500 kV變電站智能化改造模式研究

陳國飛 ，李有春 ，賈建明

（1.華北電力大學(xué)，北京 102206，2.金華電業(yè)局，浙江 金華 321017）

0 引言

智能電網(wǎng)是以發(fā)電、輸電、配電、儲能和用電的電力系統(tǒng)為對象，應(yīng)用數(shù)字信息技術(shù)和自動控制技術(shù)，實現(xiàn)從發(fā)電到用電各環(huán)節(jié)信息雙向交流，優(yōu)化電力的生產(chǎn)、輸送和使用。智能變電站是堅強智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐［1］。

隨著數(shù)據(jù)采集、自動控制等相關(guān)數(shù)字化技術(shù)日趨成熟，并達到實用程度。智能變電站建設(shè)逐步擴大，為構(gòu)筑未來智能電網(wǎng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。通過變電站智能化升級改造，可以實現(xiàn)變電站運維成本的降低、優(yōu)化資源配置、提升運行指標(biāo)。

國家電網(wǎng)公司明確提出建設(shè)“堅強、智能”電網(wǎng)的要求，并完成了第一批試點智能化變電站建設(shè)。在未來3～5年內(nèi)，2004年以前投運的500 kV變電站設(shè)備將陸續(xù)到達改造年限，智能化變電站也將進入大范圍的推廣應(yīng)用階段。從基于智能電網(wǎng)技術(shù)改造的角度出發(fā)，對500 kV變電站的智能化改造技術(shù)方案、改造工程中的關(guān)鍵技術(shù)和過程管理進行研究顯得十分必要。

1 500 kV變電站的基本現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)運行的500 kV變電站一次設(shè)備大部分是常規(guī)設(shè)備，設(shè)備類型比較簡潔，但接線方式與典型設(shè)計的要求有一定差距，投運的智能化一次設(shè)備數(shù)量較少。二次設(shè)備也僅試點變電站具備一定的智能化程度，按二次設(shè)備的技術(shù)類型，主要可以分為以下三種類型。

常規(guī)保護＋RTU監(jiān)視模式。早期部分未完成計算機監(jiān)控模式改造的變電站采用該類型結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)操作控制屏、模擬屏方式，有人值班，采用110 V直流強電點對點控制方式；保護設(shè)備國產(chǎn)、進口混雜，設(shè)備配置與典型設(shè)計要求差距較大，運行時間長，技術(shù)落后；控制室空余屏位較少或沒有，不利于常規(guī)模式改造，大量使用控制、信號電纜，大量使用長電纜，直流接地問題較多。

常規(guī)保護＋計算機監(jiān)控模式。目前大量運行的變電站采用該類型結(jié)構(gòu)，自動化系統(tǒng)采用計算機監(jiān)控方式；保護設(shè)備國產(chǎn)、進口混雜，主變、母差保護等的配置不完善，與典型設(shè)計要求差距較大，技術(shù)較落后；控制小室空余屏位較少，不利于常規(guī)模式改造，采用網(wǎng)絡(luò)通訊，長電纜使用量有所減少。

數(shù)字化保護＋智能監(jiān)控系統(tǒng)模式。自動化系統(tǒng)基于DL/T860技術(shù)體系設(shè)計，三層兩網(wǎng)或兩層兩網(wǎng)配置，即站控層、間隔層、過程層，MMS網(wǎng)絡(luò)和GOOSE網(wǎng)絡(luò)，配置一體化智能平臺，具備一定程度的智能化功能；保護設(shè)備均為國產(chǎn)設(shè)備，配置符合典型設(shè)計要求，一般采用直采直跳方式，少數(shù)變電站采用網(wǎng)絡(luò)傳輸保護分、合閘命令；控制小室面積大幅縮小，采用高壓場地就近布置，普遍應(yīng)用光纜傳輸量測、信號、控制命令，就地保留極少量電纜；一次設(shè)備智能化應(yīng)用程度不一，但具備良好的可擴展性。

以上幾種類型變電站都是對應(yīng)于不同時期電網(wǎng)技術(shù)進步的產(chǎn)物，目前不同數(shù)量程度上并存，受制于技術(shù)水平和設(shè)備壽命，通過技術(shù)改造，都將逐步統(tǒng)一到智能化變電站。

