新一代智能變電站集成優(yōu)化設(shè)計研究

范　巍　蘭春虎

（1國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院天津3003842國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院天津300171）

新一代智能變電站集成優(yōu)化設(shè)計研究

范巍1蘭春虎2

（1國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院天津3003842國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院天津300171）

本文以某220kV新一代智能變電站設(shè)計為例，對變電集成優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了深入研究。從主接線優(yōu)化、平面布置、各級配電裝置平面布置、設(shè)備選擇、光電纜敷設(shè)優(yōu)化、二次設(shè)計集成優(yōu)化等多角度進(jìn)行論述，提煉新一代智能變電站集成優(yōu)化設(shè)計的核心技術(shù)，為后續(xù)智能變電站設(shè)計拓展思路，提升水平。

新一代智能變電站；集成；優(yōu)化；設(shè)計

新一代智能變電站的建設(shè)目標(biāo)是“系統(tǒng)高度集成、結(jié)構(gòu)布局合理、裝備先進(jìn)適用、經(jīng)濟(jì)節(jié)能環(huán)保、支撐調(diào)控一體”,為智能變電站建設(shè)的各個環(huán)節(jié)提出了新的要求。本文以某220kV新一代智能變電站為例，對新一代智能變電站集成優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行深入研究探討。

1　工程總體規(guī)模介紹

1.1工程終期規(guī)模

電壓等級220/110/35kV，主變3×240MVA，220kV進(jìn)出線12回，110kV出線15回，35kV出線18回。

1.2工程本期規(guī)模

主變2×180MVA，220kV進(jìn)出線6回；110kV出線10回，35kV出線12回。原則參考通用設(shè)計220-A2-3方案進(jìn)行布置并進(jìn)行局部優(yōu)化。該變電站采用半戶外布置形式，主變及中性點(diǎn)設(shè)備，架空出線避雷器布置于戶外，其他配電裝置布置于戶內(nèi)。

2　新一代智能變電站一次設(shè)計集成優(yōu)化

2.1主接線優(yōu)化

依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，各電壓等級的主接線形式可根據(jù)出線規(guī)模、變電站在電網(wǎng)中的地位及負(fù)荷性質(zhì)確定，當(dāng)滿足運(yùn)行要求時，宜選擇簡單接錢。

根據(jù)該變電站實(shí)際接線情況，本站遵循新一代智能變電站設(shè)計原則，取消220kV、110kV主變進(jìn)線側(cè)隔離開關(guān)，取消220kV出線側(cè)隔離開關(guān)，取消110kV無T接線路的出線側(cè)隔離開關(guān)。

隔離開關(guān)的取消，能夠從根本上提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，能在一定程度上縮減設(shè)備尺寸，實(shí)現(xiàn)變電站緊湊化布置。

2.2一次設(shè)備高度集成

電氣設(shè)備選擇在遵循通用設(shè)計應(yīng)用目錄的基礎(chǔ)上，使用高度集成的一、二次設(shè)備，能夠最大程度實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)規(guī)模生產(chǎn)、集成調(diào)試、模塊化配送，減少現(xiàn)場安裝、接線、調(diào)試工作，一次設(shè)備本體與智能控制柜之間二次控制電纜采用預(yù)制電纜連接，提高建設(shè)質(zhì)量、效率。

2.2.1智能高壓開關(guān)設(shè)備

通過GIS廠家完成智能控制柜內(nèi)部各智能組建的組裝，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)接線，廠內(nèi)調(diào)試，智能控制柜與本體一體化運(yùn)輸和吊裝，可減少現(xiàn)場接線和聯(lián)調(diào)，縮短工期，提高效率。智能終端、合并單元、監(jiān)測IED應(yīng)按工程本期規(guī)模按間隔配置。

2.2.2高壓開關(guān)柜

35kV/10kV開關(guān)柜二次設(shè)備與開關(guān)柜一體化集成優(yōu)化設(shè)計，便于后期布置的美觀和運(yùn)維檢修的便利性。

