電網(wǎng)110kV智能變電站模塊化建設(shè)的通用設(shè)計

王巖

（國家能源集團宿遷發(fā)電有限公司 江蘇省宿遷市 223800）

隨著社會的發(fā)展，對電力穩(wěn)定供應(yīng)要求不斷提高。變電站是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中重要的電能節(jié)點，依靠計算機通信技術(shù)的進步，我國智能變電站向智能化發(fā)展，智能變電所具有全站信息數(shù)字化、信息共享標準化等特點，智能變電站對智能電網(wǎng)起到重要支撐作用，近年來國家電網(wǎng)公司重視智能電網(wǎng)的發(fā)展，各地推廣建立智能變電站試驗試點取得良好效果。由于一次身生產(chǎn)工藝不成熟，智能變電站建設(shè)主要體現(xiàn)在二次系統(tǒng)構(gòu)建方式。發(fā)展性能可靠技術(shù)先進低碳環(huán)保的智能變電站建設(shè)有助于提高我國電網(wǎng)建設(shè)技術(shù)能力，為確保變電站正常運行，應(yīng)對電氣主接線形式及電氣設(shè)備進行合理選擇，實現(xiàn)調(diào)度自動化等多項智能控制。

1 電網(wǎng)智能變電站系統(tǒng)功能特點

智能變電站在智能電網(wǎng)中扮演重要的角色，智能變電站采用集成環(huán)保的智能設(shè)備，將變電站分為站控層與過程層，實現(xiàn)智能電氣設(shè)備間的互操作性。智能變電站以系統(tǒng)高度集中、裝備先進適用與支撐調(diào)控一體為目標，可以解決變電站建設(shè)周期長、成本高等問題[1]。智能變電站建設(shè)可以提高供電可靠性減少電力設(shè)備后期運維成本，繼電保護裝置可以對變電站電力設(shè)備故障等情況迅速反應(yīng)，縮小故障影響范圍提高設(shè)備運行可靠性。智能變電站設(shè)計技術(shù)水平直接影響電力設(shè)施建設(shè)水準，設(shè)計運行可靠的智能變電站非常重要。

變電站是電網(wǎng)中的重要節(jié)點，擔負匯集電流、控制電能等重要功能，隨著物聯(lián)網(wǎng)等系列技術(shù)的發(fā)展，變電站發(fā)展面臨更高的要求。傳統(tǒng)變電站難以適應(yīng)新的標準要求，智能電網(wǎng)是國家實施能源戰(zhàn)略的基礎(chǔ)保障，智能變電站是建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的重要支撐[2]。變電站自動化系統(tǒng)是基于微電子信息技術(shù)針對安全運行問題建立的計算機控制系統(tǒng)，隨著智能設(shè)備等技術(shù)的發(fā)展，提供安全可靠運行的智能變電站應(yīng)運而生。目前智能電網(wǎng)建設(shè)上升到國家戰(zhàn)略高度，建設(shè)統(tǒng)一堅強的智能電網(wǎng)是國家電網(wǎng)公司發(fā)展目標，近年來智能變電站技術(shù)受到行業(yè)的重視，隨著IEC61850 標準發(fā)布，開始設(shè)計建造基于新技術(shù)設(shè)備的智能變電站，全站信息實現(xiàn)數(shù)字化通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，不同廠家設(shè)備可方便互操作。智能變電站實現(xiàn)將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘杺鬏敂?shù)據(jù)，大大提高變電站的安全可靠性，智能變電站設(shè)計決定建設(shè)技術(shù)水平，研究智能變電站系統(tǒng)設(shè)計具有重要意義。

2 電網(wǎng)110kV智能變電站系統(tǒng)架構(gòu)

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，變電站無人化成為電網(wǎng)發(fā)展趨勢。智能電網(wǎng)建設(shè)是新時期適應(yīng)國家經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的系統(tǒng)工程，是結(jié)合能源負荷消費地域分布特點采取的電網(wǎng)發(fā)展方式，智能變電站是堅強智能電網(wǎng)建設(shè)實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化的核心平臺，通過增加過程層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與一次設(shè)備的數(shù)字化接口，智能變電站處于智能電網(wǎng)的中心樞紐位置，對下完成相連變電站的電源分配，對上接收高壓電網(wǎng)電源輸入與新能源接入，具備接收上級調(diào)度中心信息傳遞、智能調(diào)節(jié)等功能[3]。智能變電站采用集成度高的一二次設(shè)備，測控等信息利用站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)傳遞，具有在線分析等高級應(yīng)用功能。圖1 智能組件結(jié)構(gòu)圖。

