一種集成型智能變電站設(shè)計(jì)思路的探討

花 植

(山西國辰建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，山西 陽泉 045000)

1 概述

電力系統(tǒng)重要組成部分之一就是35 kV變電站，為適應(yīng)電力市場激烈競爭及信息化、自動(dòng)化的要求，改建及新建35 kV變電站必須做到更低的成本、更高的可靠性、更好的電能質(zhì)量和更小的建設(shè)規(guī)模。35 kV變電站設(shè)有許多一、二次設(shè)備原件，其綜合性、系統(tǒng)性的技術(shù)要求很高。伴隨材料科學(xué)、電力電子技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及人工智能等技術(shù)的發(fā)展，35 kV變電站建設(shè)有了更廣闊、更人性化的實(shí)現(xiàn)方式及更豐富的實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段。同時(shí)基于這些領(lǐng)域的新發(fā)展、新技術(shù)，35 kV變電站更加智能化、自動(dòng)化的要求也更高，也已成為配電系統(tǒng)發(fā)展的重要研究方向。

35 kV變電站的微機(jī)數(shù)字化已經(jīng)實(shí)現(xiàn)功能包含監(jiān)測、控制、保護(hù)、記錄等，但這些功能從硬件構(gòu)成到功能實(shí)現(xiàn)基本相互獨(dú)立，各子系統(tǒng)間交叉、重疊的功能甚多，有些硬件需要在幾個(gè)子系統(tǒng)中重復(fù)安裝，各子系統(tǒng)間信息孤立且電流互感器、電壓互感器負(fù)載偏大，且二次接線繁多，造成整個(gè)35 kV配電系統(tǒng)可靠性偏低、建設(shè)投資偏大的缺陷。本文參照國家電網(wǎng)公司推薦的35 kV變電站典型設(shè)計(jì)方案，結(jié)合電網(wǎng)改造向縱深過程中各有關(guān)研究和生產(chǎn)部門積累的大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對新式集成型智能變電站的建設(shè)模式進(jìn)行了有益探索，有助于現(xiàn)代電網(wǎng)35 kV變電站建設(shè)和升級(jí)改造，提高供電質(zhì)量。

2 變電站的分類

目前變電站使用較多的型式為箱變，箱變型式又分為美式箱變和歐式箱變，這兩種箱變內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形都有較大區(qū)別，應(yīng)用的場合也不同。隨著科技的發(fā)展，緊湊型的變電站也已經(jīng)成為了研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。

1)美式箱變。其特點(diǎn)是占用空間小，安裝簡便，為與環(huán)境景觀協(xié)調(diào)更便于在外觀做美化，電纜出線長度較短，線路損耗及壓降更小，同時(shí)價(jià)格較低。美式箱變?nèi)秉c(diǎn)是供電的穩(wěn)定性偏低，沒有電動(dòng)機(jī)構(gòu)，現(xiàn)有箱體無法新增額外配電系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備，其不設(shè)電容無功補(bǔ)償裝置等。

2)歐式箱變。其優(yōu)點(diǎn)是對環(huán)境噪聲污染較美式箱變更小，對環(huán)境電磁輻射較美式箱變更低，歐式箱變的電力變壓器安放于變壓器金屬柜內(nèi)，金屬柜體可有效屏蔽變壓器的電磁輻射。同時(shí)歐式箱變箱體內(nèi)部能夠增設(shè)配電系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備。歐式箱變的缺點(diǎn)是其箱體較美式箱變箱體更大，造成安裝更繁瑣，同時(shí)不利于與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)進(jìn)而達(dá)到美觀要求。

3)緊湊型變電站。目前，隨著我國緊湊型變電站技術(shù)高速發(fā)展，其市場占有率得到提升，全國各地都制定了緊湊型變電站技術(shù)發(fā)展要求，市場使用率進(jìn)一步增加。然而緊湊型變電站依然有許多需要改進(jìn)的不足之處：仍然缺乏更加節(jié)能環(huán)保新材料電力變壓器的研究和使用；缺乏研究新型電量變換器及數(shù)字式光電量測系統(tǒng)；缺乏變電站集成技術(shù)的研發(fā)，包含智能型空氣斷路器和智能型其他開關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)；缺乏對數(shù)控和集成保護(hù)研究；缺乏人工智能和光纖網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在變電站的應(yīng)用研究；缺乏以上述技術(shù)為基礎(chǔ)的智能化變電站設(shè)計(jì)新理念研究。

