110 kV變電站智能化改造技術及配置方案優(yōu)化

陳惠雄

（惠州市鴻業(yè)電力有限公司，廣東 惠州 516000）

0 引 言

電力是各行各業(yè)與民眾生活中不可或缺的能源，隨著用電量的逐年增加以及人們對供電服務的高要求，電力企業(yè)面臨著空前的挑戰(zhàn)。因為目前廣泛使用的110 kV變電站設備不利于維護檢修，存在著很大的用電安全隱患，所以建設智能變電站用以解決問題。110 kV變電站的改造是國家電網智能改造的首批工程之一，其核心項目就是對智能變電站的改造和建設，是電力部門正在實施的重要工程。與此同時，變電站智能改造配置方案的優(yōu)化，也是同等重要的任務。

1 研究方向

按照電網智能化統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一要求、統(tǒng)一建設的規(guī)范和統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標準、試點先行、整體推進的主體工作思路，順利實施智能變電站的項目改造。探索總結實踐經驗，推動變電站自動化、數字化和標準化目標實現，以某110 kV變電站智能化升級為例，探討加快110 kV變電站智能化升級的進程以及對配置方案的優(yōu)化，關鍵內容表現在以下兩個方面。（1）一次設備改造，傳統(tǒng)變電站中電流互感器和電壓互感器的輸出是模擬量，必須通過采樣和模數轉換器轉換為數字量，以與數字設備的接口相匹配。為了解決二次系統(tǒng)機構復雜、產量增加以及負荷能力增加等問題，有必要提高一次設備的智能化水平。（1）關于二次系統(tǒng)智能化的改造，在全站通信協(xié)議標準化的確立過程中必須根據DL/T 860—2004《變電站通信網絡和系統(tǒng)》規(guī)范進行。新增加的站控層功能涵蓋裝置狀態(tài)的可視化、控制順序、分析決策應用以及智能化告警，變電站內可增加智能接口機，對站內的電力輔助設施、直流、在線監(jiān)測等進行統(tǒng)一接入。

2 110 kV變電站智能化改造技術及配置優(yōu)化方案

某110 kV變電站1號主變于2007年投產，2號和3號主變于2015年投運。改造變電站的思路為利用物聯網技術和大數據平臺，推進智能變電站安全設施與監(jiān)控系統(tǒng)的互聯互通，借助計算機通信技術完成信息共享和數據交換[1]。

2.1 一次設備智能改造優(yōu)化方案

2.1.1 開關柜設備智能優(yōu)化改造

現有10 kV I段高壓柜15面，10 kV II段高壓柜18面，10 kV III段高壓柜9面。因為10 kV I、II、III段高壓柜運行狀態(tài)不佳，極其容易發(fā)生觸點遲鈍與合閘線圈被機構燒損的問題，一定程度上阻礙了智能變電站的發(fā)展，所以采用位于地電位的直流電源直接供電方式，這樣提高了采集器的運行可靠性，維護簡單，停電時間短。

計劃更換為電動操作的新型中置柜，真空開關。本次改造安裝24回出線間隔，兩個分段間隔，3個主變進線間隔，4個電容器組間隔，3個母設間隔，3個消弧線圈間隔。利用帶電動操作機構的開關柜取代原有10 kV開關柜，在手車底盤上安裝10 kV斷路器，該手車底盤最明顯的設計特點就是里面的驅動設施可以通過手動的方式移進或者移出斷路器，而且該操作能夠在不打開開關柜門的情況下完成。同時將接地裝置安裝在手車底盤上，實現與開關柜接地母線的連接，讓開關柜的接地方式更有效。

如果需要在開關柜上安置智能控制單元，就必須對斷路器手車實施智能化改造，利用自動的方式取代傳統(tǒng)手動進行移進或移出的方式。斷路器能夠實現在其工作位置與內試驗/隔離位置電動的移進或移出。為了使開關柜的安全性更高，還有必要智能化改造開關柜，利用智能控制/保護單元系統(tǒng)替代原來單一的機械鎖形式，真正實現雙重聯鎖的保護功能。

