智能變電站模塊化建設在內蒙古電網的應用

王 安，薛 峰，聶建春，張 振，宋瑞軍

(內蒙古電力經濟技術研究院，內蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

智能變電站是堅強智能電網的重要組成部分，關系電網安全、質量和效益。智能變電站模塊化建設是一種新的智能變電站建設模式，具有標準化設計、模塊化組合、工廠化生產、集約化施工的特點，能全面提升電網工程的設計、建設和管理水平。推行智能變電站模塊化建設，是應用模塊化思想推進智能變電站高效建設的重要途徑[1-2]。內蒙古電力公司于2018年下發了《推進智能變電站模塊化建設實施方案》，從公司層面提出穩步推廣應用智能變電站模塊化建設，全面提升電網建設質量和效率。本文以寶音110kV變電站工程為例，介紹了該工程電氣一次、電氣二次、土建等專業的模塊化關鍵設計技術，為今后智能變電站模塊化建設在內蒙古電網的進一步推廣應用提供借鑒。

1 寶音110 kV變電站工程概況

寶音110 kV變電站位于烏海市千里山工業園區，隨著工業園區的不斷發展，用電負荷與日俱增，已有變電容量已不能滿足該園區新增負荷的供電需求，為加快建設進度，盡快緩解供電緊張的情況，同時根據內蒙古電力公司《推進智能變電站模塊化建設實施方案》的要求，寶音110 kV變電站工程成為內蒙古電網首個智能變電站模塊化建設的試點工程。由于受系統條件和外部條件所限，國家電網公司智能變電站模塊化建設通用設計中無本工程直接適用的基本方案，結合本工程實際特點并分析通用設計中各基本模塊的技術方案，本工程設計方案由110-A2-8和110-A3-3方案的基本模塊進行拼接和局部調整形成。

1.1 建設規模

遠期規模：80 MVA主變壓器3臺，110 kV出線3回，10 kV出線40回，每臺主變10 kV側裝設4 Mvar電容器1組、6 Mvar電容器2組。

本期規模：80 MVA主變壓器2臺，110 kV出線2回，10 kV出線28回，每臺主變10 kV側裝設4 Mvar電容器1組、6 Mvar電容器2組。

1.2 接線型式

110 kV遠期采用擴大內橋接線，本期采用內橋接線。

10 kV遠期采用單母線六分段接線，本期采用單母線四分段接線(每臺主變低壓側設兩段母線)。

1.3 總布置及配電裝置

變電站采用半戶內布置方式，除主變外其他主要電氣設備均布置在配電裝置樓內。110 kVGIS配電裝置布置在配電裝置樓西北側，向北電纜出線，10 kV配電室布置在配電裝置樓中部，電容器室布置在配電裝置樓內，二次設備室及輔助房間布置在配電裝置樓東側；主變壓器戶外布置在變電站中部；從北側進站。變電站圍墻內占地面積0.467 5 hm2，建筑面積1 868.31 m2。變電站鳥瞰圖及總平面布置如圖1、圖2所示。

圖1 寶音110 kV變電站鳥瞰圖

圖2 變電站總平面布置圖

2 智能變電站模塊化建設關鍵技術特點

2.1 電氣一次部分

2.1.1 平面布置模塊化

寶音110 kV變電站平面布置實現模塊化，整體由110 kV配電裝置模塊、主變壓器及10 kV配電裝置模塊、配電裝置樓模塊3個基本模塊組成組成。電氣總平面布置如圖3所示。

圖3 電氣總平面布置圖

110kV配電裝置模塊主要內容為：110kV出線本期2回、遠期3回，本期內橋接線、遠期擴大內橋接線，戶內GIS，電纜出線。

主變壓器及10 kV配電裝置模塊主要內容為：主變壓器本期2臺80MVA、遠期3臺80 MVA，戶外布置；10 kV出線本期28回、遠期40回，本期單母線四分段接線，遠期單母線六分段接線。

配電裝置樓模塊主要內容為：一層半建筑，鋼框架結構，配電裝置樓內布置10kV配電裝置室、電容器室、110 kVGIS室、二次設備室等，設置地下電纜夾層，建筑面積1 803.17 m2，建筑體積8 394.5 m3。

平面布置模塊化的優點一是有效地減少了占地面積和建筑面積，和常規全戶內站相比，圍墻內占地面積減少3.4%，建筑面積減小20%；二是在遇到非典型的電氣主接線或由于用地范圍限制而需調整布局的情況下，可以通過基本模塊的拼接、調整及組合，方便快捷地制定方案，從而適應不同條件下的工程設計及建設，也是提高項目前期工作效率、促進項目全生命周期收益增加的重要手段[3]。

2.1.2 主要設備參數標準化

寶音110 kV變電站中主變壓器、110 kVGIS、10 kV開關柜、10 kV電容器成套裝置等主要設備均按照《國家電網公司輸變電工程通用設備》要求選取，主要設備選用情況見表1所列。