3 35 kV集成型變電站典型模式

國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)35 kV變電站，包括戶外、戶內(nèi)和箱式變電站。35 kV變電站典型設(shè)計(jì)方案分類自上而下按兩個(gè)層次進(jìn)行劃分，即變電站布置方式、配電裝置型式。第一層按變電站布置方式：35 kV變電站典型設(shè)計(jì)分為戶外站(A型)、戶內(nèi)站(B型)和箱式變電站(D型)三大類；第二層按配電裝置型式：例如戶外變電站，可再劃分為戶外裝配式配電裝置和戶內(nèi)成套開關(guān)柜配電裝置兩類進(jìn)行設(shè)計(jì)。

電氣二次部分設(shè)計(jì)原則：35 kV變電站采用微機(jī)檢測控制系統(tǒng)(由高可靠性專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遙傳)；分散布置的35 kV變電站保護(hù)及控制系統(tǒng)，低壓側(cè)采用柜內(nèi)安裝的一體化保護(hù)測控裝置；主變壓器的保護(hù)和控制設(shè)備采用微機(jī)型設(shè)備，微機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)35 kV及10 kV系統(tǒng)小電流接地選線功能；變電站安裝安全警戒系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，完成35 kV變電站的安全警戒任務(wù)；變電站設(shè)置一套火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)。

集成型變電站將一次開關(guān)設(shè)備、自動(dòng)化保護(hù)裝置、交直流電源系統(tǒng)、自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)、通信設(shè)備、照明系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)(空調(diào)、除濕器、加熱器、煙霧監(jiān)測報(bào)警器、圖像監(jiān)視攝像設(shè)備等)、安防系統(tǒng)等設(shè)備和系統(tǒng)集成到同一個(gè)箱體中，箱體材料具有耐火、保溫、隔熱、防潮、防雨、防盜、防腐等特性。

4 新式集成型變電站建設(shè)模式探索

本文提出的35 kV變電站采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖1所示的是基于模塊化設(shè)計(jì)的變電站,主要包括40.5 kV組裝模塊、變壓器組裝模塊、10 kV組裝模塊3個(gè)部分，各個(gè)模塊之間的連接采用架空橋架或電纜兩種形式。

4.1 40.5 kV組裝模塊

40.5 kV組裝模塊放置于變壓器組裝模塊的進(jìn)線側(cè)，該模塊與其他模塊通過工廠預(yù)制的整體式電纜套管及可插拔式電纜插接頭來連接。進(jìn)線接口通過接插件與上級(jí)電站的出線側(cè)相連,是變電站能源的輸入口；出線接口除了電流輸出外，還留有供各模塊交流信息用的通信接口。該模塊在變壓器的高壓側(cè)設(shè)置貫穿式高壓電量數(shù)據(jù)終端，即傳感器式高壓電能表或者傳感器式組合互感器，以此實(shí)現(xiàn)對高壓側(cè)的計(jì)量，并將計(jì)量數(shù)據(jù)經(jīng)遠(yuǎn)傳無線、光纖等傳到低壓側(cè)；高壓側(cè)的電流電壓信號(hào)分別用毫安毫伏的弱信號(hào)傳到低壓側(cè)，還可用于精確控制。為了保證模塊能長期穩(wěn)定運(yùn)行，需要其具有防潮、隔熱、防凝露等功能，因此需要附加環(huán)境測控裝置。該模塊在使用時(shí)，直接運(yùn)到現(xiàn)場通過快速接頭即插即用，具有較高的安裝效率和運(yùn)行維護(hù)可靠性。