圖1：智能組件結(jié)構(gòu)圖

智能變電站過程層包括變壓器等一次設(shè)備智能傳感器智能組件與電子裝置等二次設(shè)備，萬間隔電氣點實時運行電氣量的采集，控制命令執(zhí)行等。繼電保護和監(jiān)測功能組成IED 等二次設(shè)備組成間隔層；站級監(jiān)控系統(tǒng)、對時系統(tǒng)等組成站控層，實現(xiàn)對設(shè)備控制告警等功能。站控層獨立組網(wǎng)采用100M 光以太網(wǎng)，過程層SMV 采樣值通過光纖點對點傳輸，采樣值傳輸協(xié)議統(tǒng)一采用DL/T860.92[4]；站控層與間隔層設(shè)備通信采用站級總線執(zhí)行IEC61850-8-1 通信協(xié)議；SNTP 網(wǎng)絡(luò)對時方式用于站控層系統(tǒng)；變壓器非電量保護采用電纜直接跳閘；220kV 間隔繼電保護采用雙重化配置，110kV 以下電壓等級單套配置保護測控一體化裝置，單套配置保護裝置雙GOOSE 口，35kV 以下電壓等級開關(guān)柜安裝方式采用一體化互感器。站控層采用高度集成一體化系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)集成工程師站、程序化控制等功能。站內(nèi)設(shè)備采用IEC61850 通訊規(guī)約，站內(nèi)小室間占空層交換機通過光纖進行雙星型結(jié)構(gòu)級聯(lián)。

智能變電站采用先進技術(shù)設(shè)備，統(tǒng)籌考慮技術(shù)經(jīng)濟與管理問題，實現(xiàn)對暫態(tài)動態(tài)與穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集處理，提高高級應(yīng)用的深度廣度。智能變電站結(jié)構(gòu)側(cè)重于物理與邏輯集成，物理集成體現(xiàn)面向?qū)ο蟮乃枷耄欣诮档瓦\行維護費用[5]；電力互聯(lián)系統(tǒng)僅靠局部信息難以在系統(tǒng)層面優(yōu)化保護控制功能，智能變電站構(gòu)成面向系統(tǒng)的應(yīng)用，支持具有在線決策的各種高級應(yīng)用[6]。智能變電站設(shè)計要求遵循IEC61850 變電站通信規(guī)約，采用電子式互感器和智能設(shè)備，基于高速工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)過程在線和站級總線，采用全站統(tǒng)一授時系統(tǒng)。智能變電站具有一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化特點，采用電子互感器解決傳統(tǒng)互感器存在磁飽和等問題，智能變電站基于IEC61850 標準全站統(tǒng)一平臺，可以采用雙機雙網(wǎng)冗余可靠性高，可統(tǒng)一配置全站功能提高系統(tǒng)自動化水平。

3 智能電網(wǎng)變電站建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

變電站是連接智能電網(wǎng)進行發(fā)輸配電的關(guān)鍵，支持發(fā)電設(shè)施的大規(guī)模接收分配，智能變電站資源信息有助于智能電網(wǎng)的發(fā)展應(yīng)用，為變電站自動化發(fā)展面臨問題帶來技術(shù)突破。110kV智能變電站在設(shè)計建設(shè)與管理等方面不同于傳統(tǒng)變電站，智能變電站管理對信息數(shù)字化程度要求高，必須對智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)進行安全防護。智能變電站是智能電網(wǎng)中的數(shù)字化智能化樞紐，具有物聯(lián)網(wǎng)特性的變電站體系架構(gòu)，數(shù)字化的斷路器與傳感器。智能變電站關(guān)鍵技術(shù)包括智能互感器斷路器與通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。圖2 電子式互感器分類示意圖。

