孫 峰,張幼明,黃 旭
(1.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110006;2.遼寧省電力有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110006)
隨著2009年國(guó)家電網(wǎng)公司正式提出“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”發(fā)展戰(zhàn)略,我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)工作正式拉開(kāi)序幕,建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展,具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征,實(shí)現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的一體化高度融合的現(xiàn)代電網(wǎng)成為我國(guó)未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的主要目標(biāo)[1]。作為智能電網(wǎng)的兩個(gè)重要節(jié)點(diǎn),智能變電站建設(shè)和電動(dòng)汽車(chē)充電站建設(shè)不可或缺[2]。依據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司“十二五”電網(wǎng)智能化總體規(guī)劃,“十二五”期間全國(guó)新建110(66)kV及以上電壓等級(jí)智能變電站將超過(guò)8 000座,新建電動(dòng)汽車(chē)充電站將超過(guò)3 900座。智能變電站和電動(dòng)汽車(chē)充電站建設(shè)極大地推動(dòng)了智能電網(wǎng)發(fā)展,然而隨著規(guī)模不斷擴(kuò)大,市內(nèi)征地困難、系統(tǒng)安全穩(wěn)定等一系列問(wèn)題逐步凸顯。為了保障智能電網(wǎng)建設(shè)的順利實(shí)施,開(kāi)展智能變電站與電動(dòng)汽車(chē)充電站關(guān)鍵技術(shù)研究迫在眉睫。
本文從解決智能變電站與電動(dòng)汽車(chē)充電站建設(shè)中面臨的實(shí)際問(wèn)題出發(fā),分別從一次設(shè)備方面和二次設(shè)備方面積極開(kāi)展了智能變電站與電動(dòng)汽車(chē)充電站一體化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究,提出了智能變電站與電動(dòng)汽車(chē)充電電站一體化設(shè)計(jì)的初步設(shè)計(jì)思路,在一次設(shè)備方面提出了基于三繞組三相電力變壓器的一體化設(shè)計(jì)方案,在二次設(shè)備方面提出了基于IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的一體化設(shè)計(jì)方案。本文的研究?jī)?nèi)容是在智能變電站與電動(dòng)汽車(chē)充電站未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向上一個(gè)初步探索,為后續(xù)的相關(guān)研究工作提供參考和借鑒。
電動(dòng)汽車(chē)充電站主要包括供電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、電池更換系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及相應(yīng)的配套設(shè)施。其中供電系統(tǒng)主要為充電設(shè)備提供電源,主要由一次設(shè)備 (包括開(kāi)關(guān)、變壓器及線路等)和二次設(shè)備 (包括監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制裝置等)組成,供電系統(tǒng)主要電力來(lái)源為上級(jí)變電站 (智能變電站)。智能變電站作為電動(dòng)汽車(chē)充電站的主要電源,主要由一次設(shè)備和二次設(shè)備組成。智能變電站和電動(dòng)汽車(chē)充電站一體化設(shè)計(jì),主要從一次設(shè)備一體化和二次設(shè)備一體化兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。
a. 在一次設(shè)備方面,考慮將智能變電站與電動(dòng)汽車(chē)充電站供電系統(tǒng)一次設(shè)備進(jìn)行整合,智能變電站采用三繞組三相電力變壓器,智能變電站變壓器高壓側(cè)出線為上一級(jí)電源接入點(diǎn),中壓側(cè)出線依然供應(yīng)地區(qū)中壓配電網(wǎng),而低壓側(cè)出線將直接為智能變電站站用電和電動(dòng)汽車(chē)充電服務(wù)。一次設(shè)備的一體化設(shè)計(jì),使變電站和充電站結(jié)構(gòu)緊湊分布更加合理,有利于節(jié)省一次設(shè)備總投資,減少了整體建筑面積。