表1 主要電氣設備參數表

主要設備參數標準化主要有以下優點：一是可最大程度實現相同運行條件下的同類設備互通互換，提高工程建設質量和效率，確保電網安全穩定運行；二是可增強設備的統一性和通用性，有利于降低工程造價；三是通過合理優化、科學配置設備參數，可以減少備品備件數量，有助于建設單位減少倉儲管理，提高經濟效益[3]。

2.2 電氣二次部分

寶音110 kV變電站按智能變電站開展設計，設計原則采用“常規互感器+合并單元”的方式，三層設備結構，統一組網，信息共享，采用DL/T860通信標準，傳輸速率不低于100 Mbps，過程層設備模擬量采樣較常規站互感器繞組減少25%。站控層、間隔層采用雙星型網絡結構，過程層采用單星型網絡結構。110 kV線路保護、測控獨立配置、合并單元、智能終端等下放于GIS智能控制柜。10 kV線路、10 kV電容器、10 kV站用變采用保護、測控集成裝置，安裝于就地開關柜內。根據智能變電站的設計要求，本著減少人工干預、提高系統集成度、實現變電站實時全景監測、與集控站/調度端/分布式電源等協同互動提供支撐的原則，進行高級應用配置策略的研究，考慮目前高級應用技術的發展現狀，高級應用實現順控操作。GIS智能化示意圖如圖4所示。

圖4 GIS智能化示意圖

2.2.1 電氣二次設備模塊化

傳統變電站電氣二次設備需要在現場進行接線、調試等工作，由于設備多、接線復雜，導致該工作消耗的人力、物力較大，在一定程度上制約了工程建設進度。智能變電站模塊化建設的主要技術之一是將電氣二次設備模塊化，實現工廠內規模生產、集成調試、統一運輸，大幅減少現場接線、調試工作，有效提高了工程建設質量和效率，并縮短建設周期[4]，和常規站相比，工期縮短15 d。寶音110 kV變電站電氣二次設備模塊化配置如下：

1)一體化監控系統模塊：變電站設置了一體化監控系統，采集站內電網運行信息和二次設備運行狀態信息，實現變電站全景信息采集、處理、監視、控制、運行管理等功能；變電站就地及遠方操作均采用計算機監控系統邏輯閉鎖加間隔內電氣回路閉鎖的方式，不設專門的微機五防裝置。

2)就地化保護、測控模塊：保護、測控裝置與合并單元、智能終端就地安裝于智能控制柜內，模擬量、開關量的采集以及控制命令的下發均采用數字量，通過由光路組成的光纖網絡傳輸，減少人工干預、提高系統集成度，數據基于統一標準建模，各IED設備間的信息共享和互操作性大大增加。保護裝置采用新型的數字化保護裝置，利用SV或GOOSE的通訊做相應處理，裝置的交流頭插件利用SV采樣值光口板代替，開入開出板卡利用GOOSE光口板代替，保護裝置僅保留CPU插件完成保護算法以及鍵盤、液晶等人機界面；測控通過SV網絡接收電流電壓測量值，通過GOOSE完成信息量采集和控制命令下發等功能。10 kV保護測控集成裝置下放至10 kV開關柜內，按相對集中原則設二次設備室，屏柜數量較通用設計減少7面，空間節省14%。

3)全站智能輔控系統模塊：建立站內統一的輔助系統，實現變電站各類輔助系統運行信息的集中監管和智能控制。寶音變建立了智能監測與輔助控制系統，實現圖像監視、安全警衛、火災報警、環境監測系統統一管理和監視。

4)一體化電源系統模塊：包括站用交流電源、直流電源、交流不間斷電源(UPS)、通信電源、蓄電池等，實現全站交直流系統統一管理。

5)集中式故障錄波模塊：記錄各電壓等級過程層所有GOOSE信息、SV信息。

6)網絡報文記錄分析系統模塊：為實現對全站各種網絡報文的實時監視、捕捉、存儲、分析和統計功能配置獨立的網絡報文記錄分析裝置。網絡報文記錄分析系統具備變電站網絡通信狀態的在線監視和狀態評估功能。

7)全站光纜預制模塊：根據一次系統配置，應用配置工具，引入“虛點、虛擬端子、虛擬變電站”等技術，實現二次系統的邏輯設計、測試和監視功能。

2.2.2 全站采用預制式光纜

寶音110 kV變電站采用分支式預制光纜，減少了光纖的熔接工作及光纜的使用數量。和同等規模的常規站相比，光纜用量減少了44%。二次光纜減少的同時也減少了現場安裝調試工作量，另外預制光纜的出現實現了二次設備廠內聯調。實現了“工廠化加工、工程化調試、工廠化驗收”的理念，同時使設備“零缺陷”出廠成為了可能。

