高壓變電站智能化研究

付賽

(蘇州阿爾斯通高壓電氣開關有限公司，江蘇 蘇州 215129)

高壓變電站智能化研究

付賽

(蘇州阿爾斯通高壓電氣開關有限公司，江蘇 蘇州 215129)

相對于傳統(tǒng)變電站而言，模塊化變電站建設、安裝快速方便，但現(xiàn)有的模塊化變電站建設中未考慮智能化問題。本文設計了一種模塊化變電站智能化的技術方案，以戶外智能組件柜及多功能裝置、輔助系統(tǒng)形式，實現(xiàn)一次設備的測控、保護、狀態(tài)監(jiān)測等功能及變電站的視頻、安防等輔助功能。通過采用本文提出的模塊化變電站智能化方案，能夠充分發(fā)揮預制模塊型變電站和高壓設備智能化的技術優(yōu)勢，彌補兩者的不足，豐富智能變電站的建設設計模式。

模塊化變電站;智能化;智能組件

1 引言

上世紀90年代變電站開始采用模塊化技術，集成設計變電站設備，模塊化變電站在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用。模塊化設計主要應用于110kV及以下電壓等級的變電站，它根據(jù)功能集成設計在工廠內進行模塊化生產，將各個功能模塊集成至密封的箱體內，安裝時僅將各功能模塊進行簡便地電氣安裝和聯(lián)調，即可投入使用。因此，模塊化站安裝方便、建設快速，且占地少，全絕緣，整潔美觀[1-2]。同時，整個變電站均密封于箱體之中，防塵好，減少鹽堿等工業(yè)污染影響，安全穩(wěn)定，維護量少，可靠性高[3]?，F(xiàn)有的模塊化變電站設計制造過程中，將變電站分割成進線模塊、變壓器模塊、出線模塊、綜合自動化模塊和中壓配套模塊等各個部分，根據(jù)功能進行集成，但未考慮變電站的智能化問題，對變電站的運行維護及技術升級帶來不便[4-5]。本文研究了各模塊對應的智能化模塊功能及其設計方式，以智能組件及多功能裝置、輔助系統(tǒng)形式，實現(xiàn)一次設備的測控、保護、狀態(tài)監(jiān)測等功能及變電站的視頻、安防等輔助功能，實現(xiàn)模塊化變電站的智能化。

2 智能預制模塊

2.1 智能化線路進站模塊設計

進線模塊的進出線一般由插拔式電纜插接頭連接氣體絕緣封閉式組合電器(GIS)。GIS內集成了互感器、斷路器、隔離開關、避雷器等眾多一次設備，進出線模塊智能化可以認為是GIS的智能化，所以進線模塊智能化采用“智能組件+合并單元+智能終端+進線模塊”的形式來實現(xiàn)[6-8]。智能組件包括局部放電IED及監(jiān)測主IED，完成GIS開關狀態(tài)監(jiān)測的功能，合并單元及智能終端完成互感器采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字化及斷路器的控制、開關量采集、模擬量采集(變送器形式)、GOOSE報文接收及發(fā)送功能。以上各智能化裝置采用戶外柜形式就地安裝于進線模塊旁，形成進線智能化模塊，圖1是線路進站模塊智能化示意圖。

圖1 線路進站模塊智能化示意圖

相較于普通的進線模塊，進線智能化模塊除實現(xiàn)常規(guī)的進線模塊功能外，還實現(xiàn)了以下功能：

(1)合并單元接收互感器的電流量，將處理完的電流量送至本間隔的保護測控裝置，同時預留數(shù)據(jù)輸出接口供跨間隔的保護、自動化設備及計量裝置使用。

(2)智能終端接收斷路器、隔離開關等機構發(fā)出的斷路器、隔離開關位置信號、設備的狀態(tài)信號，并能夠向其發(fā)出跳閘指令，支持聯(lián)鎖功能等；支持保護的分相跳閘、三相跳閘、重合閘等GOOSE命令；支持遙控分、合等GOOSE命令。

(3)斷路器控制回路一體化設計，簡化智能終端回路。智能終端與過程層網(wǎng)絡的GOOSE信息的多播機制減少斷路器、刀閘輔助接點、輔助繼電器、本體端子排數(shù)量，利用站控層GOOSE橫向聯(lián)閉鎖功能取消就地橫向電氣聯(lián)閉鎖接線。斷路器控制二次回路和斷路器操作箱兩者一體化設計，取消防跳、三相不一致、壓力低閉鎖等冗余二次接線，簡化斷路器控制回路。