b. 在二次設(shè)備方面,則考慮在智能變電站和電動(dòng)汽車(chē)充電站全面采用基于IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的一體化通信網(wǎng)絡(luò),通過(guò)采用先進(jìn)的智能的二次設(shè)備,在一體化通信平臺(tái)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能變電站與電動(dòng)汽車(chē)充電站的通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)一體化整合。二次設(shè)備的一體化設(shè)計(jì),極大地提升了變電站和充電站信息共享程度,提升了一體化站整體的自動(dòng)化、信息化、智能化水平。
本文一體化設(shè)計(jì)推薦應(yīng)用于征地困難,且有智能變電站與電動(dòng)汽車(chē)充電站建設(shè)需求地區(qū)。
遼寧地區(qū)電動(dòng)汽車(chē)充電站電源主要來(lái)自上級(jí)66 kV變電站,66 kV變電站10 kV出線直接送入充電站供電系統(tǒng),電動(dòng)汽車(chē)充電站供電系統(tǒng)一般自身設(shè)有專用10 kV配電變壓器,10 kV配電變壓器0.4 kV出線直接為充換電設(shè)備供電。結(jié)合遼寧電網(wǎng)的實(shí)際和電動(dòng)汽車(chē)充電站的實(shí)際需要,一體化設(shè)計(jì)66 kV智能變電站采用三繞組電力變壓器,取代原有的66 kV雙繞組變壓器和充電站內(nèi)的10 kV配電變壓器,從而實(shí)現(xiàn)智能變電站與電動(dòng)汽車(chē)充電站供電系統(tǒng)一次設(shè)備的一體化整合。一次設(shè)備一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
一體化設(shè)計(jì)中66 kV三繞組變壓器三側(cè)電壓等級(jí)分別選取66 kV/10 kV/0.4 kV,其中66 kV側(cè)為供電電源進(jìn)線,供電電源由上級(jí)220 kV變電站提供;變壓器中壓側(cè)接入10 kV電網(wǎng),主要為地區(qū)10 kV配電網(wǎng)提供電力;變壓器低壓側(cè)0.4 kV送入電動(dòng)汽車(chē)充電站,主要作為充換電設(shè)備的電力來(lái)源,同時(shí)也承擔(dān)著智能變電站和電動(dòng)汽車(chē)充電站的全站用電任務(wù)。
圖1 一次設(shè)備一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.2.1 變壓器低壓繞組容量選擇
常規(guī)三繞組變壓器容量配比有3種形式:100/100/50、100/50/100、100/100/50,額定容量是指容量最大的繞組的容量。如果按照常規(guī)變電站容量比例配比,則低壓側(cè)容量至少應(yīng)為額定容量的50%,考慮到一體化站變壓器低壓側(cè)只服務(wù)于站用電和電動(dòng)汽車(chē)充電,66 kV變電站低壓側(cè)容量按照50%額定配置依然較大,因此66 kV變壓器低壓側(cè)容量需要進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算。配電變壓器容量選擇簡(jiǎn)化算法如下[3]。
a. 充電機(jī)容量計(jì)算
考慮到充電站配電系統(tǒng)安裝了有源濾波無(wú)功補(bǔ)償裝置,cosφ可以達(dá)到0.95,共有N臺(tái)充電機(jī),第i臺(tái)充電機(jī)的容量Si折算采用如下簡(jiǎn)易算法:
式中:Pi為第i臺(tái)充電機(jī)的輸出功率;ηi為充電機(jī)工作效率,高頻開(kāi)關(guān)整流充電機(jī)取0.95,相控整流充電機(jī)取0.85。
b. 換電設(shè)備輸入容量計(jì)算
共有M臺(tái)換電設(shè)備,其中第j臺(tái)換電設(shè)備功率Sj可表示為
式中:Pj為第j臺(tái)換電設(shè)備額定功率;ηj為換電設(shè)備工作效率。
c. 變壓器低壓側(cè)容量計(jì)算
依據(jù)實(shí)際充電站運(yùn)行情況,全站考慮采用同時(shí)率Kx,則可得充電站站用電輸入總?cè)萘亢?jiǎn)易算法:
式中:Se為全站站用電容量;Kx為全站設(shè)備同時(shí)系數(shù)。Kx由充換電設(shè)備的使用情況和數(shù)量決定,取值范圍考慮0.5~0.8。
考慮變壓器最佳負(fù)荷率為βm,則可得變壓器低壓側(cè)容量S3:
式中:βm為變壓器最佳負(fù)荷率,一般考慮取值為0.8。
以上對(duì)變壓器低壓側(cè)容量的計(jì)算研究,主要是為一體化站三繞組變壓器的選型提供技術(shù)參考,具體的容量選擇還需要依托實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.2.2 有源濾波及無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算
變壓器低壓繞組直接接入充電站,因此低壓側(cè)需要進(jìn)行有源濾波和無(wú)功補(bǔ)償。有源濾波及無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算方法如下。
a. 確定補(bǔ)償容量
補(bǔ)償容量計(jì)算方法:
式中:SB為補(bǔ)償容量,Kx為整體修正系數(shù),需根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果和實(shí)際測(cè)定情況綜合決定,一般選擇0.5~0.8;Ki(i=1,2,3)分別表示大、中、小型充電機(jī)可靠系數(shù),一般取1.05~1.20;ηi(i=1,2,3)分別表示大、中、小型充電機(jī)充電效率;ξi(i=1,2,3)分別表示大、中、小型充電機(jī)在交流電源輸入端產(chǎn)生的諧波電流含有率 (取輸出電壓范圍內(nèi)的最大值);Si(i=1,2,3)分別表示大、中、小型單臺(tái)充電機(jī)功率。
