智能變電站中新技術與新設備的應用

曾湘聰

（蘭州倚能電力設計咨詢有限公司 甘肅省蘭州市 730000）

1 引言

智能變電站是指以高度集成化的智能設備，以先進可靠并且環(huán)保的技術為基礎，將變電站系統(tǒng)建設成一個具備網(wǎng)絡化、數(shù)字化和標準化的信息平臺。以這個系統(tǒng)化的變電站平臺為核心，達到高效可靠的自動化處理變電站信息，并且兼顧信息的收集、控制和保護。智能設備在變電站系統(tǒng)的運用，應當起到使整個變電站系統(tǒng)之實現(xiàn)自動化、智能化的高效控制、協(xié)同以及對設備信息的輔助分析的作用。智能化變電站系統(tǒng)的建設以及新技術和新設備在智能化變電站中的應用，最終目的是為了保障整個電網(wǎng)系統(tǒng)高效穩(wěn)定的安全運行，從而為我國的經(jīng)濟發(fā)展、工業(yè)發(fā)展以及人民群眾的幸福生活提供切實的基礎能源保障。

2 建設智能化變電站工程中的困難和挑戰(zhàn)

智能化變電站和傳統(tǒng)變電站相比，其顯著的優(yōu)點就是更加高效，并且可以通過一定的技術手段實現(xiàn)超越傳統(tǒng)變電站的安全性和可靠性。然而，智能變電站的發(fā)展同樣存在制約因素。智能化設備和傳統(tǒng)設備相比，其復雜程度是顯而易見的。智能化變電站不僅承擔著傳統(tǒng)變電站的一切功能，還為了追求效率而增加了相當多的智能化設備。

由于新設備的增加，操作和維護的工作流程應當為智能化變電站中的新設備設計專門的維護操作手段。新設備的增加，也要求對變電站的空間布局進行新形式的設計，以適應智能化設備和變電站之間的協(xié)同運作新模式。在進行空間布局設計的過程中，自然而然的產(chǎn)生了對智能化變電站高集成化的要求，這就要求智能化變電站的各個部件的設計思路應當把集成化作為一個重要方向。

另外，新興設備的安全性和使用壽命也是一個應當關注的問題。和傳統(tǒng)變電站經(jīng)過數(shù)十年的實踐摸索不同，智能化變電站中的許多設備并沒有充分暴露出有可能出現(xiàn)的故障和安全隱患，在設計、施工、操作、維護的各個階段都應當充分考慮到智能化變電站中的安全問題。在設計和建設智能化變電站時，應當考慮到如何避免對控制電路所產(chǎn)生的種種干擾，電磁感應所產(chǎn)生的環(huán)流又應該如何避免和解決。此外還要因地制宜的在對智能化變電站的空間布局進行設計的同時，做好防火、油封等設計和建設工作。

因此，從理論上論證新設備和新技術的可靠性就成了推動新技術和新設備在智能化變電站建設中至關重要的環(huán)節(jié)。在實踐中逐步驗證新技術設備的可靠性則是更為重要的。

3 以模塊化智能變電站位列看新技術和新設備的應用

3.1 模塊化建設

模塊化智能變電站的建設近年來逐漸成為變電站建設的主流方式，除了國家電網(wǎng)公司大力推廣模塊化的建設變電站以外，模塊化智能變電站其本身的優(yōu)勢才是近年來它越發(fā)流行的根本原因。

模塊化智能變電站對我國來說，本身就是一種相對新興的技術。雖然將變電站模塊化的設計建設思路早在上世紀八十年代就由美國提出，但我國的模塊化智能變電站只到2009年才于湖南省投入運行。低壓模塊化智能變電站的建設真正和我國電力工程系統(tǒng)完全契合，是2018年在國家電網(wǎng)公司的推動下，才逐步得以廣泛應用的。可見對我國的電氣基礎工程建設而言，模塊化的設計和建設變電站本身就是一種相對新興的技術。

模塊化建設的變電站和傳統(tǒng)建設方法相比，其優(yōu)勢是顯而易見的。和傳統(tǒng)的變電站建設模式相比，施工現(xiàn)場的施工對象從零件變成了高度集成化的變電站模塊。這樣一來，不論是施工成本還是工期，相比傳統(tǒng)的變電站建設而言都是大大減少的，而變電站的模塊建設則是由工廠預制的?？梢哉f，模塊化的建設施工方式是從源頭上解決我國電力網(wǎng)絡發(fā)展速度的重要手段。

