220 kV 智能變電站設計及運維優化研究

李永華

（寧夏寧電電力設計有限公司，銀川 750000）

220 kV 智能變電站是基于數字化信息技術搭建的智能平臺，從而實現對全站信息采集、傳輸、分析和處理的功能，能夠讓變電站實現集中控制、自動運行、自行管理和運行狀態自適應等功能，保證變電站能夠安全、穩定運行，實現智能化控制。220 kV 智能變電站是將先進、集成的智能設備組合而成，以高速網絡通信平臺進行信息傳輸，自動進行監測、控制、保護和計量等，能夠進行自動控制、智能調節、在線分析和協同互動等。220 kV 智能變電站技術包括變電站信息采集、智能傳感技術、實時監測技術、保護技術和協調控制技術等。

1 220 kV 智能變電站

1.1 220 kV 智能變電站的特點

220 kV 智能變電站具有預防性、交互性、高集成度和低能耗性。

（1）220 kV 智能變電站設備能夠對變電站存在的安全風險進行預防、報警等處理，減少因安全事故處理不及時帶來的損失。

（2）220 kV 智能變電站具有可交互性，能夠對各種信息進行收集和處理，從而實現與電網其他設備的相互交互，保證電網的安全運行。

（3）220 kV 智能變電站具有高集成度。220 kV 智能變電站系統能夠使電子電工技術、計算機技術、信息化技術、網絡控制技術和自動化技術等，實現集中控制、管理等高級觀念，而且兼容了微網技術及虛擬電廠，通過利用虛擬平臺對各種技術進行集成，實現對多種技術的利用，從而能夠保證變電站安全、穩定工作。

（4）220 kV 智能變電站采用低功耗、低碳環保等特性的電子元器件，對能源的需求較低，而且有利于保護環境。因此，220 kV 智能變電站具有低能耗。

1.2 220 kV 智能變電站自動化系統結構

智能變電站以IEC61850 標準為基礎，采用智能化的一次設備與網絡化的二次設備，220 kV 智能變電站系統是以信息共享、虛擬平臺網絡化和智能變電站數字化為目標。根據IEC61850 標準關于變電站的模型，變電站自動化系統可以分為站控層、間隔層及過程層。220 kV 智能變電站系統的結構如圖1 所示。

圖1 220 kV 智能變電站系統的結構圖

1.2.1 站控層

站控層是利用監控設計和控制設備對變電站系統進行整體管理和控制，能夠實現電網調度和變電需求，控制變電站系統及監測數據的存儲等。站控層可以利用智能設備實現自動控制，也可以進行人為控制，從而能夠對變電站的所有設備進行管理、控制和監測等。

1.2.2 間隔層

間隔層包括各類測控裝置、繼電保護裝置和自動裝置等設備，利用這些設備能夠實現繼電保護、各個間隔的測控等功能，而且間隔層可以不依靠站控層的自動化控制實現繼電保護和各個間隔的測控等，能夠獨立地完成相應的任務。

1.2.3 過程層

過程層具有電子式互感器、IED 智能設備等智能一次設備，利用這些設備能夠實現操作命令的執行。過程層也是站控層的執行層，能夠對下達的命令進行執行和控制，實現對變電站的智能控制和監測等。

2 220 kV 智能變電站設計

2.1 自動化系統配置

2.1.1 站控層的系統配置

現如今，我國變電站按照無人值班變電站的模式進行監管，通過利用智能技術實現對變電站自動管理和控制。智能變電站中，基于IEC61850 通信標準的智能二次設備相互之間的連接全部采用網絡通信，通過網絡實現數據共享。保護裝置、故障錄波器均直接接入自動化系統站控層MMS 網，從而能夠實現整體控制。在對220 kV 智能變電站進行設計過程中，必須要優化站控層的系統配置，設計新的站控網絡端，從而能夠對變電站各種設備實現集成控制。