常規變電站光纜配合工作量大、供貨周期長、接線質量低、現場改動工作量大等問題嚴重影響變電站的施工周期和運行安全。寶音110 kV變電站采用預制光纜，實現了設備間的“即插即用”式接線和標準化生產，有效提升了智能變電站建設效率和質量。

2.3 土建部分

寶音110 kV變電站建有配電裝置樓、消防水泵房兩座建筑，均采用裝配式鋼框架結構，防火墻、電纜溝等構筑物采用裝配式結構。主要建(構)筑物材料實現工廠化預制、現場機械化施工，減少人工作業和濕作業，大大提高了施工效率。

2.3.1 裝配式建筑物

配電裝置樓和消防水泵房采用裝配式鋼框架結構，鋼結構梁、柱、肋板、連接板等主要承重構件采用Q235B型鋼材，錨栓采用Q345B型鋼材，鋼結構的傳力螺栓采用10.9級高強螺栓?？蚣苤捎孟湫徒孛妫蚣芰翰捎肏型截面，框架梁柱采用剛性連接，梁端翼緣加焊楔形蓋板，栓焊混合節點；柱腳采用螺栓連接，設置加勁肋。

配電裝置樓地上部分內、外墻采用裝配式ALC墻板，200 mm厚；消防水泵房外墻采用裝配式NALC墻板，200 mm厚。配電裝置樓和消防水泵房主體結構及外墻圍護結構實現工廠化加工，現場裝配式施工，如圖5所示，大大減少了環境、氣溫等外部條件對施工的影響，和常規戶內站相比，施工工期縮短了近2個月。散水及女兒墻壓頂均采用預制混凝土構件，減少現場濕作業工作量。配電裝置樓耐火等級一級，所有結構主材均采用不燃性材料，鋼結構防火處理采用涂刷厚型防火涂料的方法使鋼柱、鋼梁、屋頂承重構件分別滿足3.0 h、2.0 h、1.5 h的耐火極限要求。內、外墻采用裝配式ALC墻板，滿足耐火極限3.0 h的要求。消防水泵房耐火等級二級，所有結構主材均采用不燃性材料，鋼結構防火處理采用涂刷厚型防火涂料的方法使鋼柱、鋼梁、屋頂承重構件分別滿足2.5 h、1.5 h、1.0 h的耐火極限要求。外墻采用裝配式NALC墻板，滿足耐火極限2.5 h的要求。

圖5 裝配式配電裝置樓墻體安裝

2.3.2 裝配式防火墻

主變壓器防火墻采用預制混凝土柱+裝配式墻板形式，預制柱采用C30混凝土，尺寸 7 650 mm×300 mm×300 mm， 截 面 設75 mm×70 mm凹槽。基礎采用混凝土現澆杯口基礎，待混凝土柱吊裝就位后，杯口與柱體之間的縫隙采用C35細石混凝土二次澆筑，起到底部與墊層的穩固連接的作用。墻體采用C30清水混凝土預制墻板，墻板尺寸3 580(1 420) mm×450 mm×60 mm，待混凝土異形柱安裝就位后將墻板從異形柱的凹槽插入，墻板安裝后采用1∶1水泥砂漿勾縫，能有效提升圍墻的穩定性能。墻體耐火極限大于3 h，滿足規范要求[5]。裝配式防火墻如圖6所示。

圖6 裝配式防火墻

2.3.3 裝配式電纜溝

裝配式電纜溝由電纜溝體、支架和溝蓋板組成。裝配式電纜溝體截面呈U型，采用抗滲等級P6的C30混凝土，單節電纜溝尺寸分為3 000 mm(長 )×1 820 mm(寬 )×2 060 mm(高 )、2 500 mm(長 )×2 440 mm(寬 )×2 380 mm(高 )兩種，電纜溝單體之間采用榫卯形式接合，接合處采用多級密封防水處理，溝底設有排水槽，具有施工工序少、工期短、受氣候影響小等優點。支架采用鋼支架，支架焊接后進行除銹處理，并整體鍍鋅防腐。溝蓋板采用無機復合蓋板，內嵌平鋪于U型電纜溝上，具有輕質高強、耐腐蝕、防水及安裝方便等優點[6]。裝配式電纜溝如圖7所示。

圖7 裝配式電纜溝

3 結語

寶音110 kV變電站運用智能變電站模塊化建設技術，通過優化總平面布置，采用標準化的一次設備、智能化、模塊化的二次設備以及裝配式建(構)筑物，與同等規模的常規變電站相比，占地面積減少3.4%，建筑面積減少20%，建設工期工期縮短了2個月，有效提高了變電站的建設效率，取得了良好的經濟和社會效益，為內蒙古電網進一步推進智能變電站模塊化建設積累了寶貴經驗。