b. 進(jìn)行有源濾波裝置的選擇
根據(jù)確定的補(bǔ)償容量,在兼顧經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的前提下,選擇有源濾波裝置的容量和數(shù)量。
c. 確定功率因數(shù)補(bǔ)償參數(shù)
按功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.95的目標(biāo),計(jì)算需要的無(wú)功補(bǔ)償容量,確定電容器的容量和組數(shù)。
2.2.3 變壓器接線方式選擇
依據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.0.7條,在TN及TT接地型式的低壓電網(wǎng)中,推薦采用Dyn11接線組別的配電變壓器。條文解釋中說(shuō)明Dyn11接線有利于抑制高次諧波,充電機(jī)站采用TT接地型式,因此10 kV配電變壓器普遍推薦和采用Dyn11接線[4]。在66 kV變電站實(shí)際應(yīng)用方面,我國(guó)的66 kV變壓器多采用Ynd11型接線方式。因此結(jié)合一體化站的實(shí)際需要和目前我國(guó)66 kV變電站的實(shí)際應(yīng)用情況,本文推薦一體化設(shè)計(jì)中三繞組變壓器采用YnDYn型接線方式。
目前智能變電站二次系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)主要采用基于IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu),主要由站控層、間隔層、過(guò)程層及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成[5—6]。電動(dòng)汽車(chē)充電站通信系統(tǒng)主要基于以太網(wǎng)或CAN網(wǎng)絡(luò)建設(shè),系統(tǒng)由站控層、間隔層及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。智能變電站與電動(dòng)汽車(chē)充電站二次設(shè)備一體化設(shè)計(jì),考慮采用基于IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的一體化通信網(wǎng)絡(luò),采用分層、分布、開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),橫向涵蓋智能變電站和電動(dòng)汽車(chē)充電站通信網(wǎng)絡(luò),縱向在結(jié)構(gòu)上劃分為站控層、間隔層和過(guò)程層,實(shí)現(xiàn)全站測(cè)控保護(hù)、安防監(jiān)控、計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)。二次設(shè)備一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
一體化設(shè)計(jì)中全站采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系,均采用以太網(wǎng)組網(wǎng),除考慮計(jì)量系統(tǒng)、安防系統(tǒng)單獨(dú)組網(wǎng)外,其他系統(tǒng)均統(tǒng)一組網(wǎng)并采用“三層兩網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
站控層設(shè)備主要包括:主機(jī)/操作員工作站/五防工作站、運(yùn)動(dòng)通信裝置、智能輔助控制系統(tǒng)、公用測(cè)控裝置、交直流電源管理系統(tǒng)以及其他智能接口設(shè)備。站控層主要提供一體化站內(nèi)運(yùn)行的人機(jī)聯(lián)系界面,實(shí)現(xiàn)管理控制間隔層、過(guò)程層設(shè)備等功能,形成全站的監(jiān)控、管理中心,并實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)方監(jiān)控/調(diào)度中心通信。
間隔層設(shè)備主要包括:測(cè)控裝置、保護(hù)裝置、錄波裝置、電能計(jì)量裝置以及其他智能接口設(shè)備等。間隔層由若干個(gè)二次系統(tǒng)組成,在站控層及站控層網(wǎng)絡(luò)失效的情況下,具備仍能獨(dú)立完成間隔層設(shè)備就地監(jiān)控功能。
圖2 二次設(shè)備一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
過(guò)程層設(shè)備主要包括電子式互感器、合并單元、智能終端等設(shè)備。過(guò)程層主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電氣量的采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、控制命令的執(zhí)行等功能。
站控間隔層網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)站控層設(shè)備間、間隔層設(shè)備間及站控設(shè)備與間隔設(shè)備間的通信,傳輸MMS報(bào)文和GOOSE報(bào)文;過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)間隔層設(shè)備與過(guò)程層設(shè)備間的通信。傳輸SMV采樣值報(bào)文和GOOSE報(bào)文。
