智能變電站模塊化建設(shè)在內(nèi)蒙古電網(wǎng)的應(yīng)用

王 安，薛 峰，聶建春，張 振，宋瑞軍

(內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

智能變電站是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要組成部分，關(guān)系電網(wǎng)安全、質(zhì)量和效益。智能變電站模塊化建設(shè)是一種新的智能變電站建設(shè)模式，具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、模塊化組合、工廠化生產(chǎn)、集約化施工的特點(diǎn)，能全面提升電網(wǎng)工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理水平。推行智能變電站模塊化建設(shè)，是應(yīng)用模塊化思想推進(jìn)智能變電站高效建設(shè)的重要途徑[1-2]。內(nèi)蒙古電力公司于2018年下發(fā)了《推進(jìn)智能變電站模塊化建設(shè)實(shí)施方案》，從公司層面提出穩(wěn)步推廣應(yīng)用智能變電站模塊化建設(shè)，全面提升電網(wǎng)建設(shè)質(zhì)量和效率。本文以寶音110kV變電站工程為例，介紹了該工程電氣一次、電氣二次、土建等專業(yè)的模塊化關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)，為今后智能變電站模塊化建設(shè)在內(nèi)蒙古電網(wǎng)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 寶音110 kV變電站工程概況

寶音110 kV變電站位于烏海市千里山工業(yè)園區(qū)，隨著工業(yè)園區(qū)的不斷發(fā)展，用電負(fù)荷與日俱增，已有變電容量已不能滿足該園區(qū)新增負(fù)荷的供電需求，為加快建設(shè)進(jìn)度，盡快緩解供電緊張的情況，同時(shí)根據(jù)內(nèi)蒙古電力公司《推進(jìn)智能變電站模塊化建設(shè)實(shí)施方案》的要求，寶音110 kV變電站工程成為內(nèi)蒙古電網(wǎng)首個(gè)智能變電站模塊化建設(shè)的試點(diǎn)工程。由于受系統(tǒng)條件和外部條件所限，國家電網(wǎng)公司智能變電站模塊化建設(shè)通用設(shè)計(jì)中無本工程直接適用的基本方案，結(jié)合本工程實(shí)際特點(diǎn)并分析通用設(shè)計(jì)中各基本模塊的技術(shù)方案，本工程設(shè)計(jì)方案由110-A2-8和110-A3-3方案的基本模塊進(jìn)行拼接和局部調(diào)整形成。

1.1 建設(shè)規(guī)模

遠(yuǎn)期規(guī)模：80 MVA主變壓器3臺，110 kV出線3回，10 kV出線40回，每臺主變10 kV側(cè)裝設(shè)4 Mvar電容器1組、6 Mvar電容器2組。

本期規(guī)模：80 MVA主變壓器2臺，110 kV出線2回，10 kV出線28回，每臺主變10 kV側(cè)裝設(shè)4 Mvar電容器1組、6 Mvar電容器2組。

1.2 接線型式

110 kV遠(yuǎn)期采用擴(kuò)大內(nèi)橋接線，本期采用內(nèi)橋接線。

10 kV遠(yuǎn)期采用單母線六分段接線，本期采用單母線四分段接線(每臺主變低壓側(cè)設(shè)兩段母線)。

1.3 總布置及配電裝置

變電站采用半戶內(nèi)布置方式，除主變外其他主要電氣設(shè)備均布置在配電裝置樓內(nèi)。110 kVGIS配電裝置布置在配電裝置樓西北側(cè)，向北電纜出線，10 kV配電室布置在配電裝置樓中部，電容器室布置在配電裝置樓內(nèi)，二次設(shè)備室及輔助房間布置在配電裝置樓東側(cè)；主變壓器戶外布置在變電站中部；從北側(cè)進(jìn)站。變電站圍墻內(nèi)占地面積0.467 5 hm2，建筑面積1 868.31 m2。變電站鳥瞰圖及總平面布置如圖1、圖2所示。

圖1 寶音110 kV變電站鳥瞰圖

圖2 變電站總平面布置圖

2 智能變電站模塊化建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)

2.1 電氣一次部分

2.1.1 平面布置模塊化

寶音110 kV變電站平面布置實(shí)現(xiàn)模塊化，整體由110 kV配電裝置模塊、主變壓器及10 kV配電裝置模塊、配電裝置樓模塊3個(gè)基本模塊組成組成。電氣總平面布置如圖3所示。

圖3 電氣總平面布置圖

110kV配電裝置模塊主要內(nèi)容為：110kV出線本期2回、遠(yuǎn)期3回，本期內(nèi)橋接線、遠(yuǎn)期擴(kuò)大內(nèi)橋接線，戶內(nèi)GIS，電纜出線。

