新一代智能變電站技術的研究應用與發(fā)展

茍旭丹(成都城電電力工程設計有限公司，四川 成都 610041)

新一代智能變電站技術的研究應用與發(fā)展

茍旭丹
(成都城電電力工程設計有限公司，四川 成都 610041)

隨著電力系統(tǒng)邁入智能時代步伐的加快，智能變電站建設所涉及的新技術、新設備、新工藝，已經(jīng)成為推動智能技術創(chuàng)新發(fā)展的關鍵。分析了新一代智能變電站的部分新技術應用情況，并提出了一些建議和前景展望。

智能電網(wǎng)；智能變電站；新技術；展望

0 引 言

電力系統(tǒng)正進入智能電網(wǎng)建設時代，而智能變電站是智能電網(wǎng)中的關鍵節(jié)點。所謂智能變電站，就是采用先進、可靠、集成和環(huán)保的智能設備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化、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、計量和檢測等基本功能，同時，具備支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策和協(xié)同互動等高級功能的變電站。

國家電網(wǎng)公司從2009年開始進行了第一批智能變電站試點建設，按照“試點先行、總結完善、穩(wěn)步推進”的工作方針，在各區(qū)域的各電壓等級范圍內(nèi)，選取了數(shù)十個涵蓋各種類型的變電站進行試點建設，并在投運之后開展了廣泛的技術總結和經(jīng)驗特色提煉。工程實踐表明，智能化技術得以規(guī)范，節(jié)約環(huán)保、節(jié)資效果明顯，在設備整合、系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡優(yōu)化、組柜優(yōu)化、布置優(yōu)化等方面取得成效，有效控制了工程造價。新一代智能變電站在此基礎上，以“系統(tǒng)高度集成、結構布局合理、裝備先進適用、經(jīng)濟節(jié)能環(huán)保、支撐調(diào)控一體”為目標，著力探索前沿技術，推動智能變電站創(chuàng)新發(fā)展。

1 電子式互感器的應用及問題處理

1.1 電子式互感器的發(fā)展背景

傳統(tǒng)的電流和電壓互感器是電磁感應式的,具有類似變壓器的結構。隨著電力系統(tǒng)傳輸?shù)碾娏θ萘坎粩嘣黾?、電壓等級的提高，互感器逐漸暴露出一系列固有的缺點。近年來，隨著光電子技術、微電子技術及光纖通信技術的發(fā)展，有源光電互感器得到迅速發(fā)展。在國網(wǎng)公司試點工程中，各種原理的電子式互感器都得到了工程應用，電子式互感器的應用成為智能變電站的一個重要特征。

1.2 電子式互感器的分類及性能比較

1.2.1 電子式互感器的分類

圖1 電子式互感器的分類

1.2.2 電子式互感器同常規(guī)互感器優(yōu)缺點比較

表1 電子式互感器同常規(guī)互感器比較

1.3 電子式互感器與常規(guī)互感器全壽命周期比較

1.3.1 一次投資成本(IC)

暫不考慮目前電子式互感器價格虛高的成份，隨著時間推移，該技術成熟后，價格應比常規(guī)互感器低。根據(jù)相關統(tǒng)計分析，戶外AIS變電站智能化方案后共可節(jié)省控制電纜費用為7.5萬元。按常規(guī)變電站戶外控制電纜中 TA/TV 電纜占全站控制電纜40% 計算，因此可節(jié)省控制電纜費用3萬元。GIS變電站節(jié)省費用與此相當。

1.3.2 運行成本(OC)

采用電子式互感器不存在更換TA、TV 至合并單元控制電纜費用，控制電纜、光纜按12年壽命考慮，在變電站全壽命周期內(nèi)更換兩次。智能變電站比常規(guī)變電站可節(jié)省 3 萬元。

1.3.3 故障引起的中斷供電損失成本(FC)

