淺談智能變電站設(shè)備架構(gòu)

田惠川

（西山煤電電力公司）

0 引言

一般來講，傳統(tǒng)變電站架構(gòu)可以從一次系統(tǒng)架構(gòu)、二次系統(tǒng)架構(gòu)和輔助系統(tǒng)架構(gòu)幾個(gè)方面來考慮，一次系統(tǒng)選用的高壓開關(guān)柜主要包含上、下隔離刀閘和斷路器、互感器等，斷路器手車需要在停、送電操作時(shí)人工拉出或推入，二次系統(tǒng)選用的繼電保護(hù)裝置主要在電流互感器的配合下對故障電流識別并且發(fā)出指令，能在故障狀態(tài)下對斷路器發(fā)出跳閘信號。輔助系統(tǒng)主要包括交直流屏、操作顯示裝置、微機(jī)監(jiān)控后臺等等，傳統(tǒng)變電站每班至少需要配備2名運(yùn)維人員進(jìn)行設(shè)備巡視及執(zhí)行當(dāng)班倒閘操作任務(wù)，運(yùn)維人員每天對設(shè)備進(jìn)行周期性巡視，內(nèi)容就包含設(shè)備測溫、蓄電池電壓測量等等，并且需要記錄在運(yùn)行日志中，不僅工作量大，而且對運(yùn)維人員的基本業(yè)務(wù)素質(zhì)要求比較高，如果遇到業(yè)務(wù)素質(zhì)相對較低或主觀責(zé)任心不足的運(yùn)維人員值班，巡視過程中很容易忽視設(shè)備在故障初期暴露出來的現(xiàn)象，甚至在倒閘操作時(shí)發(fā)生誤操作的供配電事故。因此，盡可能引入智能設(shè)備，建設(shè)新型智能變電站，減少通過人的主觀因素判斷考量電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)好壞是很有必要也是符合當(dāng)下政策環(huán)境的手段。

1 智能變電站一次系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)

1）以110kV變電站為例，110kV電壓等級設(shè)備通常架構(gòu)在戶外區(qū)域，戶外設(shè)備因?yàn)殡妷旱燃壐咚圆僮鲬敉庠O(shè)備具備一定的危險(xiǎn)性，所以首先110kV隔離刀閘、接地刀閘、斷路器等設(shè)備應(yīng)具備電動操作功能，并且接地刀閘應(yīng)具有閉鎖功能或者五防功能，避免帶電可以合接地刀閘，引起短路事故。其次，110kV設(shè)備在具備電動分合閘操作的基礎(chǔ)上應(yīng)通過數(shù)據(jù)傳輸將設(shè)備狀態(tài)信息和操作信號傳輸至控制室，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)嗦菲骱偷堕l狀態(tài)信息及遠(yuǎn)方操作來實(shí)現(xiàn)對戶外設(shè)備的日常管理。

2）從戶外110kV間隔到變壓器。常規(guī)的變壓器巡檢主要是通過“望、聞、聽、測”等手段，比如觀察變壓器上層油位是否過低、油溫及繞組溫度表指示是否在允許范圍內(nèi)，是否嗅到有異常味道，是否聽到運(yùn)行變壓器有雜音，通過測量母排與母排、瓷瓶與母排等連接處的溫度是否因?yàn)樨?fù)荷增加導(dǎo)致溫升過高等措施來綜合判斷變壓器是否正常運(yùn)行［1］。從智能變電站建設(shè)的角度講，主要應(yīng)做好變壓器的監(jiān)測與火災(zāi)預(yù)防。監(jiān)測和保護(hù)手段主要可分為電量數(shù)據(jù)和非電量數(shù)據(jù)的監(jiān)測與保護(hù)，監(jiān)測的手段可引入在線測溫技術(shù)與紅外測溫技術(shù)。在線測溫技術(shù)主要對高、中、低壓側(cè)瓷瓶與母線連接處或母線之間連接處通過“內(nèi)置電池表帶式”與“集電環(huán)取電式”等測溫裝置采集溫度數(shù)據(jù)。紅外測溫技術(shù)主要通過引入變壓器紅外熱成像系統(tǒng)，可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部故障與電力連接點(diǎn)熱故障，紅外熱成像系統(tǒng)不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)控變壓器表面溫度與內(nèi)部溫度，還能對故障點(diǎn)定位，而且可以穿透雨霧，不受可見光強(qiáng)度影響，不僅降低人工式巡檢在危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)性，還提高電力系統(tǒng)監(jiān)控、測量效率。

