陜西首座110kV新一代智能變電站技術方案研究

劉子瑞

（國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安 710048）

2012年國家電網(wǎng)公司提出開展新一代智能變電站研究和建設工作，先后完成了變電站技術發(fā)展路線、頂層設計方案，確定了新一代智能變電站近期概念設計方案，全面啟動重慶大石等6個新一代示范工程建設。2013年12月，重慶大石等6個新一代示范工程全部建成投運[1]。

為鞏固新一代智能變電站示范工程的建設成果，國家電網(wǎng)公司2014年計劃新建48座110～220 kV新一代智能變電站擴大示范工程。110 kV陂西戶外AIS（air insulated substation）變電站列為示范工程之一，也是陜西省內(nèi)正在建設的首座新一代智能變電站[2]。

本文結(jié)合110 kV陂西變電站工程實際，在吸收已投運智能變電站工程設計、建設及運行等經(jīng)驗的基礎上，進一步梳理、整合新一代智能變電站的設計原則和功能需求，提出110 kV新一代智能變電站技術方案[3-5]。

1 新一代智能變電站的技術特征

新一代智能變電站是在繼承原智能變電站基礎上，通過分專業(yè)設計向整體集成設計轉(zhuǎn)變，一次設備智能化向智能一次設備轉(zhuǎn)變，分散獨立系統(tǒng)向一體化業(yè)務系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)設計、建設、運維的理念、技術、設備、管理全方位的重大突破和創(chuàng)新，“系統(tǒng)高度集成、結(jié)構(gòu)布局合理、裝備先進適用、經(jīng)濟節(jié)能環(huán)保、支撐調(diào)控一體”是新一代智能變電站的重要技術特征[6-10]。

110 kV陂西變遵照新一代智能變電站技術特征，主要技術特點如下：

1）110 kV采用隔離式斷路器，110 kV母線選用GIS絕緣管母，35 kV、10 kV采用氣體絕緣成套開關柜。

2）電氣二次采用一體化業(yè)務平臺和層次化保護，一體化業(yè)務平臺為“三層一網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，層次化保護實現(xiàn)就地級保護和站域級保護。

3）全站采用預制艙式建筑，各功能房間采用預制集裝箱艙式功能單元，工廠化裝入全部配電設備和二次設備，運到現(xiàn)場后直接定位安裝。

2 電氣一次技術方案

2.1 電氣主接線方案

綜合考慮供電可靠性及運行靈活、操作檢修方便、節(jié)約投資、擴建方便和利于遠方控制等要求，電氣主接線設計如下。

主變壓器：本期為2×31.5 MV·A三相三繞組有載調(diào)壓變壓器；遠期為3×50 MV·A三相三繞組有載調(diào)壓變壓器。

110 kV接線：本期及遠期均采用單母線分段接線，出線配置避雷器，取消線路（主變）側(cè)及母線側(cè)隔離刀閘，遠期進出線4回，本期進出線2回。

35 kV主接線本期采用單母線分段接線，本期出線5回；遠期采用單母線三分段接線，遠期出線9回。

10 kV主接線本期采用單母線分段接線，本期出線10回；遠期采用單母線三分段接線，遠期出線18回。

陂西變電氣主接線如圖1所示。

2.2 主要電氣設備選擇

設備選型綜合考慮整體集成設計、模塊化建設技術及智能設備制造與檢測技術等原則。

智能化變壓器：容量為31 500 kV·A，型號為SSZ10－M－31500/110三相三繞組全密封自冷有載調(diào)壓電力變壓器。具體參數(shù)如下：額定電壓比110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5 kV，聯(lián)結(jié)組別為YN，yn0，d11，短路電壓U1－2%＝10.5，U1－3%＝17.5，U2－3%＝6.5。主變設油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置。取消獨立智能匯控柜，與主變本體端子箱集成。

