淺析智能化變電站建設(shè)模式的選擇

文／國網(wǎng)浙江寧波市鄞州區(qū)供電公司 謝江寧 俞沛宙 朱登科／

0 前言

智能化變電站是電力系統(tǒng)綜合自動化的發(fā)展趨勢，也是當前國內(nèi)的一個熱點。智能化變電站是指采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。智能化變電站的建設(shè)是一項系統(tǒng)工程，涵蓋了變電站的全部范圍，如一次設(shè)備中的互感器、斷路器、變壓器，二次設(shè)備中的保護、控制、通信，以及軟件開發(fā)、系統(tǒng)建模、數(shù)據(jù)應(yīng)用等。一次設(shè)備革新的核心是一次測量設(shè)備和智能斷路器，綜合自動化通信的關(guān)鍵是IEC61850標準。

1 智能化變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能化變電站是智能電網(wǎng)的重要節(jié)點。國家電網(wǎng)公司規(guī)劃了2020計劃：至2020年，全面建成統(tǒng)一、堅強智能電網(wǎng)。

智能化變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繼承了分層分布式變電站結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，同時由于高速以太網(wǎng)、新型傳感器、智能操作箱技術(shù)以及IEC 61850 協(xié)議的運用，對智能化變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重大影響。智能化變電站的自動化系統(tǒng)可以劃分為站控層、間隔層、過程層三層。

站控層包括自動化站級監(jiān)控系統(tǒng)、站域控制、通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)等子系統(tǒng)，實現(xiàn)面向全站設(shè)備的監(jiān)視、控制、告警及信息交互功能，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制（SCADA）、操作閉鎖、電能量采集、保護信息管理等相關(guān)功能。

間隔層設(shè)備一般指繼電保護裝置、系統(tǒng)測控裝置、監(jiān)測功能組的主智能電子設(shè)備（IED）等二次設(shè)備，實現(xiàn)使用一個間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設(shè)備的功能。

過程層包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流/電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組件以及獨立的智能電子設(shè)備。其主要功能是完成實時運行電氣量的采集、設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等。

2 智能化變電站的建設(shè)模式

目前的智能化變電站建設(shè)模式，概括來說可歸納為過渡型、實用型、理想型等類型。

過渡型智能化變電站站控層和間隔層實現(xiàn)智能化，過程層仍采用常規(guī)電磁型互感器，優(yōu)點是信息和通信符合最新國際標準，實現(xiàn)了信息的共享，具有很好的互操作性，大量減少二次電纜。部分傳統(tǒng)的保護控制功能通過網(wǎng)絡(luò)方式實現(xiàn)。二次設(shè)備在現(xiàn)有的成熟設(shè)備基礎(chǔ)上完成，具有較高的實用性，便于現(xiàn)階段在變電站推廣和老站改造。但過程層未實現(xiàn)模擬量智能化采集。

實用型智能化變電站采用電子式互感器，站控層和間隔層全部智能化，過程層基本實現(xiàn)智能化。優(yōu)點是過程層的采樣數(shù)據(jù)實現(xiàn)共享，節(jié)省電纜，簡化二次接線，電子式互感器原理先進。但過程層的一次設(shè)備未實現(xiàn)智能化，目前電子式互感器的技術(shù)應(yīng)用在國內(nèi)還不完全成熟，成本較高。

理想型智能化變電站的站控層、間隔層、過程層全部實現(xiàn)智能化。優(yōu)點是變電站過程層的測量、監(jiān)視、控制全部實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化，徹底解決了二次電纜接線復(fù)雜問題，最終降低成本、提高可靠性，是今后的發(fā)展方向。

3 智能化變電站建設(shè)模式的選擇

在智能化變電站的規(guī)劃與設(shè)計階段，選取哪一種智能化變電站發(fā)展建設(shè)模式，成為決定此項工程面貌與效果的關(guān)鍵。

理想型是今后的發(fā)展方向，但因為一次設(shè)備的智能化（如智能化斷路器），在目前階段，過程層全部實現(xiàn)智能化，尚有一定難度。

過渡型與實用型智能化變電站的區(qū)別，主要在于是否采用電子式互感器。于是，是否選用電子式互感器，就成為選擇的焦點。

電子式互感器分為2種：有源電子式互感器和無源電子式互感器。有源電子式互感器的技術(shù)相對較為成熟，其技術(shù)性能已基本可以滿足實用化要求，國內(nèi)目前建設(shè)的智能化變電站使用的互感器絕大部分均為有源電子式互感器。

