基于大中型常規集中式光伏并網升壓站的電氣二次設計分析研究

陳肖珂

（中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410000）

1 光伏行業的發展前景

隨著全球能源短缺、氣候異常以及環境污染等問題日益突出，綠色發展理念逐漸深入人心，全球經濟的發展已轉向低碳經濟。無論是《巴黎協定》開啟的全球氣候治理時代，還是我國提出的“2030年前二氧化碳排放達到峰值，2060年前實現碳中和”新目標，都傳遞出了一個積極的信號。在全球低碳轉型中，能源革命已經在實實在在地發生，可再生能源尤其是光伏發電正成為各國重要的能源發展方向。

“十三五”是光伏行業最終實現“平價上網”目標的關鍵時期，“十四五”光伏行業將全面步入“平價上網”時代。當光伏發電走向“平價時代”后，光伏行業發展的驅動力將加速從政策驅動型轉變成市場驅動型，光伏行業發展也將因此迎來前所未有的機遇[1]。

2 基于電壓等級的光伏變電站基本類型分析

我國光伏變電站按并入電網電壓等級基本分為35 kV、110 kV以及220 kV。按裝機容量考慮，裝機容量20～100 MW可考慮35 kV電壓等級；裝機容量100～200 MW可考慮110 kV電壓等級；裝機容量200～300 MW可考慮220 kV電壓等級。需要注意的是，按裝機容量考慮并入電網電壓等級只是其中一個較小的因素，主要是考慮當地電網的消納能力及地區電網現狀需要滿足當地電網的要求。

本文主要探究裝機容量在50～200 MW的110 kV電壓等級升壓站的集中式并網型光伏電站的電氣二次設計。

3 光伏110 kV升壓站的電氣二次設計分析研究

3.1 常規110 kV光伏升壓站電氣二次所含系統

光伏升壓站電氣二次主要系統包括安全自動裝置和繼電保護系統、涉網調度自動化系統、計算機監控系統、交直流一體化系統、視頻安防系統、調度通信以及站內通信系統等。

3.2 繼電保護和安全自動裝置

3.2.1 110 kV線路保護

在光伏電站110 kV線路出線側配置1套光纖電流差動保護裝置。以電流光纖差動保護為主保護，相間距離、接地距離以及零序電流保護為后備保護。采用專用光纖通道，光伏電站側的110 kV線路保護裝置型號與對側（電網側）變電站線路保護裝置型號保持一致。

3.2.2 故障錄波裝置

光伏升壓站的電力系統事故和繼電保護、安全自動裝置在事故過程的動作情況以及故障點位置的迅速判定，通過微機型故障錄波裝置實現。

故障錄波裝置要求主要有以下6點。一是應能記錄和保存從故障前到故障后一段時間內的電氣量波形，能記錄一定數量的諧波波形；二是具有事故追憶、故障測距以及遠傳等功能；三是具備測距功能，金屬性短路測距誤差不大于±2%；四是具備衛星對時接收功能、遠動功能以及遠傳接口設備；五是采樣頻率不低于5 000 Hz；六是故障錄波器應有完善的分析和就地組網功能，并能與故障信息子站系統可靠通信，且能將信息傳送至電網調度中心。

故障錄波裝置110 kV側采集的電氣量主要包括110 kV側線路的三相電流、主變高壓側三相電流以及110 kV側的保護與開關動作信息等。故障錄波裝置35 kV側采集的電氣量主要包括升壓站35 kV集電線路、無功補償設備以及站用兼接地變的三相電流，35 kV側的保護及開關動作信息等。

3.2.3 保護及故障信息管理子站

電網調度端繼電保護和故障信息管理主站需要采集光伏升壓站的保護及故障信息，這一功能通過光伏升壓站的保護及故障信息管理子站實現。

保護及故障信息管理子站需要滿足以下幾點技術要求。一是保護及故障信息遠傳系統采集站內所有保護及故障錄波器的信息，通信規約符合IEC-61850標準。裝置既能以串口采集，又可以通過硬接點連接，站內設有就地顯示設備，可以隨時調看信息。二是聯網不能影響原有繼電保護和故障錄波器的獨立運行。三是聯網既要考慮運行人員(包括升壓站值班人員和調度端值班人員)的需要，又要考慮繼電保護人員和管理人員的需要。四是聯網既要滿足電網故障情況下對故障信息的快速采集和傳送，又要實現日常運行中對繼電保護設備的監視功能。五是要采取必要措施防止調度端通過故障信息管理機對保護裝置進行“修改定值”和“修改定值區號”。六是聯網后用衛星時鐘統一整個網絡的時鐘。七是能以開關量變位的形式反應其他非微機型保護的動作和告警情況，并將有關信息遠傳。八是充分考慮系統與數據的安全性和可靠性，包括系統的管理層級、操作權限以及操作過程記錄，防止計算機病毒的攻擊等，就是能夠實現對故障及異常狀況進行分類和統計等[2]。

