10 kV組裝模塊等三個模塊，每個模塊功能集成和隔間劃分與小容量相同。每個模塊的各個功能單元分組件完成廠內預制，開關設備單元完成廠內調試。現場安裝時，可以將預制好的單元部件分別運輸到現場后進行組裝，用預制好的快速連接器連接后進行設備聯調。

6 結語

智能變電站的關鍵技術是功能平臺的高利用率、空間低占用率，通過模塊化設計將原系統內各個子系統高度整合，實現智能變電站的模塊化、小型化、高可靠性、低成本和免維護。隨著通信技術和電力電子技術的發展，智能化變電站已成為電力行業發展新方向，智能化變電站也將成為智能電網可靠、平穩運行的關鍵環節，并為智能化電網建設打下堅實基礎。