另外，對變壓器的火災(zāi)預(yù)防可引入變壓器充氮滅火裝置，也叫排油注氮防火滅火裝置，其原理是當(dāng)變壓器發(fā)生火災(zāi)時(shí)，裝置如處于自動運(yùn)行狀態(tài)，則在接收到重瓦斯動作信號、溫感火災(zāi)探測器動作信號、斷路器跳閘信號、油箱超壓信號后裝置立即啟動，裝置啟動后，首先快速排油閥打開使變壓器油箱頂部部分熱油通過排油管排出，釋放壓力，防止二次燃爆，同時(shí)斷流閥關(guān)閉切斷油枕至油箱的補(bǔ)油回路，防止火上澆油。排油15s后，充氮閥打開使氮?dú)鈴挠拖涞撞孔⑷霐嚢瑁瑥?qiáng)制熱冷油的混合，進(jìn)行熱交換，使油溫降至閃點(diǎn)以下，同時(shí)充分稀釋空氣中的含氧量，達(dá)到迅速滅火的目的［2］。

3）從變壓器到中低壓側(cè)配電室。對開關(guān)柜型號的選擇上應(yīng)逐步淘汰GG1A型開關(guān)柜，當(dāng)前應(yīng)用比較普及的也是使用效果不錯(cuò)的KYN28中置手車式開關(guān)柜，通過真空斷路器切斷運(yùn)行電流及短路電流。對中低壓配電室一次系統(tǒng)而言，智能化的改造或升級主要體現(xiàn)在開關(guān)柜隔離刀閘或接地刀閘的電動分合閘以及中置式手車的自動投入和退出，所以智能化變電站高壓開關(guān)柜的配置思路主要指的是高壓開關(guān)柜應(yīng)具備電動操作刀閘與電動投入和退出手車的功能，并且具備遠(yuǎn)方控制的條件。

4）其他一次系統(tǒng)設(shè)備配置。高壓一次電纜往往使用的是截面積比較大的鎧裝電纜，在對電纜的巡視和管理中，除了需要定期通過對電纜做絕緣電阻試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)來判斷電纜運(yùn)行狀態(tài)外，就是在運(yùn)維過程中對電纜以及電纜井（溝）的日常巡視。在人的主觀因素作用下通過人去巡視和判斷電纜運(yùn)行狀態(tài)是非常不可控的，一方面由于電纜溝（井）所處環(huán)境是相對較為臟污的，運(yùn)維人員不一定實(shí)事求是去現(xiàn)場完成巡檢；另一方面通過普通測溫儀器對電纜外層測溫并結(jié)合一次測電流數(shù)據(jù)來判斷電纜運(yùn)行狀態(tài)，對測溫儀器的精度和運(yùn)維人員專業(yè)素質(zhì)的要求都比較高，有時(shí)數(shù)據(jù)并不一定準(zhǔn)確，并不能反映電纜實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，所以從智能化變電站建設(shè)角度來看，利用不同溫度的物體輻射出來的光波長不一樣，通過光纖接收這些輻射波，傳輸至光譜儀再解碼成溫度的原理，引入電纜感溫光纖測溫系統(tǒng)是目前技術(shù)上已經(jīng)成熟可靠的架構(gòu)思路。

在變壓器中性點(diǎn)不接地或沒有直接接地的小電流接地系統(tǒng)中，電容電流允許值超過規(guī)范值情況下，應(yīng)配置消弧裝置，提高發(fā)生單相接地故障時(shí)的滅弧能力和電網(wǎng)安全運(yùn)行［3］。在功率因數(shù)低系統(tǒng)的電容補(bǔ)償中，應(yīng)考慮使用動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，自動根據(jù)負(fù)荷調(diào)整確定補(bǔ)償容量，如SVG、SVC系統(tǒng)在變電站無功補(bǔ)償中的應(yīng)用。

2 智能變電站二次系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)

1）智能變電站二次系統(tǒng)主要包括繼電保護(hù)裝置、變壓器二次系統(tǒng)、互感器二次接線、直流系統(tǒng)等等。對智能化的繼電保護(hù)裝置要求，主要還是沿用傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置原理和功能，通過對繼電保護(hù)裝置的整定值設(shè)置達(dá)到對高壓設(shè)備保護(hù)的目的。此外，傳統(tǒng)的變壓器保護(hù)和測控裝置通常按照一臺變壓器主保護(hù)裝置，兩臺變壓器后備保護(hù)裝置，一臺非電量保護(hù)裝置，一臺變壓器測控裝置來配置，裝置數(shù)量多，屏內(nèi)占用空間多，變相增加了屏柜的數(shù)量，所以從智能化精簡設(shè)備的角度可以考慮配置一臺變壓器主后一體化保護(hù)裝置及一臺變壓器測控裝置，這樣，2臺裝置就可以達(dá)到原來5臺裝置才可以實(shí)現(xiàn)的保護(hù)和測控功能。