110 kV配電裝置：采用瓷柱式集成式隔離斷路器（DCB），集成電子式電流互感器、接地開關，配置SF6氣體狀態(tài)及機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該設備具有高可靠性，整體維護周期達15 a以上。110 kV母線采用氣體絕緣母線（GIB），內(nèi)附電子式電壓互感器、隔離開關（電壓互感器及分段間隔Ⅱ母側(cè)）及接地開關。

35 kV、10 kV配電裝置：采用配電裝置室與設備一體化設計的預制艙；選用氣體絕緣開關柜，開關柜二次設備與開關柜一體化集成優(yōu)化設計；除進線配置電子式互感器外，其余回路配置常規(guī)互感器；預制艙設置的空調(diào)、風機、綜合環(huán)控、照明、防火報警等系統(tǒng)接入智能輔助系統(tǒng)。35 kV主變、分段回路選用額定電流2 500 A的大電流柜，開斷電流31.5 kA，其他回路開斷電流25 kA；10 kV選用固封極柱式斷路器，主變、分段回路選用額定電流3 150 A的大電流柜，開斷電流40 kA，其他回路開斷電流31.5 kA。

10 kVⅡ、Ⅲ段各配置一臺100 kV·A站用變壓器。

無功補償裝置：采用小型化產(chǎn)品集成式高壓并聯(lián)電容器裝置，主要由集合式電容器、油浸式串聯(lián)電抗器、油浸式放電線圈、避雷器、電纜進線箱等構(gòu)成。電抗器按5%配置鐵芯電抗器。

2.3 電氣總平面布置優(yōu)化

總平面布置充分考慮該站址周邊環(huán)境，參照國家電網(wǎng)公司110 kV變電站典型設計實施方案110-C-8（2011智能化版）的相關功能模塊和本工程實際情況以及新一代智能站相關建設理念進行布置，在電氣平面布置上力求緊湊合理，出線方便，減少占地面積，節(jié)省投資。

110 kV配電裝置采用瓷柱式集成式隔離斷路器，110 kV配電裝置雙列布置，采用架空向南出線，布置于所區(qū)南側(cè)。

35 kV、10 kV配電裝置室以及二次設備室均采用預制艙式組合設備。35 kV預制艙式組合設備采用2個預制艙組合拼接而成，艙內(nèi)開關設備采用氣體絕緣開關柜，單層單列布置，電纜向南、西出線，布置在站區(qū)西側(cè)；10 kV預制艙式組合設備分別采用3個單獨的預制艙，每個獨立的預制艙為一段母線，向西、向北全電纜出線，布置在站區(qū)北側(cè)。10 kV接地變及消弧線圈裝置預留位置布置在站區(qū)西南角。10 kV電容器布置在站區(qū)東側(cè)。

二次預制艙式組合采用2個單獨的預制艙，艙內(nèi)設備采用前接線雙列布置，布置在110 kV配電裝置區(qū)東側(cè)。工器具間、衛(wèi)生間布置于大門入口西側(cè)。

優(yōu)化方案占地面積為0.327 7 hm2（1 hm2=104m2），典型設計方案占地面積為0.808 5 hm2，優(yōu)化方案節(jié)省占地率達到59.46%。

陂西變電氣總平面布置如圖2所示。

3 二次系統(tǒng)技術方案

3.1 二次設備選擇原則

新一代智能變電站要滿足“集成智能化設備+一體化業(yè)務系統(tǒng)”新的特征要求。通過整合系統(tǒng)功能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，采用“一體化設備、一體化網(wǎng)絡、一體化系統(tǒng)”的技術構(gòu)架，有效提升變電站智能水平。

一體化業(yè)務平臺提供多層次的軟件接口為應用開發(fā)提供數(shù)據(jù)交換機制、人機支撐、數(shù)據(jù)支持、公共服務功能和系統(tǒng)管理功能；具有良好的系統(tǒng)集成能力，支持應用、基礎信息的共享；建立能充分滿足

業(yè)務需求的運行環(huán)境和有效的安全防護體系，提供強大的軟硬件環(huán)境和豐富的數(shù)據(jù)資源，支撐變電站的運行、維護和管理，實現(xiàn)系統(tǒng)和各類應用的安全穩(wěn)定運行。高級應用能實現(xiàn)順序控制、智能告警與分析、分布式狀態(tài)估計、源端維護、二次設備狀態(tài)監(jiān)測等功能。