電子式互感器的應用不存在電磁式電流互感器由于絕緣問題而造成的故障(如瓷套爆裂、爆炸等) 及其帶來的嚴重后果。由于不好量化，因故障引起的中斷供電損失成本按FC=0 計算。

1.3.4 報廢成本(DC)

變電站二次設備達到使用年限報廢后，基本沒有回收的價值，DC 按 0 計算。

1.3.5 全壽命周期成本比較計算結果

采用電子式互感器后，在變電站全壽命周期的成本(控纜部分) LCC(增量)=IC +OC+FC+DC =- 6 萬元，其全壽命周期成本比常規(guī)互感器有所減少。

1.4 電子式互感器存在的問題及應對

在看到電子式互感器應用技術效果明顯進步的同時，也看到擴展應用中面臨的新問題：參與廠家眾多，各廠家產(chǎn)品良莠不齊，出現(xiàn)不同質(zhì)量故障問題；整個生產(chǎn)、驗收各個環(huán)節(jié)，缺乏指導標準，沒有一個統(tǒng)一的制造標準、試驗標準，驗收標準。據(jù)統(tǒng)計，采集器故障為電子式互感器最突出的故障類型，在三類電子式互感器中的占比分別達到44%、27%和 89%。無源電流互感器的光纖故障問題、有源電壓互感器的絕緣問題均不容忽視，且電子式互感器故障后因備品供貨時間長，檢修周期延長，直接影響供電安全，造成間接經(jīng)濟損失。

1.4.1 電子式互感器存在的問題

通過收集研究前期電子式互感器的應用情況，在試點運行過程中的可靠性和穩(wěn)定性較差,故障率較高，歸納總結電子式互感器出現(xiàn)的問題集中在以下幾個方面：VFTO干擾，頻繁損壞采集器的問題；采集器至合并單元通信規(guī)約或接口不統(tǒng)一問題；精度及溫漂問題；密封問題；計量問題。

1.4.2 電子式互感器問題的應對

鑒于短時間內(nèi)無法解決以上問題的出現(xiàn)，為確保電網(wǎng)運行安全，2011年版《國網(wǎng)公司輸變電工程通用設計110(66)～750 kV智能變電站部分》電流電壓互感器仍采用常規(guī)互感器加合并單元來實現(xiàn)，全面停用電子式互感器的應用。但是隨著電力系統(tǒng)自身的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)電磁式互感器的缺點越來越明顯，已無法滿足當前智能變電站的需求。電子式互感器因其具備的優(yōu)越性，再次引起電力行業(yè)部門的重視。

(1)電磁兼容問題的解決：目前，廠家從設計構思、出廠試驗驗證兩個方面提出解決方案?？闺姶鸥蓴_技術設計有：采集回路設計、有效的接地系統(tǒng)設計、信號輸入端設計、電源模塊設計、一體化設計。

(2)采集器至合并單元通信規(guī)約或接口不統(tǒng)一問題的應對：各廠家宜相互配合，逐漸形成行業(yè)標準，對遠期推廣電子式互感器，形成調(diào)試和檢修規(guī)范提供有利條件。

(3)精度及溫漂問題的應對：這一問題，許繼研制的GIS組合式電子式互感器通過獨特的溫度補償技術，已順利通過測試。

(4)密封問題的應對：采用雙層防水技術，有效解決互感器頂部由于凝露問題帶來的浸水問題。

(5)關口計量問題的應對：數(shù)字電度表與測控共用合并單元；電子式互感器加裝數(shù)模轉(zhuǎn)換插件。同時建議相關部門加快數(shù)字電度表作為關口計量的標準制定和認證工作，引起有關部門及廠家的高度重視。

1.5 結論

(1)目前電子式互感器行業(yè)已對前期出現(xiàn)的問題部分進行整改、規(guī)范制造，設備正在從當初的間隔掛網(wǎng)運行、整站試點逐漸進入到實際工程推廣應用階段。

