二次系統(tǒng)模塊化技術(shù)在500 kV智能變電站中的應(yīng)用

馮俊杰，史俊峰，張廣勇

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司檢修公司，山西 太原 030032）

0 引言

智能變電站是智能電網(wǎng)建設(shè)中的核心環(huán)節(jié)，為了全面提升智能變電站的建設(shè)能力和效率，國(guó)家電網(wǎng)公司開(kāi)展了智能變電站模塊化建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用項(xiàng)目研究，完成了智能變電站模塊化建設(shè)總方案。創(chuàng)新提出智能變電站建設(shè)新模式，建立智能變電站通用一、二次設(shè)備技術(shù)體系，研制預(yù)制艙式二次組合設(shè)備，采用預(yù)制光、電纜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)“即插即用”，規(guī)范變電站二次設(shè)備和系統(tǒng)信息模型，實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)信息模型的集中管控。項(xiàng)目成果已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)35座智能變電站，從根本上推動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊、功能集成、信息融合和運(yùn)維便利的智能變電站模塊化建設(shè)，大力推行“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化加工、裝配式建設(shè)”理念，全面提升電網(wǎng)建設(shè)能力。其中，二次系統(tǒng)模塊化建設(shè)是智能變電站模塊化建設(shè)不可或缺的重要組成部分[1-2]。

1 龍城站簡(jiǎn)介

龍城500 kV智能變電站（又稱(chēng)太原南500 kV智能變電站），為國(guó)家電網(wǎng)公司“標(biāo)準(zhǔn)配送式”、“兩型一化”、“無(wú)人值守”智能變電站示范站。500 kV采用混合式組合電器HGIS（hybrid gas insulated switchgear），雙母3/2接線(xiàn)方式，一共有4個(gè)完整串；220 kV采用戶(hù)外GIS，雙母雙分段接線(xiàn)；35 kV采用戶(hù)外HGIS，單母接線(xiàn)方式。具體接線(xiàn)方式及站內(nèi)相關(guān)工程情況如表1所示。

2 二次系統(tǒng)模塊化

二次系統(tǒng)模塊化技術(shù)可以歸納為4點(diǎn)[3-4]。

a）預(yù)制式二次設(shè)備艙。二次系統(tǒng)模塊化技術(shù)與傳統(tǒng)的變電站建設(shè)模式最大的不同在于取消了傳統(tǒng)變電站中的二次小室，轉(zhuǎn)而設(shè)置預(yù)制艙。

b）預(yù)制式二次組合設(shè)備。預(yù)制艙內(nèi)設(shè)置有預(yù)制式二次組合設(shè)備，在工廠內(nèi)完成接線(xiàn)和調(diào)試。

c）預(yù)制式智能控制柜。目前國(guó)內(nèi)的智能變電站中均采用智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了一次設(shè)備智能化，在500 kV智能變電站中一般不單獨(dú)設(shè)置智能控制柜，而將智能組件集成布置于匯控柜內(nèi)部。

d） 預(yù)制光纜/電纜。預(yù)制光纜一般分為連接器型預(yù)制光纜和分支器型預(yù)制光纜。

表1 龍城站工程概況

2.1 站內(nèi)二次設(shè)備艙布置

龍城500 kV智能變電站的保護(hù)小室均采用標(biāo)準(zhǔn)配送式的二次設(shè)備艙，如圖1所示。該站內(nèi)的二次設(shè)備艙布置在一次設(shè)備原有空隙處，如圖2所示。相比傳統(tǒng)建設(shè)模式的繼電保護(hù)小室，預(yù)制艙式的保護(hù)小室更加節(jié)省站內(nèi)面積以及光纜電纜等設(shè)施。預(yù)制設(shè)備艙合理地利用了一次設(shè)備的間隙。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)配送式二次設(shè)備艙

