新一代智能變電站集成優(yōu)化設計研究

范　巍　蘭春虎

（1國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院天津3003842國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術研究院天津300171）

新一代智能變電站集成優(yōu)化設計研究

范巍1蘭春虎2

（1國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院天津3003842國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術研究院天津300171）

本文以某220kV新一代智能變電站設計為例，對變電集成優(yōu)化設計進行了深入研究。從主接線優(yōu)化、平面布置、各級配電裝置平面布置、設備選擇、光電纜敷設優(yōu)化、二次設計集成優(yōu)化等多角度進行論述，提煉新一代智能變電站集成優(yōu)化設計的核心技術，為后續(xù)智能變電站設計拓展思路，提升水平。

新一代智能變電站；集成；優(yōu)化；設計

新一代智能變電站的建設目標是“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、支撐調控一體”,為智能變電站建設的各個環(huán)節(jié)提出了新的要求。本文以某220kV新一代智能變電站為例，對新一代智能變電站集成優(yōu)化設計進行深入研究探討。

1　工程總體規(guī)模介紹

1.1工程終期規(guī)模

電壓等級220/110/35kV，主變3×240MVA，220kV進出線12回，110kV出線15回，35kV出線18回。

1.2工程本期規(guī)模

主變2×180MVA，220kV進出線6回；110kV出線10回，35kV出線12回。原則參考通用設計220-A2-3方案進行布置并進行局部優(yōu)化。該變電站采用半戶外布置形式，主變及中性點設備，架空出線避雷器布置于戶外，其他配電裝置布置于戶內。

2　新一代智能變電站一次設計集成優(yōu)化

2.1主接線優(yōu)化

依據(jù)相關規(guī)程規(guī)定，各電壓等級的主接線形式可根據(jù)出線規(guī)模、變電站在電網(wǎng)中的地位及負荷性質確定，當滿足運行要求時，宜選擇簡單接錢。

根據(jù)該變電站實際接線情況，本站遵循新一代智能變電站設計原則，取消220kV、110kV主變進線側隔離開關，取消220kV出線側隔離開關，取消110kV無T接線路的出線側隔離開關。

隔離開關的取消，能夠從根本上提高設備運行的可靠性，能在一定程度上縮減設備尺寸，實現(xiàn)變電站緊湊化布置。

2.2一次設備高度集成

電氣設備選擇在遵循通用設計應用目錄的基礎上，使用高度集成的一、二次設備，能夠最大程度實現(xiàn)工廠內規(guī)模生產、集成調試、模塊化配送，減少現(xiàn)場安裝、接線、調試工作，一次設備本體與智能控制柜之間二次控制電纜采用預制電纜連接，提高建設質量、效率。

2.2.1智能高壓開關設備

通過GIS廠家完成智能控制柜內部各智能組建的組裝，實現(xiàn)廠內接線，廠內調試，智能控制柜與本體一體化運輸和吊裝，可減少現(xiàn)場接線和聯(lián)調，縮短工期，提高效率。智能終端、合并單元、監(jiān)測IED應按工程本期規(guī)模按間隔配置。

2.2.2高壓開關柜

35kV/10kV開關柜二次設備與開關柜一體化集成優(yōu)化設計，便于后期布置的美觀和運維檢修的便利性。

2.3無功補償優(yōu)化

結合通用設計方案，本工程每臺主變補償4組10Mvar并聯(lián)電容器組，共計12組。考慮優(yōu)化變電站平面布置方案的需求，本站對無功補償模塊進行優(yōu)化，在滿足電壓波動及運行要求的前提下，通過實際負荷計算，合理選擇無功分組容量。最終本站每臺主變配置3組（即2×10+20）Mvar電容器組，本期每臺主變配置2組（即10+20）Mvar電容器組。

通用設計方案中，采用并聯(lián)電容器組帶干式空心并聯(lián)電抗器，每臺10Mvar電容器占地為(13m)長×（8.5）寬，不考慮兩側通道時至少需要整個變電樓設備長度為8.5×9=76.5m，且需要考慮剩余3組的布置問題；優(yōu)化分組方案后，加之改用占地面積更少的帶鐵芯電抗器的電容器組，優(yōu)化后每組10Mvar電容器組占地為(13m)長×（7）寬，每組20Mvar電容器組占地為(13m)長×（7.5）寬；不考慮兩側通道時至少需要整個變電樓設備長度為7× 6+7.5×3=64.5m，且已經(jīng)全部考慮9組電容器的布置問題，不再需要額外空間。