主變壓器及10 kV配電裝置模塊主要內(nèi)容為：主變壓器本期2臺80MVA、遠(yuǎn)期3臺80 MVA，戶外布置；10 kV出線本期28回、遠(yuǎn)期40回，本期單母線四分段接線，遠(yuǎn)期單母線六分段接線。

配電裝置樓模塊主要內(nèi)容為：一層半建筑，鋼框架結(jié)構(gòu)，配電裝置樓內(nèi)布置10kV配電裝置室、電容器室、110 kVGIS室、二次設(shè)備室等，設(shè)置地下電纜夾層，建筑面積1 803.17 m2，建筑體積8 394.5 m3。

平面布置模塊化的優(yōu)點(diǎn)一是有效地減少了占地面積和建筑面積，和常規(guī)全戶內(nèi)站相比，圍墻內(nèi)占地面積減少3.4%，建筑面積減小20%；二是在遇到非典型的電氣主接線或由于用地范圍限制而需調(diào)整布局的情況下，可以通過基本模塊的拼接、調(diào)整及組合，方便快捷地制定方案，從而適應(yīng)不同條件下的工程設(shè)計(jì)及建設(shè)，也是提高項(xiàng)目前期工作效率、促進(jìn)項(xiàng)目全生命周期收益增加的重要手段[3]。

2.1.2 主要設(shè)備參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化

寶音110 kV變電站中主變壓器、110 kVGIS、10 kV開關(guān)柜、10 kV電容器成套裝置等主要設(shè)備均按照《國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)備》要求選取，主要設(shè)備選用情況見表1所列。

表1 主要電氣設(shè)備參數(shù)表

主要設(shè)備參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化主要有以下優(yōu)點(diǎn)：一是可最大程度實(shí)現(xiàn)相同運(yùn)行條件下的同類設(shè)備互通互換，提高工程建設(shè)質(zhì)量和效率，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；二是可增強(qiáng)設(shè)備的統(tǒng)一性和通用性，有利于降低工程造價(jià)；三是通過合理優(yōu)化、科學(xué)配置設(shè)備參數(shù)，可以減少備品備件數(shù)量，有助于建設(shè)單位減少倉儲管理，提高經(jīng)濟(jì)效益[3]。

2.2 電氣二次部分

寶音110 kV變電站按智能變電站開展設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則采用“常規(guī)互感器+合并單元”的方式，三層設(shè)備結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一組網(wǎng)，信息共享，采用DL/T860通信標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率不低于100 Mbps，過程層設(shè)備模擬量采樣較常規(guī)站互感器繞組減少25%。站控層、間隔層采用雙星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，過程層采用單星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。110 kV線路保護(hù)、測控獨(dú)立配置、合并單元、智能終端等下放于GIS智能控制柜。10 kV線路、10 kV電容器、10 kV站用變采用保護(hù)、測控集成裝置，安裝于就地開關(guān)柜內(nèi)。根據(jù)智能變電站的設(shè)計(jì)要求，本著減少人工干預(yù)、提高系統(tǒng)集成度、實(shí)現(xiàn)變電站實(shí)時(shí)全景監(jiān)測、與集控站/調(diào)度端/分布式電源等協(xié)同互動提供支撐的原則，進(jìn)行高級應(yīng)用配置策略的研究，考慮目前高級應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，高級應(yīng)用實(shí)現(xiàn)順控操作。GIS智能化示意圖如圖4所示。

圖4 GIS智能化示意圖

2.2.1 電氣二次設(shè)備模塊化

傳統(tǒng)變電站電氣二次設(shè)備需要在現(xiàn)場進(jìn)行接線、調(diào)試等工作，由于設(shè)備多、接線復(fù)雜，導(dǎo)致該工作消耗的人力、物力較大，在一定程度上制約了工程建設(shè)進(jìn)度。智能變電站模塊化建設(shè)的主要技術(shù)之一是將電氣二次設(shè)備模塊化，實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)規(guī)模生產(chǎn)、集成調(diào)試、統(tǒng)一運(yùn)輸，大幅減少現(xiàn)場接線、調(diào)試工作，有效提高了工程建設(shè)質(zhì)量和效率，并縮短建設(shè)周期[4]，和常規(guī)站相比，工期縮短15 d。寶音110 kV變電站電氣二次設(shè)備模塊化配置如下：