(4)各式傳感器內置或外置于GIS本體，一次廠家按設計單位提出的要求，在一次設備設計制造時統(tǒng)一考慮在線監(jiān)測傳感器選型、安裝，使開關本體和傳感器壽命匹配，布線合理，與高壓設備內部絕緣介質相通的外置傳感器密封性能、機械性能、雜質含量等符合或高于一次設備的相應要求。

對于110kV模塊化變電站，可監(jiān)測高壓組合電器的SF6氣體密度和局部放電。預埋在設備內部的傳感器，其設計壽命不少于被監(jiān)測設備的使用壽命。SF6氣體密度傳感器以氣室為單位進行配置，GIS/HGIS局部放電以斷路器單位進行配置，在保證傳感器監(jiān)測靈敏度與覆蓋面的前提下盡量減少傳感器配置數(shù)量。

2.2 智能化線路出站模塊

低壓側10kV出線模塊包括10kV開關、10kV線路保護裝置、站用變壓器、母線PT裝置、計量裝置、中壓配套模塊等組成，滿足10kV各種接線要求，并提供10kV出線及電容器保護、測控、計量功能。采用測控、保護、計量多合一裝置，按間隔單元單套配置，采用就地下放方式直接安裝在開關柜上。電壓、電流通過對常規(guī)互感器直接采樣的方式完成，斷路器、刀閘位置等開關量通過硬接點直接采集，并通過DL/T860 MMS服務上送至站控層。同時，裝置接收站控層的控制指令，斷路器的跳合閘直接通過電纜硬節(jié)點控制完成。跨間隔開關量信息交換采用站控層GOOSE網(wǎng)絡傳輸方式。

中壓配套模塊主要由10kV并聯(lián)成套補償裝置和消弧線圈組成，通過一次電纜與10kV出線模塊相連接，其中的10kV并聯(lián)成套補償裝置投切由監(jiān)控主機通過10kV電容器保護測控計量一體化裝置進行控制，采用一定的優(yōu)化算法完善電網(wǎng)無功補償功能。

2.3 變壓器模塊智能化設計

對變壓器模塊的智能化主要采用戶外柜的方式將主變各側合并單元和智能終端就地安裝置在變壓器旁，實現(xiàn)對變壓器信息的數(shù)字化采樣及智能控制。主變本體智能終端同時具備非電量保護信息和變壓器本體信息的采集和傳輸，便于冷卻系統(tǒng)智能控制、變壓器狀態(tài)分析等高級應用的實現(xiàn)。

由于單獨存在綜合自動化模塊，為優(yōu)化資源配置，變壓器合并單元與智能終端就地下放，保護及測控裝置置于綜合自動化模塊中。變壓器戶外智能柜具體實現(xiàn)以下功能：

(1)數(shù)據(jù)采集功能：主變各側分別配置合并單元，實時采集主變各側的電壓、電流以及功率等交流量信息并上送至保護、測控裝置，中性點電流互感器接入高壓側合并單元；主變各側配置智能終端，完成對各側開關的開關量采集及控制功能，并支持GOOSE命令的接收與傳送；

(2)主變本體信息的采集及非電量保護：本體智能終端采集主油箱及分接開關的油溫遙測信息，分接開關位置、氣體繼電器節(jié)點信息、壓力釋放器狀態(tài)等開關量信息，并根據(jù)本體重瓦斯、有載重瓦斯、壓力釋放、超溫等非電量開入信號啟動判斷邏輯通過電纜直接跳閘出口；能根據(jù)頂層油溫、環(huán)境溫度以及出線側負荷等參數(shù)形成控制策略自動控制冷卻器的投退，并將冷卻器的運行狀態(tài)返回給后臺系統(tǒng)；本體智能終端可接受后臺調壓命令或者在當?shù)赝ㄟ^手動調壓命令實現(xiàn)有載調壓操作。

主變各類信息的測量、控制等內容均按照DL/T860體系要求建模并完成與間隔層、站控層設備之間的信息交互。

3 輔助系統(tǒng)模塊

模塊化變電站是無人值班(少人值守)變電站的重要組成部分，輔助系統(tǒng)將是變電站自動化系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。輔助系統(tǒng)模塊集成了視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安防消防系統(tǒng)和交直流一體化電源，承擔維護變電站日常安全、可靠運維的責任。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)控主機相連，將視頻信息傳送至監(jiān)控主機，并接受監(jiān)控主機的控制。監(jiān)控主機根據(jù)遙信變位，遙測越限、安防消防報警信息，聯(lián)動切換視頻或調整攝像頭，利用圖像識別技術，判斷刀閘的位置狀態(tài)，向站控層反饋結果，輔助主站的倒閘操作和設備檢修。