3.2.1 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究
a. 站控間隔層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有總線、星形和環(huán)形3種基本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。智能變電站站控間隔層網(wǎng)絡(luò)目前主要以采用星型結(jié)構(gòu)和環(huán)形結(jié)構(gòu)居多,相比星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),環(huán)形網(wǎng)絡(luò)可用率有所提高,單故障時(shí)兩者均不損失功能,少數(shù)的復(fù)故障環(huán)形網(wǎng)可以保留更多的設(shè)備通信。但是由于支持環(huán)網(wǎng)功能,交換機(jī)價(jià)格也大大提高,目前環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)在國(guó)外智能變電站應(yīng)用較多。國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累,通信裝置普遍具備2~3個(gè)獨(dú)立以太網(wǎng)口,星型網(wǎng)絡(luò)在變電站實(shí)際應(yīng)用有著更加豐富的使用經(jīng)驗(yàn)。依據(jù)《110(66)kV~220 kV智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,一體化設(shè)計(jì)中站控層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)渫扑]采用單星型結(jié)構(gòu)。
b. 過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)分為SMV采樣值網(wǎng)絡(luò)和GOOSE信息傳輸網(wǎng)絡(luò)[7]。前者的主要功能是實(shí)現(xiàn)電流、電壓交流量的上傳;后者的主要功能是實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的上傳及分合閘控制、防誤閉鎖等。目前在過(guò)程層組網(wǎng)方式上國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了大量相關(guān)研究與試驗(yàn),但是過(guò)程層組網(wǎng)方式尚無(wú)統(tǒng)一的方式。目前主要方式包括:點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式、組網(wǎng)方式、三網(wǎng)合一方式。
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)較容易、投資較小,但設(shè)備間連接較復(fù)雜、信息共享性較差;組網(wǎng)方式設(shè)備間連接簡(jiǎn)單清晰、信息共享性好,但延時(shí)不確定、投資大、對(duì)繼電保護(hù)可靠性有影響;三網(wǎng)合一方式即將SMV、GOOSE和同步對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)三網(wǎng)合一建設(shè),此種方式是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),但目前還處于研究試驗(yàn)階段。充分考慮到一體化設(shè)計(jì)的安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性和示范性等多方面要求,一體化設(shè)計(jì)中過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)66 kV間隔考慮采用直采網(wǎng)跳方式,即SMV采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式,GOOSE采用組網(wǎng)方式;10 kV、0.4 kV間隔采用三網(wǎng)合一的組網(wǎng)方式。
3.2.2 同步對(duì)時(shí)方式研究
智能變電站同步對(duì)時(shí)方式主要有:GPS秒脈沖及B碼對(duì)時(shí)、SNTP、IEEE 1588 3種。GPS秒脈沖及B碼對(duì)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟,精度可達(dá)微秒級(jí),但需要額外鋪設(shè)光纖線纜;SNTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但精度只能達(dá)到毫秒級(jí);IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)先進(jìn),精度可達(dá)微秒級(jí),目前只有為數(shù)不多的二次設(shè)備和交換機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn),但是未來(lái)的發(fā)展方向。
