智能電網(wǎng)中的電力設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)解析

郭海雁

（智方設(shè)計(jì)股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430000）

1 工程概況

保豐村110 kV 輸變電工程位于湖北省武漢市東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)，屬于20 kV 試點(diǎn)區(qū)域規(guī)劃變電站。站址在高新大道以南、豹山路以東，位于湖北省廣播電視基地（以下簡(jiǎn)稱省廣電）3 期地塊內(nèi)，屬于國家電網(wǎng)有限公司與省廣電共建項(xiàng)目，占地約0.453 hm2。

本站屬于110 kV 電網(wǎng)終端站，投產(chǎn)后變電站供區(qū)范圍東至外環(huán)線（20 kV 供區(qū)東邊界），西至高科4 路，南至高新2 路，北至九峰1 路（20 kV 供區(qū)北邊界），供電面積約為 4.5 km2，初期規(guī)劃時(shí)預(yù)計(jì)投產(chǎn)后，2021 年、2022 年、2023 年負(fù)荷分別達(dá)到74.2 MW、77.87 MW、81.75 MW。

2 智能電網(wǎng)電力設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原則與要求

（1）此次保豐村110 kV 輸變電工程，按照武漢東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)管理委員會(huì)和國網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電公司提出的要求，電力設(shè)計(jì)需要遵循質(zhì)量?jī)?yōu)先和適度超前原則，并且提出了政企合作電網(wǎng)建設(shè)的新模式，即由東湖高新管理委員會(huì)負(fù)責(zé)變電站土建部分，完成建設(shè)后轉(zhuǎn)交武漢供電公司，由該公司負(fù)責(zé)變電站電氣建設(shè)的部分。

（2）電力設(shè)計(jì)采用政企合作電網(wǎng)建設(shè)模式，電力廊道參考所在地區(qū)政府規(guī)劃要求。

2.2 應(yīng)用設(shè)計(jì)參數(shù)

以《國家電網(wǎng)有限公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)（2020 年版）》方案為依據(jù)，并根據(jù)最新國家電網(wǎng)基建《國家電網(wǎng)公司關(guān)于印發(fā)國家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)成果（35～750 kV輸變電工程通用設(shè)計(jì)、通用設(shè)備）應(yīng)用目錄（2022 年版）》標(biāo)準(zhǔn)，得出電力設(shè)計(jì)參數(shù)。110 kV 變電站通用設(shè)計(jì)方案與參數(shù)如表1 所示。

表1 110 kV 變電站通用設(shè)計(jì)方案與參數(shù)

3 智能電網(wǎng)中電力設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 信息采集和處理技術(shù)

信息采集和處理技術(shù)主要應(yīng)用在電網(wǎng)電量領(lǐng)域，包括采集和處理功率、頻率以及電能等信息。電流和電壓二次信號(hào)可以通過該技術(shù)進(jìn)行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到一次值，用于監(jiān)控故障電流。通過計(jì)算電流和電壓向量，還可以得到需要的電力參數(shù)[1]。智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)中，在數(shù)據(jù)交換安全程度等方面具有嚴(yán)格要求，尤其是智能電力設(shè)備，必須采集重要參數(shù)并對(duì)其展開失電保管，及時(shí)上報(bào)重要數(shù)據(jù)和智能電網(wǎng)狀態(tài)信息，若出現(xiàn)短路等故障，可以快速展開處理。

3.2 能源轉(zhuǎn)換技術(shù)

目前，諸多可再生能源中，太陽能和風(fēng)能利用相對(duì)較多，這2 種能源不僅沒有污染，而且均具有可再生的特點(diǎn)[2]。該背景下，電能今后的發(fā)展方向極有可能以光伏電網(wǎng)等并網(wǎng)技術(shù)為主導(dǎo)。實(shí)際上，與其他國家應(yīng)用的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)相比，我國采用的技術(shù)依在發(fā)展，尤其是在智能電網(wǎng)方面。因此，將能源轉(zhuǎn)換技術(shù)作為智能電網(wǎng)電力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，可以發(fā)揮可再生能源和并網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，一方面可以節(jié)約電力能源，另一方面可以有效保護(hù)環(huán)境，滿足經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等諸多要求。

3.3 高壓直流輸電技術(shù)

