彭鵠 ，田娟娟 ，陳燕 ，閆培麗，史京楠

（1.重慶電力設(shè)計(jì)院，重慶市 401121；2.重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶市 401121；3.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100052）

0 引言

傳統(tǒng)變電站的一次設(shè)備主要包括變壓器、開關(guān)設(shè)備（氣體絕緣開關(guān)設(shè)備、斷路器）、隔離開關(guān)、互感器等，二次設(shè)備主要包括保護(hù)、監(jiān)控、計(jì)量、電源及其他輔助系統(tǒng)，一次設(shè)備與二次設(shè)備相對獨(dú)立，且二次設(shè)備集中布置于二次設(shè)備室。

根據(jù)《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》的定義，智能變電站是采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的設(shè)備組合而成，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級應(yīng)用功能的變電站［1］。

智能變電站的特點(diǎn)首先是具有高度的可靠性；其次是具有很強(qiáng)的交互性；其三是具有很高的集成度［2－3］。

目前已投運(yùn)的智能變電站已實(shí)現(xiàn)了一次設(shè)備本體與在線監(jiān)測傳感器的集成，有關(guān)保護(hù)、測控裝置，合并單元智能終端的裝置集成在不同電壓等級的變電站均有使用，實(shí)現(xiàn)了一、二次設(shè)備的初步融合，未來將朝著一、二次設(shè)備完全一體化的方向發(fā)展［4－6］。

本文根據(jù)智能變電站的發(fā)展方向和新一代智能變電站的設(shè)計(jì)理念，提出了新一代智能變電站設(shè)備集成的新思路，達(dá)到設(shè)備的高度集成化，同時(shí)，根據(jù)集成設(shè)備提出變電站優(yōu)化設(shè)計(jì)思路和方案，實(shí)現(xiàn)變電站占地面積的優(yōu)化。

1 新一代智能變電站的設(shè)計(jì)原則

新一代智能變電站的設(shè)計(jì)原則是“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”。

系統(tǒng)高度集成。設(shè)備上包括一次設(shè)備集成；系統(tǒng)上包括對保護(hù)、測控、計(jì)量、功角測量等二次系統(tǒng)一體化集成和故障錄波、輔助控制等系統(tǒng)的融合；功能上包括變電站與調(diào)控、檢修中心功能的無縫銜接。

結(jié)構(gòu)布局合理。對內(nèi)包括一、二次設(shè)備整體集成優(yōu)化、通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以及建筑物平面設(shè)計(jì)優(yōu)化；對外包括主接線優(yōu)化，靈活配置運(yùn)行方式適應(yīng)變電站功能定位的轉(zhuǎn)化和電源、用戶接入。

裝備先進(jìn)適用。設(shè)備上智能高壓設(shè)備和一體化二次設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)、性能穩(wěn)定；系統(tǒng)上功能配置、系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行控制工具靈活高效，調(diào)控有力；通信系統(tǒng)安全可靠，信息傳輸準(zhǔn)確無誤。

經(jīng)濟(jì)節(jié)能環(huán)保。在全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源，節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、保護(hù)環(huán)境和減少污染，實(shí)現(xiàn)效率最大化、資源節(jié)約化、環(huán)境友好化。

支撐調(diào)控一體。優(yōu)化信息資源，增加信息維度，精簡信息總量。支持與多級調(diào)控中心的信息傳輸；支撐告警直傳與遠(yuǎn)程瀏覽，為主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能變電站監(jiān)視控制、信息查詢和遠(yuǎn)程瀏覽等功能提供數(shù)據(jù)、模型和圖形的傳輸服務(wù)［7－8］。

2 一次設(shè)備集成基本思路

新一代智能變電站一次設(shè)備的集成是在傳統(tǒng)一次設(shè)備的基礎(chǔ)上將部分一次設(shè)備的功能進(jìn)行有效整合，從而優(yōu)化變電站內(nèi)設(shè)備配置，減少變電站設(shè)備數(shù)量，優(yōu)化變電站平面布置，減少變電站占地面積，降低變電站運(yùn)行維護(hù)工作量。