2.3無功補(bǔ)償優(yōu)化

結(jié)合通用設(shè)計方案，本工程每臺主變補(bǔ)償4組10Mvar并聯(lián)電容器組，共計12組。考慮優(yōu)化變電站平面布置方案的需求，本站對無功補(bǔ)償模塊進(jìn)行優(yōu)化，在滿足電壓波動及運(yùn)行要求的前提下，通過實(shí)際負(fù)荷計算，合理選擇無功分組容量。最終本站每臺主變配置3組（即2×10+20）Mvar電容器組，本期每臺主變配置2組（即10+20）Mvar電容器組。

通用設(shè)計方案中，采用并聯(lián)電容器組帶干式空心并聯(lián)電抗器，每臺10Mvar電容器占地為(13m)長×（8.5）寬，不考慮兩側(cè)通道時至少需要整個變電樓設(shè)備長度為8.5×9=76.5m，且需要考慮剩余3組的布置問題；優(yōu)化分組方案后，加之改用占地面積更少的帶鐵芯電抗器的電容器組，優(yōu)化后每組10Mvar電容器組占地為(13m)長×（7）寬，每組20Mvar電容器組占地為(13m)長×（7.5）寬；不考慮兩側(cè)通道時至少需要整個變電樓設(shè)備長度為7× 6+7.5×3=64.5m，且已經(jīng)全部考慮9組電容器的布置問題，不再需要額外空間。

電容器組合理分組的優(yōu)化，滿足變電站無功補(bǔ)償及投運(yùn)要求的同時，實(shí)現(xiàn)了變電站緊湊化布置。

2.4平面布置優(yōu)化

該站電氣總平面布置本著減少變電站占地面積，以最少土地資源達(dá)到變電站建設(shè)要求的原則進(jìn)行合理設(shè)計。合理利用站區(qū)環(huán)境和站外道路，優(yōu)化站內(nèi)道路，縮減變電站縱向尺寸和橫向尺寸，從而減少圍墻內(nèi)占地面積。

2.4.1應(yīng)用模塊化集成設(shè)計理念

本工程應(yīng)用了變電站模塊化集成設(shè)計新理念，實(shí)現(xiàn)平面布局優(yōu)化。嚴(yán)格按照工廠預(yù)制現(xiàn)場裝配的理念設(shè)計，一次設(shè)備本體加智能組件的方式實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備智能化，智能組件統(tǒng)一由一次設(shè)備廠家場內(nèi)集成，體現(xiàn)模塊化設(shè)計的高效；電氣裝置的布置方式采用“單元”布置方式，一臺主變所帶設(shè)備成“單元”分區(qū)就近布置，并滿足二次接線的要求。開關(guān)設(shè)備同無功補(bǔ)償設(shè)備分區(qū)明確，充分體現(xiàn)電氣布置模塊化。一二次設(shè)備高度集成，現(xiàn)場只需完成合并單元及保測裝置至二次設(shè)備室的相關(guān)交直流電源電纜及光纜的敷設(shè)，全站電纜大幅減少，電纜敷設(shè)、電纜施工接線的工作量相應(yīng)減輕，縮短電纜施工安裝周期，節(jié)約工程造價。

2.4.2優(yōu)選小型化設(shè)備

設(shè)備是影響變電站占地指標(biāo)的關(guān)鍵因素。本工程優(yōu)選小型化、緊湊型設(shè)備，并對全站布局進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)變電站緊湊化布置。本站220kVGIS電纜出線間隔寬度為2.8m,其他間隔為1.8m，整個220GIS室布局緊湊合理，放置于220配電裝置樓二層，優(yōu)化后的9組電容器放置于220配電裝置樓一層；本站110kVgis間隔寬度為1m，35kV采用金屬鎧裝SF6充氣柜，出線柜寬0.6m，受總及分段柜寬0.8m，相對與常規(guī)1.2m(1m)的空氣絕緣柜大大節(jié)省占地面積。優(yōu)化后全站綜合樓為55m(長)×10.2m（寬）。優(yōu)化后全站總建筑面積（3633.24m2）較通用設(shè)計（5327.51m2）優(yōu)化了39.3%，優(yōu)化后全站圍墻內(nèi)占地面積(5829m2)較通用設(shè)計（7740m2）優(yōu)化了24.7%。