電容器組合理分組的優(yōu)化，滿足變電站無功補償及投運要求的同時，實現(xiàn)了變電站緊湊化布置。

2.4平面布置優(yōu)化

該站電氣總平面布置本著減少變電站占地面積，以最少土地資源達到變電站建設要求的原則進行合理設計。合理利用站區(qū)環(huán)境和站外道路，優(yōu)化站內道路，縮減變電站縱向尺寸和橫向尺寸，從而減少圍墻內占地面積。

2.4.1應用模塊化集成設計理念

本工程應用了變電站模塊化集成設計新理念，實現(xiàn)平面布局優(yōu)化。嚴格按照工廠預制現(xiàn)場裝配的理念設計，一次設備本體加智能組件的方式實現(xiàn)一次設備智能化，智能組件統(tǒng)一由一次設備廠家場內集成，體現(xiàn)模塊化設計的高效；電氣裝置的布置方式采用“單元”布置方式，一臺主變所帶設備成“單元”分區(qū)就近布置，并滿足二次接線的要求。開關設備同無功補償設備分區(qū)明確，充分體現(xiàn)電氣布置模塊化。一二次設備高度集成，現(xiàn)場只需完成合并單元及保測裝置至二次設備室的相關交直流電源電纜及光纜的敷設，全站電纜大幅減少，電纜敷設、電纜施工接線的工作量相應減輕，縮短電纜施工安裝周期，節(jié)約工程造價。

2.4.2優(yōu)選小型化設備

設備是影響變電站占地指標的關鍵因素。本工程優(yōu)選小型化、緊湊型設備，并對全站布局進行優(yōu)化，以實現(xiàn)變電站緊湊化布置。本站220kVGIS電纜出線間隔寬度為2.8m,其他間隔為1.8m，整個220GIS室布局緊湊合理，放置于220配電裝置樓二層，優(yōu)化后的9組電容器放置于220配電裝置樓一層；本站110kVgis間隔寬度為1m，35kV采用金屬鎧裝SF6充氣柜，出線柜寬0.6m，受總及分段柜寬0.8m，相對與常規(guī)1.2m(1m)的空氣絕緣柜大大節(jié)省占地面積。優(yōu)化后全站綜合樓為55m(長)×10.2m（寬）。優(yōu)化后全站總建筑面積（3633.24m2）較通用設計（5327.51m2）優(yōu)化了39.3%，優(yōu)化后全站圍墻內占地面積(5829m2)較通用設計（7740m2）優(yōu)化了24.7%。

2.4.3整合全站功能用房

該變電站設計融入變電站緊湊化布局設計思想，按照無人值守變電站標準將變電站房間數(shù)量和項目標準化。全站僅設置安全工具間，資料間，衛(wèi)生間，泵房。減少附屬房間配置，優(yōu)化全站布局。

2.5光、電纜敷設優(yōu)化

本站電纜的敷設采用成品電纜槽盒，方便土建施工，提高施工效率。電纜溝采用成品復合溝蓋板和裝配式電纜溝，減少現(xiàn)場澆筑施工量和時間。通過使用隱藏式電纜溝系統(tǒng)在安全、方便的前提下，站內無明露溝、蓋板，全站外觀簡潔，突出工業(yè)化。

2.6綠色建筑節(jié)能環(huán)保

本站建筑電氣設計過程中融入綠色建筑理念，以綠建三星標準進行變電站輔助電氣設施相關的設計。首選低能耗、低噪音的電氣設備，充分利用太陽能、風能等新能源條件，實現(xiàn)變電站能夠接入清潔能源的條件。實現(xiàn)新一代智能變電站的“更節(jié)能”、“更低碳”、“更環(huán)?！?。