1)一體化監(jiān)控系統(tǒng)模塊：變電站設(shè)置了一體化監(jiān)控系統(tǒng)，采集站內(nèi)電網(wǎng)運(yùn)行信息和二次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)變電站全景信息采集、處理、監(jiān)視、控制、運(yùn)行管理等功能；變電站就地及遠(yuǎn)方操作均采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)邏輯閉鎖加間隔內(nèi)電氣回路閉鎖的方式，不設(shè)專門的微機(jī)五防裝置。

2)就地化保護(hù)、測控模塊：保護(hù)、測控裝置與合并單元、智能終端就地安裝于智能控制柜內(nèi)，模擬量、開關(guān)量的采集以及控制命令的下發(fā)均采用數(shù)字量，通過由光路組成的光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸，減少人工干預(yù)、提高系統(tǒng)集成度，數(shù)據(jù)基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)建模，各IED設(shè)備間的信息共享和互操作性大大增加。保護(hù)裝置采用新型的數(shù)字化保護(hù)裝置，利用SV或GOOSE的通訊做相應(yīng)處理，裝置的交流頭插件利用SV采樣值光口板代替，開入開出板卡利用GOOSE光口板代替，保護(hù)裝置僅保留CPU插件完成保護(hù)算法以及鍵盤、液晶等人機(jī)界面；測控通過SV網(wǎng)絡(luò)接收電流電壓測量值，通過GOOSE完成信息量采集和控制命令下發(fā)等功能。10 kV保護(hù)測控集成裝置下放至10 kV開關(guān)柜內(nèi)，按相對集中原則設(shè)二次設(shè)備室，屏柜數(shù)量較通用設(shè)計(jì)減少7面，空間節(jié)省14%。

3)全站智能輔控系統(tǒng)模塊：建立站內(nèi)統(tǒng)一的輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站各類輔助系統(tǒng)運(yùn)行信息的集中監(jiān)管和智能控制。寶音變建立了智能監(jiān)測與輔助控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)圖像監(jiān)視、安全警衛(wèi)、火災(zāi)報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)一管理和監(jiān)視。

4)一體化電源系統(tǒng)模塊：包括站用交流電源、直流電源、交流不間斷電源(UPS)、通信電源、蓄電池等，實(shí)現(xiàn)全站交直流系統(tǒng)統(tǒng)一管理。

5)集中式故障錄波模塊：記錄各電壓等級過程層所有GOOSE信息、SV信息。

6)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析系統(tǒng)模塊：為實(shí)現(xiàn)對全站各種網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的實(shí)時(shí)監(jiān)視、捕捉、存儲、分析和統(tǒng)計(jì)功能配置獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置。網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析系統(tǒng)具備變電站網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)的在線監(jiān)視和狀態(tài)評估功能。

7)全站光纜預(yù)制模塊：根據(jù)一次系統(tǒng)配置，應(yīng)用配置工具，引入“虛點(diǎn)、虛擬端子、虛擬變電站”等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)、測試和監(jiān)視功能。

2.2.2 全站采用預(yù)制式光纜

寶音110 kV變電站采用分支式預(yù)制光纜，減少了光纖的熔接工作及光纜的使用數(shù)量。和同等規(guī)模的常規(guī)站相比，光纜用量減少了44%。二次光纜減少的同時(shí)也減少了現(xiàn)場安裝調(diào)試工作量，另外預(yù)制光纜的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了二次設(shè)備廠內(nèi)聯(lián)調(diào)。實(shí)現(xiàn)了“工廠化加工、工程化調(diào)試、工廠化驗(yàn)收”的理念，同時(shí)使設(shè)備“零缺陷”出廠成為了可能。

常規(guī)變電站光纜配合工作量大、供貨周期長、接線質(zhì)量低、現(xiàn)場改動工作量大等問題嚴(yán)重影響變電站的施工周期和運(yùn)行安全。寶音110 kV變電站采用預(yù)制光纜，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備間的“即插即用”式接線和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，有效提升了智能變電站建設(shè)效率和質(zhì)量。

2.3 土建部分

寶音110 kV變電站建有配電裝置樓、消防水泵房兩座建筑，均采用裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)，防火墻、電纜溝等構(gòu)筑物采用裝配式結(jié)構(gòu)。主要建(構(gòu))筑物材料實(shí)現(xiàn)工廠化預(yù)制、現(xiàn)場機(jī)械化施工，減少人工作業(yè)和濕作業(yè)，大大提高了施工效率。