安防系統(tǒng)將各傳感器檢測到的溫濕度信息、入侵信息、水浸信息、煙霧信息、損壞信息等報警信息通過智能接口機送入監(jiān)控主機，并聯(lián)動報警裝置，必要時聯(lián)動啟動照明和輔助調節(jié)設備。

消防系統(tǒng)也通過智能接口機將火警信號送到監(jiān)控主機，聯(lián)動報警，啟動自動滅火裝置或火災隔離措施，監(jiān)控主機可根據(jù)報警信息切換視頻畫面。

交直流一體化電源含交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、逆變電源系統(tǒng)、通信電源系統(tǒng)、UPS五項分系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)相互聯(lián)系，互不干擾。其運行工況和信息數(shù)據(jù)能夠上傳至監(jiān)控主機及遠方控制中心，能夠實現(xiàn)就地、遠方控制功能及站用電源設備的系統(tǒng)聯(lián)動。

4 自動化模塊

自動化模塊包括對時模塊、110kV進線及主變保護裝置、測控裝置、計量裝置、網(wǎng)絡交換設備、遠動網(wǎng)關機、監(jiān)控主機、微機五防設備等，將上述各模塊組柜安裝在母模塊箱體內，并通過光纖以太網(wǎng)與過程層設備及出線模塊連接。

站控層設備配置監(jiān)控主機及遠動網(wǎng)關機。為節(jié)省空間，監(jiān)控主機采用機架式安裝，單獨組柜，其主要功能是為變電站內提供運行、管理、工程配置的界面，記錄相關信息，并提供順序控制、故障分析及智能告警等高級應用功能。遠動網(wǎng)關機按照一定的規(guī)約將有關數(shù)據(jù)信息送向調度或控制中心，接收調度或控制中心的有關命令轉間隔層、過程層執(zhí)行，同時提供遠程瀏覽、圖模傳輸?shù)裙δ?，支持調控一體化運行模式。間隔層設備配置110kV進線及主變保護、測控裝置及備自投裝置等安穩(wěn)設備，完成保護、測控及自動控制功能，并接入站控層網(wǎng)絡，通過MMS報文上送相關信息。過程層的SV及GOOSE采用共網(wǎng)方式，過程層網(wǎng)絡交換機配置在自動化模塊中組柜安裝，就地下放安裝的合并單元及智能終端通過光纖以太網(wǎng)接入過程層交換機；保護裝置采用直采直跳方式，通過光纖直接連接對應的合并單元及智能終端。全站自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構圖如圖2所示。

圖2 全站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

5 結語

本文研究了一種智能化模塊化變電站的方法，采用戶外智能組件柜+GIS和戶外智能組件柜+變壓器的形式，實現(xiàn)線路進站模塊和變壓器模塊的測控、非電量保護和狀態(tài)監(jiān)測等功能。線路出站模塊采用數(shù)字化的保測一體化裝置，輔助系統(tǒng)則集成視頻、安防等功能，以支持模塊化變電站無人值班模式的推行。各模塊與其他模塊、上層網(wǎng)絡的信息交換均遵循DL/T 860標準，統(tǒng)一模型，統(tǒng)一通信規(guī)約，模塊化變電站的各模塊實現(xiàn)智能預制。通過采用本文提出的模塊化變電站智能化方案，能夠充分發(fā)揮預制模塊型變電站和高壓設備智能化的技術優(yōu)勢，彌補兩者的不足，豐富智能變電站的建設設計模式。

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Study on Technology Solution of Intelligent Modular Substation

FU Sai

(Alstom Suzhou High Voltage Switchgear Co.,Ltd,Suzhou,215129,China)

Relative to traditional substation,the modular substation can be assembled and constructed conviniently.However,the intelligent solutions are not considered in the existing modular substations.The paper designs a technology scheme which achieves goals of measurement,protection,state monitoring of primary equipments,and other functions such as viedo and security.With the proposed intelligent modular substation program in the paper,the substation can give full play to the technology advantages of the prefabricated modular substation and the intelligent high-voltage devices,what makes up the deficiency of the both,riching the design patterns of smart substations.

modular substation;intelligent;integrated intelligent components

1004-289X(2017)01-0057-04

TM63

B

2015-12-07