3　新一代智能變電站二次設計集成優(yōu)化

3.1實際工程優(yōu)化方案

（1）站域保護控制系統(tǒng)通過網(wǎng)采網(wǎng)跳方式采集站內信息，集中決策，實現(xiàn)備投、主變過負荷聯(lián)切、低頻低壓減載等緊急控制功能；實現(xiàn)110kV間隔單套保護的冗余配置功能；優(yōu)化主變低壓后備保護功能，實現(xiàn)35kV/10kV簡易母差功能。同時支持不同運行方式下控制保護策略的自適應功能。（2）二次設備在線監(jiān)測以公用測控裝置為主IED，實時監(jiān)測二次設備自檢及自診斷信息。（3）考核計量點設備采用保護測控計量一體化裝置，電量信息通過網(wǎng)絡傳遞，省去電度表，更加節(jié)省空間。

3.2衍生的集成優(yōu)化前沿理念

3.2.1屏柜機架一體化

現(xiàn)有二次設備屏柜組合方案都是建立在單體屏柜的構架基礎之上的，故而存在運輸時整體強度、空間利用、預留遠期接口等問題。筆者從以模塊為單位的角度出發(fā)，不再考慮單體屏柜組合的模式，采用一體化機架作為模塊整體結構的基礎。在此基礎上，重新分配二次裝置安裝空間及接線方式，實現(xiàn)裝置的即插即用；單獨設置對外光電纜接口，通過使用預置光電纜，真正實現(xiàn)現(xiàn)場零施工；結合前接線理念，優(yōu)化模塊內的走線路徑，解決預留間隔設備后期安裝的問題等。主要優(yōu)勢如下。

（1）以模塊為單位整體設計。擺脫單體屏柜的結構局限，整體設計模塊內的空間分布，進一步優(yōu)化安裝接線空間和裝置運行環(huán)境。

（2）采用一體化機架作為模塊主體結構。為模塊結構的整體強度加強，為運輸安裝提供便利條件。避免單體屏柜再組合在運輸、安裝等階段引起的一系列問題。

（3）優(yōu)化設備散熱條件。采用冷通道封閉系統(tǒng)進行散熱，“先冷設備，后冷環(huán)境”，實現(xiàn)冷熱空氣分離有序流動，提高空調冷量利用率，降低耗能。

圖1　設備布置示意圖

圖2　一體化機架方案示意圖

圖3　機架內制冷空氣流動示意圖

（4）優(yōu)化二次設備室布置。結合“前接線、前顯示”設計理念，實現(xiàn)“背靠背+背靠墻”的布置方式，節(jié)省二次設備室占地面積。3.2.2智能終端、測量、合并單元三合一裝置

（1）技術可行性：合并單元和智能終端一體化裝置采用功能獨立的兩塊CPU，CPU選用實時性處理能力強大的PowerPC和FPGA。兩塊CPU中，一塊用于智能終端的處理，一塊用于合并單元的處理，功能獨立的設計可以有效防止當采樣環(huán)節(jié)CPU故障導致該間隔主保護退出時，跨間隔保護對該間隔的故障切除，保證智能終端的優(yōu)先可靠性。

合并單元和智能終端一體化后，隔刀位置信號可以在裝置內與智能終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，則合并單元無需為了獲取位置信號進行電壓切換和上傳裝置告警信號再占用1個GOOSE交換機光接口，節(jié)約了交換機和裝置2個光接口，簡化了網(wǎng)絡接線。在高電壓等級變電站中，當智能操作箱和合并單元均需和多個保護裝置點對點連接時，節(jié)省的光接口數(shù)量更可觀。

合并單元與智能終端合一裝置，可采用FPGA直接發(fā)送報文，報文延時輸出抖動不大于1μs，以保證插值再采樣同步的精度；采用分時報文發(fā)送技術，使得SV報文和GOOSE報文在同一光纜傳輸時，SV報文發(fā)送時刻不受GOOSE報文影響，并仍支持間隔層設備插值再采用同步；采用100M以太網(wǎng)接口和硬件解碼技術，具備100M線速數(shù)據(jù)處理能力，保證通訊流量滿負荷時GOOSE相應的實時性和可靠性。

智能終端只需適當采取增加開入量、采用CC插件對網(wǎng)口進行擴展等措施，即可將測控裝置集成到智能終端。

（2）三合一裝置優(yōu)勢：將智能終端、合并單元、測控三個功能單元整合為一個裝置，可避免信息重復采集，智能終端與合并單元共享硬件平臺，減少信息交互，在線監(jiān)測的參量采集范圍將更加廣泛，提高可靠性，減少交換機端口及接線；減少智能控制柜體積；節(jié)省光纜；減少柜內設備功耗，減少設備的發(fā)熱量，有利于柜內保持合適的溫度環(huán)境；節(jié)省投資，減少運行維護工作量，降低變電站全壽命周期運行成本。

