電力變電系統的智能化設計

趙心亮

（中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044）

0 引 言

隨著我國經濟的發展，電力系統的整體結構越來越復雜，將智能化技術應用在電力系統中，不僅能夠使電力系統的運行速度加快，還能夠提升其運行穩定性，實現現代電力系統節能環保的發展目標。變電系統是電力系統日常運行的關鍵環節，確保變電系統的穩定運行，才能保證電力系統整體正常運行。近年來，針對變電系統的各種研究不斷增多，大量學者認為開展變電系統智能優化設計可以提升其運行的可靠性和安全性。基于此，文章對電力變電系統展開智能化設計，以期為我國電力變電系統的改革提供思路。

1 電力變電系統的現有設備

以某市電力系統中的某110 kV 變電系統為例，其主要現有設備如表1 所示。除此之外，該變電系統中還含有大量斷路器、隔離開關以及互感器等。

表1 電力變電系統的現有設備

2 電力變電系統的智能化設計

2.1 智能化設計內容

在進行智能化設計時，其核心目的包括本質安全、智能巡檢、智能表計、減少維護以及綠色環保等，具體內容如下文所述[1]。

（1）對現有裝備中的1 號主變電器增設氣體、電流、振動、介質損耗等多項監測設施；同時對2 號主變電器在增設與1 號相同監測設施的基礎上，再次增加免維護輔助器。

（2）對現有裝備增設斷路器、能夠進行遠距離數字信息傳輸的繼電器以及機械特性監測設施。

（3）對線路中的隔離開關進行更換，每個隔離開關均增設微動開關，在操作箱中增設溫濕度傳感器。

（4）更換線路中的互感器，增設介質損耗監測設施。

（5）在進線避雷器的計數器中增設泄露和阻性電流在線監測設施。

（6）增設干式站用變壓器、主要流通接線板、開關柜小車、電纜室、電纜溝無線水浸傳感器、節點設備等。

2.2 變電系統短路電流計算

當電力線路中出現短路現象時，線路中會在短時間內出現巨大的電流，進而對各個變電系統中的設施設備產生巨大影響。短路現象出現的具體原因相對復雜，可能受氣溫、濕度、絕緣老化等因素影響。本實驗為了確保設計的智能化變電系統能夠長期維持穩定運行，在判斷故障風險上限時主要采取三相短路故障[2]。

開展相關計算能夠為電力系統的繼電保護提供一定的數據支撐，可作為變電系統主要電氣設備參數值的設定依據。為了計算出更加精準的短路電流，文章在開展計算時需做出假設：第一，在發生短路的瞬間，發電機組的轉子轉速與相位相同；第二，若電流傳輸的線路較長，則需要進一步考慮線路容抗；第三，若電流傳輸線路的電阻與電抗差異較小，則還需要考慮電阻的影響[3]。

2.3 線路元件電抗標幺值計算

設定變電系統的基準容量SB=100 MVA，基準電壓為UB=Uav，系統在最大電流傳輸的情況下，電抗的最小值為Xmin=0.04 Ω，最小電流傳輸情況下電抗最大值為Xmax=0.06 Ω。則此時，變電系統中變壓器的阻抗XT計算如下。

最小運行方式下，變壓器等效阻抗的標幺值為

最大運行方式下，變壓器等效阻抗的標幺值為

最大運行方式下變壓器高壓側電源的進線阻抗為

最大運行方式下變壓器低壓側各出線阻抗為

式中：SN為帶包變壓器的額定容量；US為變壓器短路電壓的百分數；L為變電線路的長度；UB為變壓器高壓側額定電壓；L1～L5為變壓器低壓側5 條出線的線路長度；Un為低壓側額定電壓。

2.4 智能輔助系統改造

文章在改造智能輔助系統時，需要秉持著“設計一體化、精簡化、遠程化、智能化”的原則，全面提升變電站輔助系統的設備管控能力[4]。

第一，輔助設備監控系統結構功能。文章在智能輔助系統中設計了一套相應的輔助裝置監控系統，該系統的接入主要是為了完成對變電站運行情況的數據采集、控制、告警、管理和全景信息展示等工作，以輔助工作人員對變電站內的設備進行合理監控。則輔助設備監控系統應具備的功能包括業務應用功能和高級應用功能。其中，業務應用功能主要包括變電站安全防護模塊、變電站周邊與內部環境監測模塊、變電站內外照明控制模塊、變電站設備運行監測模塊、變電站智能鎖控模塊、變電站消防管控模塊、變電站巡視機器人管理模塊等[5]。

