基于隔離式斷路器的智能變電站電氣主接線優(yōu)化

易海瓊，兌瀟瑋，李勇

(1.國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209；2.清華大學(xué)，北京市 100084)

基于隔離式斷路器的智能變電站電氣主接線優(yōu)化

易海瓊1，兌瀟瑋2，李勇1

(1.國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209；2.清華大學(xué)，北京市 100084)

隨著國(guó)家電網(wǎng)公司智能變電站試點(diǎn)及建設(shè)的不斷推進(jìn)和深化，根據(jù)新一代智能變電站“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”的指導(dǎo)思想，未來(lái)新型智能化開(kāi)關(guān)設(shè)備對(duì)變電站電氣主接線的影響變得越來(lái)越重要。結(jié)合220、110 kV變電站典型設(shè)計(jì)方案，研究新型智能化開(kāi)關(guān)設(shè)備的出現(xiàn)對(duì)智能變電站電氣主接線優(yōu)化設(shè)計(jì)的影響，對(duì)今后智能變電站的建設(shè)具有借鑒意義。

新一代智能變電站；電氣主接線；隔離式斷路器；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

智能變電站是伴隨著智能電網(wǎng)的概念而出現(xiàn)的，是指由先進(jìn)、可靠、節(jié)能、環(huán)保、集成的智能設(shè)備組合而成，以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)為信息傳輸基礎(chǔ)，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)應(yīng)用功能的變電站。智能變電站具有全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、高級(jí)應(yīng)用互動(dòng)化的特點(diǎn)[1-2]。

2009年5月國(guó)家電網(wǎng)公司啟動(dòng)了智能變電站試點(diǎn)工程建設(shè)工作。宋璇坤等對(duì)目前智能變電站試點(diǎn)工程建設(shè)進(jìn)行了分析，指出智能變電站建設(shè)理念、技術(shù)創(chuàng)新、專業(yè)管理、新設(shè)備研制等方面仍有待于進(jìn)一步研究，例如一次設(shè)備智能化水平有待提高，一、二次設(shè)備和二次設(shè)備之間尚未有效集成，站內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，功能與定位不適應(yīng)專業(yè)化建設(shè)、調(diào)控運(yùn)行、狀態(tài)檢修等模式轉(zhuǎn)變的要求[3-4]。因此，國(guó)家電網(wǎng)公司及其他企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)等提出了新一代智能變電站的發(fā)展目標(biāo)和技術(shù)路線[4]，即以“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”為目標(biāo)，著力探索前沿技術(shù)，推動(dòng)智能變電站的創(chuàng)新發(fā)展。

高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備為變電站中重要的元件，通常指用于一次設(shè)備操作和保護(hù)的斷路器和隔離開(kāi)關(guān)設(shè)備。在傳統(tǒng)的變電站設(shè)計(jì)中，斷路器與隔離開(kāi)關(guān)是相互獨(dú)立的設(shè)備。從實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)來(lái)看，斷路器的可靠性遠(yuǎn)高于隔離開(kāi)關(guān)，基本可達(dá)到15年以上的維修間隔周期，因此，隔離開(kāi)關(guān)成為薄弱環(huán)節(jié)。利用隔離開(kāi)關(guān)來(lái)隔離高壓電以進(jìn)行斷路器停電檢修的檢修模式已不再適用于電網(wǎng)的實(shí)際管理和發(fā)展需求，由此提出將原來(lái)的斷路器兩端設(shè)置隔離開(kāi)關(guān)改為將隔離功能集成到斷路器的滅弧室內(nèi)部，從而提出了一個(gè)新的產(chǎn)品——隔離斷路器(disconnecting circuit-breaker，DCB)，并成功應(yīng)用[5]。

國(guó)家電網(wǎng)公司新一代智能變電站關(guān)鍵設(shè)備研制與應(yīng)用中將DCB列為近期重點(diǎn)應(yīng)用設(shè)備之一。DCB集成了線路側(cè)接地刀閘，與電子互感器一體化制造。采用DCB后，可以減少站內(nèi)一次設(shè)備數(shù)量，減少變電站空間與土地占用，同時(shí)供電可靠性可大幅提高。本文將結(jié)合DCB的出現(xiàn)，對(duì)智能變電站主接線型式進(jìn)行研究，以220、110 kV變電站典型設(shè)計(jì)方案為例，探索簡(jiǎn)化主接線型式的可行性。

