基于節能降耗的模塊化變電站設計及能效研究

馬 斌，鄭馨怡，王昱婷，徐瓊璟，李 晨

(南京電力設計研究院有限公司，江蘇 南京 210037)

智能電網發展趨勢下，如何驅動變電站綠色節能建設實為必然。為此，國家電網公司組織編制智能變電站模塊建設通用設計，擬實現其“標準化設計、模塊化設計”，預制艙式模塊化變電站建設成為主流趨勢，其將一、二次設備組合為獨立的功能模塊，集成在預制艙內，采用裝配拼裝的方式完成變電站的節能建構，不僅節約了變電站的占地面積，而且，縮減了建設周期，達到了節能設計的要求。

模塊化變電站衍生于20世紀60年代歐美戶外成套變電所裝置，國內最早于20世紀90年代著眼于簡易廂式變電站的建設，針對35～220 kV不同電壓等級建構模塊化變電站共計600多個，積累了豐富的經驗。就目前研究而言，房嶺鋒[1]采用三維模塊設計方法，完成了智能變電站資源節約型、環保設計；管敏淵等[2]設計了基于模塊化雙有源橋變流器的直流變電站，且經過仿真實驗該模變電站可實現各模塊有功功率的均衡配置；狄謙等[3]基于預制艙式模塊化變電站快速拼裝、節能降耗的優勢，對其艙體隔熱差、易腐蝕、分模塊設備布設不合理等系列問題進行改進設計。可見，模塊化變電站設計已然成為一種必然趨勢，本文結合以往研究成果，著眼于節能降耗目標，探究模塊化變電站設計的關鍵技術，并對其整體能效水平進行評價分析。

1 整體設計

模塊化變電站設計以建構筑物的預制裝配為基礎支撐，通過工廠化加工統一標準、尺寸的預制構筑物，來進行裝配式的土建施工，以減少“濕作業”，實現節能降耗；而后，采用預制艙與設備一體化設計方法，秉承集成布設的原則對一、二次設備進行模塊設計，在工程內完成內部調試及連接后，將其封裝至預制艙體內，運送至現場進行裝配拼裝、聯調后就可投運使用。整體流程如圖1所示。

圖1 模塊化變電站設計的整體流程Fig.1 Overall process of modular substation design

模塊化變電站節能降耗設計采用預制方式，以統一的標準、尺寸生產預制構件。具體涉及預制式的圍墻、防火墻、電纜溝蓋板、構支架等。其中，預制圍墻以承插式預制柱為支撐，采用ALC蒸壓輕質混凝土墻板，將該墻板插入承插式預制柱的側面內，使用高強度水泥砂漿填補拼接的縫隙；預制防火墻選用“現澆筑+ALC板”方式進行ALC板的拼裝[4]；預制電纜溝蓋板選用預制的高分子復合電纜溝蓋板，裝配前檢查基底，進行必要的修鑿或砂漿找平；預制式構支架選用裝配式鋼管結構，以柱材法蘭或螺栓連接，以埋式地腳螺栓使其與基礎連接。由此，采用BIM技術，將預制構建進行模塊化分解，根據變電站空間結構模型，通過“分段拼裝、整體吊裝”方式，便可搭建模塊化變電站的建筑實體框架。

2 模塊化變電站的硬件設計

2.1 一次設備硬件設計

模塊化設計過程中，變電站一次設備主變壓器、220 kV GIS、110 kV GIS、35 kV 開關柜等均使用通用設備，其中，主變壓器需結合目前負荷及電網運行方式，考量主變壓器故障無法運行時，余下的變壓器容量可為總線提供剩余功率的70%，本文選用50 MVA額定容量的主變壓器，參數見表1，各個主變壓器均配置1個智能控制柜，其由2組合并單元、1組智能終端組成的智能組件，可用于采集中性點電流、溫度等非電量信息，并對該信息進行數字化處理。主變體與散熱器分層錯層布設，電容器、電抗器布設于散熱器下方，協調布設“主變壓器間+無功補償裝置室+散熱器”[5]，以減控空間占位，以電纜替代GIL用于連接主變與開關柜，選用油紙電容套管作為主變高中壓側套管，與電纜以軟導線進行連接。