光伏電站配置的保護及故障信息處理子站采集升壓站保護和故障錄波信息，將采集的信息經過處理后通過以太網接口接入調度數據網，與省調主站系統進行通信。

3.2.4 頻率電壓緊急控制裝置

考慮光伏電站容量對電力系統的可能影響，在光伏電站升壓站配置1套頻率電壓緊急控制裝置，根據系統事故情況實現解列及切機等措施保證系統的安全。該裝置應滿足《光伏發電站接入電力系統技術規定》對光伏電站有功功率緊急控制的要求，并能夠實現與廠站監控系統通信，通信規約應滿足廠站監控系統的要求[3]。

3.2.5 防孤島保護裝置

在光伏電站升壓站配置1套防孤島保護裝置，當光伏電站監測到孤島時，必須在不大于2 s的時間內斷開該光伏電站與電網，防止出現孤島效應[4]。

3.3 調度自動化系統

3.3.1 設計依據

調度自動化的設計及設備配置需嚴格按照通過電網審批的接入系統報告進行，以此作為設計依據。

3.3.2 遠動系統

（1）遠動裝置配置。遠動裝置配置主要考慮如下幾點，一是遠動工作站雙套配置，采用專用裝置、無硬盤型，采用專用操作系統。二是遠動信息采取“直調直采”原則，且遠動信息采集考慮其完整性和實時性要求，滿足調度管理以及電廠獨立經濟核算的需要。三是遠動信息內容應滿足DL/T 5003《電力系統調度自動化設計技術規程》、DL/T 5002《地區電網調度自動化設計技術規程》以及相關調度端對升壓站的監控要求。

（2）遠動工作站配置。遠動工作站雙重化配置，與升壓站計算機監控系統統一考慮，應滿足遠動信息采集和傳送的要求，能向多個主站傳送信息，通信規約應滿足各主站的要求[5]。

（3）遠動信息內容。根據DL/T 5002—2005《地區電網調度自動化設計技術規程》、GB50797—2012《光伏發電站設計規范》、Q/GDW 480—2010《分布式電源接入電網技術規定》、Q/GDW 617—2011《光伏電站接入電網技術規定》以及調度自動化主站的要求，光伏電站向調度傳送的遠動信息主要有以下幾個方面。一是遙測信息，包括110 kV線路及主變的有功功率、無功功率、電壓、電流以及頻率等，無功補償的無功功率，發電總有功功率及無功功率，35 kV線路和變壓器的雙向功率，站用總有功電能量，光伏電站的電壓、電流、頻率以及功率因素，光伏電站輻照度，環境溫度。二是遙信信息，包括110 kV線路斷路器、隔離開關以及接地刀閘等的位置信號，繼電保護系統保護裝置等的動作信號。三是遙控信息，包括110 kV斷路器的分合、光伏電站的啟停、預告信號復歸、無功補償裝置的投切以及光伏電站的功率調節[6]。

3.3.3 電能量計量系統

光伏電站的計量關口點設置在廠網產權分界處，根據接入系統要求考慮關口點的設置，在計量關口點按雙表配置有功0.2S級的多功能電能表。關口計量點均采用專用電壓互感器繞組及電流互感器繞組，計量用電流互感器準確度等級不低于0.2S級，電壓互感器準確度等級不低于0.2級。考慮內部計量考核需要，在35 kV集電線路、35 kV站用兼接地變回路、主變35 kV側進線以及無功補償回路等各配置1塊0.5S級電子式電能表，以上表計分別布置在各相應的開關柜中。在10 kV備用站用變進線配置1塊0.2S級電子式電能表，布置在10 kV備用站用變柜中。

3.3.4 系統安全防護

根據國家發改委和國能安全相關文件及規范的要求，項目的安全防護方案如下。按升壓站安全分區的原則配置縱向加密裝置、橫向隔離裝置、網絡安全監測裝置、入侵檢測系統以及安全審計等二次安防系統設備。需要注意的是，二次安防設備的配置需滿足當地電網及規程和規范的要求。