2.1 隔離式斷路器的應(yīng)用（集成式智能隔離斷路器）

老式斷路器的故障率比隔離開關(guān)高很多，常規(guī)變電站設(shè)備配置每間隔在斷路器兩側(cè)配置隔離開關(guān)，目的是盡可能將斷路器隔離開來以便檢修，隨著斷路器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的不斷提高，斷路器的故障率大幅降低，隔離開關(guān)的故障率并未有明顯變化，現(xiàn)階段的變電站一次設(shè)備檢修維護(hù)的主要工作量集中在隔離開關(guān)上。

隔離式斷路器（disconnecting circuit breaker，DCB）是近年來被研發(fā)出來的新設(shè)備，其外形尺寸與普通斷路器一致（如圖1所示）。隔離式斷路器有3個(gè)工作位置：合閘位置、分閘位置、隔離開關(guān)位置，斷路器斷口達(dá)到隔離開關(guān)耐壓水平，其具備了隔離開關(guān)的功能，該功能通過斷路器滅弧室觸頭來實(shí)現(xiàn)，選配接地開關(guān)置于斷口外，接地開關(guān)閉合，可見接地點(diǎn)證明DCB在分閘位置，并可實(shí)現(xiàn)閉鎖，確保操作維護(hù)人員的安全。電子互感器可實(shí)現(xiàn)與DCB的的集成或組合安裝。

圖1 隔離式斷路器外形及滅弧室結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Shape of disconnecting circuit breaker and structure of interrupter

由于隔離式斷路器具備了斷路器＋隔離開關(guān)＋電流互感器＋接地開關(guān)的功能，因此將其應(yīng)用于變電站可以減少變電站主接線中元件的數(shù)量，提高變電站電氣主接線的可靠性。

2.2 集裝箱式設(shè)備的應(yīng)用

目前，集裝箱式設(shè)備在電力行業(yè)中多應(yīng)用于低壓配網(wǎng)的箱式變，在高壓輸變電工程中還處于試點(diǎn)應(yīng)用階段［9］。集裝箱式設(shè)備按電氣功能模塊化設(shè)置，箱內(nèi)接線及單體設(shè)備調(diào)試均在工廠內(nèi)完成。箱內(nèi)設(shè)備、箱與箱及箱與其他設(shè)備間采用標(biāo)準(zhǔn)化連接，實(shí)現(xiàn)“即插即用”。集裝箱式設(shè)備最大程度實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)規(guī)模生產(chǎn)、集成調(diào)試，采用標(biāo)準(zhǔn)化定型，提高工藝水平。推進(jìn)現(xiàn)場機(jī)械化施工，減少勞動力投入，降低現(xiàn)場安全風(fēng)險(xiǎn)，提高工程質(zhì)量，提升施工效率（圖2）。

圖2 變電站中集裝箱式建筑應(yīng)用示意圖Fig.2 Schematic diagram of container－type equipment in substation

2.3 氣體絕緣開關(guān)柜的應(yīng)用

氣體絕緣高壓開關(guān)柜是一種緊湊、封閉、免維護(hù)的開關(guān)柜，由于其帶電部分安裝在充有氣體的密封氣室內(nèi)，因此帶電部分不會受污穢、灰塵、小動物等的影響，且能最大限度的保證人員的安全。該類開關(guān)柜的技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)緊湊，相比空氣柜，氣體絕緣式高壓開關(guān)柜具有體積小、防護(hù)等級高、使用壽命更長、免維護(hù)、不受海拔潮濕影響特點(diǎn)。

將氣體絕緣開關(guān)柜應(yīng)用于新一代智能變電站，并安裝于集裝箱內(nèi)，能極大的優(yōu)化變電站的占地面積，圖3為采用集裝箱布置的10kV 配電裝置平面圖。

圖3 采用集裝箱布置的10kV配電裝置平面圖Fig.3 Layout of 10kV power distribution device in container