2）直流操作電源。變電站直流系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)提供可靠的直流操作電源，對電力設(shè)備安全運(yùn)行具有重要作用。智能變電站對直流操作電源的要求主要體現(xiàn)在直流操作電源的安全性和可靠性。直流系統(tǒng)主要利用的就是蓄電池對繼電保護(hù)、故障照明、后臺監(jiān)控等設(shè)備提供配電源，而由蓄電池有可能引起火災(zāi)事故且變電站內(nèi)火災(zāi)事故極具破壞性，因此直流系統(tǒng)的智能化應(yīng)體現(xiàn)在對直流系統(tǒng)的監(jiān)控和預(yù)防火災(zāi)措施中。目前國內(nèi)外主流的電池監(jiān)控系統(tǒng)是BMS電池管理系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)（BMS）主要就是為了智能化管理及維護(hù)各個(gè)電池單元，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。防火管理可以引入氣體火災(zāi)探測器，通過選擇電池組表溫和電池組內(nèi)一氧化碳濃度這兩種參數(shù)進(jìn)行復(fù)合探測，對蓄電池?zé)崾Э丶盎馂?zāi)狀況做出綜合判斷，避免系統(tǒng)誤報(bào)和漏報(bào)。此外，氣體探測可以兼顧氣體濃度和濃度上升速率，提高探測準(zhǔn)確率［4］。

3）其他二次系統(tǒng)設(shè)備配置。智能操作顯示裝置作為最直觀的設(shè)備狀態(tài)顯示，對確定斷路器及刀閘位置信息有重要作用，智能化的操作顯示裝置不僅具有狀態(tài)指示功能，還可以結(jié)合開關(guān)柜在線測溫系統(tǒng)顯示觸頭溫度以及帶電指示功能，并且具備將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄C合自動化后臺的功能。

小電流接地系統(tǒng)中應(yīng)配置小電流接地選線裝置，從而在發(fā)生單相接地時(shí)準(zhǔn)確判斷出故障線路，目前小電流接地選線技術(shù)已相對成熟，選線準(zhǔn)確率基本都可以達(dá)到98%以上，對保證電網(wǎng)運(yùn)行安全是十分重要的，值得注意的是，在變壓器經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中，應(yīng)注意小電流接地選線裝置與消弧線圈的配合問題，區(qū)分小電流選線裝置同消弧補(bǔ)償?shù)脑恚岣哌x線概率［4］。此外，還可以配合行波測距裝置，在發(fā)生故障時(shí)準(zhǔn)確判斷故障線路的大致故障位置，對于故障處置，提高變電站安全性和智能化水平有重要意義。

3 輔助系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)

變電站除了主系統(tǒng)以外的其他設(shè)備設(shè)施，雖然沒有直接影響整體的高壓設(shè)備運(yùn)行，但是在保障電力設(shè)備安全運(yùn)行中的作用以及直觀地反映變電站智能化水平中還是非常重要的。變電站最主要的輔助系統(tǒng)應(yīng)是綜合自動化監(jiān)控平臺，綜合自動化監(jiān)控平臺不僅反映設(shè)備斷路器、刀閘位置狀態(tài)，還能反映出電流、電壓、負(fù)荷、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)參數(shù)，將遙信、遙控、遙調(diào)等功能集中體現(xiàn)。此外，綜合自動化后臺遠(yuǎn)程操作功能還應(yīng)具備上傳電力調(diào)度功能，最終實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度集中控制各下級站所開關(guān)設(shè)備、視頻信號等功能，真正做到集中程度高、安全性高、可靠性高的無人值守智能化變電場所。

變電站最常見的運(yùn)維過程就是設(shè)備巡檢，軌道式巡檢機(jī)器人或膠輪式巡檢機(jī)器人在這方面的應(yīng)用可以非常直觀地體現(xiàn)出變電站智能化水平，兩者均具備開關(guān)柜溫度檢測、局部放電監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測等等，其缺點(diǎn)也同樣明顯，比如造價(jià)和維護(hù)成本較高、巡視周期長，單個(gè)戶內(nèi)開關(guān)柜時(shí)長需要5～10min，整個(gè)巡視周期長達(dá)數(shù)小時(shí)。對于膠輪式巡檢機(jī)器人還需要專門配置機(jī)器人充電口，上樓電梯等輔助設(shè)施，所以對于電力巡檢機(jī)器人的配置應(yīng)綜合測評、效益評估后再選擇應(yīng)用。此外，智能化變電站輔助系統(tǒng)配置還應(yīng)考慮全站視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電子圍欄安防系統(tǒng)、火災(zāi)煙霧報(bào)警系統(tǒng)等，打造成封閉式的、安全性高的智能化變電場所。

4 結(jié)束語

智能化變電站設(shè)備配置不僅僅針對新建變電站，在老舊變電站改造中也可以加入智能化改造內(nèi)容。電氣設(shè)備新建安裝與升級改造耗資巨大，智能化變電站建設(shè)的道路上也不是一朝一夕可以完成的，建設(shè)智能化變電站、無人值守變電站還需要大量的時(shí)間沉淀和投資保證。隨著科技的進(jìn)步，新產(chǎn)品、新技術(shù)的不斷應(yīng)用，智能化設(shè)備也在不斷升級換代和創(chuàng)新，在智能化變電站建設(shè)和改造的道路上，管理人員需要思路清晰、考慮全面、不斷學(xué)習(xí)，并且同前沿設(shè)備和技術(shù)接軌，引入新技術(shù)、新裝備、新管理模式，從而打造出堅(jiān)強(qiáng)的供配電系統(tǒng)。