2.1.2 CPU 的獨立配置

在對自動化系統進行設計過程中，需要對CPU 的獨立配置進行設計。保護裝置的CPU 能夠對運算的邏輯功能進行檢測和保護，從而保證變電站安全工作。

2.2 防雷設計

現如今，不斷有新型材料和先進的技術應用在防雷設計中，出現了可控放電避雷針和自動重合閘裝置，從而提高了220 kV 智能變電站的防雷能力，減少雷擊對220 kV 智能變電站的影響。在設計過程中，安裝可控放電避雷針，能夠對雷電進行儲存和釋放，減少雷擊對其的影響。雷擊具有瞬時、高壓等特點，嚴重影響了變電站的安全，而自動重合閘裝置能夠在線路受到雷擊時自行消除閃絡性事故，減少雷擊對變電站造成二次傷害和永久傷害；也可以進行直擊雷保護和雷電過壓保護等，從而減少雷電對變電站的影響。因此，在設計過程中，必須要加強對可控放電避雷針和自動重合閘裝置的設計，將這些先進的裝置應用到防雷設計中，能夠提高其防雷的能力，為防雷設計提供新的方向和思路。而且必須對變電站的輸配電線路進行防雷設計，防止其受到人為和自然因素的干擾。

2.3 智能開關設計

2.3.1 智能一次設備

在對智能開關進行設計過程中，首先必須要對智能一次設備的斷路器、刀閘的電機、彈簧和液壓泵的電機等設備開關進行監控設計，對智能一次設備的開關進行監控。其次，必須要在智能一次裝置中嵌入傳感器部件，對其信息進行收集和傳輸，從而能夠實現對智能一次設備信息的處理和控制。最后，必須要完善隔離層和站控層設備間的聯系，提高其交互性，讓智能一次設備與智能電腦相連接，實現智能控制等。開關式設備智能化設計方法如圖2 所示。

圖2 開關式設備智能化設計方法

2.3.2 常規開關設備+智能終端+狀態監測單元

在智能變電站工程的開始階段，由于尚無一次性技術設備本身有IEC61850 無線通信連接、設施符合智慧站的技術條件，所以，許多變電站采用常規開關設備與智能終端和監測系統相結合的方式來對開關進行管控，采用在新一次性技術設備中加上智慧終端用戶和狀況檢測的方法來完成對設備的控制。開關設備的自動化實現方法，如圖3 所示。其中，一次設備、監測傳感器和控制柜相互獨立，利用控制柜的智能終端和總體監測單元實現對一次設備斷路器的控制，并且實現對一次設備的在線監測。而且利用間隔設備和在線監測系統實現其相互獨立工作和對一次設備的監測。

圖3 開關設備的自動化實現方法

3 220 kV 智能變電站運維策略

3.1 智能變電站的運行巡視

3.1.1 過程層設備巡視

（1）合并單元檢查

在對過程層進行運維時，首先應該對各種設備的外部情況進行檢測，檢測是否存在工作燈閃爍、設備外殼損壞和設備溫度過高等現象。其次，在設備正常工作時，必須要確認空氣開關是否在合閘位置及裝置光纖接口有無松動現象等，從而判斷過程層是否存在故障。最后，必須要對合并單元進行檢測，檢測其電流、電壓值是否在規定范圍內，測量其內部工作的溫度等，從而能夠保證變電站設備正常工作。

（2）智能終端

智能終端的柜體設備外形良好，無腐蝕問題。對其線路進行檢查，檢查是否出現線路損壞、線路老化等情況。也要對智能終端的溫度、濕度等環境進行檢查，保證智能終端設備的工作環境穩定。

3.1.2 間隔層設備巡視

（1）繼電保護裝置

采集器和設備的機殼保持清潔完好且無損壞，并保持密封性良好。直流電源工作正常，空開保持在合閘的適當位置。設備內各種指示燈的指示工作正常且無誤。正常的工作狀況下，設備檢修壓板時應維持在退出狀態。設備的光纖接頭應無松動跡象。設備操作時無異常噪聲和異味。

（2）測控裝置

設備的外表保持清潔完好并且無損壞跡象。設備內的各指示燈說明正常準確，且無閃爍現象。而二次側接線端子的接頭應保持安全緊固，且無松動掉落跡象。

3.1.3 站控層設備巡視

（1）網絡交換機

主要檢測監控后臺機的遙測數據指示功能是否正常工作，有沒有異常告警信號。而網絡交換機的各指示燈均保持正常工作并且無閃爍現象，通信狀態也保持正常。網絡工作情況正常。溫度在正常范圍內，不影響設備工作。