2.3.1 裝配式建筑物

配電裝置樓和消防水泵房采用裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)梁、柱、肋板、連接板等主要承重構(gòu)件采用Q235B型鋼材，錨栓采用Q345B型鋼材，鋼結(jié)構(gòu)的傳力螺栓采用10.9級高強(qiáng)螺栓?？蚣苤捎孟湫徒孛?，框架梁采用H型截面，框架梁柱采用剛性連接，梁端翼緣加焊楔形蓋板，栓焊混合節(jié)點(diǎn)；柱腳采用螺栓連接，設(shè)置加勁肋。

配電裝置樓地上部分內(nèi)、外墻采用裝配式ALC墻板，200 mm厚；消防水泵房外墻采用裝配式NALC墻板，200 mm厚。配電裝置樓和消防水泵房主體結(jié)構(gòu)及外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工廠化加工，現(xiàn)場裝配式施工，如圖5所示，大大減少了環(huán)境、氣溫等外部條件對施工的影響，和常規(guī)戶內(nèi)站相比，施工工期縮短了近2個(gè)月。散水及女兒墻壓頂均采用預(yù)制混凝土構(gòu)件，減少現(xiàn)場濕作業(yè)工作量。配電裝置樓耐火等級一級，所有結(jié)構(gòu)主材均采用不燃性材料，鋼結(jié)構(gòu)防火處理采用涂刷厚型防火涂料的方法使鋼柱、鋼梁、屋頂承重構(gòu)件分別滿足3.0 h、2.0 h、1.5 h的耐火極限要求。內(nèi)、外墻采用裝配式ALC墻板，滿足耐火極限3.0 h的要求。消防水泵房耐火等級二級，所有結(jié)構(gòu)主材均采用不燃性材料，鋼結(jié)構(gòu)防火處理采用涂刷厚型防火涂料的方法使鋼柱、鋼梁、屋頂承重構(gòu)件分別滿足2.5 h、1.5 h、1.0 h的耐火極限要求。外墻采用裝配式NALC墻板，滿足耐火極限2.5 h的要求。

圖5 裝配式配電裝置樓墻體安裝

2.3.2 裝配式防火墻

主變壓器防火墻采用預(yù)制混凝土柱+裝配式墻板形式，預(yù)制柱采用C30混凝土，尺寸 7 650 mm×300 mm×300 mm， 截 面 設(shè)75 mm×70 mm凹槽?；A(chǔ)采用混凝土現(xiàn)澆杯口基礎(chǔ)，待混凝土柱吊裝就位后，杯口與柱體之間的縫隙采用C35細(xì)石混凝土二次澆筑，起到底部與墊層的穩(wěn)固連接的作用。墻體采用C30清水混凝土預(yù)制墻板，墻板尺寸3 580(1 420) mm×450 mm×60 mm，待混凝土異形柱安裝就位后將墻板從異形柱的凹槽插入，墻板安裝后采用1∶1水泥砂漿勾縫，能有效提升圍墻的穩(wěn)定性能。墻體耐火極限大于3 h，滿足規(guī)范要求[5]。裝配式防火墻如圖6所示。

圖6 裝配式防火墻

2.3.3 裝配式電纜溝

裝配式電纜溝由電纜溝體、支架和溝蓋板組成。裝配式電纜溝體截面呈U型，采用抗?jié)B等級P6的C30混凝土，單節(jié)電纜溝尺寸分為3 000 mm(長 )×1 820 mm(寬 )×2 060 mm(高 )、2 500 mm(長 )×2 440 mm(寬 )×2 380 mm(高 )兩種，電纜溝單體之間采用榫卯形式接合，接合處采用多級密封防水處理，溝底設(shè)有排水槽，具有施工工序少、工期短、受氣候影響小等優(yōu)點(diǎn)。支架采用鋼支架，支架焊接后進(jìn)行除銹處理，并整體鍍鋅防腐。溝蓋板采用無機(jī)復(fù)合蓋板，內(nèi)嵌平鋪于U型電纜溝上，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、防水及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)[6]。裝配式電纜溝如圖7所示。

圖7 裝配式電纜溝

3 結(jié)語

寶音110 kV變電站運(yùn)用智能變電站模塊化建設(shè)技術(shù)，通過優(yōu)化總平面布置，采用標(biāo)準(zhǔn)化的一次設(shè)備、智能化、模塊化的二次設(shè)備以及裝配式建(構(gòu))筑物，與同等規(guī)模的常規(guī)變電站相比，占地面積減少3.4%，建筑面積減少20%，建設(shè)工期工期縮短了2個(gè)月，有效提高了變電站的建設(shè)效率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，為內(nèi)蒙古電網(wǎng)進(jìn)一步推進(jìn)智能變電站模塊化建設(shè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。