3.2.3故障錄波器及網(wǎng)絡分析儀一體化方案

預期效果：網(wǎng)絡報文記錄及故障錄波分析一體化裝置對全站各種網(wǎng)絡報文進行實時監(jiān)視、捕捉、存儲、分析和統(tǒng)計。裝置具備變電站網(wǎng)絡通信狀態(tài)的在線監(jiān)視和狀態(tài)評估功能。對報文的捕捉安全、透明，不對原有的網(wǎng)絡通信產生任何影響。能實現(xiàn)對過程層SV網(wǎng)絡報文、過程層GOOSE網(wǎng)絡報文、站控層MMS網(wǎng)絡報文的傳輸過程進行監(jiān)視和捕捉。一體化裝置能與變電站內繼電保護運行及故障信息管理子站或直接與監(jiān)控系統(tǒng)連接，向子站或監(jiān)控系統(tǒng)提供的信息包括：故障錄波的啟動信號、啟動時間、啟動原因。便于了解故障時系統(tǒng)的運行情況，分析繼電保護和安全自動裝置在事故過程中的動作行為及事故原因，迅速判定線路故障點位置和故障性質。裝置能記錄所有過程層SV、GOOSE網(wǎng)絡報文，站控層MMS報文具備暫態(tài)錄波分析功能與網(wǎng)絡報文分析功能，分析結果上傳至站控層主機兼操作員工作站。

3.2.4一體化業(yè)務平臺

目前，監(jiān)控系統(tǒng)中子系統(tǒng)名目繁多、建設獨立、集成度低，成為了困擾運維人員的大問題。一體化業(yè)務平臺理念提出：通過標準化平臺接口支持第三方擴展應用模塊的接入，實現(xiàn)高級應用功能的專業(yè)化和實用化。一體化業(yè)務平臺包括硬件與部署、數(shù)據(jù)存儲與管理(全景數(shù)據(jù)中心)、公共服務、基礎平臺應用等功能。綜合數(shù)據(jù)中心全面支撐變電站的三大類核心應用，同時具有標準、開放、可靠、安全的技術特征和良好的適應性，可滿足調控中心、運行單位、設備評估中心等上級系統(tǒng)對變電站數(shù)據(jù)的處理要求。

圖4　一體化業(yè)務平臺部署架構圖

一體化業(yè)務平臺將應用封裝為“大對象”，包括業(yè)務邏輯（一組進程）和支撐該業(yè)務邏輯的實時數(shù)據(jù)庫。實時庫是表的容器，放在應用空間中，可以分區(qū)。這種方式有四大優(yōu)點，一是增減應用時，只需同時增減其相應的實時庫，而對平臺上的其他應用沒有影響，達到了應用“即插即用”的目標；二是應用模型的修改只會對本應用有影響，對其他應用沒有影響；三是實時庫分區(qū)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享而對實時庫某種粒度的分割。若應用模型數(shù)據(jù)相同，或實時庫分區(qū)相同，數(shù)據(jù)庫之間可以相互克隆，達到快速建立應用的目的；四是應用實時庫具有清晰的邊界，可實現(xiàn)應用與數(shù)據(jù)高度封裝與專用。

圖5　一體化信息平臺層次圖

4　結語

本文以某220kV新一代智能變電站電氣一次、二次集成優(yōu)化設計內容進行研究探討，總結歸納新一代智能變電站集成優(yōu)化設計技術特點，并提出新一代智能變電站向更集成、更優(yōu)化發(fā)展的理念和方向。通過優(yōu)化創(chuàng)新，使變電站具備科技含量高、資源消耗低、建設周期短、運行可靠性高的特點。隨著示范工程的實踐和設備生產水平的提高，今后需努力將集成優(yōu)化設計更加細化，并逐步標準化、規(guī)范化，從而進一步提高設計方案的技術經(jīng)濟合理性。

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范巍(1984—)，女，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)科技咨詢工作。

蘭春虎(1986—)，男，碩士，助理工程師，主要從事變電二次設計工作。