自動(dòng)化變電站二次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題探討與分析

珠海電力建設(shè)工程有限公司 郭文高

1 自動(dòng)化智能變電站概述

智能變電站是采用集成環(huán)保的智能設(shè)備，自動(dòng)完成信息采集等基本功能，支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制等高級(jí)功能。自動(dòng)化智能變電站的主要作用是為調(diào)控一體化提供技術(shù)支撐，實(shí)施電網(wǎng)監(jiān)控操作，滿足大用戶要求。自動(dòng)化變電站能監(jiān)測(cè)物理狀態(tài)，通過通信平臺(tái)傳遞異常狀態(tài)信息，智能化一次設(shè)備建立在傳統(tǒng)設(shè)備上，智能組件主要承擔(dān)控制等基本功能，智能化二次設(shè)備主要承擔(dān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，智能輔助設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)的信息共享。

自動(dòng)化變電站采用智能設(shè)備，提高設(shè)備的集成化程度，常規(guī)變電站按功能設(shè)計(jì)，自動(dòng)化變電站從其構(gòu)成進(jìn)行系統(tǒng)整體協(xié)同一體化設(shè)計(jì)。常規(guī)變電站采用大排行模式，降低了系統(tǒng)的可靠性，自動(dòng)化變電站采用全站共享的信息共享機(jī)制，體現(xiàn)了信息的全站唯一特征[1]。我國自動(dòng)化變電站電網(wǎng)建設(shè)包含發(fā)電等環(huán)節(jié)，變電站經(jīng)歷了集中式變電站的發(fā)展歷程，智能電網(wǎng)建設(shè)為變電站發(fā)展提出了新的要求，集中式變電站采用面向點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集柜，系統(tǒng)某一模塊故障將導(dǎo)致系統(tǒng)故障。90年代中期出現(xiàn)分散式變電，采用包含GPS對(duì)時(shí)等設(shè)備的間隔層。21世紀(jì)初出現(xiàn)面向間隔設(shè)計(jì)，采用電子式互感器實(shí)現(xiàn)就地化數(shù)字采集，應(yīng)用功能智能化，全站信息共享等方面進(jìn)行提高。

電網(wǎng)設(shè)施對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義，很多國家將智能電網(wǎng)發(fā)展提上日程，2010年我國政府報(bào)告首次寫入智能電網(wǎng)。自動(dòng)化變電站能實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)電網(wǎng)信息交互，自動(dòng)化智能變電站具有網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，具有采樣就地?cái)?shù)字化，通訊規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)勢(shì)。我國智能變電站發(fā)展經(jīng)歷各種挑戰(zhàn)，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)制定引起電力領(lǐng)域的重視，國家電網(wǎng)調(diào)度中心進(jìn)行系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)，開發(fā)實(shí)現(xiàn)IEC61850定義的功能設(shè)備[2]。清華大學(xué)等單位自90年代開始電子互感器研究，二次設(shè)備集成高級(jí)應(yīng)用開發(fā)等取得很大成效。智能變電站分為站控層、過程層等結(jié)構(gòu)，自動(dòng)化變電站自出現(xiàn)后不斷發(fā)展，變電站二次系統(tǒng)未來發(fā)展方向是系統(tǒng)智能化等。二次設(shè)備發(fā)展方向是應(yīng)用數(shù)據(jù)就地采集技術(shù)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)分析。

2 自動(dòng)化變電站二次系統(tǒng)的研究

近年來國家電網(wǎng)推行特高壓項(xiàng)目建設(shè)走向?qū)嵱没?，未來大?guī)模新能源得到廣泛應(yīng)用。新能源需根據(jù)資源配置優(yōu)化要求制定協(xié)同配合運(yùn)行測(cè)量。變電站自動(dòng)化技術(shù)快速發(fā)展促進(jìn)一二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。自動(dòng)化變電站實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)，系統(tǒng)可用于調(diào)控變壓器等基礎(chǔ)設(shè)備為主的一次系統(tǒng)[3]。二次系統(tǒng)采用安全的一體化智能設(shè)備，自動(dòng)完成信息采集測(cè)控等基本功能。

自動(dòng)化變電站二次系統(tǒng)通過互感器與一次系統(tǒng)聯(lián)系，傳統(tǒng)變電站無法實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)信息共享，對(duì)二次系統(tǒng)提出更高的要求，要實(shí)現(xiàn)對(duì)一次系統(tǒng)的測(cè)控等基本功能，需具備電子式互感器等高級(jí)應(yīng)用。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化變電站為相關(guān)技術(shù)研究奠定良好基礎(chǔ)。國內(nèi)外對(duì)智能變電站理論研究趨于成熟，研究高壓自動(dòng)化電氣設(shè)備對(duì)電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。近年我國自動(dòng)化變電站理論研究迅速發(fā)展，一些技術(shù)僅停留于概念上[4]。國內(nèi)技術(shù)水平相比國外存在一定差距。目前研究設(shè)備狀態(tài)檢修包括一次設(shè)備狀態(tài)檢修，二次系統(tǒng)中過程層設(shè)備要發(fā)展為智能一次設(shè)備。目前投運(yùn)的自動(dòng)化變電站采用智能終端箱就地配置方式，將設(shè)備模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

