芻議110kV智能變電站技術

國網北京通州供電公司 張國瑞 何方明 李志超

1 某智能變電站概況

某110kV 智能變電站位于縣級境內，共計4座110kV 變電站，主變6臺、主變容量214.5MVA；110kV 線路10條，總長度207.8km。整個網絡為輻射狀網絡結構，使縣域電網運行存在不穩定性，當電源節點發生故障時，將會影響整個區域電網的運行效果，存在大面積停電概率。110kV 變電站為無人值班變電站，監控系統包含網絡設備、間隔層和站控層三項內容，其中網絡設備構建全站分層分布式以太網，間隔層可獨立監督設備使用情況，站控層具有遠程調控管理功能。結合本公司電網結構，發現北部電網存在以下問題。

電源供電單一，網絡結構薄弱。該縣域范圍廣闊，北部110kV 布點較少，本站成為北部唯一的電源供應點。因電源點單一，與N-1供電安全要求不符，加上網絡結構薄弱、供電范圍大，導致片區的電壓合格率較低，電能質量無法保障；電源點切入線路過長，短期內無法新建變電站。該縣北部以耕地、山地為主，不適宜新建變電站，且110kV 變電站更新時間較長，進氣難以通過接入新電源的方式解決電網難題；本站主變壓器容量有限，已經達到終期建設規模，無法采用變壓器增容的方式使負荷壓力得以減輕。

110kV 變電站運行穩定性對北部片區供電能力具有決定性作用。本站建成時間久遠，屬于無人值守變電站，作為北部電網的關鍵節點，其安全運行能力將會直接影響片區供電狀況。因電源輸入單一、變壓器過載運行，一旦110kV 側電源出現間隔設備或越級誤動，都將引起大范圍停電，阻礙片區的正常生產生活[1]。

2 智能變電站關鍵技術

2.1 一次設備智能化技術

采用光學電壓互感器，在Pockels 效應基礎上利用光源、電光晶體、光纖維準直器等構成敏感組件，與檢測電路、探測器一同應用到智能變電站中。技術原理是入射光經過起偏器后變為線偏振光，然后經過1/4波片形成2正交的線偏振光，因晶體帶有Pockels 效應，偏振光經過晶體傳輸后形成相位差，借助檢偏器可使2束線偏振光發生反應，以光強檢測的方式達到相位檢測效果。待入射光經過晶體時，受電場影響出現雙折射現象，兩線偏振光間的相位差受被測電壓影響，二者具有正相關關系：

式中：φ代表的是偏振光波相位差；U代表被測電壓；Uπ代表半波電壓；n代表晶體折射率；γ代表電光系數；λ 代表晶體厚度；l代表光的傳播長度。因相位測量難度較大，可利用智能檢測技術，將其轉換成強度檢測。采用偏光分束棱鏡對兩個偏振光的光強分別檢測，以Pockels 效應為基礎對電場傳遞函數可用公式表示如式（1）所示，式中：a和b代表的是兩個探測器的入射光強；E0代表的是電場強度；Eπ代表的是外加電場強度；KA和KB為兩個偏振光的光路系數。通過上述公式計算，可得出探測器光強信號和外加電場間的關聯，適用于智能變電站，通過設備運行狀態的在線監測，及時發現并消除故障，提高電氣設備的運營效率[2]。

2.2 二次組網技術

本站站控層網絡利用100M 以太網相連，在技改設計中固定不變，網絡改造以過程層網絡重建為主，可選用的組建形式有以下三種：

點對點連接。與常規變電站的連接形式較為相似，控制命令、電氣采集量的傳輸無需利用交換機，便可與間隔層交流。以DL/T860系列標準為基礎，借助100M 以太網，利用光纖將站內過程層、間隔層連接起來；SV 點對點和GOOSE 組網。SV 選用點對點的方式，利用GOOSE 網絡組網，借助網絡渠道對開關輸入量網絡化處理，并利用通信協議對采樣信息傳輸內容進行規范，使其滿足新的變電站改造要求；SV 組網和GOOSE 組網。對SV 和GOOSE 網絡全部組網，開關輸入量利用計算機系統傳遞，電氣采集信息能夠在網絡上流通交換，使本站的二次網絡化需求得到滿足，具有網絡結構簡單、使用接口數量少、光纜消耗量小等特點。

2.3 自動化系統結構

站在邏輯層面分析，將智能變電站網絡結構進行改造形成“三層兩網”結構，其中“三層”是由過程層（變壓器、隔離開關等一次設備和智能元件構成）、間隔層（繼電保護組件、調控設備、監控裝置等）、站控層（自動化站級監控、通信系統等二次系統），可對本站全部電氣設備信息進行采集和監控，還具有故障或異常狀態告警、信息共享等功能；“兩層”是由過程層、站控層兩個網絡構成。與傳統結構形式相比，智能變電站的自動化系統具有接線簡單、網絡結構清晰、二次設備操作性強，支持數據共享等優勢，可對接地點狀態實時監控，避免傳輸介質或其他因素影響使誤差增加，由此保證系統的穩定運行。

3 智能化改造技術在變電站中的應用方法

3.1 改造思路

本站自從建成以來一次設備運行情況始終良好，作為無人值守變電站，站控層設備利用100M高速以太網與間隔層相連。在本次智能化改造中，遵循一次設備智能化、二次設備網絡化的原則，根據電壓等級對本站進行區域劃分，形成高中低三個級別的改造區域，構建“三層兩網”系統結構，使110kV、35kV 側網絡能夠獨立組網。本站作為北部唯一的變電站，電源進線單一，運營期間存在諸多安全風險，根據負荷預測結果，該站在2020年的主變負載率提高86.5%，存在明顯的過載問題，應考慮新建變電站或新增斷路器的方式使負荷得以改善。