在考慮到現(xiàn)有的技術(shù)水平和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)基礎(chǔ)上,建議一體化設(shè)計(jì)中在站控層網(wǎng)絡(luò)上使用SNTP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí),在過(guò)程層點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式采用B碼對(duì)時(shí)方式,組網(wǎng)使用IEEE1588(V2)網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方案。
3.2.3 計(jì)量系統(tǒng)一體化研究
66 kV智能變電站主要在變壓器10 kV側(cè)、10 kV出線、10 kV電容器設(shè)置計(jì)量點(diǎn),如有關(guān)口計(jì)費(fèi)要求,可采用帶通信接口的全電子式多功能電能表,站內(nèi)設(shè)置1套電能量采集裝置,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或電話撥號(hào)方式向有關(guān)部門(mén)傳送電能信息。電動(dòng)汽車(chē)充電站計(jì)量部分主要由關(guān)口電能表、直流電能表、交流電能表 (含三相表與單相表)組成,通過(guò)站內(nèi)采集終端完成與用電信息采集系統(tǒng)或上級(jí)監(jiān)控中心的通信。
智能變電站與電動(dòng)汽車(chē)充電站一體化設(shè)計(jì),全站設(shè)置統(tǒng)一的電能量采集裝置,通過(guò)本地工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能變電站和電動(dòng)汽車(chē)充電站的電能量、充電電量等信息的采集,相關(guān)信息送到后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和處理,并通過(guò)光纖或無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)與上級(jí)監(jiān)控管理部門(mén)的通信,確保上級(jí)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取智能變電站和電動(dòng)汽車(chē)充電站內(nèi)的電量信息,實(shí)現(xiàn)設(shè)備和信息的集約化管理。
a. 為解決智能變電站與電動(dòng)汽車(chē)充電站建設(shè)中面臨實(shí)際問(wèn)題,提出了智能變電站與電動(dòng)汽車(chē)充電站一體化設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)思路。
b. 提出了基于66 kV三繞組電力變壓器的智能變電站與電動(dòng)汽車(chē)充電站一次設(shè)備一體化設(shè)計(jì)方案,針對(duì)三繞組變壓器低壓側(cè)容量選擇、接線方式選擇、有源濾波和無(wú)功補(bǔ)償容量選擇問(wèn)題開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)研究,并給出了相應(yīng)推薦方案。
c. 提出了基于IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站與電動(dòng)汽車(chē)充電站二次設(shè)備一體化設(shè)計(jì)方案,針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇、同步對(duì)時(shí)方式選擇、計(jì)量系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)等問(wèn)題開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)研究,并給出了相應(yīng)推薦方案。
[1] 張文亮,劉壯志,王明俊,等.智能電網(wǎng)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì) [J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(13):1-11.
[2] 曹 楠,李 剛,王冬青.智能變電站關(guān)鍵技術(shù)及其構(gòu)建方案的探討 [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2011,39(5):63-68.
[3] Q/GDWZ423—2010,電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施典型設(shè)計(jì)[S].
[4] Q/GDW238—2009,電動(dòng)汽車(chē)充電站供電系統(tǒng)規(guī)范[S].
[5] Q/GDW393—2009,110(66)kV~220 kV智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].
[6] 龐紅梅,李淮海,張志鑫,等.110 kV智能變電站技術(shù)研究狀況 [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(6):146-150.
[7] 易永輝,王雷濤,陶永?。悄茏冸娬具^(guò)程層應(yīng)用技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(21):1-5.