（2）服務器及工作站

檢測設備能否正常運行，以及是否存在死機現象。設備工作過程中有無產生異常聲響及異常氣體，以及有無產生振動現象。

3.2 智能變電站的運行維護方法

3.2.1 電子式互感器運維解析

電子式互感器和常規互感器運行機理有所不同，儀器構造和技術參數也存在區別。電子式互感器和普通互知器比較，兼具了高低溫全部分開、磁飽和或鐵磁諧振不形成、TA 二次開路或TV 短路風險較小及2 次輸入輸出均為數碼信息的特性，但不足之處是容易受到影響，對電氣屏蔽要求較高，在小負載工作時2 次輸入輸出偏差較大等。根據上述分析，在智能站運維時要著重考慮電流互感器的飽和及工作狀態，即高壓和油位均順利工作，電流互感器飽和外形無異樣，末屏均應連接（避免電磁輻射干擾），電控箱內溫度和濕度超過法規限制區域及供電安全可靠等。

3.2.2 智能斷路器運維解析

智能剩余電壓斷路器由斷電器和智能控制單元共同構成，通過人員操縱對系統的失效及繼電保護裝置分閘、重合閘的智能控制和分、合閘操作相位角控制系統進行控制，從而能夠現斷路器控制選相合閘操縱和同步直流限流熔斷器。在智慧站管理運維時，應該著重注意智慧斷路器的設置地溫和濕度限制，斷路器電壓表值、各相位及方向應準確，智慧監控單元操作時有無異常和定值準確等。

3.2.3 合并單元、智能終端運維解析

智能站整合模塊，是將二次轉換器的流量與壓力等信息隨時實現時間上相互整合的物理模塊，將電流互感器所導出的各種類型的數值統一轉換為標準的數字數據，再利用光纖并借助交換機將采集的所得數據實現通信應用。

智能站綜合單元、智慧終端運維時應著重檢測設備外形是否正規、有無非正常過熱，并檢測各間隔電流轉換及工作方式指示與實際情況是否相符。授時準確，供電可靠，安裝后地溫、相對濕度控制均保持在正常狀態。設備運行時應保持內部無異物且壓板投退正常工作。另外，還應保證各指示燈工作為常態，不發生報警情況。

4 220 kV 智能變電站設計和運維優化的建議

4.1 優化二次接線方式

為了確保二次回路功能設計的合理性，在對220 kV智能變電站系統進行方案設計時，還應該加強對數字化信息技術的運用，并進行優化方案設計工作。經過完善后的智能變電站二次系統的接線形式主要有2種，一是利用網絡方式來形成網路重合閘方式，經過對二次系統回路線路進行分析表明，在這種方案下的線路結構比較簡單，更突出了網絡系統的共享性，而且網絡延時并沒有對點對點重合閘方案產生影響。還有1種保護線路的方法就是光纖線路，可以把跳閘信號迅速傳送到智能終端設備中，因為這種傳送形式信號的穩定性比較強，從而提高了信號傳送效果。在對220 kV 的智能變壓器進行優化設計時，還要進行二次工程設計和電氣施工等工作，嚴格地按照國家規范的工程建設條件，進行各項施工和設計工作。

4.2 優化其檢測手段和電子式互感器接入合并單元規約問題

現階段，智能電網在運行過程中存在著電子式互感器直接接入合并單元規約問題，當電流互感器和電壓互感器直接連接在一起時，會產生延時現象。為克服這一問題，就必須克服電流和電壓輸出問題，把電子式互感器的輸出信號和到達合并單位之間的均時差限制在2 m/s 以內。在220 kV 智能變電站中要相應地提高合并單位數量，管理好智能組件柜的體積等。該技術應用了先進的檢測裝置。對變電站的信號通過大數據分析進行監測，以便檢查出產生危險的可能性。在檢測時，還要運用紅外線技術對變電站實行24 h 監控和管理，并通過大數據分析進行統計和繪制圖形，以發現變電站出現的問題。要對變壓器開展一定的應用試驗，利用新儀器開展差法、控法的制圖，更好地體現變壓器使用的實際狀況，從而能夠為該技術的研究提供研究方向。

5 結束語

綜上所述，對220 kV 智能變電站設計及運維優化研究具有重要的意義，必須要加強對220 kV 智能變電站設計的研究，改善運維方法，從而保證智能變電站能夠安全、穩定地運行，也能夠確保電網的安全運行。