3.3.5 光功率控制系統

光伏電站應配置有功功率控制系統，具備有功功率調節能力。光伏電站應參與電網電壓調節，根據并網點電壓水平調節無功輸出。其調節方式及相關參數可由電網調度機構遠程設定[7]。

3.3.6 光功率預測系統

依據GB/T 19964—2012《光伏發電站接入電力系統技術規定》，裝機容量在10 MW以上的光伏發電站應配置一套光伏發電功率預測系統，該系統可按電網調度端的要求向調度端發送功率預測曲線。在升壓站配置一套光功率預測系統，與調度主站系統之間傳輸方式采用調度數據網。光伏發電站功率預測所需的數據至少應包括數值天氣預報數據、實時氣象數據、實時功率數據、運行狀態以及計劃檢修信息等。

數值天氣預報數據從外網氣象站采集，實時氣象數據應取光伏發電站的實時氣象信息采集系統。光伏發電站功率預測系統硬件至少應包括數值天氣預報服務器、系統應用服務器、物理隔離裝置、人機工作站、數據庫服務器、網絡交換設備以及硬件防火墻等。光伏功率系統通過數值天氣預報服務器采集公網的數值天氣預報信息，經過反向物理隔離裝置后傳到功率預測應用服務器。預測信息通過調度數據網與上級調度主站實現信息交互[8]。

3.3.7 氣象環境監測系統

光伏電站安全區I配置1套實時氣象環境監測系統，包括直射輻射表、散射輻射表、總輻射表、環境溫度計、光伏組件溫度計、風速儀、風向儀、全天空成像儀以及數據處理傳輸設備等。氣象環境監測系統通過串口與綜合通信管理終端通信，實現輻射度、電池板溫度以及環境溫度等氣象參數的傳輸。

3.3.8 電能質量監測裝置

光伏電站側配置1套電能質量在線監測裝置，將場內各電壓等級的母線電壓和主變電流均作為電能質量檢測點，實現對光伏電站電能質量的連續監測并全面掌握光伏電站諧波污染情況，以確保電網安全運行。

電能質量裝置技術要求如下。一是可長期在線運行，并有抵抗惡劣電磁環境的能力，二是裝置有單路或多路的電壓和電流輸入通道，并具備一定過載能力，三是裝置具有光電隔離的輸入/輸出通道，四是裝置工作電源具備交直流兩種供電模式，五是裝置在失去供電電源時數據不受掉電影響等，具備遠傳數據到相應調度端的功能。

3.3.9 同步相量測量裝置

光伏電站安全I區配置1套同步相量測量裝置。測量110 kV線路電流、電壓、開關位置，35 kV側電流、電壓、開關位置，無功補償回路電流、電壓、開關位置等相關信息。

3.3.10 時間同步系統

時間同步系統為監控系統、保護裝置、故障錄波以及計量設備等自動化系統提供統一的時間源，保證全廠時間的一致性[9]。系統輸出同步信號類型能夠滿足各應用系統的需要，并能夠方便地擴展時間同步信號的輸出類型和數量。

時間同步系統設備包括兩臺主時鐘、擴展裝置以及屏柜等。主時鐘采用雙套配置，分別接收GPS和北斗衛星發送的時鐘信號，作為外部時間基準信號，擴展裝置同時接收兩臺主時鐘輸出信號。

3.3.11 調度運行管理系統子站

配置1套調度運行管理系統子站及III區數據網設備，調度運行管理系統子站用于實現光伏電站設備檢修申報等調度運行管理業務，通過綜合數據網實現與省調和地調的信息交互。III區數據網接入設備包含交換機和路由器等，應與電網III區數據專網設備型號相一致。

3.4 電氣二次設備

3.4.1 電氣設備保護及自動裝置

升壓站主要電氣設備的保護按GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》和GB/T 32900—2016《光伏發電站繼電保護技術規范》配置，采用微機型保護裝置。

（1）主變壓器保護。主變壓器配置微機型保護，電量保護按主保護及后備保護配置，非電量保護獨立配置。

每套電量保護裝置主要包括以下幾點。一是縱聯差動保護，二是主變110 kV側復壓閉鎖方向過流保護，三是主變110 kV側中性點零序過流保護，四是主變中性點間隙零序電流和零序過電壓保護，五是主變110 kV側過負荷保護，六是主變35 kV側復壓閉鎖方向過流保護，七是主變35 kV側零序過壓保護，八是主變35 kV側過負荷保護[10]。