圖2 二次設(shè)備艙現(xiàn)場(chǎng)布置

2.2 預(yù)制式二次設(shè)備艙

站內(nèi)的預(yù)制式二次設(shè)備艙內(nèi)的屏柜雙列布置,均采用前接線(xiàn)前開(kāi)門(mén)的形式，如圖3a所示，接口布置在裝置前面，如圖3b所示，正常工作時(shí)，顯示屏遮擋住插箱內(nèi)部的端子接線(xiàn)、連接器、板卡等，如圖4所示；檢修端子接線(xiàn)、連接器、板卡等，只需打開(kāi)屏柜門(mén)，將面板向上掀開(kāi)，如圖5所示，即可露出插箱內(nèi)部的端子接線(xiàn)、連接器、板卡等。艙內(nèi)屏柜采用前開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)，不設(shè)后門(mén)，屏柜正面朝向艙內(nèi)，背面靠艙體布置。該方式可以最大程度提高艙內(nèi)空間利用率。預(yù)制艙內(nèi)的屏柜均實(shí)現(xiàn)了工廠預(yù)裝、接線(xiàn)及調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)施工僅需進(jìn)行外部接線(xiàn)，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)的工作量；艙內(nèi)的輔助設(shè)施齊全，滿(mǎn)足恒溫、通風(fēng)、照明、門(mén)禁、視頻、通訊、消防等多種功能的需求。

預(yù)制艙內(nèi)還設(shè)置有光纖轉(zhuǎn)接柜，與艙內(nèi)二次裝置間采用尾纜或軟裝光纜連接，與艙外裝置間采用多芯室外預(yù)制光纜連接。

圖3 預(yù)制式二次設(shè)備艙示意圖

圖4 前接線(xiàn)裝置正常狀態(tài)

圖5 前接線(xiàn)裝置檢修狀態(tài)

2.3 模塊化組合二次設(shè)備及裝配式建筑

模塊化二次組合設(shè)備是集二次設(shè)備于一體的成套設(shè)備，底座采用熱軋型鋼，通過(guò)焊接或螺釘緊固方式連接成型為桁架結(jié)構(gòu)，作為支撐部件。底座除具備支撐、固定機(jī)柜的作用外，還應(yīng)具備行線(xiàn)、收納線(xiàn)纜、接地等功能。機(jī)柜安裝、接線(xiàn)完成后應(yīng)安裝具有輔助固定及保護(hù)機(jī)柜的輔助框架，防止運(yùn)輸及安裝過(guò)程中對(duì)機(jī)柜的損傷，輔助框架在設(shè)備就位后拆除，如圖6所示。

模塊化二次組合設(shè)備技術(shù)包含的范圍如下。

a）底座的制作、底座上屏柜的安裝、內(nèi)部電纜、尾纜及網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)的配線(xiàn)，接線(xiàn)、調(diào)試等工作。

b）對(duì)外光纜、電纜航空插頭的制作。

c）整體吊裝、運(yùn)輸至變電站現(xiàn)場(chǎng)及就位。

圖6 模塊化二次組合設(shè)備的安裝

2.4 光纜/電纜優(yōu)化整合及“即插即用”

2.4.1 預(yù)制光纜技術(shù)

預(yù)制光纜技術(shù)是在剝離出的光芯上直接安裝連接器，并以可靠方式加以固定保護(hù)。預(yù)制光纜消除了熔接斷點(diǎn)，可以直接插接或跳接設(shè)備，在消除繁冗熔接工作量的同時(shí)，又降低光路損耗，提高了系統(tǒng)通信可靠性。

模塊化智能變電站建設(shè)中，預(yù)制光纜取代了光纜熔接，跨房間、跨場(chǎng)地的二次設(shè)備之間采用預(yù)制光纜連接。譬如，預(yù)制艙式二次組合設(shè)備的光纖轉(zhuǎn)接柜與艙外設(shè)備間采用多芯室外預(yù)制光纜連接，如圖7所示，各間隔光纜連接由原來(lái)的預(yù)制式智能控制柜與艙內(nèi)多個(gè)二次設(shè)備的連接，簡(jiǎn)化為預(yù)制柜與預(yù)制艙的連接，各間隔采用1或2根多芯預(yù)制光纜完成預(yù)制柜與預(yù)制艙的所有接線(xiàn)。

圖7 預(yù)制多芯室外連接器型室外光纜結(jié)構(gòu)示意圖

龍城500 kV變電站采用“預(yù)制多芯室外連接器型室外光纜”及“預(yù)制光纜集中配線(xiàn)”方案，如圖8所示。并且全站光纜實(shí)現(xiàn)“即插即用”，艙內(nèi)接線(xiàn)工廠預(yù)制，預(yù)制艙內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)“零敷設(shè)”，全站屏柜“零光配”。