電力設(shè)計(jì)中需要應(yīng)用高壓直流輸電技術(shù)，通過控制器實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的逆變或者整流。對(duì)于輕質(zhì)量直流輸電系統(tǒng)，換流器中有大量關(guān)斷電極元件，可以在電流傳輸時(shí)保證其穩(wěn)定性，并且符合近距離和遠(yuǎn)距離的直流輸電工程電力設(shè)計(jì)要求。

3.4 柔性交流輸電技術(shù)

智能電網(wǎng)電力設(shè)計(jì)中應(yīng)用柔性交流輸電技術(shù)，可以提高能源的清潔度，是當(dāng)前智能電網(wǎng)建設(shè)中非常關(guān)鍵的技術(shù)。柔性交流輸電技術(shù)離不開電子技術(shù)、微電子技術(shù)和微處理技術(shù)等的支持，其在控制交流輸電方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于我國智能電網(wǎng)輸變電電壓非常高，在智能電網(wǎng)建設(shè)中便需要融入清潔能源，達(dá)到能源隔離的效果。

3.5 電能質(zhì)量?jī)?yōu)化技術(shù)

為最大限度地發(fā)揮電能質(zhì)量?jī)?yōu)化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，必須構(gòu)建電能質(zhì)量等級(jí)以及評(píng)估機(jī)制，同時(shí)供電接口需要體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性[3]。常見的電能質(zhì)量?jī)?yōu)化技術(shù)包括電氣化鐵道平衡供電技術(shù)和連續(xù)調(diào)諧波器關(guān)鍵技術(shù)，均能夠有效提升智能電網(wǎng)的電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性。

3.6 高速雙向通信技術(shù)

高速雙向通信技術(shù)可以快速檢測(cè)并分析智能電網(wǎng)受損位置，保證智能電網(wǎng)可以自動(dòng)恢復(fù)正常。在智能電網(wǎng)建設(shè)中應(yīng)用高速雙向通信技術(shù)，最直觀的優(yōu)勢(shì)是能夠監(jiān)控智能電網(wǎng)，為電力安全提供保證，并且可以提高智能電網(wǎng)資源分配的合理性。例如，進(jìn)入用電高峰期后，可以采用高速雙向通信技術(shù)，增強(qiáng)智能電網(wǎng)的自控性與可靠性。

4 智能電網(wǎng)中電力設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

4.1 發(fā)電與電力能源儲(chǔ)存方面

結(jié)合保豐村110 kV 輸變電工程，對(duì)于該電力系統(tǒng)而言，發(fā)電是所有運(yùn)行程序中能源消耗相對(duì)較少的環(huán)節(jié)。智能電網(wǎng)建設(shè)過程中，采用分布式發(fā)電與儲(chǔ)能技術(shù)，可以提高發(fā)電效能，避免能源和資源的過度消耗，同時(shí)可以規(guī)避周圍環(huán)境的污染。例如，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以將風(fēng)力轉(zhuǎn)化為電能，并且風(fēng)能是可再生能源，無須擔(dān)心能源枯竭問題；太陽能發(fā)電技術(shù)可以將光能轉(zhuǎn)化為電能，達(dá)到發(fā)電的目的[4]。

智能電網(wǎng)的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)主要采用電磁儲(chǔ)能，在多個(gè)維度應(yīng)用電力設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)。通過利用以風(fēng)能和太陽能為代表的新能源，可以有效杜絕資源和能源過度開發(fā)的現(xiàn)象出現(xiàn)。結(jié)合該項(xiàng)目所在地區(qū)即武漢市的實(shí)際情況，選擇合適的發(fā)電形式。此外，工作人員需要綜合考慮地區(qū)優(yōu)勢(shì)，大力應(yīng)用風(fēng)能和太陽能等諸多新能源，既可以為發(fā)電提供支持，又能夠改善環(huán)境。

盡管智能電網(wǎng)發(fā)電與儲(chǔ)能技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，但是也不能忽略該技術(shù)存在的不足。例如，新能源的供給穩(wěn)定性不高，盡管風(fēng)能和太陽能能夠保證能源供給的持續(xù)性，但是無法完全實(shí)現(xiàn)不間斷的能源供給。尤其是在無風(fēng)和無太陽光照射的情況下，無法繼續(xù)供給能源。因此，智能電網(wǎng)電力設(shè)計(jì)中，要想保證發(fā)電的持續(xù)性，必須關(guān)注發(fā)電和儲(chǔ)能情況。智能電網(wǎng)發(fā)揮控制作用，確保新能源和儲(chǔ)存電能協(xié)調(diào)配合，為發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造條件。