圖2：電子式互感器分類示意圖

智能變電站分為一次與二次設(shè)備，智能化一次設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備結(jié)合緊密，各層次內(nèi)部采用高速網(wǎng)絡(luò)通信，智能變電站采樣方式與后臺通訊不同于常規(guī)站，需要對過程層設(shè)備升級，用光纖代替現(xiàn)有電纜連接[7]。不同一次設(shè)備結(jié)構(gòu)形式需要關(guān)注問題不同，室內(nèi)GIS 由于運行環(huán)境條件較好可將控制裝置就地安裝。通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展推動變電站自動化系統(tǒng)走向分布式模式，結(jié)構(gòu)簡單可靠性實時性大大提高，二次設(shè)備不再出現(xiàn)重復的I/O 現(xiàn)場接口，以太網(wǎng)技術(shù)廣泛引入過程層采集測量單元中。電子互感器依據(jù)原理分為有源和無源類型，無源型互感器包括OCT 和OVT，有源型包括ECT 和EVT。電力電壓互感器是為電力系統(tǒng)進行電能計量的重要設(shè)備，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)電壓運行等級不斷提高，電磁式互感器逐漸暴露出系列固有缺點。電磁式電流互感器固有磁飽和現(xiàn)象影響繼電保護設(shè)備，絕緣結(jié)構(gòu)復雜導致投資加大。非常規(guī)互感器不含鐵芯絕緣性高，高壓回路與二次回路在電氣上完全隔離，有效提高信號傳輸準確性增強互感器抗電磁干擾能力。

智能變電站采用先進技術(shù)設(shè)備，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集處理，提高高級應(yīng)用的深度廣度，智能變電站優(yōu)勢體現(xiàn)在采樣就地數(shù)字化，一次設(shè)備智能化，通訊規(guī)約標準化與功能集成設(shè)備簡化。智能變電站的關(guān)鍵技術(shù)選擇集中于智能一次設(shè)備實現(xiàn)與電子互感器選擇配置。智能一次化設(shè)備是智能變電站的重要標志，是智能變電站實現(xiàn)信息化自動化的關(guān)鍵設(shè)備，智能高壓設(shè)備采用智能組件模式組成，智能組件可以分散集成，智能組件構(gòu)成包含傳統(tǒng)間隔層設(shè)備。保護測量控制等裝置組件實現(xiàn)一體化與高壓設(shè)備集成，內(nèi)嵌安裝方式應(yīng)不影響宿主高壓設(shè)備的安全運行。智能高壓設(shè)備應(yīng)具有控制網(wǎng)絡(luò)化，功能一體化與測量數(shù)字化等特征。隨著應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能一次設(shè)備等技術(shù)的發(fā)展，目前已有部分相關(guān)分散外置的智能接口設(shè)備實現(xiàn)。110kV智能變電站采用高壓設(shè)備配置一體化在線監(jiān)測裝置，配置智能綜合單元安裝于就地智能控制柜內(nèi)，傳感器與設(shè)備本體一體化，其余組件獨立于高壓設(shè)備外部。

智能變電站通信體系IEC61850 將變電站通信體系分為間隔層和過程層，過程層與間隔層基于交換式以太網(wǎng)數(shù)字通信方式，變電站層與間隔層串行通信方式稱為站級總線通信。變電站自動化設(shè)備中，可以根據(jù)功能需求靈活選擇配置方案。傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)中存在很多不足，表現(xiàn)為對象建模差異使信息難以共享，二次電纜對系統(tǒng)可靠性影響等。IEC61850 是變電站通信與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)唯一國際標準，是變電站信息建模與交互的基礎(chǔ)，IEC61850 具有分布分層結(jié)構(gòu)體系，使用制造報文規(guī)范文件，配置語言提供面向?qū)ο蟮淖晕颐枋觯褂妹嫦驅(qū)ο髷?shù)據(jù)的統(tǒng)一建模，面向開放的體系結(jié)構(gòu)對未來新技術(shù)具有更高適應(yīng)性。國家電力調(diào)度通信中心經(jīng)濟組織國內(nèi)從事變電站自動化科研單位等，開展IEC61850 互操作性實驗工作，推動IEC61850 在中國的推廣。

4 智能電網(wǎng)110kV變電站模塊化建設(shè)的通用設(shè)計實踐

智能化變電站模塊化建設(shè)是新型變電站建設(shè)模式，具有工廠化生產(chǎn)，機械化施工等特點，是實施電網(wǎng)工程集成創(chuàng)新，促進環(huán)保社會建設(shè)的體現(xiàn)。國家電網(wǎng)公司開展智能變電站建設(shè)，為公共智能變電站模塊化建設(shè)成果，國網(wǎng)公司結(jié)合工程需求編制完成智能變電站模塊化建設(shè)通用設(shè)計。為推進電網(wǎng)標準化水平，電力公司逐步實現(xiàn)變電站智能化建設(shè)，由于電網(wǎng)建設(shè)標準設(shè)計習慣及特殊地理環(huán)境，導致可利用通用設(shè)計方案較少。需要結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)特點編制適用的智能變電站模塊化建設(shè)通用設(shè)計。圖3 為模塊式智能變電站。

