110kV智能化變電站電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隋美紅

（中海油石化工程有限公司，山東青島266101）

變電站是電力系統(tǒng)的基本構(gòu)成部分，其擔(dān)負(fù)著電能轉(zhuǎn)換、優(yōu)化調(diào)整電壓、電能傳遞等功能。在智能化技術(shù)的支撐下，變電站電氣系統(tǒng)已成為目前智能電網(wǎng)構(gòu)建的關(guān)鍵。智能化變電站在傳統(tǒng)變電站設(shè)備的基礎(chǔ)上，更加注重變電站電力資源數(shù)據(jù)的采集以及一次設(shè)備和二次設(shè)備的設(shè)計(jì)及智能輔助設(shè)備。智能化變電站從自動化控制領(lǐng)域不斷延申，彰顯了其在電網(wǎng)監(jiān)控運(yùn)行及電力調(diào)度一體化等方面的價(jià)值。

1 智能化變電站一次設(shè)備的工作原理

1.1 智能化變電站一次設(shè)備的構(gòu)成

目前，智能化變電站一次設(shè)備的構(gòu)成已經(jīng)不同于傳統(tǒng)變電站的一次設(shè)備，因其要實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的全面檢測以及信息交換測量。智能變壓器、智能高壓開關(guān)設(shè)備以及各類電子互感器等均為智能化變電站的一次設(shè)備。在變電站電氣系統(tǒng)運(yùn)行階段，會面臨電力設(shè)備老舊且各項(xiàng)物理或化學(xué)參數(shù)變化等情況，將這些變化在系統(tǒng)傳感器設(shè)備上進(jìn)行檢測和處理，便可針對性地解決問題。對比傳統(tǒng)變電站一次設(shè)備的設(shè)計(jì)，智能化變電站電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加彰顯人性化控制理念，其在各種邏輯單元和智能組件的相互配合下，能夠完成電力數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸、實(shí)時(shí)掌握變電站電氣系統(tǒng)的基本運(yùn)行狀態(tài)、優(yōu)化一次設(shè)備的使用效率、盡可能地提高電網(wǎng)系統(tǒng)的供電質(zhì)量[1]。

1.2 智能化變電站一次設(shè)備的工作原理

1.2.1 智能變壓器的工作原理

在電力系統(tǒng)運(yùn)行單元階段，變電站處于各項(xiàng)工作的節(jié)點(diǎn)位置，可完成電能的轉(zhuǎn)換和工作的分配。而在這整個(gè)過程中，均離不開變壓器設(shè)備的支持，所以變壓器是變電站電氣設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，其與各種用電設(shè)備直接相互連接，且具備分布范圍廣、數(shù)量大等綜合性優(yōu)勢。故此，在變電站中借助智能化變壓器設(shè)備，提高對變壓器設(shè)備的實(shí)時(shí)在線檢測，即可從源頭上控制變壓器狀態(tài)的精準(zhǔn)性與可靠性，以此可避免日常人工方式繁瑣的檢測和維修工作。

1.2.2 智能高壓開關(guān)設(shè)備的工作原理

除了變壓器設(shè)備之外，高壓開關(guān)設(shè)備作用也很重要。在高壓配電系統(tǒng)中，高壓開關(guān)設(shè)備主要是對電力系統(tǒng)的控制與保護(hù)，同時(shí)依據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行的基本需求情況，也可控制部分電力設(shè)備的科學(xué)運(yùn)行。當(dāng)電力系統(tǒng)的電力設(shè)備或線路出現(xiàn)某種運(yùn)行故障時(shí)，該功能可及時(shí)將發(fā)生故障的位置予以隔斷，以此來保證無故障電網(wǎng)系統(tǒng)的常規(guī)運(yùn)行。

2 智能化變電站二次設(shè)備的工作原理

2.1 智能化變電站二次設(shè)備的介紹

通過對智能化變電站一次設(shè)備的構(gòu)成與工作原理的簡要分析可知，其與傳統(tǒng)變電站電氣一次設(shè)備相比，其多了網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測與控制環(huán)節(jié)，并增加了電子式互感器模塊，既能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動在線功能，還可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)完成自動調(diào)整功能，還能夠在整個(gè)控制環(huán)節(jié)中完成諸多的智能化在線分析。此外，在智能化變電站二次設(shè)備的設(shè)計(jì)階段，在系統(tǒng)整體架構(gòu)和配置等方面均有了明顯的改變，即在信息交互模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了二次設(shè)備之間的信息數(shù)據(jù)高度共享，使二次設(shè)備構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化二次回路，以此實(shí)現(xiàn)采樣值和信息數(shù)據(jù)之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2.2 智能化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的工作原理

智能化網(wǎng)絡(luò)通信系數(shù)的結(jié)構(gòu)大致分為三類，即過程、間隔和站控。每一個(gè)層次之間需要借助高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行信息通信。要對電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)層次進(jìn)行劃分，如站控層與間隔層之間的通信機(jī)制為站控通信網(wǎng)絡(luò)，而間隔層與過程層之間的通信機(jī)制為過程層通信網(wǎng)絡(luò)。通常情況下，110kV電壓等級的智能化變電站系統(tǒng)一般采用單以太網(wǎng)。此外，在智能變電站二次設(shè)備配置文件環(huán)節(jié)涵蓋內(nèi)容較多，如SCD文件、SSD文件等。各類二次設(shè)備配置文件可優(yōu)先使用XML語言，以保證機(jī)器設(shè)備或人的正常閱讀[2]。

