智能變電站與電動汽車充電站一體化設計關鍵技術研究

孫 峰，張幼明，黃 旭

(1．遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006;2．遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

隨著2009年國家電網公司正式提出“堅強智能電網”發展戰略，我國智能電網建設工作正式拉開序幕，建設以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展，具有信息化、自動化、互動化特征，實現“電力流、信息流、業務流”的一體化高度融合的現代電網成為我國未來電網發展的主要目標［1］。作為智能電網的兩個重要節點，智能變電站建設和電動汽車充電站建設不可或缺［2］。依據國家電網公司“十二五”電網智能化總體規劃，“十二五”期間全國新建110(66)kV及以上電壓等級智能變電站將超過8 000座，新建電動汽車充電站將超過3 900座。智能變電站和電動汽車充電站建設極大地推動了智能電網發展，然而隨著規模不斷擴大，市內征地困難、系統安全穩定等一系列問題逐步凸顯。為了保障智能電網建設的順利實施，開展智能變電站與電動汽車充電站關鍵技術研究迫在眉睫。

本文從解決智能變電站與電動汽車充電站建設中面臨的實際問題出發，分別從一次設備方面和二次設備方面積極開展了智能變電站與電動汽車充電站一體化設計關鍵技術研究，提出了智能變電站與電動汽車充電電站一體化設計的初步設計思路，在一次設備方面提出了基于三繞組三相電力變壓器的一體化設計方案，在二次設備方面提出了基于IEC61850國際標準的一體化設計方案。本文的研究內容是在智能變電站與電動汽車充電站未來技術發展方向上一個初步探索，為后續的相關研究工作提供參考和借鑒。

1 變電站和充電站一體化設計思路

電動汽車充電站主要包括供電系統、充電系統、電池更換系統、監控系統及相應的配套設施。其中供電系統主要為充電設備提供電源，主要由一次設備 (包括開關、變壓器及線路等)和二次設備 (包括監測、保護、控制裝置等)組成，供電系統主要電力來源為上級變電站 (智能變電站)。智能變電站作為電動汽車充電站的主要電源，主要由一次設備和二次設備組成。智能變電站和電動汽車充電站一體化設計，主要從一次設備一體化和二次設備一體化兩個方面進行考慮。

a． 在一次設備方面，考慮將智能變電站與電動汽車充電站供電系統一次設備進行整合，智能變電站采用三繞組三相電力變壓器，智能變電站變壓器高壓側出線為上一級電源接入點，中壓側出線依然供應地區中壓配電網，而低壓側出線將直接為智能變電站站用電和電動汽車充電服務。一次設備的一體化設計，使變電站和充電站結構緊湊分布更加合理，有利于節省一次設備總投資，減少了整體建筑面積。

b． 在二次設備方面，則考慮在智能變電站和電動汽車充電站全面采用基于IEC61850國際標準的一體化通信網絡，通過采用先進的智能的二次設備，在一體化通信平臺基礎上實現智能變電站與電動汽車充電站的通信系統、監控系統和計量系統一體化整合。二次設備的一體化設計，極大地提升了變電站和充電站信息共享程度，提升了一體化站整體的自動化、信息化、智能化水平。

本文一體化設計推薦應用于征地困難，且有智能變電站與電動汽車充電站建設需求地區。

2 一次設備一體化設計關鍵技術研究

2.1 一次設備一體化設計方案

遼寧地區電動汽車充電站電源主要來自上級66 kV變電站，66 kV變電站10 kV出線直接送入充電站供電系統，電動汽車充電站供電系統一般自身設有專用10 kV配電變壓器，10 kV配電變壓器0.4 kV出線直接為充換電設備供電。結合遼寧電網的實際和電動汽車充電站的實際需要，一體化設計66 kV智能變電站采用三繞組電力變壓器，取代原有的66 kV雙繞組變壓器和充電站內的10 kV配電變壓器，從而實現智能變電站與電動汽車充電站供電系統一次設備的一體化整合。一次設備一體化設計系統結構如圖1所示。

一體化設計中66 kV三繞組變壓器三側電壓等級分別選取66 kV/10 kV/0.4 kV，其中66 kV側為供電電源進線，供電電源由上級220 kV變電站提供;變壓器中壓側接入10 kV電網，主要為地區10 kV配電網提供電力;變壓器低壓側0.4 kV送入電動汽車充電站，主要作為充換電設備的電力來源，同時也承擔著智能變電站和電動汽車充電站的全站用電任務。

圖1 一次設備一體化設計系統結構圖

2.2 一次設備一體化關鍵技術研究

2.2.1 變壓器低壓繞組容量選擇

常規三繞組變壓器容量配比有3種形式:100/100/50、100/50/100、100/100/50，額定容量是指容量最大的繞組的容量。如果按照常規變電站容量比例配比，則低壓側容量至少應為額定容量的50%，考慮到一體化站變壓器低壓側只服務于站用電和電動汽車充電，66 kV變電站低壓側容量按照50%額定配置依然較大，因此66 kV變壓器低壓側容量需要進行單獨計算。配電變壓器容量選擇簡化算法如下［3］。

a． 充電機容量計算

考慮到充電站配電系統安裝了有源濾波無功補償裝置，cosφ可以達到0.95，共有N臺充電機，第i臺充電機的容量Si折算采用如下簡易算法:

式中:Pi為第i臺充電機的輸出功率;ηi為充電機工作效率，高頻開關整流充電機取0.95，相控整流充電機取0.85。

b． 換電設備輸入容量計算

共有M臺換電設備，其中第j臺換電設備功率Sj可表示為

式中:Pj為第j臺換電設備額定功率;ηj為換電設備工作效率。

c． 變壓器低壓側容量計算

依據實際充電站運行情況，全站考慮采用同時率Kx，則可得充電站站用電輸入總容量簡易算法:

式中:Se為全站站用電容量;Kx為全站設備同時系數。Kx由充換電設備的使用情況和數量決定，取值范圍考慮0.5～0.8。

考慮變壓器最佳負荷率為βm，則可得變壓器低壓側容量S3:

式中:βm為變壓器最佳負荷率，一般考慮取值為0.8。

以上對變壓器低壓側容量的計算研究，主要是為一體化站三繞組變壓器的選型提供技術參考，具體的容量選擇還需要依托實際進行設計。

2.2.2 有源濾波及無功補償容量計算

變壓器低壓繞組直接接入充電站，因此低壓側需要進行有源濾波和無功補償。有源濾波及無功補償容量計算方法如下。

a． 確定補償容量

補償容量計算方法:

式中:SB為補償容量，Kx為整體修正系數，需根據計算分析結果和實際測定情況綜合決定，一般選擇0.5～0.8;Ki(i=1，2，3)分別表示大、中、小型充電機可靠系數，一般取1.05～1.20;ηi(i=1，2，3)分別表示大、中、小型充電機充電效率;ξi(i=1，2，3)分別表示大、中、小型充電機在交流電源輸入端產生的諧波電流含有率 (取輸出電壓范圍內的最大值);Si(i=1，2，3)分別表示大、中、小型單臺充電機功率。

b． 進行有源濾波裝置的選擇

根據確定的補償容量，在兼顧經濟性和實用性的前提下，選擇有源濾波裝置的容量和數量。

c． 確定功率因數補償參數

按功率因數補償到0.95的目標，計算需要的無功補償容量，確定電容器的容量和組數。

2.2.3 變壓器接線方式選擇

依據《供配電系統設計規范》第6.0.7條，在TN及TT接地型式的低壓電網中，推薦采用Dyn11接線組別的配電變壓器。條文解釋中說明Dyn11接線有利于抑制高次諧波，充電機站采用TT接地型式，因此10 kV配電變壓器普遍推薦和采用Dyn11接線［4］。在66 kV變電站實際應用方面，我國的66 kV變壓器多采用Ynd11型接線方式。因此結合一體化站的實際需要和目前我國66 kV變電站的實際應用情況，本文推薦一體化設計中三繞組變壓器采用YnDYn型接線方式。

3 二次設備一體化設計關鍵技術研究

3.1 二次設備一體化設計方案

目前智能變電站二次系統通信網絡主要采用基于IEC61850國際標準的“三層兩網”結構，主要由站控層、間隔層、過程層及網絡設備組成［5—6］。電動汽車充電站通信系統主要基于以太網或CAN網絡建設，系統由站控層、間隔層及網絡設備構成。智能變電站與電動汽車充電站二次設備一體化設計，考慮采用基于IEC61850國際標準的一體化通信網絡，采用分層、分布、開放式網絡系統結構，橫向涵蓋智能變電站和電動汽車充電站通信網絡，縱向在結構上劃分為站控層、間隔層和過程層，實現全站測控保護、安防監控、計量計費系統的一體化設計。二次設備一體化設計結構如圖2所示。

一體化設計中全站采用統一的網絡結構體系，均采用以太網組網，除考慮計量系統、安防系統單獨組網外，其他系統均統一組網并采用“三層兩網”的網絡結構。

站控層設備主要包括:主機/操作員工作站/五防工作站、運動通信裝置、智能輔助控制系統、公用測控裝置、交直流電源管理系統以及其他智能接口設備。站控層主要提供一體化站內運行的人機聯系界面，實現管理控制間隔層、過程層設備等功能，形成全站的監控、管理中心，并實現與遠方監控/調度中心通信。

間隔層設備主要包括:測控裝置、保護裝置、錄波裝置、電能計量裝置以及其他智能接口設備等。間隔層由若干個二次系統組成，在站控層及站控層網絡失效的情況下，具備仍能獨立完成間隔層設備就地監控功能。

圖2 二次設備一體化設計系統結構圖

過程層設備主要包括電子式互感器、合并單元、智能終端等設備。過程層主要實現實時電氣量的采集、設備運行狀態的監測、控制命令的執行等功能。

站控間隔層網絡主要負責站控層設備間、間隔層設備間及站控設備與間隔設備間的通信，傳輸MMS報文和GOOSE報文;過程層網絡主要負責間隔層設備與過程層設備間的通信。傳輸SMV采樣值報文和GOOSE報文。