2 智能化改造應(yīng)遵循的基本原則

智能化改造應(yīng)符合國家電網(wǎng)的統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)的目標(biāo)和智能化變電站導(dǎo)則，依據(jù)《國家電網(wǎng)公司“十二五”電網(wǎng)智能化規(guī)劃》和智能電網(wǎng)項目建設(shè)意見，貫徹全壽命周期管理理念，結(jié)合變電站設(shè)備更新和改、擴建工程，安排變電站智能化改造，避免為了“智能化”而智能化改造。

堅持向典型設(shè)計靠攏的原則，優(yōu)化主接線和設(shè)備配置，節(jié)約項目整體投資。

遵循科技進步原則，改造項目應(yīng)具有一定的技術(shù)前瞻性，不應(yīng)停留在簡單更換的水準(zhǔn)，能適應(yīng)較長時期內(nèi)的存在的不同類型設(shè)備的技術(shù)兼容問題。

貫徹全壽命周期管理理念，運用全壽命周期成本（LCC）方法進行技術(shù)經(jīng)濟的綜合分析評價，提高技改工程的效益。全面考慮設(shè)備 （項目）或系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、制造、購置、安裝、運行、維修、改造、更新、直至報廢的全過程，追求供電質(zhì)量控制和提高的最優(yōu)化，使全壽命周期費用最小［2］。設(shè)備選型應(yīng)考慮現(xiàn)階段國內(nèi)主流廠家的制造能力，同時本著可靠性、先進性和經(jīng)濟性原則。

符合項目風(fēng)險最小原則，兼顧技術(shù)先進的同時，將風(fēng)險最小理念貫徹到設(shè)計、設(shè)備選型，施工方案優(yōu)化，過程應(yīng)急管理等方面。

3 智能化改造的目標(biāo)

在智能電網(wǎng)的背景下，智能化變電站是運行變電站改造的必然選擇，至于改造是否一步到位，要視工程實際情況決定，但應(yīng)有步驟實現(xiàn)以下改造目標(biāo)，避免較短時期內(nèi)的多次重復(fù)改造。

遵循典型設(shè)計規(guī)范，結(jié)合電網(wǎng)運行方式情況，調(diào)整接線、配置，使之成為典型的標(biāo)準(zhǔn)接線、配置，減少電網(wǎng)運行風(fēng)險。

一次設(shè)備應(yīng)當(dāng)結(jié)合設(shè)備壽命情況，建議采用新型智能化一次設(shè)備替換原有設(shè)備，和在原有設(shè)備上附加智能化組件兩種方式結(jié)合的改造路徑，使一次設(shè)備具備相應(yīng)的智能化程度，利于設(shè)備的狀態(tài)檢修、自診斷和各種高級應(yīng)用需求。

自動化系統(tǒng)、保護設(shè)備應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)一體化智能平臺，具備強大的系統(tǒng)兼容能力，采集數(shù)字化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化，大幅度減少電纜使用量，支持大容量數(shù)據(jù)實時傳輸，集成各類在線智能分析診斷、告警和全覆蓋的程序化操作、調(diào)控一體化等運行需求，為狀態(tài)檢修等各種離線應(yīng)用提供技術(shù)支持。

4 智能化改造的關(guān)鍵點和解決方案

4.1 一次主接線優(yōu)化

早期500 kV網(wǎng)架薄弱、出線少，考慮供電可靠性需求，設(shè)置500 kV出線及主變進線隔離開關(guān)和220 kV旁路母線，220 kV出線只配置單相電壓互感器。由于聯(lián)閉鎖和同期操作等因素，二次接線較復(fù)雜。

目前，500 kV和220 kV電網(wǎng)聯(lián)系已較為緊密，220 kV以上電壓等級配電裝置形成多環(huán)形供電，因停電檢修而出現(xiàn)母線解環(huán)的概率較低，線路兩側(cè)開關(guān)斷開對變電站運行影響不大，按國家電網(wǎng)公司推廣變電站典型設(shè)計實施方案的要求，出線配三相電壓互感器，簡化二次回路，并順應(yīng)目前DL/T860的站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)改造，減少線路電壓GOOSE切換，增加系統(tǒng)可靠性。

4.2 一次設(shè)備智能化改造

智能組件作為智能變電站設(shè)備層的關(guān)鍵設(shè)備，是一次設(shè)備的智能化重要特征。主要是各一次設(shè)備控制器，如變壓器冷卻系統(tǒng)匯控柜、有載調(diào)壓開關(guān)控制器、斷路器控制箱等。智能組件可以集成、分散、內(nèi)嵌、外置等任意組合靈活架構(gòu)，設(shè)備改造進度也可結(jié)合設(shè)備壽命周期，靈活掌握。

