淺談智能變電站設備架構

田惠川

（西山煤電電力公司）

0 引言

一般來講，傳統變電站架構可以從一次系統架構、二次系統架構和輔助系統架構幾個方面來考慮，一次系統選用的高壓開關柜主要包含上、下隔離刀閘和斷路器、互感器等，斷路器手車需要在停、送電操作時人工拉出或推入，二次系統選用的繼電保護裝置主要在電流互感器的配合下對故障電流識別并且發出指令，能在故障狀態下對斷路器發出跳閘信號。輔助系統主要包括交直流屏、操作顯示裝置、微機監控后臺等等，傳統變電站每班至少需要配備2名運維人員進行設備巡視及執行當班倒閘操作任務，運維人員每天對設備進行周期性巡視，內容就包含設備測溫、蓄電池電壓測量等等，并且需要記錄在運行日志中，不僅工作量大，而且對運維人員的基本業務素質要求比較高，如果遇到業務素質相對較低或主觀責任心不足的運維人員值班，巡視過程中很容易忽視設備在故障初期暴露出來的現象，甚至在倒閘操作時發生誤操作的供配電事故。因此，盡可能引入智能設備，建設新型智能變電站，減少通過人的主觀因素判斷考量電氣設備運行狀態好壞是很有必要也是符合當下政策環境的手段。

1 智能變電站一次系統設備架構

1）以110kV變電站為例，110kV電壓等級設備通常架構在戶外區域，戶外設備因為電壓等級高所以操作戶外設備具備一定的危險性，所以首先110kV隔離刀閘、接地刀閘、斷路器等設備應具備電動操作功能，并且接地刀閘應具有閉鎖功能或者五防功能，避免帶電可以合接地刀閘，引起短路事故。其次，110kV設備在具備電動分合閘操作的基礎上應通過數據傳輸將設備狀態信息和操作信號傳輸至控制室，通過遠程監控斷路器和刀閘狀態信息及遠方操作來實現對戶外設備的日常管理。

2）從戶外110kV間隔到變壓器。常規的變壓器巡檢主要是通過“望、聞、聽、測”等手段，比如觀察變壓器上層油位是否過低、油溫及繞組溫度表指示是否在允許范圍內，是否嗅到有異常味道，是否聽到運行變壓器有雜音，通過測量母排與母排、瓷瓶與母排等連接處的溫度是否因為負荷增加導致溫升過高等措施來綜合判斷變壓器是否正常運行［1］。從智能變電站建設的角度講，主要應做好變壓器的監測與火災預防。監測和保護手段主要可分為電量數據和非電量數據的監測與保護，監測的手段可引入在線測溫技術與紅外測溫技術。在線測溫技術主要對高、中、低壓側瓷瓶與母線連接處或母線之間連接處通過“內置電池表帶式”與“集電環取電式”等測溫裝置采集溫度數據。紅外測溫技術主要通過引入變壓器紅外熱成像系統，可以第一時間發現變壓器內部故障與電力連接點熱故障，紅外熱成像系統不僅能實時監控變壓器表面溫度與內部溫度，還能對故障點定位，而且可以穿透雨霧，不受可見光強度影響，不僅降低人工式巡檢在危險作業區作業的風險性，還提高電力系統監控、測量效率。

另外，對變壓器的火災預防可引入變壓器充氮滅火裝置，也叫排油注氮防火滅火裝置，其原理是當變壓器發生火災時，裝置如處于自動運行狀態，則在接收到重瓦斯動作信號、溫感火災探測器動作信號、斷路器跳閘信號、油箱超壓信號后裝置立即啟動，裝置啟動后，首先快速排油閥打開使變壓器油箱頂部部分熱油通過排油管排出，釋放壓力，防止二次燃爆，同時斷流閥關閉切斷油枕至油箱的補油回路，防止火上澆油。排油15s后，充氮閥打開使氮氣從油箱底部注入攪拌，強制熱冷油的混合，進行熱交換，使油溫降至閃點以下，同時充分稀釋空氣中的含氧量，達到迅速滅火的目的［2］。

3）從變壓器到中低壓側配電室。對開關柜型號的選擇上應逐步淘汰GG1A型開關柜，當前應用比較普及的也是使用效果不錯的KYN28中置手車式開關柜，通過真空斷路器切斷運行電流及短路電流。對中低壓配電室一次系統而言，智能化的改造或升級主要體現在開關柜隔離刀閘或接地刀閘的電動分合閘以及中置式手車的自動投入和退出，所以智能化變電站高壓開關柜的配置思路主要指的是高壓開關柜應具備電動操作刀閘與電動投入和退出手車的功能，并且具備遠方控制的條件。

4）其他一次系統設備配置。高壓一次電纜往往使用的是截面積比較大的鎧裝電纜，在對電纜的巡視和管理中，除了需要定期通過對電纜做絕緣電阻試驗和耐壓試驗來判斷電纜運行狀態外，就是在運維過程中對電纜以及電纜井（溝）的日常巡視。在人的主觀因素作用下通過人去巡視和判斷電纜運行狀態是非常不可控的，一方面由于電纜溝（井）所處環境是相對較為臟污的，運維人員不一定實事求是去現場完成巡檢；另一方面通過普通測溫儀器對電纜外層測溫并結合一次測電流數據來判斷電纜運行狀態，對測溫儀器的精度和運維人員專業素質的要求都比較高，有時數據并不一定準確，并不能反映電纜實時運行狀態，所以從智能化變電站建設角度來看，利用不同溫度的物體輻射出來的光波長不一樣，通過光纖接收這些輻射波，傳輸至光譜儀再解碼成溫度的原理，引入電纜感溫光纖測溫系統是目前技術上已經成熟可靠的架構思路。