3.2 二次設備一體化關鍵技術研究

3.2.1 通信網絡結構研究

a． 站控間隔層網絡結構

通信網絡的拓撲結構主要有總線、星形和環形3種基本的網絡結構。智能變電站站控間隔層網絡目前主要以采用星型結構和環形結構居多，相比星型拓撲結構，環形網絡可用率有所提高，單故障時兩者均不損失功能，少數的復故障環形網可以保留更多的設備通信。但是由于支持環網功能，交換機價格也大大提高，目前環網結構在國外智能變電站應用較多。國內經過多年的技術積累，通信裝置普遍具備2～3個獨立以太網口，星型網絡在變電站實際應用有著更加豐富的使用經驗。依據《110(66)kV～220 kV智能變電站設計規范》要求，一體化設計中站控層網絡結構拓撲推薦采用單星型結構。

b． 過程層網絡結構

過程層網絡分為SMV采樣值網絡和GOOSE信息傳輸網絡［7］。前者的主要功能是實現電流、電壓交流量的上傳;后者的主要功能是實現開關量的上傳及分合閘控制、防誤閉鎖等。目前在過程層組網方式上國內外已經開展了大量相關研究與試驗，但是過程層組網方式尚無統一的方式。目前主要方式包括:點對點方式、組網方式、三網合一方式。

點對點方式實現較容易、投資較小，但設備間連接較復雜、信息共享性較差;組網方式設備間連接簡單清晰、信息共享性好，但延時不確定、投資大、對繼電保護可靠性有影響;三網合一方式即將SMV、GOOSE和同步對時網絡三網合一建設，此種方式是未來的發展趨勢，但目前還處于研究試驗階段。充分考慮到一體化設計的安全性、可靠性、實時性和示范性等多方面要求，一體化設計中過程層網絡66 kV間隔考慮采用直采網跳方式，即SMV采用點對點方式，GOOSE采用組網方式;10 kV、0.4 kV間隔采用三網合一的組網方式。

3.2.2 同步對時方式研究

智能變電站同步對時方式主要有:GPS秒脈沖及B碼對時、SNTP、IEEE 1588 3種。GPS秒脈沖及B碼對時的優點是技術成熟，精度可達微秒級，但需要額外鋪設光纖線纜;SNTP協議實現簡單，但精度只能達到毫秒級;IEEE1588標準技術先進，精度可達微秒級，目前只有為數不多的二次設備和交換機能夠實現，但是未來的發展方向。

在考慮到現有的技術水平和未來發展趨勢基礎上，建議一體化設計中在站控層網絡上使用SNTP協議網絡對時，在過程層點對點方式采用B碼對時方式，組網使用IEEE1588(V2)網絡對時方案。

3.2.3 計量系統一體化研究

66 kV智能變電站主要在變壓器10 kV側、10 kV出線、10 kV電容器設置計量點，如有關口計費要求，可采用帶通信接口的全電子式多功能電能表，站內設置1套電能量采集裝置，通過網絡或電話撥號方式向有關部門傳送電能信息。電動汽車充電站計量部分主要由關口電能表、直流電能表、交流電能表 (含三相表與單相表)組成，通過站內采集終端完成與用電信息采集系統或上級監控中心的通信。

智能變電站與電動汽車充電站一體化設計，全站設置統一的電能量采集裝置，通過本地工業以太網實現對智能變電站和電動汽車充電站的電能量、充電電量等信息的采集，相關信息送到后臺服務器進行存儲和處理，并通過光纖或無線方式實現與上級監控管理部門的通信，確保上級系統能夠實時獲取智能變電站和電動汽車充電站內的電量信息，實現設備和信息的集約化管理。

4 結束語

a． 為解決智能變電站與電動汽車充電站建設中面臨實際問題，提出了智能變電站與電動汽車充電站一體化設計的總體設計思路。

b． 提出了基于66 kV三繞組電力變壓器的智能變電站與電動汽車充電站一次設備一體化設計方案，針對三繞組變壓器低壓側容量選擇、接線方式選擇、有源濾波和無功補償容量選擇問題開展關鍵技術研究，并給出了相應推薦方案。

c． 提出了基于IEC61850國際標準的智能變電站與電動汽車充電站二次設備一體化設計方案，針對通信網絡結構選擇、同步對時方式選擇、計量系統一體化設計等問題開展關鍵技術研究，并給出了相應推薦方案。

［1］ 張文亮，劉壯志，王明俊，等．智能電網的研究進展及發展趨勢 ［J］．電網技術，2009，33(13):1－11．

［2］ 曹 楠，李 剛，王冬青．智能變電站關鍵技術及其構建方案的探討 ［J］．電力系統保護與控制，2011，39(5):63－68．

［3］ Q/GDWZ423—2010，電動汽車充電設施典型設計［S］．

［4］ Q/GDW238—2009，電動汽車充電站供電系統規范［S］．

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［6］ 龐紅梅，李淮海，張志鑫，等．110 kV智能變電站技術研究狀況 ［J］．電力系統保護與控制，2010，38(6):146－150．

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