有源電子式電流互感器工作原理如下：

有源電子式電流互感器利用空芯線圈及低功率線圈傳感被測一次電流。低功率CT（LPCT）的工作原理與常規(guī)CT的原理相同，只是LPCT的輸出功率要求很小，因此其鐵芯截面就較小?？招揪€圈是一種密繞于非磁性骨架上的螺線管，如圖所示。空芯線圈不含鐵芯，避免了因鐵芯引起的CT飽和等問題，具有很好的線性度。

空芯線圈的輸出信號e與被測電流i有如下關(guān)系：

圖1 有源電子式電流互感器示意圖

由此公式可知，輸出信號e與截面積s相關(guān)，即空芯線圈輸出信號與其結(jié)構(gòu)相關(guān)，一方面加工時需保證截面積s符合設(shè)計要求；一方面運行時溫度變化可能會導致空芯線圈結(jié)構(gòu)變化，進而影響輸出信號精度。

電子式互感器還存在采樣同步問題：電壓、電流之間需要同步、變壓器不同的電壓等級之間三相電流、電壓采樣必須同步，變壓器差動保護從不同電壓等級的多個間隔獲取數(shù)據(jù)存在也同步問題。而且常規(guī)互感器與電子式互感器可能會并存，更增加了同步的難度。如果選用電子式互感器，同步問題是一個繼電保護專業(yè)必須面對的一個難點。

現(xiàn)在以南瑞繼保電氣有限公司ECVT1電子式互感器為例：

在溫度問題上，ECVT1電子式互感器說明書標明使用環(huán)境氣溫：-25—+40℃，日平均≤+35℃。查詢氣象資料：寧波地區(qū)2010年超過+35℃的氣溫的天數(shù)為28天，最高溫度為40.7℃,而2013年寧波地區(qū)地區(qū)遭遇極端高溫天氣，截止目前，寧波地區(qū)2013年超過+35℃的氣溫的天數(shù)已超過45天，最高溫度高達43.5℃。

變電所運行溫度還要高于環(huán)境氣溫，根據(jù)實例變電站（110kV布政變）夏季110kV開關(guān)室溫度斷面監(jiān)測顯示，其日最高氣溫均在37℃以上，在散熱設(shè)施全開情況下，最高溫度仍然到達過42℃，如部分散熱設(shè)施故障，最高溫度會達到45℃以上；10kV開關(guān)室因裝有空調(diào)，室溫較低，但不可忽視的是作為輔助設(shè)施的空調(diào)設(shè)備，其可靠性尚不足以滿足要求，當一臺空調(diào)停機時，室溫仍有可能上升至較高水平。如圖2所示。

圖2 110kV布政變夏季最高溫度斷面監(jiān)測表

維護方面，二次部分依靠自檢功能實現(xiàn)狀態(tài)檢修，產(chǎn)品運行1～3年后需光纖傳光性能檢測、互感器變比測試。目前寧波地區(qū)尚無電子式互感器運行維護經(jīng)驗，從未進行過電子式互感器檢測和測試。

我們再來參考其他公司運行經(jīng)驗：某110kV變電站，采用實用型智能化模式，投產(chǎn)3年后，因運行中出現(xiàn)問題太多，不得不進行二次部分全站改造。

華東電網(wǎng)內(nèi)某110kV變電站，采用實用型智能化模式，投產(chǎn)后，缺陷大量出現(xiàn)，給運行和維護帶來較大壓力。

《浙江省電力公司2011年新建變電站設(shè)計補充規(guī)定實施細則》也規(guī)定：“選用電子式互感器時，需進行充分技術(shù)經(jīng)濟論證”。

4 結(jié)語

綜上所述，以目前的產(chǎn)品技術(shù)水平和寧波地區(qū)的實際情況，普通110kV變電站如建設(shè)為智能化變電站，宜采用過渡型智能化變電站模式。

[1]Q/GDW 383-2009 智能化變電站技術(shù)導則.北京：國家電網(wǎng)公司,2009.

[2]Q/GDW 441-2009 智能化變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范.北京：國家電網(wǎng)公司,2010.

[3]馬輝.智能化變電站技術(shù)叢書——設(shè)計分冊.中國電力出版社,2010.

[4]馬輝.智能化變電站技術(shù)叢書——成果與展望分冊.中國電力出版社,2010.

[5]劉振亞.智能電網(wǎng)知識問答.中國電力出版社,2010.

[6]劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù).中國電力出版社,2010.

[7]ECVT1電子式互感器技術(shù)和使用說明書.南瑞繼保電氣有限公司,2010.