圖1 電氣主接線圖Fig. 1 The main electrical wiring diagram

圖2 電氣總平面布置圖Fig. 2 The electrical general layout

二次設備采用前接線式二次裝置，二次接線最大限度的采用預制電纜和預制光纜技術，采用免熔接光纖配線箱。就地級保護應具備自檢及自診斷功能，支持SV數(shù)據(jù)異常、SV鏈路中斷、GOOSE數(shù)據(jù)異常、GOOSE鏈路中斷、電源電平、裝置內(nèi)部溫度、過程層光口接收光功率、過程層光口發(fā)送光功率、裝置自檢信息等設備狀態(tài)監(jiān)測信息上送。

3.2 一體化業(yè)務平臺

3.2.1 變電站監(jiān)控系統(tǒng)

變電站監(jiān)控系統(tǒng)按變電站無人值班要求考慮，優(yōu)化簡化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，與站內(nèi)監(jiān)控保護和調(diào)度遠動系統(tǒng)統(tǒng)一建模、統(tǒng)一組網(wǎng)、信息共享，通信規(guī)約統(tǒng)一采用DL/T860 通信標準，實現(xiàn)站控層、間隔層和過程層二次設備互操作。變電站內(nèi)信息宜具有共享性和唯一性，保護故障信息、遠動信息不重復采集。實現(xiàn)對變電站可靠、合理、完善的監(jiān)視、測量、控制、斷路器合閘同期等功能，并具備五防閉鎖功能，遙測、遙信、遙調(diào)、遙控全部的遠動功能和時鐘同步功能，具有與調(diào)度通信中心交換信息的能力。

變電站自動化系統(tǒng)在功能邏輯上劃分為三層，即站控層、間隔層和過程層。站控層設備按遠景規(guī)模配置，間隔層、過程層設備按本期規(guī)模配置。陂西新一代智能變電站通信網(wǎng)絡采用實現(xiàn)“三層一網(wǎng)”的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，即站控層、間隔層和過程層設備接入全站統(tǒng)一的物理網(wǎng)絡，全站采用MMS、SV、GOOSE報文共網(wǎng)傳輸，過程層設備GOOSE、SV和MMS報文采用同一個物理網(wǎng)絡接口傳輸。網(wǎng)絡交換機采用IEC61850建模技術，實現(xiàn)通信網(wǎng)絡管理和自動化系統(tǒng)管理的一體化，提高通信網(wǎng)絡調(diào)試和運維效率。全站共配置9臺工業(yè)級交換機。

站控層設備主要包括監(jiān)控主機與綜合應用服務器、數(shù)據(jù)服務器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關機、故障錄波及網(wǎng)絡報文分析儀、遠動通信柜、數(shù)據(jù)網(wǎng)接入設備柜、公用測控柜同步時鐘和遠動通信管理機，并配置一臺網(wǎng)絡打印機。站控層數(shù)據(jù)庫建庫以及主接線圖等按變電站遠景規(guī)模設置，便于以后擴建工程的實施。

間隔層設備按一次間隔劃分，包括控制單元、I/O單元、網(wǎng)絡部件和微機保護通訊接口單元等。過程層110 kV設備、主變壓器均采用一次設備外加智能組件方式，35 kV、10 kV均采用多合一裝置。

3.2.2 其他業(yè)務系統(tǒng)

站用電源交直流一體化系統(tǒng)包括：交流電源子系統(tǒng)、直流電源子系統(tǒng)、UPS電源子系統(tǒng)、通信電源子系統(tǒng)、應急照明電源子系統(tǒng)、一體化監(jiān)控子系統(tǒng)。

輔助控制系統(tǒng)包括圖像監(jiān)視及安全警衛(wèi)系統(tǒng)，火災報警系統(tǒng)、智能檢測與輔助控制系統(tǒng)，實現(xiàn)全站各個系統(tǒng)的智能聯(lián)動控制。