以2010年500 kV芝堰變智能化改造配置為例。

500 kV主變智能組件：就地布置主變智能組件柜，包括主IED、各監(jiān)測設(shè)備IED（局部放電、工況信息監(jiān)測IED，油色譜、微水監(jiān)測、鐵心接地電流相關(guān)參量IED，冷卻裝置監(jiān)測IED），冷卻器IED負責(zé)將主變頂層油溫、主變負荷參量送至主IED，圖1所示。

圖1 500 kV主變智能組件功能配置

500 kV開關(guān)智能組件：開關(guān)在線監(jiān)測裝置配合智能終端安裝，就地布置高壓場地，集開關(guān)保護測控一體化裝置、智能終端與常規(guī)互感器就地采樣合并單元一體化裝置、開關(guān)在線監(jiān)測裝置于一體，實現(xiàn)斷路器保護、測量、控制、在線監(jiān)測等功能，實現(xiàn)一次設(shè)備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，保護按“直采直跳”，圖2所示。

圖2 500 kV開關(guān)智能組件功能配置

220 kV開關(guān)智能組件：配合電子式互感器現(xiàn)場就地安裝，包含線路保護測控一體化裝置、智能終端裝置、合并單元、在線監(jiān)測裝置、數(shù)字式計量表，實現(xiàn)線路保護、測量、控制、計量、在線監(jiān)測功能，圖3所示。

4.3 控制小室配置

待改造500 kV變電站基本存在二次接線復(fù)雜，控制小室屏位緊張，備用屏位不能滿足施工需求，電纜溝存量電纜多，清理難度大等問題。為改變改造施工階段的場地限制，可以采用以下方案解決：擴建現(xiàn)有繼電器室、新增就地繼電器室、安裝就地箱式柜。

圖3 220 kV開關(guān)智能組件就地配置

擴建現(xiàn)有繼電器室，受制于場地空間、施工震動等因素，雖然投資較省，存在電纜清理困難、安全風(fēng)險極大等問題。

新增就地小室，改建電纜溝等輔助設(shè)施，提供較大面積的小室，屏位多，改造的施工空間大，便于簡化改造方案，利于清理廢舊電纜，提高改造安全性，適合大規(guī)模的改擴建工程，但存在小室的位置可能不理想，設(shè)備布置不規(guī)整，工程量較大等問題。

安裝就地箱式柜，僅需少量土建工程，高效、安全，可按串布置，柜內(nèi)安裝空調(diào)解決就地安置帶來的溫、濕度控制問題，尺寸大小可以根據(jù)現(xiàn)場的位置進行定制，箱式柜可在工廠裝配調(diào)試，安裝只需簡單的接口和少量試驗即可。充分體現(xiàn)模塊化、集成化優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)緊湊，有效節(jié)約投資，圖4、圖5所示。

圖4 箱式柜外觀樣式

4.4 自動化系統(tǒng)改造

待改造的500kV變電站自動化系統(tǒng)存在RTU＋四遙、計算機監(jiān)控系統(tǒng)兩種類型。基于500 kV變電站在電網(wǎng)中的重要性，決定了改造工作不可能在全站停電的工況下進行，改造過程將是兩套系統(tǒng)并存逐步過渡的形式。改造過程中將面臨如何保持聯(lián)閉鎖完整、可用，調(diào)度數(shù)據(jù)完整性和一致性等問題，還應(yīng)考慮改造過程中新、舊系統(tǒng)間有清晰的分界線，盡可能的減少停電的范圍和停電次數(shù)。

圖5 箱式柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)

RTU+四遙模式的系統(tǒng)，不存在橫向閉鎖問題，改造過程的新舊系統(tǒng)交叉面少，原有信號采集以接點輸入為主，數(shù)量有限，只要考慮相應(yīng)的停電安排和新系統(tǒng)的閉鎖驗證工作，新、老系統(tǒng)信號完整可以通過建立與一次系統(tǒng)模擬屏接口即可解決，按照改造進度逐步完成過渡，該方式在500 kV南橋變得到成功驗證，過程中需頻繁切換狀態(tài)、驗證模擬屏信號正確性。但是母線等公用設(shè)備改造可能涉及多次停電和大量運行操作等問題，施工進度受電網(wǎng)運行方式影響較大。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)，存在跨間隔橫向閉鎖和同期操作判據(jù)問題，原有系統(tǒng)采集的信號量巨大，包含很多通訊報文的軟信號，信號完整性受到通訊規(guī)約、接口限制。