該變電站運行期限依舊，平面布置固化，未提前留置其他變壓器的空間，站內設備應根據變壓器容量選擇類型，為充分發揮設備應用價值，不準備整體更換一次設備，因此無法通過更換變壓器的方式使過載問題得以改善。該變電站長期無人值守，設備之間的互操作性較弱，存在誤動作、拒動等安全問題，需要在改造中增加在線監測系統對設備工作狀態動態監督，便于及時發現故障，預防不可逆事故產生[3]。

3.2 解決方案

本站智能化改造的關鍵在于自動化系統結構優化，從原本的“兩層一網”朝著“三層兩網”轉變，新增過程層相關設備和網絡，構建數據共享平臺，使電氣設備信息間能夠相互交流，促進系統運行效率提升[3]；針對本站一次設備進行改造，為促進原本站內設備的應用價值發揮，不整體更換組合式設備，提出“一次設備＋互感器＋智能組件”的改造模式，對110kV 側出線間隔、主變三側進線間隔的互感器進行換新，達到信息化采集目的；利用光纜傳輸使信號精度更高，為二次設備運維提供保障；針對110kV 側出線間隔斷路器、避雷器等進行在線監測，實時采集信息傳遞給后臺，使本站關鍵設備的運行模式、工作狀態等得到動態跟蹤，及時發現故障或異常并妥善處理[4]。

3.3 改造措施

3.3.1 一次設備改造

本站現有互感器為常規電磁式，因絕緣結構較為復雜，運行期間很容易受諧振影響，如若短路電流過大磁飽和風險較高，對人身安全構成威脅。對此，在改造期間采用“一次設備＋互感器＋智能組件”的改造方案，對110kV 側進線間隔利用電子式互感器達到就地數字化信息采集依靠光纜傳輸的目的，與以往相比，不但信號精度提升，還可使二次設備得以準確運行。

在互感器配置期間，根據本站互感器使用環境、間隔層配置情況，采用直采直跳方式，直接與GOOSE 網相連，對110kV 側采用羅氏線圈互感器，將采集的電壓、電流信號變為數字信號，將其傳遞給合并單元，借助數字化信息整合處理，依靠光纖傳遞給測控、保護等過程層裝置。本站采用戶內高壓柜布設法，將測控裝置安裝到高壓柜上，因35kV線路匹配的是RCS-9631C 型號的電容器保護裝置，根據通訊規約，單純支持模擬量輸入模式，如若改造中加入電子互感器，不但安裝操作不便還會增加成本，因此該處決定繼續使用常規互感器。

在合并單元與互感器連接方面，合并單元的功能在于樣本數據采集并依靠以太網傳遞出去，因此可用傳統的模擬接口與新型傳感器相連。在連接時，因合并單元自身帶有模數轉換性能，為使信號精準采集，可將TV/TA 裝置變成數據量，再將其傳遞給保護、測控等裝置。為使合并單元的采樣時間相同，在接入外部時間源時應同步開展樣本數據采集，傳感器傳遞的數據經過合并單元解碼后傳遞給測控、保護裝置，如圖1所示[5]。

圖1 電子互感器與合并單元接線圖

3.3.2 二次設備網絡組建

本站110kV 采用電子互感器過程層新增以下設備，如智能控制柜、合并單元等，前者對主變側單獨配置，具有完整的斷路器信息交互功能，可有效預防跳閘和誤操作，無需智能終端發揮作用便可直接在斷路器上實現；后者為110kV 和35kV 的合并單元，直接連入互感器內，具有輸出數字模擬信號、保護和跳閘線圈配合等作用。本期二次設備組建的智能終端配置情況如表1所示。

表1 本期二次設備智能終端配置表

在網絡設備配置層面，本站自動化系統的站控層選用超五類雙絞線，二次設備室采用光纜網絡連接，過程層采用常規互感器與合并單元、智能終端相連。110kV 單間隔保護選用點對點方式，跳閘指令無需借助交換機可直接傳遞到斷路器的智能模塊內，剩余開關量傳輸、故障錄波等均依靠GOOSE網絡傳輸。在交換機配置方面，過程中共計引入15個交換機，各虛擬網設置2個備用口利用100Mbps光口將交換機和智能終端相連，交換機和測控裝置、110kV 保護等共同組柜[6]。

3.3.3 在線監測系統應用

針對110kV 變電站設備狀態進行監測，包括主變、避雷器等，在技改過程中采用“一次設備＋互感器＋智能組件”的改造模式，引入在線監測系統，重點對一次設備信息數字化采集、運行狀態進行監測，如主變油溫、繞組溫度等；高壓斷路器的氣體壓力、分合閘電流等；避雷器的雷擊放電次數、泄露電流值等。本站的在線監測系統是由數據處理器、傳感器、上位機、通訊傳輸等部件構成，利用傳感器采集數據信息，經過處理后，利用A/D 模塊轉化使信息量變成數字，再利用CAD 總線上傳站控層上位機，將數據存儲起來并處理計算，將處理結果傳遞給遠方調度中心，實現電網和變電站一次設備間的協同交互，以狀態檢測為基礎，為設備全生命周期內優化管理提供數據參考，還可為設備檢修和優化提供輔助。

綜上所述，當前智能化技術日益成熟，國內變電站逐漸超過智能化方向邁進，通過本站運行方式、負荷狀況等分析，開展智能化改造十分必要。