3 110kV智能化變電站電氣一次設(shè)備的設(shè)計(jì)

3.1 智能化變電站電氣一次設(shè)備的設(shè)計(jì)依據(jù)

在智能化變電站電氣一次設(shè)備的設(shè)計(jì)階段，須重點(diǎn)考慮變電站工程概況，并綜合考慮工程項(xiàng)目要求，以合理選擇主變壓器設(shè)備型號和電氣主接線方式等。同時(shí)要根據(jù)經(jīng)濟(jì)性等設(shè)計(jì)需求，明確變電站的設(shè)計(jì)位置，并得出各出線回路和方向，并在相關(guān)規(guī)章制度程序下合理設(shè)計(jì)絕緣配套方案和過電壓保護(hù)方案，以此全面保障運(yùn)行設(shè)備的使用壽命，繼而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的供電可靠性。

3.2 智能化主變壓器的設(shè)備選型

本文變電站電壓等級為110kV，需結(jié)合實(shí)際情況，多方面綜合考慮各種因素，最終選擇能更好為系統(tǒng)服務(wù)的方案，需要注意下面兩點(diǎn)：

一是無論由于何種原因使得任意一臺變壓器需要單獨(dú)運(yùn)行，此時(shí)應(yīng)該能夠提供對于總負(fù)荷S30×(60%～70%)的需求,計(jì)算公式為ST≈SNT=（0.6～0.7）S30。通過計(jì)算可以得出所需數(shù)據(jù)，將其代入公式可得：

二是在遇到上面所出現(xiàn)的情況時(shí)，單獨(dú)運(yùn)行的變壓器可以滿足全部一級和二級負(fù)荷S30（I+II）的需求，計(jì)算公式為ST≈SNT≥S30（I+II），將相應(yīng)的數(shù)據(jù)代入可得：

根據(jù)工程實(shí)際情況，為了滿足所需適配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文選用了兩臺S9-1000/10型變壓器，其連接組別為Dyn11。

3.3 智能化變壓器的電氣主接線設(shè)計(jì)

變電站為110kV、10kV兩級電壓，本期選用2臺110kV、50MVA變壓器。為了減少輸送線路的損耗，使電能利用更充分，同時(shí)在不增加建設(shè)成本的前提下，既提供優(yōu)質(zhì)電能，又達(dá)到增加項(xiàng)目效益的目的，所以采用了提高功率因數(shù)的方法來進(jìn)行無功補(bǔ)償。通常用來進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)姆绞接屑小⒎纸M和就地三大類。本文在110kV接線中采用單母線雙隔刀分段接線，10kV接線中采用單母線分段接線。

3.4 智能化短路電流的計(jì)算和設(shè)備選擇

常用的計(jì)算方法主要有兩種，本文設(shè)計(jì)選擇通過標(biāo)幺制法來進(jìn)行短路電路的計(jì)算。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇Sj=100MVA，Uj=Ujp，且主變壓器短路電抗取常規(guī)值UK%=14.5%。這種方法的計(jì)算步驟為：

（1）參照原始資料繪制計(jì)算電路圖；

（2）通過選定的Sd、Ud進(jìn)行基準(zhǔn)值的確定；

（3）確定所需元件的電抗標(biāo)幺值；

（4）化簡電路并繪制等效電路圖；

（5）計(jì)算各點(diǎn)的短路數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)。

以此得出110kV母線的短路電流I″＝13.72kA，10kV主變低側(cè)短路電流I″=21.56kA。變電站110kV短路電流水平選擇40kA，10kV短路電流水平選擇31.5kA。

3.5 防雷與接地的設(shè)計(jì)

對于變電站，首先要在其屋頂裝設(shè)避雷針，以此來防止被雷電直接擊中，其次要在變壓器進(jìn)線部分裝設(shè)避雷器。變電站內(nèi)接地的設(shè)計(jì)方案為：在二次設(shè)備室及敷設(shè)有二次電纜的溝內(nèi)敷設(shè)TMY-25×4接地銅排，形成室內(nèi)外等電位接地網(wǎng)，并與主接地網(wǎng)緊密相連。

4 110kV智能化變電站電氣二次設(shè)備的設(shè)計(jì)

4.1 智能化變電站電氣二次設(shè)備的設(shè)計(jì)依據(jù)

智能化變電站二次設(shè)備的設(shè)計(jì)須滿足的設(shè)計(jì)依據(jù)為：對標(biāo)各類電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)；遵循變電站通用設(shè)計(jì)的主要技術(shù)原則；采用智能化技術(shù)，以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的要求。此外，技術(shù)和設(shè)備配置包括：系統(tǒng)繼電保護(hù)、電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入設(shè)備、變電站操作直流電源、交流不停電電源等。同時(shí)，按照統(tǒng)一的配置原則和技術(shù)制定二次設(shè)備的典型組屏方案和各屏柜的功能配置。

4.2 電氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案（見表1）

表1 電氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置方案

5 結(jié)論

國內(nèi)的電氣資源市場處于蓬勃向上的局面，各個(gè)行業(yè)對電力資源的需求逐漸提高。鑒于此，國內(nèi)智能化變電站的供電系統(tǒng)將迎來全新的機(jī)遇。同時(shí)，智能化技術(shù)和電子技術(shù)等的高速發(fā)展將為國家電網(wǎng)體系的穩(wěn)定性和可靠性提供技術(shù)支撐，并將進(jìn)一步構(gòu)建更為完善的智能電網(wǎng)體系。