表1 模塊化變電站的主變壓器參數Tab.1 Main transformer parameters for modular substations

2.2 二次設備硬件設計

根據變電站二次設備的功能，劃定不同的模塊，采用預制式“二次組合設備+智能控制柜”組合的模塊化方案，完成二次設備的硬件裝配，預制艙式二次組合設備：傳統預制艙內二次設備安裝以屏柜雙列布置為準，柜體結構尺寸未統一，安裝、運維困難，為此，本文以與預制艙一體化的機架替代屏柜，構建設備模塊化集中布設平臺。機架內自上而下布設裝置、檢修、走線區域等模塊，其中，裝置沿用“前接線前顯示”布設方式[6]，為實現不同工廠預制設備模塊的通用互換，統一裝置安裝固定點及前面板位置，并在預制艙內獨立布設集中光纜進線柜，以引出全部對外光纜接口，模塊化裝配時通過尾纜即可將裝置背板插入接口，實現變電設備的“即插即用”；同時，預制艙內各模塊化設備以整體行線布設，通過電氣及通信接口標準化設計，統一模塊內外連接標準，預制艙內布設一個連接預制式智能控制柜過程層設備與艙內間隔層設備的集中接口柜，在與之對應的艙底開孔以實現供電光、電纜進出，此時，利用光纜即可將各間隔層過程設備統一連接至集中接口柜，而后，經由光纖跳線進行光纜的匯總、調整，統一出口至艙內各間隔層設備。

預制艙式智能控制柜：預制艙式智能控制柜內的各設備模塊位置布設雜亂，為標準化智能控制柜尺寸，屏柜采用“前顯示、前后開門、后接線”方式，并標準化其智能控制柜二次回路接口。主變本體智能控制柜的寬、高、深采用800 mm×2 260 mm×600 mm標準尺寸[7]，且為規避接口不統一引發的預制光纜端口錯誤，配設M-MPO/MTP光纖轉換模塊，以統一接口標準，讓ST、LC等不同接口形式可實現互換，設備更換時無需拆除相關的光纜，實現了節能降耗設計。

2.3 預制艙硬件設計

本文設計的預制艙結構由艙體骨架、艙壁、艙門及頂蓋4部分構成，骨架部分使用鋼結構形式一體化焊接而成，頂蓋采用密封防雨的雙坡屋面結構，坡度應在5°以上。在此結構框架下，一次設備預制艙以鋼結構為主體結構，內部增設保溫夾層、外部噴涂防腐涂料，以提升艙體保溫及防腐性能，通過工廠化預制、組裝、調試，運至現場進行拼裝；二次設備預制艙由二次組合設備、二次設備屏柜、智能控制柜等構成，預制艙廠家根據圖紙及技術要求進行屏柜間配線操作，而后，運至現場與土建進行對接，完成裝配與調試即可投運。一、二次設備預制艙配設拾音器、紅外攝像機、紅外探頭、電插鎖、指紋及密碼門禁、煙感探測器等智能負控設備，用以監測變電站各設備運行狀態。因模塊化變電設備尺寸不同，應集成至預制艙內，需要優化設計分模塊布設方案，艙體尺寸盡量標準、典型，通常存在Ⅰ型6 200 mm×2 800 mm×3 133 mm、Ⅱ型 9 200 mm×2 800 mm×3 133 mm、Ⅲ型12 200 mm×2 800 mm×3 133 mm這3種尺寸，為便于運輸及裝配，根據國標GB 1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》、2016年交通運輸部第62號《超限運輸車輛行駛公路管理規定》文件規定，艙內集成的各分模塊總高度、寬度應分別控制在3.5、3.0 m以內。

同時，對隔熱、防銹及防塵等性能進行優化設計：艙壁使用內外層鋼板包裹骨架結構，填充巖棉或玻璃棉夾芯板于外層鋼板與骨架之間，以讓內外層鋼板完全斷橋，而非一體化連接，并以巖棉或玻璃棉填充骨架空隙、高強度瓦楞鋼板作為外層，如此，即便在夏季40 ℃的高溫下，也能達到良好的隔熱性能。以不銹鋼作為艙壁外層，或鍍鋅板刷漆艙壁，會增加成本、亦不能解決銹蝕問題。為此，本文先以噴丸、吹塵處理艙壁表層，采用熱噴鋅工藝噴涂50 μm的鋅層，再經過富鋅底漆→環氧鐵紅中涂層→面漆的處理，即可讓預制艙在中性鹽霧試驗720 h仍保持良好的防腐性能。