2.4 氣體絕緣母線的應(yīng)用

氣體絕緣母線即GIS 設(shè)備的封閉絕緣母線，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、防護(hù)等級高、使用壽命長、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。將氣體絕緣母線應(yīng)用于新一代智能變電站的110kV 母線，由于其封閉絕緣性能，可以不考慮帶電距離，同時(shí)由于其免維護(hù)性可簡化主接線形式，達(dá)到縮小變電站占地面積的目的。

3 二次系統(tǒng)集成與創(chuàng)新

新一代智能變電站二次設(shè)備的集成主要體現(xiàn)在設(shè)備及其實(shí)現(xiàn)功能的整合；創(chuàng)新主要體現(xiàn)在層次化保護(hù)控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

3.1 二次設(shè)備集成整合

系統(tǒng)高度集成是新一代智能變電站設(shè)計(jì)的原則之一，二次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案從站控層、間隔層到過程層設(shè)備配置，無不遵循這一原則。

站控層設(shè)備集成：變電站監(jiān)控主機(jī)、操作員工作站和工程師工作站采用三合一服務(wù)器配置方式；Ⅰ區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)和圖形網(wǎng)關(guān)機(jī)采用二合一服務(wù)器配置方式。間隔層設(shè)備集成：220kV 電壓等級和主變壓器采用多功能測控裝置，集成測控、計(jì)量和PMU功能；110kV 電壓等級采用保護(hù)、測控與計(jì)量多合一裝置；10kV 電壓等級采用保護(hù)、測控、計(jì)量、錄波、操作及合并單元等六合一裝置。

過程層設(shè)備集成：110kV 及以下電壓等級采用合并單元與智能終端裝置集成；主變壓器本體智能終端集成非電量保護(hù)功能。

通過集成整合設(shè)計(jì)，有效減少了二次設(shè)備的配置數(shù)量，降低了二次系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)工作量。

3.2 層次化保護(hù)控制系統(tǒng)

層次化保護(hù)控制系統(tǒng)以就地保護(hù)為基礎(chǔ)、站域與廣域保護(hù)協(xié)同的多維度層次化繼電保護(hù)系統(tǒng)，從空間維度上由3層構(gòu)成，分別是就地層保護(hù)控制系統(tǒng)、站域?qū)颖Ｗo(hù)控制系統(tǒng)和廣域?qū)颖Ｗo(hù)控制系統(tǒng)，3層保護(hù)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)全范圍保護(hù)控制功能覆蓋，3層構(gòu)架如圖4所示［10］。

圖4 層次化保護(hù)控制系統(tǒng)構(gòu)架Fig.4 Architecture of hierarchical protection ＆control system

3.2.1 就地級保護(hù)控制系統(tǒng)

就地保護(hù)控制系統(tǒng)，向單個(gè)被保護(hù)對象，利用被保護(hù)對象自身信息獨(dú)立決策，實(shí)現(xiàn)可靠、快速地切除故障，其保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)不受站域保護(hù)控制系統(tǒng)和廣域保護(hù)控制系統(tǒng)的影響。

3.2.2 站域級保護(hù)控制系統(tǒng)

站域保護(hù)控制系統(tǒng)，面向變電站，利用站內(nèi)多個(gè)對象的信息，集中決策，完成并提升變電站層面的保護(hù)及安全自動控制功能。

站域保護(hù)控制功能配置應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)、不同站點(diǎn)的實(shí)際需求確定，如表1所示。

站域保護(hù)控制系統(tǒng)有助于解決傳統(tǒng)后備保護(hù)僅能獲取單間隔信息，動作時(shí)間長、靈敏性和選擇性無法兼顧的問題，與就地級保護(hù)控制系統(tǒng)一并構(gòu)成變電站繼電保護(hù)體系。

表1 220kV變電站站域保護(hù)控制系統(tǒng)功能需求表Tab.1 Functional requirement of substation－area protection ＆control system in 220kV substation

3.2.3 廣域級保護(hù)控制系統(tǒng)