自動(dòng)化變電站模塊化建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)包含預(yù)制式智能控制柜等，實(shí)際工程參照典型施工圖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按相關(guān)規(guī)程規(guī)范應(yīng)用，二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，有效的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝配與調(diào)試工作，使電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)度控制[5]。模塊配置主要依照功能為對(duì)象分類，智能站繼電保護(hù)主要設(shè)置站控層設(shè)備模塊，中高壓側(cè)間裝置元件，根據(jù)預(yù)制艙具體布置開展多模塊組合設(shè)置。采用機(jī)架式模塊化屏柜結(jié)構(gòu)為基本設(shè)備單元，實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備模塊化，對(duì)外預(yù)制光電接口形成高級(jí)模塊。

3 自動(dòng)化變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意問題

智能自動(dòng)化變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵是二次虛回路設(shè)計(jì)，要明確智能裝置包的含義。智能裝置是通用的運(yùn)作平臺(tái)，要注意軟件開發(fā)商與型號(hào)。智能變電站中包括數(shù)字化變電站，可通過配置數(shù)據(jù)描述系統(tǒng)功能安置情況，常規(guī)變電站二次工程設(shè)計(jì)不存在傳統(tǒng)二次電纜回路，智能變電站應(yīng)認(rèn)真配置各GOOSE 信息。

自動(dòng)化變電站二次安防體系設(shè)計(jì)要注意間隔層，做好相關(guān)配置優(yōu)化工作。二次安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)要關(guān)注配置中出現(xiàn)的問題，如某二次安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用主機(jī)為雙套配置主機(jī)，需要對(duì)信息子站共享。二次防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要加強(qiáng)過程層設(shè)備配置，如變電站在220～750kV 內(nèi)智能終端要進(jìn)行冗余配置。二次安防系中傳統(tǒng)設(shè)計(jì)無法抵抗外界危險(xiǎn)因素干擾，需要對(duì)保護(hù)配置等優(yōu)化，保障信息互動(dòng)性[6]。

變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要注意及時(shí)記錄網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)信息。自動(dòng)化變電站應(yīng)用裝置SV 輸入信號(hào)與GOOSE 端子存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，開入斷路器位置應(yīng)考慮線路保護(hù)，將變電站設(shè)計(jì)位置傳入智能終端。虛端子無法對(duì)常規(guī)變電站可見斷開點(diǎn)設(shè)置，回路可擁有明顯斷開點(diǎn)。目前很多過繼電保護(hù)廠商采用GOOSE 數(shù)據(jù)流向圖完善二次回路設(shè)計(jì)，按設(shè)備電壓等級(jí)劃分內(nèi)容。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定二次系統(tǒng)技術(shù)方案，變電站設(shè)備間電流通過SV 數(shù)據(jù)流圖標(biāo)識(shí)。二次設(shè)備廠商提供相應(yīng)Excel 表格形式裝置輸入端子定義，完成二次系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)大型變電站采用強(qiáng)電一對(duì)一控制方式，90年代中期改進(jìn)傳統(tǒng)變電站控制系統(tǒng)，改進(jìn)控制系統(tǒng)未根本改善效益，設(shè)計(jì)單位往往常規(guī)控制與計(jì)算機(jī)監(jiān)控方式并存，使用常規(guī)控制方式時(shí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)成為變電站的擺設(shè)，伴隨運(yùn)行部門認(rèn)識(shí)提高，對(duì)變電站應(yīng)廣泛采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控方式，能有效的預(yù)警突發(fā)事件。電氣工程人員應(yīng)重視電氣二次系統(tǒng)設(shè)備與一次設(shè)備連接問題，高壓斷路器機(jī)構(gòu)內(nèi)長有電氣防跳回路，會(huì)出現(xiàn)危機(jī)保護(hù)情況必須將機(jī)構(gòu)防跳回路斷開，主接線設(shè)計(jì)原則是簡(jiǎn)化接線，電壓互感器運(yùn)行中不起作用，現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)時(shí)將電壓互感器TV與主回路分開。