1 DCB的發(fā)展及其在智能變電站主接線優(yōu)化中應(yīng)用的可行性

1.1 126～252 kV DCB

國(guó)家電網(wǎng)公司新一代智能變電站發(fā)展技術(shù)路線結(jié)合不同階段的需求以及設(shè)備實(shí)現(xiàn)等因素，分為近期、中期及遠(yuǎn)期等階段[4,6]，并分別制定了各階段的關(guān)鍵設(shè)備研制及應(yīng)用計(jì)劃[7]。其中，126～252 kV DCB已列入近期實(shí)用性關(guān)鍵設(shè)備研究框架[7]。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62271-108中，針對(duì)72.5 kV及以上電壓等級(jí)的DCB給出了定義和使用要求，即具有隔離開(kāi)關(guān)功能的斷路器。其技術(shù)特點(diǎn)是：滿足隔離開(kāi)關(guān)斷口要求，集成線路側(cè)接地刀閘，與電子互感器一體化制造；采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和同步控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能滅弧；提高設(shè)備可靠性，維護(hù)周期達(dá)到15年以上，節(jié)省占地25%～40%。

1.2 DCB對(duì)主接線可靠性指標(biāo)的影響分析

DCB的研制是實(shí)現(xiàn)斷路器具備隔離功能的技術(shù)創(chuàng)新。DCB通過(guò)設(shè)備集成提升了可靠性，也給智能變電站的主接線優(yōu)化提供了可能。以單母線接線為例進(jìn)行定性分析，圖1、2分別為采用傳統(tǒng)斷路器和采用DCB的110 kV單母線接線配電裝置間隔接線。采用傳統(tǒng)斷路器，斷路器兩側(cè)均配置隔離開(kāi)關(guān)，用于斷路器檢修時(shí)隔離電源。在此接線方式下，間隔內(nèi)任一元件(母線隔離開(kāi)關(guān)及線路側(cè)隔離開(kāi)關(guān)等)故障或檢修均導(dǎo)致相應(yīng)線路或主變壓器退出運(yùn)行，間隔內(nèi)元件的數(shù)量和可靠性對(duì)整體運(yùn)行影響很大。

圖1 單母線配電裝置間隔接線

如果采用DCB設(shè)備構(gòu)建單母線配電裝置間隔，由于隔離式斷路器內(nèi)部集成了斷路器、接地開(kāi)關(guān)、電流互感器等元件，斷路器的觸頭兼具斷路器和隔離開(kāi)關(guān)的雙重功能，且?guī)Ь€路側(cè)接地刀閘，因此取消線路側(cè)隔離開(kāi)關(guān)，同樣能滿足線路(或主變壓器)檢修時(shí)的需要。DCB設(shè)備可靠性較高，接近于GIS設(shè)備的可靠性水平，設(shè)計(jì)檢修周期可達(dá)到20年，若按變電站設(shè)計(jì)周期40年來(lái)算，在整個(gè)變電站運(yùn)行期內(nèi)，每臺(tái)DCB僅需檢修1次；并且DCB能與母線同時(shí)檢修，因此，可取消母線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)。可見(jiàn)，DCB設(shè)備的采用，極大簡(jiǎn)化了主接線型式。

進(jìn)一步以一個(gè)220 kV變電站(主變規(guī)模及進(jìn)出線規(guī)模為4變12線)為例，分別采用常規(guī)斷路器加隔離開(kāi)關(guān)的接線型式和采用DCB，分析應(yīng)用DCB后對(duì)其220 kV主接線可靠性水平有無(wú)影響。