2.1.2 互感器設備智能優(yōu)化改造

變電站現有21臺正立油浸式110 kV電流互感器、6臺JCC1M-110電磁式110 kV母線電壓互感器以及3臺TYD110/√3-0.01H電容式線路電壓互感器。本次改造將對全部電壓互感器和電流互感器進行更換，將原有的110 kV電壓等級互感器換成電子式電流電壓互感器[2]。

一般利用激光供電的模式設置電子式互感采集器的工作電源，但該措施不方便維護和更換，導致高壓側一次停電的時間增加。改進措施可以考慮將供電方式改用地電位的直流電源直接提供，如此設置可以提升采集器安全性，并且維護方便，大大縮短了停電的時間。針對10 kV間隔的設置方案，可以根據GB/TS/072—2014《110（66）kV～220 kV智能變電站設計規(guī)范》中的相關規(guī)定，35 kV 及以下若采用戶內開關柜保護測控下放布置時，宜采用常規(guī)互感器或模擬小信號輸出互感器。比起常規(guī)的互感器，小信號電子式互感器的優(yōu)勢更明顯，不僅不存在磁路飽和的問題，而且低壓側開路或短路時沒有引入高壓的危險，消除了因短路可能引起的人身傷亡與設備損害等安全隱患。

2.2 二次系統(tǒng)的智能化改造優(yōu)化

2.2.1 二次網絡的優(yōu)化選擇

隨著電網改造技術和制造能力的加強，變電站的組網模式和改造措施也更加規(guī)范化和科學化。按照相應的網絡結構和適應區(qū)域，遵循行業(yè)對智能變電站的規(guī)范標準，與本站實際情況相結合，在本次改造中推薦的二次網絡結構如下文所述。

（1）利用3層兩網的結構組建110 kV設備網絡架構，詳見圖1。直采直跳的保護測控設施是3層兩網的特點，而其他設備按照實際需要采用直采直跳或者經過GOOSE網以及61850-9-2 SV網和過程層進行聯系。站控層網絡為單星型結構，而過程層網絡則是采用雙星型結構布置，如此組網的最大優(yōu)點是可以較少接線光纖，并確保測控設備的安全性[3]。（2）過程層采用傳統(tǒng)連接方式，不再配置合并單元與智能終端，間隔層設備和過程層設備通過電纜連接。間隔層設備與站控層之間的通信以IEC61850規(guī)約為基礎，10 kV間隔層設備因設備下放至就地安裝，網絡架構采用傳統(tǒng)連接方式，如圖2所示。

圖1 3層兩網結構

圖2 過程層采用傳統(tǒng)連接方式

2.2.2 站控層智能改造技術方案

有些功能必須在站控層完成，主要包括控制順序、源端維護、告警智能化、設備狀態(tài)可視化以及五防閉鎖一體化，分別做如下闡述。

（1）順序控制。系統(tǒng)按照實際需求發(fā)出的一批指令就是順序控制，當每一條指令發(fā)出后，系統(tǒng)會接收到設備運行狀況信息，然后根據這些信息的變化狀態(tài)判斷該條指令的執(zhí)行程度，只有在該條指令執(zhí)行到位的情況下，系統(tǒng)方可開始執(zhí)行下一條指令，指導全部執(zhí)行完全部指令。全部執(zhí)行完指令后，操作票會在系統(tǒng)內自動生成，順序控制流程如圖3所示。

圖3 順序控制

通常在某些具備嚴密邏輯順序的運行中利用順序控制。例如，倒閘操作可以采取該控制，根據操作票的執(zhí)行順序和校驗結果改造變電站，利用智能設備的自動化完成操作票的執(zhí)行過程，實現智能化。

（2）源端維護。源端維護的優(yōu)勢是供應不同的可描述的配置參量，維護時利用統(tǒng)一配置工具生成配置文件。變電站標準配置文件的獲取可以通過變電站自動化系統(tǒng)與調度/集控系統(tǒng)實現，可以在自身數據系統(tǒng)中自動導入。同時，變電站自動化系統(tǒng)的主接線圖和分畫面圖形文件以標準圖形格式提供給調度、集控系統(tǒng)直接使用。站內應用源端維護功能，能夠明顯緩解調試和維護人員的工作壓力。壓力主要來源于調度系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)，通過該功能確保參數和模型的正確性和唯一性[4,5]。