在變壓器中性點不接地或沒有直接接地的小電流接地系統中，電容電流允許值超過規范值情況下，應配置消弧裝置，提高發生單相接地故障時的滅弧能力和電網安全運行［3］。在功率因數低系統的電容補償中，應考慮使用動態無功補償裝置，自動根據負荷調整確定補償容量，如SVG、SVC系統在變電站無功補償中的應用。

2 智能變電站二次系統設備架構

1）智能變電站二次系統主要包括繼電保護裝置、變壓器二次系統、互感器二次接線、直流系統等等。對智能化的繼電保護裝置要求，主要還是沿用傳統繼電保護裝置原理和功能，通過對繼電保護裝置的整定值設置達到對高壓設備保護的目的。此外，傳統的變壓器保護和測控裝置通常按照一臺變壓器主保護裝置，兩臺變壓器后備保護裝置，一臺非電量保護裝置，一臺變壓器測控裝置來配置，裝置數量多，屏內占用空間多，變相增加了屏柜的數量，所以從智能化精簡設備的角度可以考慮配置一臺變壓器主后一體化保護裝置及一臺變壓器測控裝置，這樣，2臺裝置就可以達到原來5臺裝置才可以實現的保護和測控功能。

2）直流操作電源。變電站直流系統主要負責提供可靠的直流操作電源，對電力設備安全運行具有重要作用。智能變電站對直流操作電源的要求主要體現在直流操作電源的安全性和可靠性。直流系統主要利用的就是蓄電池對繼電保護、故障照明、后臺監控等設備提供配電源，而由蓄電池有可能引起火災事故且變電站內火災事故極具破壞性，因此直流系統的智能化應體現在對直流系統的監控和預防火災措施中。目前國內外主流的電池監控系統是BMS電池管理系統，電池管理系統（BMS）主要就是為了智能化管理及維護各個電池單元，防止電池出現過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監控電池的狀態。防火管理可以引入氣體火災探測器，通過選擇電池組表溫和電池組內一氧化碳濃度這兩種參數進行復合探測，對蓄電池熱失控及火災狀況做出綜合判斷，避免系統誤報和漏報。此外，氣體探測可以兼顧氣體濃度和濃度上升速率，提高探測準確率［4］。

3）其他二次系統設備配置。智能操作顯示裝置作為最直觀的設備狀態顯示，對確定斷路器及刀閘位置信息有重要作用，智能化的操作顯示裝置不僅具有狀態指示功能，還可以結合開關柜在線測溫系統顯示觸頭溫度以及帶電指示功能，并且具備將這些數據傳輸到綜合自動化后臺的功能。

小電流接地系統中應配置小電流接地選線裝置，從而在發生單相接地時準確判斷出故障線路，目前小電流接地選線技術已相對成熟，選線準確率基本都可以達到98%以上，對保證電網運行安全是十分重要的，值得注意的是，在變壓器經消弧線圈接地的系統中，應注意小電流接地選線裝置與消弧線圈的配合問題，區分小電流選線裝置同消弧補償的原理，提高選線概率［4］。此外，還可以配合行波測距裝置，在發生故障時準確判斷故障線路的大致故障位置，對于故障處置，提高變電站安全性和智能化水平有重要意義。

3 輔助系統設備架構

變電站除了主系統以外的其他設備設施，雖然沒有直接影響整體的高壓設備運行，但是在保障電力設備安全運行中的作用以及直觀地反映變電站智能化水平中還是非常重要的。變電站最主要的輔助系統應是綜合自動化監控平臺，綜合自動化監控平臺不僅反映設備斷路器、刀閘位置狀態，還能反映出電流、電壓、負荷、功率因數等數據參數，將遙信、遙控、遙調等功能集中體現。此外，綜合自動化后臺遠程操作功能還應具備上傳電力調度功能，最終實現電力調度集中控制各下級站所開關設備、視頻信號等功能，真正做到集中程度高、安全性高、可靠性高的無人值守智能化變電場所。

變電站最常見的運維過程就是設備巡檢，軌道式巡檢機器人或膠輪式巡檢機器人在這方面的應用可以非常直觀地體現出變電站智能化水平，兩者均具備開關柜溫度檢測、局部放電監測、溫濕度監測等等，其缺點也同樣明顯，比如造價和維護成本較高、巡視周期長，單個戶內開關柜時長需要5～10min，整個巡視周期長達數小時。對于膠輪式巡檢機器人還需要專門配置機器人充電口，上樓電梯等輔助設施，所以對于電力巡檢機器人的配置應綜合測評、效益評估后再選擇應用。此外，智能化變電站輔助系統配置還應考慮全站視頻監控系統、電子圍欄安防系統、火災煙霧報警系統等，打造成封閉式的、安全性高的智能化變電場所。

4 結束語

智能化變電站設備配置不僅僅針對新建變電站，在老舊變電站改造中也可以加入智能化改造內容。電氣設備新建安裝與升級改造耗資巨大，智能化變電站建設的道路上也不是一朝一夕可以完成的，建設智能化變電站、無人值守變電站還需要大量的時間沉淀和投資保證。隨著科技的進步，新產品、新技術的不斷應用，智能化設備也在不斷升級換代和創新，在智能化變電站建設和改造的道路上，管理人員需要思路清晰、考慮全面、不斷學習，并且同前沿設備和技術接軌，引入新技術、新裝備、新管理模式，從而打造出堅強的供配電系統。