根據(jù)規(guī)程要求，4變12線的220 kV變電站，其220 kV主接線應(yīng)選擇雙母線分段接線型式。計(jì)算時(shí)，由于DCB為新設(shè)備，目前尚無(wú)有關(guān)該設(shè)備的可靠性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)。研究中采用現(xiàn)有隔離開(kāi)關(guān)、斷路器2種設(shè)備中可靠性水平較高的可靠性指標(biāo)來(lái)分析當(dāng)DCB可靠性指標(biāo)達(dá)到現(xiàn)有開(kāi)關(guān)設(shè)備時(shí)對(duì)主接線的影響。計(jì)算中采用清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的發(fā)電廠/變電所電氣主接線可靠性評(píng)估軟件SSRE-TH (station and substation reliability evaluation-Tsinghua University )。該軟件能夠?qū)ψ冸娬镜碾姎庵鹘泳€進(jìn)行可靠性及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，可靠性評(píng)估中考慮三重及以下元件故障。SSRE-TH中采用的電氣主接線可靠性指標(biāo)如表1所示。其中故障概率、停電頻率、期望故障受阻電力、期望故障受阻電能是關(guān)注度比較高的幾個(gè)指標(biāo)，分別反映了停電時(shí)間的長(zhǎng)短、故障頻次的多少以及造成停電損失的大小。

采用常規(guī)斷路器加隔離開(kāi)關(guān)與采用DCB時(shí)，雙母線分段主接線可靠性指標(biāo)見(jiàn)表2。采用DCB后的雙母線分段主接線，其故障概率、期望故障受阻電能等指標(biāo)均較采用常規(guī)斷路器和隔離開(kāi)關(guān)的主接線型式有較大下降，反應(yīng)出采用DCB時(shí)能提高變電站主接線的可靠性。

表1 可靠性指標(biāo)

表2常規(guī)斷路器與隔離式斷路器對(duì)雙母線分段主接線可靠性的影響分析

Tab.2InfluenceoftraditionalbreakerandDCBonreliabilityofdouble-bussegmentalmainconnection

2 典型220 kV智能變電站主接線優(yōu)化分析

本節(jié)結(jié)合國(guó)家電網(wǎng)公司220 kV變電站典型設(shè)計(jì)方案分析采用隔離式斷路器后，能否對(duì)主接線型式進(jìn)行簡(jiǎn)化。

2.1 修正的220-C-1典型設(shè)計(jì)方案

以《國(guó)家電網(wǎng)公司220 kV變電站典型設(shè)計(jì)》中的220-C-1典型設(shè)計(jì)方案為例，對(duì)考慮DCB后的主接線選擇進(jìn)行研究[8]。

220-C-1典型設(shè)計(jì)方案為：220 kV戶外AIS變電站，220 kV出線6回，主變?nèi)萘?×180 MVA，110 kV出線12回，10 kV出線24回，每臺(tái)主變配置4組無(wú)功補(bǔ)償裝置。對(duì)該方案進(jìn)行調(diào)整后，修正的220-C-1方案為：主變?nèi)萘?×180 MVA；220 kV出線8回，110 kV出線16回，10 kV出線36回，每臺(tái)主變?cè)O(shè)置4組8 Mvar電容器。

在此基礎(chǔ)上，針對(duì)220 kV以及110 kV主接線的不同主接線型式進(jìn)行優(yōu)化。具體分析時(shí)，主要考慮了以下2種因素的對(duì)比：一是AIS方案采用隔離式斷路器前后的可靠性和經(jīng)濟(jì)性分析；二是220 kV主接線和110 kV主接線能否由原來(lái)的雙母線接線簡(jiǎn)化為單母線分段接線，對(duì)比方案如表3所示。220 kV變電站220、110 kV主接線可靠性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果分別如表4、5所示。

表3 220-C-1典型設(shè)計(jì)對(duì)比方案

2.2 220 kV主接線優(yōu)化分析

對(duì)比220 kV AIS方案，從表4中方案1-1和1-2可知，采用DCB后，若DCB本身的可靠性水平能達(dá)到現(xiàn)有斷路器的可靠性水平，其220 kV主接線故障概率、故障頻率、期望故障受阻電力、期望故障受且阻電能等可靠性指標(biāo)較優(yōu)化前均呈下降趨勢(shì)，下降比例為13%～35%；故障概率下降了約28%。從表4中方案1-1和2-1可知，采用DCB可使單母線分段的主接線達(dá)到原來(lái)雙母線接線可靠性水平。并采用DCB后，AIS方案的220 kV主接線設(shè)備投資水平進(jìn)一步下降，下降比例約為13%。