(2)220 kV、110 kV智能變電站互感器配置方案：戶內(nèi)GIS考慮采用有源電子式電流互感器ECT或ECVT，阻容分壓式電壓互感器EVT配合合并單元實現(xiàn)。

(3)結合地區(qū)特點要求及前期工程可研批復意見，也可采用常規(guī)互感器+合并單元的配置方案。

2 集成式智能設備

隨著智能變電站建設的發(fā)展，智能一次設備已成為技術重要組成部分之一。從一、二次設備智能化的發(fā)展來看，一次設備智能化程度滯后于二次設備，二次設備與一次設備的信息交互仍然得由二次回路完成。就地智能終端及合并單元的應用作為實現(xiàn)傳統(tǒng)一次設備數(shù)字化的重要手段被采用。

2.1 智能化一次設備發(fā)展趨勢

智能化一次設備由傳統(tǒng)高壓設備和智能組件組成，傳感器和執(zhí)行器為兩者間的樞紐，三者類似身體、大腦和神經(jīng)。智能組件承擔宿主的數(shù)字化測量、智能化控制和狀態(tài)監(jiān)測的基本功能，也可集成相關保護、測量、計量等擴展功能。一次設備智能化演變趨勢如圖2。

圖2 一次設備智能化演變趨勢圖

在第一階段，智能組件是分散獨立的，也是傳統(tǒng)的二次設備，其與傳統(tǒng)的一次設備構成了一個松散的“智能設備”，而智能組件和高壓設備剛好畫出了相當于過程層和間隔層的接線；在第二階段，在線監(jiān)測設備融入高壓設備中，主要是傳感器與高壓智能設備本體的一體化安裝，保護、測控、計量的安裝隨著技術的成熟逐漸走出小室，安裝在高壓設備附近。松散的“智能設備”體現(xiàn)了緊湊型一體化的趨勢；在第三階段，智能組件和高壓設備將進一步融合，高壓設備可以集成的智能組件越來越多，直至智能組件全部嵌入高壓設備，實現(xiàn)對一次高壓設備的智能化控制操作、狀態(tài)評估和檢修時，最終形成真正意義上的緊湊型一體化的智能設備。

2.2 集成式智能控制柜需要解決的問題

目前智能變電站采用預制式設備、實現(xiàn)標準化建設、工廠化加工、即插即用等新的建設模式已經(jīng)成為變電站建設的趨勢，這對智能控制柜的應用提出了新的要求，但在建設實踐中還存在如下問題。

(1)在工程實施中，一、二次廠家需要配合設計，在一次設備廠內(nèi)完成一次接線和部分二次接線(一次設備與智能組件之間)，在現(xiàn)場完成剩余二次接線(二次過程層與間隔層設備之間)。

(2)一、二次接口不清晰，造成多個廠家設計間的反復修改、推諉扯皮，耗費多方精力且責任劃分不明確，這樣的設計模式已難以滿足新的建設模式要求。

2.3 220 kV系統(tǒng)智能控制柜設計方案研究

以220 kV變電站為例，對220 kV電壓等級智能設備進行討論。

220 kV采用雙母線接線形式，母差保護柜、對時分柜、網(wǎng)絡交換機柜、直流分電柜等下放布置在220 kV配電裝置室； 220 kV間隔層設備、過程層設備均下放布置于220 kV配電裝置室。

2.3.1 220 kV GIS智能控制柜布置組合方案

以下方案主要是在一、二次設備接口界面、柜內(nèi)設備優(yōu)化接線、控制柜體標準化三個方面進行標準化、預制式研究。

2.3.2 方案比較

方案1、方案2均為部分組合式智能控制柜，兩模塊間的接口可以采用預制光纜，實現(xiàn)標準化連接也較為容易。但兩面柜體聯(lián)合布置需要仔細設計，考慮間隔寬度和GIS 室面積，采用前后布置或并列布置。在調(diào)試時，需分兩個階段，或分別調(diào)試或現(xiàn)場聯(lián)調(diào)。方案1將智能組件全部下放，使一次設備具備數(shù)字化接口，具備智能一次設備形式。方案2將間隔層、過程層A、B套完全分開，實現(xiàn)了220 kV兩套二次回路的物理上的完全隔離。