3 模塊化設備的即插即用

采用預制光纜、電纜的即插即用方式，通過航空接頭的預制封裝，來整合一、二次設備的連接標準，以實現快速拼裝。預制式電纜存在單端及雙端之分，如圖2、圖3所示，其中，雙端形式是電纜兩端均預制航空接頭，而單端則是一端預制航空插頭、另一端甩線用于現場連接端子排，變電站各設備艙體之間、艙體與智能控制柜選用雙端預制式電纜，智能控制柜與一次設備之間選用單端預制電纜，如此，即可實現二次電纜的即插即用。同時，預制式光纜是光纜端部基于需求預制各類型的光纜連接器，秉承集成化、緊湊性的要求，將更多的纜芯集成至同一鏈路方向，以減少多次布線的能耗，且該預制式光纜無需熔接工藝，使用預制式光纜連接變電站各設備艙體與智能控制柜，可降低近2 000個光纖連接點的現場熔接操作，在實現二次光回路即插即用的同時，也達到了節能降耗的要求。

圖2 單端預制電纜Fig.2 Single-ended prefabricated cable

圖3 雙端預制電纜Fig.3 Double ended prefabricated cable

4 模塊化設備的一體化設計平臺

模塊化變電站各個設備之間配置文件各異，彼此的通信困難，且一旦廠商更換，則以往的配置文件無法使用，影響了各模塊設備的復用性。為此，可采用AutoCAD軟件平臺，依據IEC61850標準在設計階段通過圖元編輯功能，根據變電站各模塊設備設計要求定義圖元并進行編輯；基于SSD一次系統建模功能，利用CAD提供的各類線性和配置的一次接線圖元進行繪圖，并對設備進行賦值、分組，生成本地SSD文件；而且，可利用SCD全站集成功能編輯變電站的虛端子，也即先繪制間隔網絡接線圖，并為各模塊設備添加擴展屬性，綁定模型文件，在完成各模塊設備模型關聯后即可進行網絡配置，以實現各設備之間通信。如此，通過該圖模一體化設計操作，便可統一變電站各模塊設備的配置，而后，將設計所需的圖元、圖紙、模型文件等存儲至MySQL數據庫，即可實現多機分布式操作，為模塊化變電站的設計提供可視化操作平臺。

5 模塊化變電站的能效分析

為驗證模塊化變電站設計的能效性，以廣東某地區220 kV變電站為實例，依據預制艙設計及《變電站總布置設計技術規程》(DL/T 5056—2007)、《變電站建筑結構設計規程》(DL/T 5457—2012)設計要求建設。擬投建220 kV變電站占地面積較小(7 189 m2)，建成規模為3臺180 MV主變，220、110、10 kV出線分別為8回、12回、30回。采用傳統標準及模塊化設計的變電站方案如圖4所示。

圖4 變電站設計方案Fig.4 Substation design scheme

對比分析各能效指標，見表2。

表2 不同設計方案下變電站能效指標Tab.2 Energy efficiency index of substation under different design schemes

由表2可知，模塊化變電站設計下，占地面積縮減了22.35%，且建筑周期、投資總成本分別減少了8個月、11.71%，達到較好的節能降耗效果。

6 結語

預制艙式模塊化變電站設計方法通過變電設備獨立分模塊的設計、加工及裝配，完成了變電站快速、低成本建設，契合了節能降耗的發展需求。上述研究根據節能降耗的要求，針對模塊化變電站設計的現實需求及技術標準，梳理、優化設計方案，通過集成式、集約式布設方法提升設備模塊設計的標準化、緊湊性，利用建構筑物預制加工完成變電站整體框架組裝，以降低施工周期及占地面積，且對預制艙結構及模塊化設計提出了優化意見，以提高其應用效能，為模塊化變電站的節能降耗提供了有效支撐。