表4 優(yōu)化前后220 kV變電站220 kV主接線可靠性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

注：設(shè)備投資僅計(jì)入斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、互感器等設(shè)備。

表5 優(yōu)化前后220 kV變電站110 kV主接線可靠性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

因此，從主接線可靠性水平來(lái)看，DCB的應(yīng)用使得將220 kV主接線由雙母線接線簡(jiǎn)化為單母線分段接線具備了可能性?？紤]到主接線選擇除了需要考慮可靠性、經(jīng)濟(jì)性外，其靈活性也是決定主接線選擇的重要因素。因此，綜合對(duì)比220 kV AIS方案，具體選擇220 kV主接線時(shí)，需要結(jié)合變電站定位、電網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力等來(lái)選擇雙母線接線及單母線分段型式。對(duì)樞紐變電站、運(yùn)行靈活性要求較高或下一級(jí)電網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力較低的220 kV變電站，220 kV主接線可考慮維持雙母線接線方式，此時(shí)，主接線可靠性水平較未采用DCB時(shí)已經(jīng)有較大提高。對(duì)變電站位置要求不高、下一級(jí)電網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力較強(qiáng)的變電站，也可考慮采用單母線分段接線。

2.3 110 kV主接線優(yōu)化分析

由表5可知，采用DCB時(shí)，110 kV側(cè)電氣主接線的可靠性水平得到提高，故障概率下降了約27%，平均持續(xù)停電時(shí)間減少了20%；110 kV側(cè)主接線可靠性水平可達(dá)到以往采用常規(guī)斷路器和隔離開(kāi)關(guān)時(shí)的雙母線主接線可靠性水平。從經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，采用DCB后，AIS方案的設(shè)備投資水平進(jìn)一步下降，下降比例約為18%。此時(shí)，110 kV側(cè)電氣主接線可考慮簡(jiǎn)化為單母線分段接線。

2.4 220-C-1典型設(shè)計(jì)方案主接線優(yōu)化結(jié)果

采用集成互感器功能的隔離式斷路器，優(yōu)化后，220 kV主接線采用雙母線接線，AIS變電站取消站內(nèi)出線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)；110 kV由雙母線接線優(yōu)化為單母線分段接線，AIS變電站取消站內(nèi)出線、母線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)。

優(yōu)化后的220 kV變電站的220 kV側(cè)、110 kV側(cè)電氣主接線如圖3～4所示。

3 典型110 kV智能變電站主接線優(yōu)化分析

3.1 110-C-5 典型設(shè)計(jì)方案

針對(duì)110-C-5典型設(shè)計(jì)方案[9](2臺(tái)50 MVA主變、110 kV出線4回)，分析采用DCB后簡(jiǎn)化主接線型式的可行性。

110-C-5原方案：主變?nèi)萘?×50 MVA；10 kV出線4回，35 kV出線8回，10 kV出線20回，每臺(tái)主變?cè)O(shè)置1組3.6 Mvar電容器+1組4.8 Mvar電容器；主接線：110 kV單母線分段接線，35 kV單母線分段接線，10 kV單母線分段接線；配電裝置型式：戶外AIS變電站；110 kV采用常規(guī)斷路器及隔離開(kāi)關(guān)。35、10 kV采用戶內(nèi)充氣式開(kāi)關(guān)柜。

圖3 優(yōu)化后的220 kV主接線

圖4 優(yōu)化后的110 kV主接線

110-C-5優(yōu)化后方案：主變?nèi)萘?×50 MVA 10 kV出線4回，35 kV出線8回，10 kV出線20回，每臺(tái)主變?cè)O(shè)置1組3.6 Mvar電容器+1組4.8 Mvar電容器；主接線：110 kV單母線分段接線，35 kV單母線分段接線，10 kV單母線分段接線；配電裝置型式：戶外AIS變電站；110 kV采用集成互感器功能的集成式智能斷路器，取消線路側(cè)、母線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)。35、10 kV采用戶內(nèi)充氣式開(kāi)關(guān)柜。