4 自動(dòng)化變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潮州110kV 東津輸變電工程計(jì)劃2022年12月建成投產(chǎn)，110kV 東津變電站位于潮州市湘橋區(qū)意溪鎮(zhèn)上津村，目前該片區(qū)主要由110kV 橋東站供電，建設(shè)用地面積約40平方公里。預(yù)計(jì)“十四五”期間用電負(fù)荷增長，為緩解110kV 橋東站供電壓力，減少10kV 供電半徑，提高湘橋電網(wǎng)的供電能力，建設(shè)110kV 東津輸變電工程十分必要。

110 kV 東津變電站規(guī)劃首期主變規(guī)模2×40 M VA，變電站采用全戶內(nèi)G IS 布置方案，110kV 采用單母線分段接線。推薦站址為唯一站址，站址交通條件便利。地勢(shì)較平坦，站址規(guī)劃紅線用地面積為5597.4m2。110kV 東津變電站為新建變電站，解口橋東-意溪110kV 線路1回，本期工程在本站配置自動(dòng)化設(shè)備。根據(jù)業(yè)務(wù)通道需求建設(shè)光纜；在110kV 東津變電站配置傳輸設(shè)備、通信電源等通信設(shè)備，滿足遠(yuǎn)動(dòng)自動(dòng)化和調(diào)度電話物理路由的通道要求。電力系統(tǒng)二次設(shè)計(jì)范圍包括系統(tǒng)繼電保護(hù)、系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化、系統(tǒng)通信等。

變電站綜合自動(dòng)化是高變電所安全可靠運(yùn)行、降低運(yùn)維成本的有效措施，由于目前綜合自設(shè)設(shè)備技術(shù)不夠成熟，不同設(shè)備設(shè)計(jì)方案組成自動(dòng)化實(shí)施方法不同。變電站采用綜自系統(tǒng)是加強(qiáng)電網(wǎng)管理的重要措施，變電站采用綜自系統(tǒng)有利于減少現(xiàn)場(chǎng)誤操作事故，提高電網(wǎng)運(yùn)行管理水平，降低變電站建設(shè)運(yùn)行成本，帶動(dòng)電力企業(yè)技術(shù)進(jìn)步。為使交流操作系統(tǒng)電源具備穩(wěn)定性，直流平鋪提供直流220V 電源，改用UPS 輸出交流220V 電源提點(diǎn)。跳合閘回路使用交流220V，UPS 提供保護(hù)等微機(jī)裝置故障電源采用交流220V，機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能電源使用交流220V，中央信號(hào)回路采用直流24V，開關(guān)電源輸入為UPS輸出交流220V。

交流操作綜自站10kV 開關(guān)多采用戶外桿上操作機(jī)構(gòu)，屏面布置應(yīng)注意不同柜體間相同性質(zhì)安裝單元，在屏面高度等對(duì)應(yīng)一致；相同保護(hù)測(cè)控裝置應(yīng)考慮安裝同屏面上；屏面布置元件滿足調(diào)試運(yùn)行巡查方便要求；變壓器保護(hù)設(shè)備等布置在不同屏面。同安裝單元各套獨(dú)立保護(hù)配置在屏面上。變電站綜合自動(dòng)化可以使其運(yùn)行更加安全可靠，目前綜自技術(shù)設(shè)備較為成熟，可購置必要二次設(shè)備改進(jìn)綜自二次設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化變電站安全高效運(yùn)行。變電站二次設(shè)計(jì)要注意設(shè)備選型與系統(tǒng)優(yōu)化，二次設(shè)備選型要注意母線電壓切換、線路過流保護(hù)裝置等問題。

目前35kV 變電所設(shè)備選型中，10kV 斷路器主要選用真空斷路器。正常運(yùn)行不使用斷路器基本防跳回路，斷路器本體防跳回路應(yīng)在投運(yùn)前接觸，重合閘裝置要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投退，重合閘電源應(yīng)自動(dòng)投入，遙控與當(dāng)?shù)夭僮魈l后，重合閘裝置自動(dòng)放電。低頻減負(fù)荷抓昂志動(dòng)作跳閘自動(dòng)閉鎖重合閘。微機(jī)綜自變電所實(shí)現(xiàn)無人值守，目前35kV 變電所主變選用載調(diào)壓變壓器，應(yīng)選用實(shí)現(xiàn)電容器分級(jí)自動(dòng)投切的綜自裝置。通過結(jié)合母線電壓對(duì)檔位升降調(diào)節(jié)。高于110kV 電壓等級(jí)系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障率較高，線路保護(hù)中采用零序電流快速切除單相接地故障。為避免變壓器發(fā)生電流保護(hù)無選擇性動(dòng)作，高壓復(fù)閉流過保護(hù)時(shí)間級(jí)差大于低壓側(cè)過電流保護(hù)最小動(dòng)作時(shí)限。將斷路器跳開，避免導(dǎo)致母線失電。