（3）智能告警及分析決策功能。智能變電站的一二次設備在線自動校驗和預警系統(tǒng)利用智能告警功能來實現，完成電流、功率的自動效驗以及電壓的監(jiān)測。自動校驗功能可以實現狀態(tài)量采集和控制出口的監(jiān)測，進行在線校核繼電保護定值。此外，智能變電站智能告警可以在機器發(fā)生故障時，自動報告故障的位置以及故障處理的建議。從決策層次進行分析，關鍵具備建模、自治以及協(xié)調3種能力[6,7]。

（4）設備狀態(tài)可視化。設備狀態(tài)可視化具備兩方面的功能，其一是對站內設備運行狀態(tài)進行展示，其二是利用不同的圖形工具進行高質量顯示，展現設備狀態(tài)可視化。一方面展示了變電站內設備的運行狀態(tài)，另一方面可以借助各類圖形工具優(yōu)化顯示，使設備運行信息可以按要求顯示一維、二維甚至三維界面，使設備運行更加清晰。為了能夠共享不同系統(tǒng)之間的數據，構建以CIM為標準的XML文件，或者構建SVG的單線圖文件。

智能化變電站的設備狀態(tài)可視化框架如圖4所示，包括模型維護、可視化裝置、界面圖形以及信息分析等。可視化配置可以實現形式和界面的合理配置；信息分析系統(tǒng)用來分析收集的數據，按照可視化配置標準，最終形成顯示資料；圖形界面功能可以有效滿足配置圖的要求；模型維護是為智能電網的可視化配置提供.xml文件的.svg文件、地理接線圖以及單線圖，然后維護變電站的可視化資源。

圖4 智能變電站的設備可視化實現

（5）五防閉鎖一體化。在變電站一體化的監(jiān)控系統(tǒng)中，五防閉鎖功能是最關鍵的構成部分之一，該系統(tǒng)設置在站控層，核心作用是避免誤操作。在遙控誤操作的預防中，可按照站內設備接線和操作票專家系統(tǒng)，利用五防閉鎖能力充分完善其邏輯判斷功能，然后按照站內設備運行狀態(tài)以及設施的網絡拓撲情況完成功能設計。五防閉鎖一體化建立了一種包括監(jiān)控后臺、遠動所有站控層的一體化五防，從而形成了統(tǒng)一的鎖定邏輯判斷和統(tǒng)一的數據模型，使得變電站五防系統(tǒng)的結構得以簡化，同時能夠兼顧控制層的各種要求。

2.2.3 間隔層改造方案

變壓器的電量保護可以選擇雙套配置，而10 kV保護和110 kV側線路保護則可以應用單套配置。

（1）線路保護。直接點對點采樣，間隔合并單元電壓和電流信息以及智能終端斷路器和閘刀開關在此間隔內的位置等狀態(tài)信息。跳閘合閘命令通過GOOSE點對點接口快速發(fā)送至智能終端，斷路器的跳閘合閘操作通過智能終端完成。

（2）變壓器保護。變壓器電量保護配置為兩套，每套保護包括完整的主保護和后備保護。變壓器每側合并單元配置為雙套，中性點電流并入高壓側合并單元。非電量保護配置為單套，信息通過本體智能終端發(fā)送至工藝層GOOSE網絡，保護裝置就地安裝，電纜直接跳閘[8]。

（3）備用電源自投。通過110 kV SV網絡對備用自動切換相關間隔的組合機組電壓和電流信息進行采樣，通過110 kV GOOSE網絡采集智能終端斷路器的狀態(tài)信息、刀閘位置與保護控制裝置的邏輯鎖定信息，實現全站自動切換功能，無需設置設備自動開關裝置，功能設置為站控層裝置。