3.2 主接線優(yōu)化結(jié)果分析

110-C-5方案優(yōu)化前后110 kV側(cè)主接線的可靠性水平指標(biāo)及投資計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知，采用DCB后，110 kV電氣主接線的可靠性水平得到提高，故障概率、故障頻率等指標(biāo)下降比例為13%～27%，平均持續(xù)停電時(shí)間減少15%；同時(shí)設(shè)備投資水平進(jìn)一步下降，下降比例達(dá)到35%。

表6 110-C-5方案優(yōu)化前后110 kV側(cè)主接線的可靠性指標(biāo)及投資

因此，國(guó)家電網(wǎng)公司110 kV變電站的110-C-5典型方案，采用DCB時(shí)，110 kV主接線采用單母線分段接線，AIS變電站可取消站內(nèi)隔離開(kāi)關(guān)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)未來(lái)新一代智能變電站功能的集成化以及結(jié)構(gòu)的一體化，將促使變電站主接線的簡(jiǎn)化。本文考慮新一代智能變電站近期設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)針對(duì)隔離式隔離斷路器的研制，綜合分析其對(duì)變電站電氣主接線的影響，指出智能化設(shè)備功能的集合帶來(lái)單體設(shè)備可靠性的提高，為主接線的優(yōu)化及設(shè)備配置提供了條件。

(2)以220 、110 kV變電站典型設(shè)計(jì)為例，針對(duì)采用隔離式斷路器后，對(duì)優(yōu)化前后主接線可靠性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行分析，提出了220-C-1典型設(shè)計(jì)方案、110-C-5 典型設(shè)計(jì)方案電氣主接線優(yōu)化方案。本文的主接線優(yōu)化結(jié)果已在國(guó)家電網(wǎng)公司新一代智能變電站的試點(diǎn)工程中得到應(yīng)用。

[1]黎翀宇. 智能變電站技術(shù)的研究及應(yīng)用[D]. 成都：西南交通大學(xué)， 2009.

[2]李斌. 智能變電站技術(shù)及其應(yīng)用研究[D]. 北京：華北電力大學(xué)， 2011.

[3]宋璇坤，閆培麗，吳蕾，等. 智能變電站試點(diǎn)工程關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 電力建設(shè)，2013，34(7)：10-16.

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[7]新一代智能變電站關(guān)鍵設(shè)備研制框架研究報(bào)告[R].北京：國(guó)家電網(wǎng)公司，2012.

[8]國(guó)家電網(wǎng)公司220 kV變電站典型設(shè)計(jì)工作組. 國(guó)家電網(wǎng)公司220 kV變電站典型設(shè)計(jì)[S]. 北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[9]國(guó)家電網(wǎng)公司110 kV變電站典型設(shè)計(jì)工作組. 國(guó)家電網(wǎng)公司110 kV變電站典型設(shè)計(jì)[S]. 北京：中國(guó)電力出版社，2006.

李 勇(1968)，男，主任工程師，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析與控制，電力系統(tǒng)規(guī)劃等方面的研究工作。

(編輯：張小飛)

MainElectricalConnectionOptimizationofSmartSubstationBasedonDisconnectingCircuit-breaker

YI Haiqiong1, DUI Xiaowei2, LI Yong1

(1. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China;2.Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Along with the promotion and deepening of the pilot and construction of smart substation in State Grid Corporation, the influence of new smart switch equipment on the main electrical connection in substation will be more and more important in the future, according to the guiding ideology of a new generation of smart substation: ‘highly integrated system, reasonable structural layout, advanced and appropriate equipment, energy conservation and environmental protection, supporting the integration of regulation and control’. Combined with the typical design schemes of 220, 110 kV substations, this paper studied the influence of new smart switch equipment on the main electrical connection in smart substation, which could be the reference for the future construction of smart substation.

a new generation of smart substation; main electrical connection; disconnecting circuit-breaker; optimization design

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(新一代智能變電站設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究)。

TM 561

： A

： 1000-7229(2014)06-0092-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.017

2013-12-19

：2014-01-27

易海瓊(1979)，女，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析與控制，電力系統(tǒng)規(guī)劃等方面的研究工作，E-mail：yihaiqiong@chinasperi.sgcc.com.cn；

兌瀟瑋(1988)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)可靠性、風(fēng)光儲(chǔ)設(shè)備狀態(tài)檢修，E-mail：373330025@qq.com；