廣域保護(hù)控制系統(tǒng)，面向區(qū)域電網(wǎng)，利用多站的綜合信息，統(tǒng)一判別決策，實(shí)現(xiàn)相關(guān)保護(hù)及安穩(wěn)控制等功能。

隨著電網(wǎng)建設(shè)的規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求越高，廣域保護(hù)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在更廣范圍內(nèi)以最優(yōu)化方式實(shí)現(xiàn)故障切除，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

層次化保護(hù)控制系統(tǒng)是新一代智能變電站中繼電保護(hù)系統(tǒng)的重要特征，以繼電保護(hù)多年成功的理論和實(shí)踐探索為基礎(chǔ)，既堅(jiān)持了就地保護(hù)的獨(dú)立性和可靠性，又充分利用可共享的數(shù)據(jù)信息和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，有效整合保護(hù)功能、提升故障識別能力，強(qiáng)調(diào)了與安全穩(wěn)定控制功能的協(xié)調(diào)配合，提升了保護(hù)控制系統(tǒng)總體性能，有利于構(gòu)建更加嚴(yán)密的電網(wǎng)安全防護(hù)體系。

4 變電站主接線及總平面優(yōu)化設(shè)計(jì)

重慶大石220 kV 輸變電工程被國家電網(wǎng)公司列為新一代智能變電站試范工程，本文以重慶大石220 kV變電站為例，將隔離式斷路器、氣體絕緣開關(guān)柜、110 kV 氣體絕緣母線、層次化保護(hù)控制系統(tǒng)及集裝箱式設(shè)備應(yīng)用于該站，并在此基礎(chǔ)上對該站的主接線和總平面進(jìn)行合理優(yōu)化，以達(dá)到提高運(yùn)行可靠性、降低維護(hù)工作量、優(yōu)化占地面積、節(jié)能經(jīng)濟(jì)環(huán)保的目的。

該站的建設(shè)規(guī)模為主變壓器最終3 臺180 MVA；220 kV 出線最終6回；110 kV 出線最終12回；10 kV 出線最終24回。

4.1 電氣主接線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

該站按其建設(shè)規(guī)模如采用常規(guī)一次設(shè)備，220 kV 電氣主接線如圖5所示［11］。

圖5 采用常規(guī)一次設(shè)備時(shí)220kV電氣主接線圖Fig.5 220kV main electrical wiring diagram with using conventional primary equipment

如采用隔離式斷路器，220kV 電氣主接線如圖6所示。

圖6 采用隔離式斷路器時(shí)220kV電氣主接線圖Fig.6 220kV main electrical wiring diagram with using disconnecting circuit breaker

從圖5、圖6 可以看出，采用隔離式斷路器后，220kV 電氣主接線中元件數(shù)量得到了較大減少，出線及主變間隔斷路器、電流互感器整合為集成式智能隔離斷路器，取消線路側(cè)隔離開關(guān)，每個(gè)間隔設(shè)備數(shù)量減少3個(gè)，但主接線形式仍為雙母線接線。

該站按其建設(shè)規(guī)模，如采用常規(guī)一次設(shè)備，110kV電氣主接線如圖7所示［11］。

圖7 采用常規(guī)一次設(shè)備時(shí)110kV電氣主接線圖Fig.7 110kV main electrical wiring diagram with using conventional primary equipment

如采用隔離式斷路器，110kV 電氣主接線如圖8所示。

從圖7、圖8 可以看出，采用隔離式斷路器后，110kV 電氣主接線中元件數(shù)量得到了較大減少，出線及主變間隔斷路器、電流互感器整合為集成式智能隔離斷路器，電氣主接線從雙母線接線簡化為單母線三分段接線，取消出線及母線隔離開關(guān)。

經(jīng)過上述優(yōu)化，設(shè)備數(shù)量和投資變化如表2～3所示。

圖8 采用隔離式斷路器時(shí)110kV電氣主接線圖Fig.8 110kV main electrical wiring diagram with using disconnecting circuit breaker