2.4.2 預(yù)制電纜技術(shù)

預(yù)制電纜在變電站領(lǐng)域引入了航空接插件的理念。要在智能變電站實(shí)現(xiàn)電纜“即插即用”，需要通過(guò)對(duì)變電站運(yùn)行環(huán)境和航空接插件特性的詳細(xì)分析，完善設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)需要滿(mǎn)足變電站施工、運(yùn)行環(huán)境的工藝參數(shù)加以明確，確立標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。同時(shí)，還需根據(jù)變電站特點(diǎn)，對(duì)機(jī)柜設(shè)計(jì)進(jìn)行適合航空接插件布線(xiàn)的重新優(yōu)化，用標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)柜和收納、固定、保護(hù)裝備改變施工中的隨意和無(wú)序狀態(tài)。

目前，預(yù)制電纜，如圖9所示，在智能變電站模塊化建設(shè)中主要用于氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備GIS（gas insulated switchgear）本體機(jī)構(gòu)箱至智能組件柜、敞開(kāi)式組合電器機(jī)構(gòu)箱至智能組件柜、主變本體至智能組件柜以及部分設(shè)備與電源的連接。

圖9 預(yù)制電纜

3 SCD配置軟件模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)

二次系統(tǒng)作為智能變電站的重要組成部分，由站控層、間隔層及過(guò)程層設(shè)備，連接三層設(shè)備的介質(zhì)（光纜、電纜），及實(shí)現(xiàn)三層設(shè)備邏輯關(guān)系的全站系統(tǒng)配置文件SCD（substation configuration description）等組成。智能變電站的二次設(shè)計(jì)很大一部分工作是虛端子連接并生成SCD文件，再由各設(shè)備制造商從SCD文件中導(dǎo)出智能電子設(shè)備IED（intelligent electronic device） 實(shí)例配置文件下載到裝置完成配置，即全站的SCD文件代替設(shè)計(jì)圖紙成為調(diào)試、運(yùn)維及改擴(kuò)建的直接依據(jù)。但SCD文件由變電站配置描述語(yǔ)言SCL（substation configuration language）語(yǔ)言描述，無(wú)法直觀體現(xiàn)全站配置信息，大大增加了設(shè)計(jì)、校審、調(diào)試、運(yùn)維、檢修及改擴(kuò)建全過(guò)程掌握全站配置的難度[5]。

SCD配置軟件模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)將智能變電站的二次系統(tǒng)建模和設(shè)計(jì)成果展現(xiàn)分離，采用獨(dú)立的配置模塊，供設(shè)計(jì)人員完成站內(nèi)二次系統(tǒng)建模，物理模型信息包括站內(nèi)小室、場(chǎng)地，室內(nèi)、外屏柜，柜內(nèi)裝置，裝置上板卡及端口信息；通過(guò)裝置間信息邏輯原理回路和端口連接配置操作，自動(dòng)識(shí)別屏柜連接關(guān)系，支持手動(dòng)修改屏柜轉(zhuǎn)接功能，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)站內(nèi)光纜、尾纜、跳纖的自動(dòng)分配；應(yīng)用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)IED能力描述文件ICD（IED capability description） 綁定、虛端子連接配置、地址分配、全站SCD文件的導(dǎo)出和導(dǎo)入功能；提供完善的工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理和設(shè)備模板庫(kù)管理等功能[6]。設(shè)計(jì)成果自動(dòng)繪制站內(nèi)信息原理圖、光纜聯(lián)系圖、虛端子圖等圖紙信息，如圖10所示，同時(shí)，自動(dòng)生成光纜聯(lián)系表、虛端子表和光纜清冊(cè)等統(tǒng)計(jì)表格信息。

圖10 SCD配置軟件模塊化結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

從二次設(shè)備預(yù)制艙，預(yù)制式二次組合設(shè)備，模塊化組合二次設(shè)備及裝配式建筑，光纜/電纜優(yōu)化整合及“即插即用”技術(shù)4個(gè)方面展開(kāi)了研究，為提升智能變電站的建設(shè)提供了工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。然而，目前為止針對(duì)模塊化智能變電站的電磁兼容性尚未有量化的精確數(shù)據(jù)，需要展開(kāi)相關(guān)的后續(xù)研究，以確保智能變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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