該類型系統(tǒng)改造工程前期，小室設(shè)備應(yīng)嚴(yán)格按新監(jiān)控系統(tǒng)配置要求布置，在工廠調(diào)試時完成全站系統(tǒng)集成，系統(tǒng)試驗、試運行和性能測試，特別是要完成全部操作閉鎖正、反邏輯的模擬驗證。校驗變電站一次設(shè)備的輔接點數(shù)量是否滿足新、舊系統(tǒng)同時接入需求，必要的情況下，要進行輔助接點擴展工作。

改造過程中，保持老系統(tǒng)的聯(lián)閉鎖完整，先將新監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備及公用設(shè)備，包括網(wǎng)絡(luò)交換機屏、交直流分屏、GPS等公用設(shè)備在主控樓以及各小室內(nèi)一次就位；再進行跨間隔設(shè)備的改造：500kV母線地刀、220kV母線地刀、500kV母線保護、220kV母線保護等，母線地刀等信號可在相應(yīng)母線停電時接入，原接至現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的位置信號均不改動；逐個安排500 kV、220 kV間隔內(nèi)設(shè)備進行翻接，翻接后的間隔納入新監(jiān)控系統(tǒng)的控制范圍，直至完成全站改造。待全站改造完成后，舊系統(tǒng)退出運行后，再拆除相關(guān)電纜。改造期間，新、舊監(jiān)控系統(tǒng)不通過二次回路進行信息交換，減少工作量，實現(xiàn)新舊系統(tǒng)之間的平滑過渡。

4.5 繼電保護設(shè)備改造

繼電保護改造的難點在于如何處理新舊設(shè)備由跨間隔保護配合回路引發(fā)的兼容性問題。主要涉及主變與220 kV母聯(lián)分段，母差與線路、主變，500 kV中開關(guān)和邊開關(guān)保護等情況。下面以母差保護改造為例，簡要介紹其改造過渡方案。

500 kV變電站的母差保護基本實現(xiàn)雙重化配置，在整個改造過程中，應(yīng)保證至少1套舊母差保護正常運行，基于500 kV變電站在區(qū)域電網(wǎng)中的重要地位，只能采用間隔輪流停電接入的方式，主變間隔和線路間隔停電時間較短，施工要求較高。

500 kV母差保護改造，可通過以下方式實現(xiàn)：

1）要求新母差保護留有常規(guī)I/O接口，結(jié)合母線設(shè)備停電，將常規(guī)的二次回路接入新母差保護即可。開關(guān)量接入利用新母差保護的常規(guī)I/O接口與未改造間隔的保護設(shè)備配合，改造過程中敷設(shè)新母差至原開關(guān)保護和操作箱的過渡電纜。過渡電纜在對應(yīng)間隔改造完成時拆除即可。

電流回路改造可以在該段母線停電時進行電流回路的翻接。

該方式施工過渡期相對較短，施工作業(yè)集中，系統(tǒng)可靠性較高。但新型母差需保留常規(guī)I/O接口，產(chǎn)生部分過渡電纜，增加母差保護裝置的復(fù)雜性和設(shè)備投資。

2）對于500 kV雙套母差保護，可先選擇某段母線改造一套保護，電流模擬量回路在不停電的情況下，為新的第二套母差接入模擬量，開關(guān)量待線路和開關(guān)間隔改造后，將相應(yīng)改造后的新保護（DL/T860）出口接入新的第二套母差保護。此時，第一套母差保護是常規(guī)I/O接口，無法與改造后的開關(guān)間隔配合，導(dǎo)致第一套母差保護出口接入未改造間隔、第二套母差保護出口接入已改造間隔的情況。兩套母差保護共存，當(dāng)母線發(fā)生故障時，需要2套母差同時動作，各自切除接入間隔。待所有間隔改造完成，再改造第一套母差保護。

采用該方式，新配置母差保護不需保留常規(guī)I/O接口，設(shè)備簡單，但改造期間涉及帶電工作，具有一定的安全風(fēng)險，且2套母差共存期間，實際該段母線不具備雙重保護功能。