（4）錄波。采用集中錄波方式，設置單獨錄波裝置，錄波裝置的網絡分析功能可以讓網絡分析記錄和故障錄波同步進行。

2.2.4 過程層改造方案

（1）電子式互感器。通過數字接口對光纖接口進行串行編碼，將電子式互感器的測量值傳送到合并單元。保護電流的標度因子為0x1cf，電流和電壓的標度因子為0x2d41，10 kV線路、分段以及電容間隔配置一套單臺小信號組合式電壓電流互感器[9]。

（2）智能終端。斷路器操作功能是智能終端的典型特征，可以執(zhí)行跳閘保護、遙控分合、合閘、重合閘以及相關命令，以單套智能終端配置110 kV線路以及母設間隔。

2.3 設備狀態(tài)智能監(jiān)測配置優(yōu)化方案

2.3.1 主變在線監(jiān)測

主變在線監(jiān)測安裝油色譜分析設備在3臺主變上，應該考慮利用以一帶三的模式節(jié)約成本，另外新增的主變同時實施局放電檢測，詳情如圖5所示。

圖5 主變在線監(jiān)測

2.3.2 斷路器在線監(jiān)測

斷路器機械故障隱患可以借助斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)進行檢測。分合閘線圈電流波形會因為傳動機構異常而變化，如果斷路器傳動機構存在故障，那么將體現在分合閘磁鐵線圈帶電持續(xù)時間變長和電流波形畸變等現象中。考慮到110 kV開關及主變低壓側開關的重要性，本方案對SF6氣體壓力和微水監(jiān)測以及110 kV斷路器進行動作特性監(jiān)測，對主變低壓側斷路器進行動作特性監(jiān)測。

2.3.3 開關柜母線、探頭測溫

計劃將紅外線測溫探頭設置在主變低壓側10 kV開關柜內，利用點式紅外溫度測量儀進行母線連接處的測量。紅外溫度測量必須每天自動利用網絡在主系統(tǒng)上接收通過紅外線測定的溫度數據，倘若設備溫度突破設定值，系統(tǒng)就會自動發(fā)出警報。變電站內的設備運行狀況都可以利用紅外測溫技術進行實時監(jiān)測，真正實現變電站的智能化。

2.3.4 避雷器監(jiān)測

避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)既可以記錄避雷器動作次數、監(jiān)測避雷器持續(xù)電流，也能夠監(jiān)測三相避雷器持續(xù)電流矢量和的值（310值）。通過了解阻性電流增量與310值的內在關聯，可以及時發(fā)現避雷器的最初故障，把異常信息發(fā)送給在線監(jiān)測后臺系統(tǒng)，讓操作人員獲悉避雷器的故障信息，真正實現故障實時報警的功能。

3.3.5 在線監(jiān)測系統(tǒng)結構

為了讓通信協(xié)議和不同設備接口實現統(tǒng)一化，按照關聯的規(guī)范要求，有效整合監(jiān)控后臺與不同的在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現一個完整電網監(jiān)測系統(tǒng)。先將設備層狀態(tài)監(jiān)控采集的數據進行建模，然后傳輸到監(jiān)測子系統(tǒng)（站控層狀態(tài)監(jiān)測）單獨設置設備層狀態(tài)監(jiān)測單元，也可以將設備進行合并，內容包括測控裝置[10]。在線監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖6所示。

圖6 在線監(jiān)測系統(tǒng)結構

3 結 論

本文對110 kV變電站的智能化改造措施進行全面且深度地探討，根據相關規(guī)定，綜合當前區(qū)域電網變電站的實際狀況，提出了變電站智能化改造技術的方案，以期為區(qū)域電網的變電站智能化改造積累借鑒的經驗。在電網工程中，變電站極其重要，唯有變電站實現了智能化才能保證電網的智能化。智能變電站具備計量、監(jiān)測、信息采集、控制以及保護等功能，也可以按照電網的實際需求開發(fā)實時自動控制、線上研究、智能調節(jié)、線上決策等高級功能，為國民經濟和社會生活提供良好的電力能源。