在前期建設中采用工廠預制，現(xiàn)場安裝的模塊化設計思路，就決定了在后期維護、維修中同樣以模塊為單位進行維護。這就切實提高了維護的效率，為整個電力系統(tǒng)的可靠性、可用性提供了保障，也是一種降低維護成本的有效途徑。

模塊化智能變電站中同樣可以運用許多新的技術和設備，以達到提高效率和安全性并且降低成本的目的。

3.2 氣體絕緣線路

利用氣體作為絕緣介質(zhì)是一種十分成熟的技術了，廣泛應用于氣體絕緣開關設備中GIS(gas-insulated switchgear）。近年來，對氣體絕緣介質(zhì)的應用有了新的發(fā)展，在智能化變電站的建設中，可以采用氣體絕緣線路技術GIL(gas-insulated line）。氣體絕緣線路技術和氣體絕緣開關設備并不相同，它是利用六氟化硫氣體或六氟化硫氣體和氮氣的混合氣體去絕緣導體。氣體絕緣線路的優(yōu)勢在于它的維護過程，以及節(jié)約成本和提高安全性上。

采用氣體絕緣線路的變電站在維護過程中相對傳統(tǒng)變電站而言，它只需要采取及其有限的侵入式的維護手段，氣體絕緣線路可以說是提高了變電站整體線路的可靠性，而這對后期的維護和降低維護成本而言都是十分有利的。對于前期的施工建設而言，提高線路安全性就意味著設計施工的冗余空間更大，有更多的設計施工可能性。比如，為了減少施工成本，導線將可以直接安裝在變電站內(nèi)的地表，這是傳統(tǒng)線路所不易實現(xiàn)的。

此外，氣體絕緣線路技術和模塊化智能變電站的設計建設思路是相吻合的。智能化變電站本身就有著高度集成化的要求，模塊化建設也是集成化優(yōu)勢的一種體現(xiàn)，氣體絕緣線路在智能化變電站中的應用將為實現(xiàn)更高程度的繼承化提供技術上的可能性。以六氟化氫為絕緣介質(zhì)的斷路器可以和氣體絕緣變壓器GIT(gas-insulated transformer）進行配套的使用，從而構成一個全密封的成套的變電設備。

這種成套的全密封變電設備相對于傳統(tǒng)的變電設備而言優(yōu)勢是十分明顯的。變電站中，繞組和鐵芯在通電狀態(tài)下會產(chǎn)生相當多的熱量，和傳統(tǒng)的油浸式變電站不同，利用六氟化氫或氮氣本身就具備散熱的作用。而且，為了增強散熱的效果，可以采用增加氣體對流的方式以帶走更多的熱量。以絕緣氣體自身的特性散熱，不論是從設計施工難度還是成本上看，其優(yōu)勢都是顯而易見的。而且，從安全的角度看，絕緣氣體線路本身就具備防火、防爆等諸多優(yōu)點。

氣體絕緣線路的不足之處在于它對密封性有較高的要求。一旦發(fā)生氣體泄漏又沒有及時發(fā)現(xiàn)，其可能產(chǎn)生的安全隱患并不比傳統(tǒng)的變電設備小。如果沒有完善的操作維護工作流程，那么氣體絕緣線路技術在模塊化智能變電站中的安全性優(yōu)勢就蕩然無存了。因此，在利用氣體絕緣技術建設智能化變電站時，一定要考慮到材料、當?shù)氐淖匀画h(huán)境、氣候、生物等影響因素，同時要完善智能化變電站的后期操作和維護流程。

3.3 故障電流限制技術

我國目前的發(fā)電量和用電量都在不斷增加，這就意味著我國電力系統(tǒng)的負荷也隨之增加，那么電力系統(tǒng)的設計容量就自然應當隨著這一趨勢的變化增加。這也就導致了電路中發(fā)生故障的可能性較以往更大，利用新的技術是可以在一定程度上適應當前階段的對線路進行維修的要求的。

在傳統(tǒng)的故障線路維修過程中，切斷故障電流主要通過斷路器進行。但在當前階段，斷路器要承擔的任務越來越重，也就要求其分段能力必須足夠強大。這樣一來，斷路器的結(jié)構就愈發(fā)復雜，隨之而來的就是成本的水漲船高。