2.4.3整合全站功能用房

該變電站設(shè)計融入變電站緊湊化布局設(shè)計思想，按照無人值守變電站標(biāo)準(zhǔn)將變電站房間數(shù)量和項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化。全站僅設(shè)置安全工具間，資料間，衛(wèi)生間，泵房。減少附屬房間配置，優(yōu)化全站布局。

2.5光、電纜敷設(shè)優(yōu)化

本站電纜的敷設(shè)采用成品電纜槽盒，方便土建施工，提高施工效率。電纜溝采用成品復(fù)合溝蓋板和裝配式電纜溝，減少現(xiàn)場澆筑施工量和時間。通過使用隱藏式電纜溝系統(tǒng)在安全、方便的前提下，站內(nèi)無明露溝、蓋板，全站外觀簡潔，突出工業(yè)化。

2.6綠色建筑節(jié)能環(huán)保

本站建筑電氣設(shè)計過程中融入綠色建筑理念，以綠建三星標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行變電站輔助電氣設(shè)施相關(guān)的設(shè)計。首選低能耗、低噪音的電氣設(shè)備，充分利用太陽能、風(fēng)能等新能源條件，實(shí)現(xiàn)變電站能夠接入清潔能源的條件。實(shí)現(xiàn)新一代智能變電站的“更節(jié)能”、“更低碳”、“更環(huán)保”。

3　新一代智能變電站二次設(shè)計集成優(yōu)化

3.1實(shí)際工程優(yōu)化方案

（1）站域保護(hù)控制系統(tǒng)通過網(wǎng)采網(wǎng)跳方式采集站內(nèi)信息，集中決策，實(shí)現(xiàn)備投、主變過負(fù)荷聯(lián)切、低頻低壓減載等緊急控制功能；實(shí)現(xiàn)110kV間隔單套保護(hù)的冗余配置功能；優(yōu)化主變低壓后備保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)35kV/10kV簡易母差功能。同時支持不同運(yùn)行方式下控制保護(hù)策略的自適應(yīng)功能。（2）二次設(shè)備在線監(jiān)測以公用測控裝置為主IED，實(shí)時監(jiān)測二次設(shè)備自檢及自診斷信息。（3）考核計量點(diǎn)設(shè)備采用保護(hù)測控計量一體化裝置，電量信息通過網(wǎng)絡(luò)傳遞，省去電度表，更加節(jié)省空間。

3.2衍生的集成優(yōu)化前沿理念

3.2.1屏柜機(jī)架一體化

現(xiàn)有二次設(shè)備屏柜組合方案都是建立在單體屏柜的構(gòu)架基礎(chǔ)之上的，故而存在運(yùn)輸時整體強(qiáng)度、空間利用、預(yù)留遠(yuǎn)期接口等問題。筆者從以模塊為單位的角度出發(fā)，不再考慮單體屏柜組合的模式，采用一體化機(jī)架作為模塊整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，重新分配二次裝置安裝空間及接線方式，實(shí)現(xiàn)裝置的即插即用；單獨(dú)設(shè)置對外光電纜接口，通過使用預(yù)置光電纜，真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場零施工；結(jié)合前接線理念，優(yōu)化模塊內(nèi)的走線路徑，解決預(yù)留間隔設(shè)備后期安裝的問題等。主要優(yōu)勢如下。

（1）以模塊為單位整體設(shè)計。擺脫單體屏柜的結(jié)構(gòu)局限，整體設(shè)計模塊內(nèi)的空間分布，進(jìn)一步優(yōu)化安裝接線空間和裝置運(yùn)行環(huán)境。

（2）采用一體化機(jī)架作為模塊主體結(jié)構(gòu)。為模塊結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度加強(qiáng)，為運(yùn)輸安裝提供便利條件。避免單體屏柜再組合在運(yùn)輸、安裝等階段引起的一系列問題。