4.2 變壓器組裝模塊

該變電站的變壓器模塊主體選用新型變壓器。變壓器鐵芯選用符合能效標(biāo)準(zhǔn)的新材料，其空載損耗U0(變壓器二次側(cè)斷開時(shí)，在一次側(cè)產(chǎn)生的損耗功率)比傳統(tǒng)材料硅鋼片制成鐵芯的變壓器至少降低一半，空載電流(變壓器次級(jí)開路時(shí)，初級(jí)仍有一定的電流，這部分電流稱為空載電流)下降50%以上，同時(shí)具有運(yùn)轉(zhuǎn)溫度低、絕緣老化慢、使用壽命長、運(yùn)行性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。該新型變壓器要能適用于發(fā)展中地區(qū)電網(wǎng)等配變利用率較低的地方。該模塊除了選擇適合的配電變壓器外，集成化部分主要考慮對變壓器進(jìn)出線端子進(jìn)行改造，通過采用可拔插的電纜附件與進(jìn)出線模塊相連，提高設(shè)備安裝效率和集成度，方便調(diào)試檢修。

4.3 10 kV組裝模塊

10 kV組裝模塊放置于變壓器組裝模塊的出線側(cè)，該模塊與其他模塊是通過工廠預(yù)制的整體式電纜套管及可插拔式電纜插接頭來連接。進(jìn)線接口通過接插件與變壓器組裝模塊的出線側(cè)相連；出線接口除了電流輸出外，留有供各模塊交流信息用的通信接口；模塊的核心部件是內(nèi)部的智能開關(guān)，通過現(xiàn)場總線的信息共享，智能開關(guān)除了智能開斷/閉合變壓器組裝模塊的出線側(cè)的電流外，還可將該模塊的狀態(tài)監(jiān)測信息共享到現(xiàn)場總線上，供其他模塊實(shí)時(shí)使用，以達(dá)到整個(gè)變電站的高智能化；為了保證模塊能長期穩(wěn)定運(yùn)行，需要其具有防潮、隔熱、防凝露等功能，因此需要附加環(huán)境測控裝置。該模塊在使用時(shí)，直接運(yùn)到現(xiàn)場通過快速接頭即插即用，具有較高的安裝效率和運(yùn)行維護(hù)可靠性。

5 新式集成型變電站建設(shè)模式特點(diǎn)

新式35 kV集成型變電站容量及出線回?cái)?shù)不同，其組裝箱體的體積也不同，必須結(jié)合實(shí)際情況確定相應(yīng)的建設(shè)模式。本模式旨在建設(shè)集成化、智能化、高可靠、低成本、免維護(hù)的35 kV集成型變電站。

1)單個(gè)設(shè)備小型化。按照本變電站建設(shè)模式的思路，涉及到的主要設(shè)備包括40.5 kV組裝模塊、變壓器組裝模塊、10 kV組裝模塊。設(shè)備小型化可分為兩項(xiàng)：開關(guān)柜的小型化；變壓器組裝模塊的小型化。

開關(guān)柜小型化技術(shù)，需要細(xì)分到每一個(gè)組件的小型化。開發(fā)體積小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的操動(dòng)機(jī)構(gòu)；以減小智能單元尺寸為目的，選用高集成度的芯片；合理布置開關(guān)柜內(nèi)部幾個(gè)單元之間的進(jìn)出線格局，將進(jìn)一步減小整個(gè)集成柜體的體積。變壓器小型化主要是通過對35 kV集成型變電站的變壓器進(jìn)行選型，在保證整體效率的基礎(chǔ)上縮減體積。