非電量保護主要包括以下幾點。一是本體保護和輕/重瓦斯保護，二是壓力釋放保護，三是油溫高/過高保護，四是繞組溫度高保護，五是油位異常保護，六是調壓開關輕/重瓦斯保護，七是油位異常保護，八是壓力釋放保護等。

（2）35 kV母線保護。升壓站35 kV母線配置1套母線差動保護裝置。母線保護應滿足內部故障快速動作，外部故障CT嚴重飽和不會誤動作，保護動作后快速跳開與故障母線相連的所有斷路器。

（3）35 kV線路保護。35 kV集電線路保護測控采用保護測控一體化的微機型裝置，就地分散布置于集電線路開關柜內。保護配置包括以下幾點。一是電流速斷保護，二是兩段式方向過電流保護，三是零序電流保護，四是過負荷保護。

（4）35 kV站用變兼接地變保護。35 kV接地變兼站用變保護選用微機型保護測控一體化裝置，就地布置于開關柜內。保護配置包括以下幾點。一是電流速斷保護，二是三相兩段式方向過電流保護，三是零序過流保護，四是非電量保護。

（5）無功補償裝置保護。SVG進線保護采用微機型保護測控一體化裝置，裝置布置于35 kV開關柜中。保護配置包括以下幾點。一是電流速斷保護，二是兩段式過電流保護，三是過負荷保護以及單相接地故障保護等。

3.4.2 110 kV升壓站監控系統

光伏電站計算機監控系統由升壓站監控和光伏場區監控兩部分組成。升壓站監控由站控層和間隔層組成，光伏場區監控由場區各設備的就地監控組成，不單獨設站控層，由升壓站監控系統的站控層完成對光伏場區設備的集中監控[11]。

3.4.3 交直流一體化電源系統

升壓站配置1套將交流電源、直流電源、電力專用交流不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）、逆變電源以及直流變換電源等升壓站站用電源一體化配置和一體化監控的電源系統。

電力專用交流不間斷電源的配置需按實際負荷統計配置UPS主機容量，交直流一體化蓄電池及通信蓄電池按實際負荷需求配置并滿足當地電網相關要求。表1為常規110 kV升壓站直流負荷統計表。

表1 常規110 kV升壓站直流負荷統計表

3.4.4 視頻安防系統

為便于運行管理，保證光伏電站的安全運行，光伏場區和升壓站共用1套視頻安防監控系統。監視對象主要包括主變壓器、高壓開關設備、無功補償設備、控制室、繼保室及升壓站周邊等。視頻安防監控系統采用全數字方式，包括網絡存儲錄像機、安防工作站、攝像機、網絡傳輸設備以及視頻/電源電纜等。

3.5 調度通信

調度通信的設計及配置需嚴格按照通過審批的接入系統報告進行，并滿足當地電網的相關要求及最新規范要求。圖1為調度通信拓撲。

圖1 調度通信拓撲圖

3.6 站內通信

站內通信系統為光伏電站的生產運行和調度管理提供通信手段，升壓站內設置語音和數據通信網絡綜合布線系統。廠內固定電話通信網絡采用直接配線方式，全廠設置相應數量的電話分線箱，由市話電纜與總配線架連接，廠內各處固定電話用戶均由相應分線箱引出。配備對講機，供生產指揮與巡檢人員的通信聯系。

4 結 論

對于常規集中式并網光伏電站110 kV升壓站中的電氣二次設計，工作者應注重對設計方案及設備配置方案的選擇。注意區分35 kV電壓等級、110 kV電壓等級以及220 kV電壓等級等不同電壓等級變電站在設計方案及設備配置上的異同，如220 kV電壓等級升壓站中主變保護和220 kV線路保護等保護裝置需按雙套配置。在調度自動化和系統通信的設計方面需嚴格以通過電網審批的接入系統報告、電網的相關要求及規程規范為設計依據，在交直流一體化電源系統設計方面需按實際情況詳細統計全站的交直流負荷后確定設計及設備配置方案，作為電氣二次設計人員需要時刻關注電網及國家規范標準的變化，做到與時俱進才能更好地服務設計、服務業主、打造精品工程。