（3）優(yōu)化設(shè)備散熱條件。采用冷通道封閉系統(tǒng)進(jìn)行散熱，“先冷設(shè)備，后冷環(huán)境”，實(shí)現(xiàn)冷熱空氣分離有序流動，提高空調(diào)冷量利用率，降低耗能。

圖1　設(shè)備布置示意圖

圖2　一體化機(jī)架方案示意圖

圖3　機(jī)架內(nèi)制冷空氣流動示意圖

（4）優(yōu)化二次設(shè)備室布置。結(jié)合“前接線、前顯示”設(shè)計理念，實(shí)現(xiàn)“背靠背+背靠墻”的布置方式，節(jié)省二次設(shè)備室占地面積。3.2.2智能終端、測量、合并單元三合一裝置

（1）技術(shù)可行性：合并單元和智能終端一體化裝置采用功能獨(dú)立的兩塊CPU，CPU選用實(shí)時性處理能力強(qiáng)大的PowerPC和FPGA。兩塊CPU中，一塊用于智能終端的處理，一塊用于合并單元的處理，功能獨(dú)立的設(shè)計可以有效防止當(dāng)采樣環(huán)節(jié)CPU故障導(dǎo)致該間隔主保護(hù)退出時，跨間隔保護(hù)對該間隔的故障切除，保證智能終端的優(yōu)先可靠性。

合并單元和智能終端一體化后，隔刀位置信號可以在裝置內(nèi)與智能終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，則合并單元無需為了獲取位置信號進(jìn)行電壓切換和上傳裝置告警信號再占用1個GOOSE交換機(jī)光接口，節(jié)約了交換機(jī)和裝置2個光接口，簡化了網(wǎng)絡(luò)接線。在高電壓等級變電站中，當(dāng)智能操作箱和合并單元均需和多個保護(hù)裝置點(diǎn)對點(diǎn)連接時，節(jié)省的光接口數(shù)量更可觀。

合并單元與智能終端合一裝置，可采用FPGA直接發(fā)送報文，報文延時輸出抖動不大于1μs，以保證插值再采樣同步的精度；采用分時報文發(fā)送技術(shù)，使得SV報文和GOOSE報文在同一光纜傳輸時，SV報文發(fā)送時刻不受GOOSE報文影響，并仍支持間隔層設(shè)備插值再采用同步；采用100M以太網(wǎng)接口和硬件解碼技術(shù)，具備100M線速數(shù)據(jù)處理能力，保證通訊流量滿負(fù)荷時GOOSE相應(yīng)的實(shí)時性和可靠性。

智能終端只需適當(dāng)采取增加開入量、采用CC插件對網(wǎng)口進(jìn)行擴(kuò)展等措施，即可將測控裝置集成到智能終端。

（2）三合一裝置優(yōu)勢：將智能終端、合并單元、測控三個功能單元整合為一個裝置，可避免信息重復(fù)采集，智能終端與合并單元共享硬件平臺，減少信息交互，在線監(jiān)測的參量采集范圍將更加廣泛，提高可靠性，減少交換機(jī)端口及接線；減少智能控制柜體積；節(jié)省光纜；減少柜內(nèi)設(shè)備功耗，減少設(shè)備的發(fā)熱量，有利于柜內(nèi)保持合適的溫度環(huán)境；節(jié)省投資，減少運(yùn)行維護(hù)工作量，降低變電站全壽命周期運(yùn)行成本。