其他業(yè)務系統(tǒng)還包括全站時鐘同步系統(tǒng)、電能計量系統(tǒng)、設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等。

陂西變一體化業(yè)務平臺如圖3所示。

圖3 一體化業(yè)務平臺示意圖Fig. 3 The schematic diagram of integrated business platform

3.3 繼電保護及安全自動裝置

繼電保護配置采用層次化保護控制體系架構(gòu)，利用就地級、站域級、廣域級3級保護，構(gòu)成以就地保護為基礎、站域保護與廣域保護協(xié)同的多維層次化繼電保護系統(tǒng)。

1）就地級保護：保留現(xiàn)有的線路保護、母線保護、變壓器保護等功能，均采用直接采樣、直接跳閘方式。

110 kV線路保護采用保護、測控一體化裝置，集成非關口計量功能。110 kV線路配置一套完整、獨立的主保護及后備保護。每套主保護對全線內(nèi)發(fā)生的各種類型故障均能無時限動作切除，后備保護也能以階段式時限切除線路各種類型故障。每套主保護應有斷路器操作箱功能，實現(xiàn)三相跳閘。當系統(tǒng)穩(wěn)定要求需要快速切除故障時，需要配置全線速動保護，保護盡量采用光纖通信方式，在無法實現(xiàn)光纖通信時，可以采用載波通道。110 kV母線配置一套母線保護，110 kV分段斷路器配置分段保護。配置容量適中具有遠傳功能的微機故障錄波裝置。

110 kV主變壓器保護采用雙套主后一體化電量保護，配置單套非電量保護。后備保護：高壓側(cè)配置復合電壓閉鎖過流保護，低壓側(cè)配置時限速斷、復合電壓閉鎖過流保護；各側(cè)均配置過負荷保護，保護動作于信號。非電量保護：瓦斯保護，主變壓器本體的油位異常、壓力釋放、溫度保護等均動作于發(fā)信號。

35 kV及10 kV電壓等級采用多功能合一（保護、測控、考核計量、智能終端、合并單元集成）裝置。

2）站域級保護系統(tǒng)由2臺站域保護裝置實現(xiàn)，采用網(wǎng)絡采樣、網(wǎng)絡跳閘方式，并支撐廣域保護，其中一臺站域保護裝置配置110 kV線路冗余后備保護、110 kV主變?nèi)哂啾Ｗo、分段過流保護、斷路器失靈保護、加速后備保護、10 kV母線后備保護，另一臺裝置配置低周低壓減載、站域備自投、主變過載聯(lián)切。

3）廣域級保護控制的技術優(yōu)點：利用廣域電網(wǎng)信息、站域級就地層保護信息、優(yōu)化站域、就地層保護功能，進行電網(wǎng)的智能控制。本站對于廣域保護暫不做考慮。

3.4 合并單元智能終端集成裝置的配置

110 kV線路，分段保護單套配置，采用保護、測控、考核計量集成裝置，合并單元智能終端集成裝置單套配置，就地布置。

110 kV主變壓器高、中、低壓側(cè)合并單元智能終端集成裝置雙套配置，非電量保護與本體智能終端單套集成設計，主變壓器本體合并單元智能終端集成裝置單套配置、就地布置。

35 kV出線，10 kV出線、電容器、接地變均采用集成保護、測控、智能終端、合并單元、考核計量等功能的多合一裝置，單套配置。35 kV母線、10 kV母線配置合并單元智能終端集成裝置。

4 結(jié)語

本文根據(jù)新一代智能變電站的設計理念和思路，以陜西110 kV陂西變電站為研究對象，采用一、二次設備高度集成，電氣設備、預制艙模塊化設計、工廠化定制，全面支撐調(diào)控合一、運維一體的技術方案，在保證安全可靠的前提下，高度集成設備，優(yōu)化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，簡化回路接線，可顯著節(jié)省占地，為新一代智能變電站的示范推廣奠定了基礎。

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