表2 采用DCB與否時(shí)220kV設(shè)備數(shù)量對比Tab.2 Comparison of 220kV equipment numbers between using DCB and not using DCB

表3 采用DCB與否時(shí)110kV設(shè)備數(shù)量對比Tab.3 Comparison of 110kV equipment numbers between using DCB and not using DCB

從表2、表3可以看出，采用隔離式斷路器后變電站的設(shè)備數(shù)量得到大幅降低，電氣主接線中元件數(shù)量也相應(yīng)減少，該站電氣主接線的可靠性分析如表4～5所示。

表4 220kV電氣主接線可靠性比較Tab.4 Reliability comparison of 220kV main electrical wiring

從表4 可以看出采用隔離式斷路器后，220 kV電氣主接線的失電量期望將減少1 596 MW·h·a－1（容載比按1計(jì)算），如果1 kW·h電按0.5元考慮，每年可提高售電額約79.8萬元。

表5 110kV電氣主接線可靠性比較Tab.5 Reliability comparison of 110kV main electrical wiring

從表5 可以看出采用隔離式斷路器后，110 kV電氣主接線的失電量期望將減少1 965 MW·h·a－1（容載比按1計(jì)算），如果1 kW·h電按0.5元考慮，每年可提高售電額約98.3萬元。

4.2 電氣總平面優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)該站的建設(shè)規(guī)模，參照國家電網(wǎng)公司通用設(shè)計(jì)方案，采用常規(guī)設(shè)備的220 kV 配電裝置平面布置圖如圖9所示［11］。

圖9 采用常規(guī)設(shè)備的220kV配電裝置平面布置圖Fig.9 Layout of 220kV power distribution devices with using conventional equipment

采用隔離式斷路器和集裝箱式設(shè)備后的220kV配電裝置平面布置圖如圖10所示。

圖10 采用隔離式斷路器的220kV配電裝置平面布置圖Fig.10 Layout of 220kV distribution devices with using disconnecting circuit breaker

根據(jù)該站的建設(shè)規(guī)模，參照國家電網(wǎng)公司通用設(shè)計(jì)方案，采用常規(guī)設(shè)備的主變及110kV 配電裝置平面布置圖如圖11所示［11］。

圖11 采用常規(guī)設(shè)備的主變及110kV配電裝置平面布置圖Fig.11 Layout of main transformer and 110kV power distribution devices with using conventional equipment

采用隔離式斷路器、氣體絕緣開關(guān)柜和110kV氣體絕緣母線、集裝箱式設(shè)備后的主變及110kV 配電裝置平面布置圖如圖12所示。

圖12 采用隔離式斷路器的主變及110kV配電裝置平面布置圖Fig.12 Layout of main transformer and 110kV distribution devices with using disconnecting circuit breaker

經(jīng)過上述優(yōu)化后，變電站橫向尺寸未發(fā)生變化，但縱向尺寸由128.5m 減少為84.5m，另外由于集裝式建筑的應(yīng)用，變電站建筑面積也得到較大減小，優(yōu)化前后占地面積和建筑面積對比如表6所示。

表6 優(yōu)化前后占地面積和建筑面積對比表Tab.6 Comparison of occupied area and building area before and after optimization

5 結(jié)論

本文根據(jù)新一代智能變電站的設(shè)計(jì)理念和思路，提出了隔離式斷路器、集裝箱式建筑、氣體絕緣開關(guān)柜和110 kV 氣體絕緣母線在變電站的應(yīng)用，總結(jié)了二次系統(tǒng)設(shè)備集成整合和層次化保護(hù)控制系統(tǒng)的配置原則，并以重慶大石220 kV 變電站為例，對其電氣主接線和電氣總平面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

經(jīng)過設(shè)備集成和優(yōu)化設(shè)計(jì)后，變電站電氣主接線的可靠性得到了明顯提高，且占地面積和建筑面積也得到了較大減小，滿足新一代智能變電站的設(shè)計(jì)原則，達(dá)到新一代智能變電站的建設(shè)目的，同時(shí)為新一代智能變電站的推廣實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

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