3.2.3故障錄波器及網(wǎng)絡(luò)分析儀一體化方案

預(yù)期效果：網(wǎng)絡(luò)報文記錄及故障錄波分析一體化裝置對全站各種網(wǎng)絡(luò)報文進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視、捕捉、存儲、分析和統(tǒng)計。裝置具備變電站網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)的在線監(jiān)視和狀態(tài)評估功能。對報文的捕捉安全、透明，不對原有的網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)生任何影響。能實(shí)現(xiàn)對過程層SV網(wǎng)絡(luò)報文、過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)報文、站控層MMS網(wǎng)絡(luò)報文的傳輸過程進(jìn)行監(jiān)視和捕捉。一體化裝置能與變電站內(nèi)繼電保護(hù)運(yùn)行及故障信息管理子站或直接與監(jiān)控系統(tǒng)連接，向子站或監(jiān)控系統(tǒng)提供的信息包括：故障錄波的啟動信號、啟動時間、啟動原因。便于了解故障時系統(tǒng)的運(yùn)行情況，分析繼電保護(hù)和安全自動裝置在事故過程中的動作行為及事故原因，迅速判定線路故障點(diǎn)位置和故障性質(zhì)。裝置能記錄所有過程層SV、GOOSE網(wǎng)絡(luò)報文，站控層MMS報文具備暫態(tài)錄波分析功能與網(wǎng)絡(luò)報文分析功能，分析結(jié)果上傳至站控層主機(jī)兼操作員工作站。

3.2.4一體化業(yè)務(wù)平臺

目前，監(jiān)控系統(tǒng)中子系統(tǒng)名目繁多、建設(shè)獨(dú)立、集成度低，成為了困擾運(yùn)維人員的大問題。一體化業(yè)務(wù)平臺理念提出：通過標(biāo)準(zhǔn)化平臺接口支持第三方擴(kuò)展應(yīng)用模塊的接入，實(shí)現(xiàn)高級應(yīng)用功能的專業(yè)化和實(shí)用化。一體化業(yè)務(wù)平臺包括硬件與部署、數(shù)據(jù)存儲與管理(全景數(shù)據(jù)中心)、公共服務(wù)、基礎(chǔ)平臺應(yīng)用等功能。綜合數(shù)據(jù)中心全面支撐變電站的三大類核心應(yīng)用，同時具有標(biāo)準(zhǔn)、開放、可靠、安全的技術(shù)特征和良好的適應(yīng)性，可滿足調(diào)控中心、運(yùn)行單位、設(shè)備評估中心等上級系統(tǒng)對變電站數(shù)據(jù)的處理要求。

圖4　一體化業(yè)務(wù)平臺部署架構(gòu)圖

一體化業(yè)務(wù)平臺將應(yīng)用封裝為“大對象”，包括業(yè)務(wù)邏輯（一組進(jìn)程）和支撐該業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)時數(shù)據(jù)庫。實(shí)時庫是表的容器，放在應(yīng)用空間中，可以分區(qū)。這種方式有四大優(yōu)點(diǎn)，一是增減應(yīng)用時，只需同時增減其相應(yīng)的實(shí)時庫，而對平臺上的其他應(yīng)用沒有影響，達(dá)到了應(yīng)用“即插即用”的目標(biāo)；二是應(yīng)用模型的修改只會對本應(yīng)用有影響，對其他應(yīng)用沒有影響；三是實(shí)時庫分區(qū)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享而對實(shí)時庫某種粒度的分割。若應(yīng)用模型數(shù)據(jù)相同，或?qū)崟r庫分區(qū)相同，數(shù)據(jù)庫之間可以相互克隆，達(dá)到快速建立應(yīng)用的目的；四是應(yīng)用實(shí)時庫具有清晰的邊界，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用與數(shù)據(jù)高度封裝與專用。

圖5　一體化信息平臺層次圖

4　結(jié)語

本文以某220kV新一代智能變電站電氣一次、二次集成優(yōu)化設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行研究探討，總結(jié)歸納新一代智能變電站集成優(yōu)化設(shè)計技術(shù)特點(diǎn)，并提出新一代智能變電站向更集成、更優(yōu)化發(fā)展的理念和方向。通過優(yōu)化創(chuàng)新，使變電站具備科技含量高、資源消耗低、建設(shè)周期短、運(yùn)行可靠性高的特點(diǎn)。隨著示范工程的實(shí)踐和設(shè)備生產(chǎn)水平的提高，今后需努力將集成優(yōu)化設(shè)計更加細(xì)化，并逐步標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，從而進(jìn)一步提高設(shè)計方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性。

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范巍(1984—)，女，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)科技咨詢工作。

蘭春虎(1986—)，男，碩士，助理工程師，主要從事變電二次設(shè)計工作。