表2 智能控制柜布置組合方案

兩個方案每個間隔都要配置兩面智能控制柜，增加占地面積，增加投資，也增加了施工周期。

方案3實現(xiàn)了將一次設備本體(帶機構箱)作為一部分，將傳統(tǒng)匯控柜、智能控制過程層部分、智能控制間隔層部分作為一個模塊，以此實現(xiàn)內(nèi)部接線工廠化加工。

220 kV集成式智能控制柜在設計生產(chǎn)過程中，應實現(xiàn)以下部分的標準化：220 kV智能控制柜內(nèi)交直流供電方案、端子排及回路布置要求、操作開關、電源空氣開關、柜體結構、控制柜外觀及尺寸。

2.4 結論

集成智能式設備的采用能實現(xiàn)以下改進。

(1)縮小GIS配電裝置室的尺寸：智能控制柜使保護控制下放，減少了二次設備室的面積，縮小了GIS配電裝置室的尺寸，減少了城市變電站的占地面積。

(2)實現(xiàn)一次設備的智能化：保護、測控、表計、PMU、合并單元、智能終端等各種組件與高壓設備集成，使智能高壓設備具有測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡化、狀態(tài)可視化、功能一體化、信息互動化特征，對關鍵設備的運行狀況進行實時監(jiān)控，進而實現(xiàn)電網(wǎng)設備可觀測、可控制和自動化。

(3)節(jié)約了電纜等設備投資以及相應的施工投資：實現(xiàn)了對智能控制柜接口和責任的明確劃分，且大大減少了電纜、光纜消耗，縮短了現(xiàn)場調(diào)試時間、施工時間，基本上做到了即插即用，體現(xiàn)了裝配式建設的理念。

3 基于無人值守智能變電站的一體化電源系統(tǒng)

智能變電站的一大亮點是“無人值守”，較之前的“無人值班”更強調(diào)“調(diào)控一體、運維一體”。為滿足智能變電無人值守的要求，采用交直流一體化電源系統(tǒng)方案,統(tǒng)一設計、集控、生產(chǎn)、調(diào)試、服務，實現(xiàn)對一體化電源系統(tǒng)進行分散數(shù)據(jù)采集、控制和集中集控管理，遠程可實時查看各電源的參數(shù)、運行狀態(tài)等，可修改系統(tǒng)參數(shù)、運行方式、遙控開關設備，實現(xiàn)站用交直流電源的狀態(tài)檢修和智能化管理，減少日常巡視和維護工作量。

圖3 智能變電站一體化電源系統(tǒng)圖

3.1 系統(tǒng)現(xiàn)存的問題

隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴大和負荷需求的不斷增加，電網(wǎng)系統(tǒng)對變電站交、直流系統(tǒng)的運行要求越來越高，現(xiàn)運行系統(tǒng)存在以下問題：缺乏統(tǒng)一技術規(guī)范，無法推廣應用；無統(tǒng)一監(jiān)控系統(tǒng)平臺，各設備監(jiān)測裝置各自獨立形成系統(tǒng)，形成多個信息孤島，造成資源浪費；信息通信標準不統(tǒng)一，信息傳輸交換難度大；缺乏設備信息狀態(tài)診斷、智能分析、預警、壽命預測和管理等高級應用功能，不能為運行部門進行狀態(tài)檢修和全壽命管理提供有效支持。