4.2 配輸電方面

配輸電方面，本設(shè)計(jì)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)將智能電網(wǎng)與電力系統(tǒng)進(jìn)行連接，即使是遠(yuǎn)距離電力工程，也能夠緊密連接，穩(wěn)定傳輸電能，同時(shí)承載較大功率的電能輸送。例如，在輸配電環(huán)節(jié)應(yīng)用高溫超導(dǎo)技術(shù)，不僅可以有效減少運(yùn)輸環(huán)節(jié)的電能耗損，還可以保護(hù)環(huán)境不被污染。

4.3 設(shè)備引進(jìn)方面

對(duì)電力系統(tǒng)而言，智能電網(wǎng)具有重要作用，結(jié)合本項(xiàng)目建設(shè)要求，需要在電力設(shè)計(jì)中引入合適且先進(jìn)的設(shè)備，充分發(fā)揮電力系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。例如，選擇高質(zhì)量的電力儲(chǔ)存設(shè)備，可以保證能源儲(chǔ)存的穩(wěn)定性，降低能源泄漏的概率[5]。高質(zhì)量的運(yùn)輸電設(shè)備可以傳輸大量電力，避免電力運(yùn)輸中產(chǎn)生的能量損耗以及環(huán)境污染問題，并且支持長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，降低設(shè)備故障概率。

選擇主變壓器時(shí)，分析保豐村110 kV 變電站的負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果可知，直到2025 年，保豐村110 kV 變電站的最大負(fù)荷約為90.15 MW。若以負(fù)荷功率因數(shù)為0.95 進(jìn)行計(jì)算，則需要主變?nèi)萘繛?4.89 MVA。同時(shí)，按照《35 kV ～110 kV 變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50059—2011）以及變電站供區(qū)主變?nèi)葺d比的相關(guān)要求，選擇不同主變?nèi)萘繉?duì)應(yīng)的容載比結(jié)果如表2 所示。按照分層分區(qū)電力平衡結(jié)果以及系統(tǒng)潮流、工程供電范圍內(nèi)（4 ～5 km2）負(fù)荷及負(fù)荷增長(zhǎng)情況，2025 年110 kV 容載比可以達(dá)到1.77，并且呈現(xiàn)逐年遞增態(tài)勢(shì)。可以確定，終期3 臺(tái)容量為80 MVA 的主變能夠滿足供電需求，確定保豐村110 kV 變電站終期采用3 臺(tái)容量為80 MVA 的主變，本次采用2 臺(tái)容量為80 MVA 的主變。

表2 不同主變?nèi)萘繉?duì)應(yīng)的容載比

此外，該變電站可以為附近地區(qū)20 kV 配網(wǎng)進(jìn)行供電，參考《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》（GB/T 40427—2021），直接向20 kV 配電網(wǎng)有載調(diào)壓型降壓變壓器提供電能，降壓變壓器高壓側(cè)的額定電壓，低壓側(cè)額定電壓選擇1.05 倍系統(tǒng)額定電壓。主變高壓側(cè)電壓為110 kV，低壓側(cè)電壓為21 kV，電壓變比為110 ∶21。主變選擇有載調(diào)壓變壓器，分接頭電壓為（110±8×1.25%）kV。

5 結(jié) 論

目前，我國電力行業(yè)朝著智能化方向發(fā)展，智能電網(wǎng)的建設(shè)成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，尤其是電力設(shè)計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用。結(jié)合智能電網(wǎng)建設(shè)要求，文章針對(duì)不同技術(shù)，提出相應(yīng)的要點(diǎn)，充分發(fā)揮先進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠減少電能耗損，降低電力運(yùn)輸和系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)生故障的概率。同時(shí)，分析了電力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，不僅能夠保護(hù)環(huán)境，滿足智能電網(wǎng)的建設(shè)要求，并為我國電力行業(yè)的智能化發(fā)展提供動(dòng)力。