那么將發(fā)生故障的短路電流限制在一定的水平之下自然就成了當前階段智能化變電站的一個重要任務了，新型的故障電流限流設備在這一領域就能夠發(fā)揮出巨大的功用。不論是從維修的難度、效果上考慮，還是從成本上考慮，新型的故障電流限流設備都具有傳動斷路器無可比擬的優(yōu)勢。

隨著超導技術的發(fā)展，基于超導技術所開發(fā)的故障限流器就可以在某些產(chǎn)生故障的工況下限制故障電流的大小。超導限流可以在短短的幾十微秒內(nèi)就將短路線路的電流限制在電路設計電流的兩倍左右，這時再配合斷路器使用就可以很好的降低斷路器的負擔，從而達到高效的限制故障電流的效果。并且，利用超導技術限制故障電流從安全性上考慮也是一種極為必要的措施。除了利用超導技術外，背靠背高壓直流輸電技術等新型技術和設備都可以在不同的工況下起到保護故障電路，限制短路線路中電流的作用。

利用新型技術和設備限制故障電流在應用中的主要困難在于其所適用的環(huán)境相對狹窄。需要根據(jù)不同的工作環(huán)境以及不同的故障采用不同的技術，這樣才能起到安全高效的限制作用。在設計施工之時，就要考慮到該智能化變電站的環(huán)境和可能需要應對的問題，以此為根據(jù)選擇不同的技術設備。此外，是否需要進行冗余設計也是應當考慮的問題。另一個需要慎重對待的問題就是變電站中相關設備的可靠性問題，在對短路的故障電流進行控制的同時，有可能會對其他相關設備造成破壞，其他設備的可靠性就成了配合電流限制技術的重要因素。

3.4 智能化和信息化的技術的應用

在IEC61850 通信標準下，智能化變電站可以實現(xiàn)設備互聯(lián)、信息信息共享、提高運行可可靠性，降低維護難度，實時檢測變電站運行狀態(tài)等功能。實現(xiàn)智能化變電站的狀態(tài)信息可視化，利用實時信息和系統(tǒng)實現(xiàn)預警，輔助工作人員進行決策和操作以及實現(xiàn)站域的控制等等。

在信息技術的支持下，對智能化變電站的保護提供了十分有利的條件。一方面可以將對變電站狀態(tài)的定期監(jiān)測變?yōu)槭聦嵄O(jiān)測，極大程度上降低了有可能發(fā)生的事故。另一方面也可以利用站域控制事實對變電站負荷的控制，從而更好的保護變電站。

智能化、信息化的變電站相較于傳統(tǒng)變電站其優(yōu)勢是毋庸置疑的，與此同時，智能化變電站所面臨的問題也是傳統(tǒng)變電站所不用考慮的。智能化變電站中的許多集成化和信息化的設備可靠性在現(xiàn)階段還相對較差，尤其是在變電站內(nèi)部，工作環(huán)境是相當復雜的。比如，在智能化變電站中必不可少的感光元器件，其中有不少都是十分敏感的，這類元器件在復雜的工況下很有可能因為過于敏感而受到其他因素的影響，或者因為復雜的環(huán)境導致壽命衰減，失靈。

這些有可能出現(xiàn)的問題都會影響智能變電站的可靠性。智能變電站設備互聯(lián)的特點雖然大大提高了工作效率，另一方面也有可能是使得故障的范圍擴大。造成更為嚴重的不良影響，產(chǎn)生更多的經(jīng)濟損失。基于智能化變電站的這一特點，在設計施工時一定要盡可能的保障工程質(zhì)量，適當提高標準，進行適當?shù)娜哂嘣O計。并且在后期的維護過程中，不能完全的依賴智能化、信息化設備，必要的人工檢修是不可替代的，而且檢修過程中對應格外注意變電站中的智能化和信息化設備。

4 結(jié)語

兼顧效率和安全是在智能變電站中應用新技術與新設備應當首要考慮的因素。本文以模塊化智能變電站建設、氣體絕緣線路、故障電流限制技術以及智能化信息化設備的應用等幾個技術和設備為例，分析了新技術與新設備在智能化變電站應用中的優(yōu)勢與不足，以及潛在的風險。

綜上所述，新技術和新設備的優(yōu)勢是巨大的，潛在的風險是可以規(guī)避的。在實際應用當中，推廣新技術和新設備是未來發(fā)展的趨勢，出于可靠性和安全性的考慮，在應用這些技術和設備的過程中應當細化操作流程，對可能出現(xiàn)的風險進行預防。我們應該努力使得新技術和新設備在使得變電站工作效率的提的同時兼顧安全和可靠。