3.2 一體化電源系統(tǒng)的設計

3.2.1 系統(tǒng)功能

交直流電源運行狀態(tài)一體化監(jiān)測與診斷系統(tǒng)實現(xiàn)遠程集中監(jiān)控交流電源、直流電源、蓄電池組、UPS等設備的實時和歷史運行信息。系統(tǒng)功能包括：監(jiān)視功能、實時監(jiān)控、實時通訊、地理圖導航、數(shù)據(jù)查詢、錄波瀏覽、日志服務等，另外還兼具高級應用功能(含專家分析、充電機性能分析、直流饋線環(huán)網(wǎng)告警)、管理功能(含報表管理、用戶管理、系統(tǒng)設置、參數(shù)管理)，通過平臺的建設，積累大量的變電站交直流系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，形成了交直流系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫，為以后設備的運行評價等工作積累了數(shù)據(jù)財富。

3.2.2 系統(tǒng)特點

一體化監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，在具備以上功能的基礎上，突破傳統(tǒng)的系統(tǒng)概念，搭建起一體化的交直流數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺、變電站交直流系統(tǒng)全景數(shù)據(jù)平臺 、變電站交直流系統(tǒng)專家分析與診斷平臺，提供了交直流系統(tǒng)在線測試平臺，最終可實現(xiàn)了遠程智能專家診斷，重點體現(xiàn)在：站用電源系統(tǒng)聯(lián)動、預測和診斷蓄電池性能、充電機性能分析、設備缺陷等級判斷， 并能創(chuàng)新用戶體驗和豐富的WEB瀏覽發(fā)布功能，實現(xiàn)了變電站內(nèi)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信標準 。

3.3 效益對比分析

通過一體化電源系統(tǒng)設計，提高了變電站交直流監(jiān)測的管理水平，實現(xiàn)了統(tǒng)一的變電站交直流系統(tǒng)監(jiān)控管理平臺，提高了變電站管理的信息化程度，節(jié)省了人力成本，進一步提升了變電站交直流系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟運行水平及智能系統(tǒng)的決策反應的快速性和正確性。

3.4 設備研究方向

基于新一代智能變電站背景，為實現(xiàn)目標，對交直流一體化電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀進行了進一步分析，分析發(fā)現(xiàn)包括系統(tǒng)各饋線回路在內(nèi)，站內(nèi)所有用電設備的電源均僅具備故障后告警功能，而不具備回路電流、電壓量監(jiān)測及遠方控制的功能，這一領域的空白致使現(xiàn)場維護工作量大，對調(diào)控一體的支撐力度不夠，不滿足電網(wǎng)運維管理體制轉(zhuǎn)變的要求。因此研究能實現(xiàn)回路實時監(jiān)控的設備成為必然，智能磁保持微型斷路器是近年開發(fā)的設備，具有三遙、保護、通信功能，可以支持一體化電源系統(tǒng)的高級應用，實現(xiàn)遠端控制和事故處理，提高運檢效率，避免人為事故，實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。同時，對并聯(lián)蓄電池的相關參數(shù)、各方案技術經(jīng)濟比較的研究，也成為參建各方越來越關注的部分。

一體化電源系統(tǒng)是變電站各類設備的生命線，電源系統(tǒng)故障直接影響到電網(wǎng)穩(wěn)定和設備安全。通過引入一些新技術、新裝置，可以適時監(jiān)控電源系統(tǒng)的運行參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，實現(xiàn)前瞻式管理，確保后備電源系統(tǒng)可靠、安全、高效運行，并且可以減少人工檢測因誤操作可能引起的設備損害，也是未來的發(fā)展趨勢。

4 智能變電站輔助系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺技術

目前國內(nèi)多家智能輔助系統(tǒng)研發(fā)公司開發(fā)了適應智能化變電站輔助系統(tǒng)綜合管理的多種數(shù)字監(jiān)控設備及系列智能視頻監(jiān)控軟件，具有完全的自主知識產(chǎn)權，廣泛應用于國內(nèi)電網(wǎng)的多個變電站以及發(fā)電廠。經(jīng)過多年的研究開發(fā)和工程實踐，這些公司基本上形成了較為完整的電力視頻監(jiān)控及安全防范解決方案。