圖3：模塊式智能變電站

《國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計》包含110kV變電站通用設(shè)計方案，結(jié)合電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模、配電裝置形式等情況，對國網(wǎng)通用設(shè)計篩選優(yōu)化，確定模塊化建設(shè)通用設(shè)計方案。電網(wǎng)通用設(shè)計原則確定考慮智能模塊化變電站特性，主要從建筑物圍護材料選取，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點做法選用與二次艙設(shè)施等方面開展。電網(wǎng)建筑物外墻在高寒地區(qū)采用壓型鋼板復合板，寒冷地區(qū)可采用纖維復合板，墻板采用內(nèi)外雙層彩鋼夾心復合板，雙層板形成空氣隔絕夾層結(jié)構(gòu)增強隔音保溫性能，可實現(xiàn)裝配式建筑工藝管線一體化效果。《預制艙式二次組合設(shè)備技術(shù)規(guī)范》中使用環(huán)境要求溫度-25℃～55℃，方案修訂中結(jié)合溫度范圍提出應(yīng)用建議最低溫度-40℃地區(qū)不適用二次艙，必要時進行技術(shù)經(jīng)濟比較確定。裝配式構(gòu)筑物能否采用裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)綜合考慮，酒精選擇工廠化加工制作。結(jié)合地區(qū)氣候環(huán)境特點，依據(jù)智能變電站智能控制柜技術(shù)規(guī)范，建議在高寒地區(qū)保護裝置集中布置在主控室內(nèi)。

當前變電站建設(shè)主要技術(shù)標準包括《輸電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計標準》等，與國網(wǎng)通用設(shè)計技術(shù)導則在進線單相電壓互感器設(shè)置，輔控系統(tǒng)回傳和管理模式，10kV 電容器組中電抗器戶外布置方式等方面存在差異，國網(wǎng)通用設(shè)計取消變電站大門標識墻的要求，按照變電站標準化管理條例規(guī)定尺寸將大門標識設(shè)立于右手側(cè)。國網(wǎng)通用設(shè)計輔控系統(tǒng)接入II 區(qū)交換機，信息包括火災報警等，電力公司按照變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)指導意見不設(shè)置輔控網(wǎng)關(guān)機。國網(wǎng)公司110kV 變電站配電裝置樓內(nèi)輔助房間配置安全工器具間，電力公司通用設(shè)計輔助房間配置衛(wèi)生間、備餐間與資料室。國網(wǎng)通用設(shè)計戶內(nèi)與半戶內(nèi)方案中有些方案不滿足電力公司所處供電局對使用110kV 備自投的需求。國網(wǎng)通用設(shè)計中采用數(shù)字計量表，全站設(shè)置電能量系統(tǒng)子站設(shè)備，電能量遠方終端以串口方式采集電能表計信息，采用模擬采樣需配置獨立電流互感器計量繞組，全站設(shè)置電能量系統(tǒng)子站設(shè)備，設(shè)置2 臺電能量遠方終端。

5 結(jié)語

模塊化變電站是將變電站中的設(shè)備劃分為不同功能模塊以組合形式建設(shè)，模塊化標準的立足于設(shè)計理念變革，逐漸形成集成優(yōu)化設(shè)計，智能設(shè)備制造與測試技術(shù)，模塊化施工技術(shù)使得占地面積壓縮。模塊化變電站設(shè)備布置方式靈活，對地形環(huán)境適應(yīng)性強，相對常規(guī)戶內(nèi)變電站可減少10-40%的土地征用面積，大大縮短變電站的建設(shè)時間。箱式部分設(shè)備達到戶內(nèi)運行環(huán)境要求，減少環(huán)境問題導致設(shè)備缺陷的發(fā)生。變電站發(fā)展向標準化智能化發(fā)展，國網(wǎng)公司建設(shè)堅強智能電網(wǎng)目標下，推廣模塊化變電站具有重要的經(jīng)濟與社會效益。智能變電站模塊化建設(shè)具有標準化設(shè)計，裝配式建設(shè)等特點，本文研究明確電網(wǎng)智能化變電站模塊化建設(shè)設(shè)計原則，梳理與國網(wǎng)智能變電站模塊化建設(shè)通用設(shè)計差異，推進電網(wǎng)智能化變電站模塊化建設(shè)標準進程。