第二，信息總覽。變電站的智能輔助系統應具備同時集中管理與控制內部各個區域電子地圖、運維班工作表、變電站設備狀態等內容的模塊，同時還應具備管控所有區域監控系統，進行實時監測結果的展示模塊。

第三，照明控制。變電站在進行照明控制時，主要通過在內部設置控制器，并將其與變電站的各個燈具聯系在一起，與變電站整體監控系統連接，實現變電站照明相關設備的實時監控與智能控制。

第四，安全防范。變電站的安全防范體系是智能輔助系統中極為關鍵的部分，其主要由變電站門禁、智能電子圍欄、內外監控系統等構成，能夠有效確保變電站的門禁，防入侵系統能夠在同一時間內完成數據采集、監控與智能控制。

第五，環境監測。變電站智能輔助系統在開展環境監測工作時，主要通過在內部設置的大量傳感器采集環境中的各項信息數據，并以此為依據對變電站的控制箱、水泵、除濕機、空調等設備進行智能控制，確保變電站的內部環境保持穩定。

第六，智能鎖控。智能輔助系統中的智能鎖控體系由鎖具、鑰匙和各個鎖具的智能控制器組成，這一體系能夠有效實現變電站內所有鎖具的一鍵解鎖，提升變電站工作效率，同時這一體系還為工作人員提供了遠程控制鎖具與開鎖記錄智能化管理的渠道，以提升變電站的鎖具管理效率。

第七，在線監測系統。由于變電站日常生產工作涉及的工作設備數量與種類眾多，在智能輔助系統中加入在線監測系統必不可少。這一系統大多由各種內部實時監測設備與相應的監測信息處理體系結合組成，工作人員通過在線監測系統即可完成對變電站整體的在線監測。對收集到的數據信息進行上傳與分析后，能夠反映各個設備的工作狀態，以幫助工作人員及時發現設備故障，維護生產狀態穩定。

第八，通信要求。變電站的智能輔助系統對通信具有一定要求，這主要體現在以下幾個方面。（1）通信接口的設置應符合相關規定與制度，在硬性要求方面必須嚴格符合要求；（2）系統的軟件應具有較高的擴展性，確保其能夠向下兼容，形成完善的通信協議體系。

2.5 系統遠動改造

系統遠動改造如下文所述。

（1）管理模式：本變電站按無人值班設計，全站設置綜合自動化系統。

（2）遙測：遙測信息主要對變電站內部線路信息進行遙測計量，包括線路側的三相電流和母聯三相電流、電壓以及有功和無功信息、母線三相電壓、主變壓器每側的三相電流、電壓、有功和無功、功率因數、油溫和繞組溫度等。

（3）遙信：遙信信息主要針對電壓等級的線路信息進行遙信計量，主要包括線路側、主變低壓側、電容器、隔離開關等雙位置信號、地刀位置信號、主變保護動作信號、各電壓等級的母聯和電容器保護動作信號、變壓器內部故障總信號、直流系統接地、直流系統異常信號以及站用變本體異常信號等。

（4）遙控：包括變電站內所有的斷路器分、合閘遙控和所有電動隔離開關及接地刀閘分、合閘遙控。

3 結 論

傳統的人工控制變電站難以滿足人們對于電力供給的需求，變電站需要更加靈活的控制模式。文章設計了一種智能化變電站，可以結合智能化技術緩解傳統變電站的電力供給壓力，為地區電網的發展提供更加堅實的基礎。文章首先分析了某電力變電系統現有的所有設施與裝備的狀態，找到其中存在的問題。在此基礎上，對變電系統進行智能優化設計，結合短路電流計算結果，對智能輔助系統進行了改造。該智能化電力變電系統符合智能化設計要求，可作為智能化設備進行推廣與應用。