4.1 輔助系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺結構

輔助系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺系統(tǒng)采用集中管理，分散控制的網(wǎng)絡結構，通過IP通信網(wǎng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的分級、分區(qū)域部署，實現(xiàn)主站與站端間、站端與設備間的互聯(lián)互通，實現(xiàn)資源的共享和信息的分級分權限控制。

分層：系統(tǒng)分為主站系統(tǒng)、前端系統(tǒng)兩個層次；分級：采用集控中心、站端兩級結構；分域：系統(tǒng)按照所管轄的范圍可劃分為不同監(jiān)控區(qū)域分別管理。見圖4。

圖4 輔助系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺結構圖

4.2 站端系統(tǒng)組成

智能輔助系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺根據(jù)功能的不同可劃分為視頻監(jiān)控系統(tǒng)、報警與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能分析系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、對講系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)，并具有與綜自、消防聯(lián)動功能。

4.3 網(wǎng)絡要求

監(jiān)控系統(tǒng)需要提供至少一個網(wǎng)絡通道，同時為該變電站的視頻處理單元分配一個IP地址，變電站通過網(wǎng)絡與監(jiān)控中心相連。系統(tǒng)支持帶寬自動檢測、控制功能，根據(jù)網(wǎng)絡帶寬情況，自動限制上傳圖像數(shù)量，保證網(wǎng)絡暢通，并支持多畫面復合上傳功能。

4.4 系統(tǒng)功能

完善的輔助系統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)應實現(xiàn)以下功能：①實時監(jiān)控功能，包括實時預覽、云臺控制、視頻輪巡、OSD疊加；②錄像管理功能；③環(huán)境監(jiān)測功能；④報警功能，包含報警等級、報警聯(lián)動策略設置、實時告警接收與顯示、歷史告警記錄和查詢等內(nèi)容；⑤電子地圖功能，包括設備定位顯示功能、查看視頻、告警事件定位和操作、地圖操作等多項內(nèi)容；⑥大屏管理功能；⑦門禁管理功能；⑧與綜自系統(tǒng)聯(lián)動。

4.5 選用系統(tǒng)應注意的問題

通過對運行工程案例的分析對比，在智能輔助系統(tǒng)的設計選型中還應注意以下幾個方面的問題：①兼容性問題；②操作模式多樣化；③必須支持高清全景視頻接入；④安全性問題；⑤綠色節(jié)能問題；⑥對集成商技術水平、綜合協(xié)調(diào)能力的要求。同時設計方應該把好技術關，從各系統(tǒng)的原理、設備的配置合理性、通訊協(xié)議方面提出具體要求，以完全滿足智能變電站可視化監(jiān)控和調(diào)度，提高運行和維護的安全性及可靠性。

5 結 語

以上僅是討論了智能變電站新技術的一小部分內(nèi)容，對相關部分也僅僅進行了粗淺和較為表面的分析。除此之外，在諸如二次設備監(jiān)控、網(wǎng)絡結構、層次化保護系統(tǒng)、一體化監(jiān)控系統(tǒng)的高級應用等方面，新技術、新設備存在廣闊的研究空間和應用前景。特別對于應用成效和效益分析，還必須具備足夠的工程實例、充足的投運時間來進行技術支撐，研究的技術手段也應該更加多樣化、多元化和多維度，因此這項研究工作既應該是即時的，同時也應該是嚴肅嚴謹和長期的，做為智能化電網(wǎng)建設的參建者，有義務有責任認真科學、有條不紊地開展這項工作，進一步推動智能變電站的創(chuàng)新發(fā)展。

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With the faster development of power system entering the era of smart grid, the new technologies and facilities involved in the construction of smart station have became the significant factors to promote the development of smart technical innovation. The utilization of some new technologies in new generation of smart station is analyzed, and some suggestions and prospects are proposed.

smart grid; smart substation; new technology; prospect

TM769

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1003-6954(2015)02-0089-06

2014-12-22)