2)一次設(shè)備和二次設(shè)備的融合。為適應(yīng)智能化變電站的發(fā)展趨勢，35 kV集成型變電站需要在有限的箱體空間內(nèi)最優(yōu)化設(shè)計(jì)和布置一次主設(shè)備與相應(yīng)的二次系統(tǒng)及設(shè)備，配置相應(yīng)的采集、測量、自動(dòng)控制、保護(hù)、自動(dòng)裝置、故障錄波等必備的保護(hù)功能。主變需要主保護(hù)裝置和后備保護(hù)裝置配合使用,主要實(shí)現(xiàn)主變差動(dòng)、后備保護(hù)，測控、計(jì)量、故障錄波等功能。小型化開關(guān)為以最小的空間提供最多的回路，需要將整體變電站的自動(dòng)化、保護(hù)、控制集中在集成型變電站的低壓室，實(shí)現(xiàn)便于運(yùn)行調(diào)度的目的。同時(shí)在模塊之間實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償設(shè)備與站內(nèi)其他設(shè)備的集成、消弧控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與集成也是一次設(shè)備和二次設(shè)備的集成化設(shè)計(jì)和融合的重要內(nèi)容。以及如何從整個(gè)電站的角度進(jìn)行設(shè)備防雷、操作電源和控制電源與其他設(shè)備的集成也是項(xiàng)目的難點(diǎn)。在滿足上述功能要求的同時(shí)，還要在有限的空間內(nèi)為35 kV集成型變電站預(yù)留相應(yīng)的維護(hù)空間和通道，滿足運(yùn)行維護(hù)人員工作的安全距離，便于設(shè)備的檢修和維護(hù)。

3)設(shè)備的模塊化安裝。在變壓器容量較小時(shí)，40.5 kV及10 kV的額定電流一般不會(huì)很大，臺(tái)套量一般不是很多。設(shè)計(jì)時(shí)考慮將整個(gè)變電站設(shè)計(jì)成40.5 kV組裝模塊、變壓器組裝模塊、10 kV組裝模塊三個(gè)可獨(dú)立運(yùn)輸安裝模塊，其他功能模塊盡可能分散集成到各設(shè)計(jì)模塊內(nèi)，比如：電容器補(bǔ)償為安裝方便就設(shè)計(jì)在相應(yīng)電壓等級(jí)的模塊內(nèi)；操作電源模塊可與中性點(diǎn)裝置等組成一個(gè)可獨(dú)立運(yùn)輸?shù)哪K；廠內(nèi)安裝時(shí)可根據(jù)功能分區(qū)不同，采用不同的隔間。每個(gè)模塊內(nèi)可將與本站就地控制的各項(xiàng)保護(hù)控制及智能控制單元功能分散到各開關(guān)單元內(nèi)，同時(shí)將與遠(yuǎn)端有關(guān)的各項(xiàng)信號(hào)預(yù)留出光纖通訊接口。設(shè)計(jì)完成后，按設(shè)計(jì)要求在廠內(nèi)完成各個(gè)可獨(dú)立運(yùn)輸模塊的安裝、設(shè)備調(diào)試、電氣控制(包括保護(hù))預(yù)聯(lián)調(diào)等工作?，F(xiàn)場安裝，可簡單將上述四個(gè)獨(dú)立單元模塊就位，用預(yù)制好的快速連接器連接后進(jìn)行設(shè)備聯(lián)調(diào)。

在變壓器容量較大時(shí)，40.5 kV及10 kV的額定電流大，臺(tái)套量多。設(shè)計(jì)時(shí)將整個(gè)變電站設(shè)計(jì)成40.5 kV組裝模塊、變壓器組裝模塊、10 kV組裝模塊等三個(gè)模塊，每個(gè)模塊功能集成和隔間劃分與小容量相同。每個(gè)模塊的各個(gè)功能單元分組件完成廠內(nèi)預(yù)制，開關(guān)設(shè)備單元完成廠內(nèi)調(diào)試?，F(xiàn)場安裝時(shí)，可以將預(yù)制好的單元部件分別運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后進(jìn)行組裝，用預(yù)制好的快速連接器連接后進(jìn)行設(shè)備聯(lián)調(diào)。

6 結(jié)語

智能變電站的關(guān)鍵技術(shù)是功能平臺(tái)的高利用率、空間低占用率，通過模塊化設(shè)計(jì)將原系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)高度整合，實(shí)現(xiàn)智能變電站的模塊化、小型化、高可靠性、低成本和免維護(hù)。隨著通信技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，智能化變電站已成為電力行業(yè)發(fā)展新方向，智能化變電站也將成為智能電網(wǎng)可靠、平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并為智能化電網(wǎng)建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。