220 kV接線母差保護改造也可采用兩種實現(xiàn)方式：

1）原理同500 kV母差改造的第二種方案。

2）利用220kV雙母雙分段的接線優(yōu)勢，220 kV 1M、2M（3M，4M）的出線較多，同時停電較為困難，先將2套新母差同時安裝就位，母聯(lián)、分段斷開。將未改造的間隔均倒閘到1 M上，每改造一個間隔就倒閘到2 M上，1 M由舊母差保護，2 M由新母差保護，兩者共存而互不交叉。待所有間隔完成后，舊母差退出。

采用該方式，不存在帶電操作的問題，每段母線的2套母差保護同時進行改造，保證220 kV母線運行時，有雙母線保護的保障。同時新母差保護不需保留常規(guī)I/O接口，但改造期間220 kV系統(tǒng)的接線靈活性受到限制。

4.6 遠動系統(tǒng)改造

遠動系統(tǒng)承擔(dān)著向遠方調(diào)度實時傳送信號、量測等數(shù)據(jù)和接受遠方控制命令的功能，在改造過程中遠動不能中斷，在改造工程可以采用以下幾種遠動系統(tǒng)過渡方案。

1）新遠動不與原遠動通信，在原遠動與調(diào)度的連接不中斷的情況下，組織新遠動通道。在整個改造過程中，已改造過的設(shè)備通過新遠動系統(tǒng)上送數(shù)據(jù)，未改造過的設(shè)備則暫時通過原遠動系統(tǒng)上送數(shù)據(jù)，隨著改造的推進，所有信息最后都通過新的遠動系統(tǒng)上送至調(diào)度端。

2）改造后的設(shè)備信息，匯集到新遠動系統(tǒng)，同時將新遠動數(shù)據(jù)經(jīng)接口轉(zhuǎn)換裝置接入原遠動系統(tǒng)，通過原遠動通道向調(diào)度傳送信息。隨著改造的推進，待間隔層改造完成之后，再組織新的遠動通道，由新的遠動通信裝置向遠方調(diào)度傳送信息。

3）先建立新遠動系統(tǒng)，將原遠動數(shù)據(jù)接入到新遠動通信裝置中，隨改造進度整合轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)，新系統(tǒng)直采數(shù)據(jù)（改造后設(shè)備信息）逐步增加，原遠動數(shù)據(jù)（未改造設(shè)備信息）逐步減少，改造完成后，新遠動裝置實現(xiàn)“直采直送”。

方案1需要在調(diào)度端建立新的數(shù)據(jù)庫，調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面上呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)來自兩個廠站的鏈接，需要調(diào)度系統(tǒng)維護人員按改造計劃修改鏈接，簡化變電站現(xiàn)場工作量，新、舊系統(tǒng)接入數(shù)據(jù)分界面清晰，現(xiàn)有的許多220 kV變電所改造均采用該模式，該方案過渡各環(huán)節(jié)實施難度較小。方案2、3無需在調(diào)度端建立新的數(shù)據(jù)庫，但要求原有遠動系統(tǒng)具備與新遠動系統(tǒng)通信的能力，增加較多的過渡接線或接口，系統(tǒng)接口兼容性、穩(wěn)定性較差，實施難度大。

5 結(jié)語

智能化變電站是智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)和重要組成部分，智能化變電站技術(shù)、各類DL/T860體系設(shè)備的可靠性已得到充分驗證，在基建工程中實施已無技術(shù)障礙。從試點情況來看，傳統(tǒng)變電站通過智能化改造有力提升了功能定位，為智能電網(wǎng)建設(shè)提供有力的技術(shù)支撐。

建設(shè)堅強的智能電網(wǎng)將是一個長期的、漸進的過程。現(xiàn)階段，需要有步驟、有重點的深入探索過渡階段的技術(shù)兼容問題和平穩(wěn)實施智能化技術(shù)改造的方案，從而確保電網(wǎng)智能化進程的穩(wěn)步推進。相信在未來幾年，研究解決變電站智能化改造工程的關(guān)鍵技術(shù)方案和施工管理難點，總結(jié)一套具有鮮明的DL/T860時代的技術(shù)特征，適應(yīng)性強，符合技術(shù)先進、資源利用高效和改造風(fēng)險最小要求的改造方案，必將在500 kV變電站大型技改項目中得到廣泛引用。