易海瓊，兌瀟瑋，李勇

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市 102209；2.清華大學(xué)，北京市 100084)

基于隔離式斷路器的智能變電站電氣主接線優(yōu)化

易海瓊1，兌瀟瑋2，李勇1

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市 102209；2.清華大學(xué)，北京市 100084)

隨著國家電網(wǎng)公司智能變電站試點及建設(shè)的不斷推進和深化，根據(jù)新一代智能變電站“系統(tǒng)高度集成、結(jié)構(gòu)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”的指導(dǎo)思想，未來新型智能化開關(guān)設(shè)備對變電站電氣主接線的影響變得越來越重要。結(jié)合220、110 kV變電站典型設(shè)計方案，研究新型智能化開關(guān)設(shè)備的出現(xiàn)對智能變電站電氣主接線優(yōu)化設(shè)計的影響，對今后智能變電站的建設(shè)具有借鑒意義。

新一代智能變電站；電氣主接線；隔離式斷路器；優(yōu)化設(shè)計

0 引 言

智能變電站是伴隨著智能電網(wǎng)的概念而出現(xiàn)的，是指由先進、可靠、節(jié)能、環(huán)保、集成的智能設(shè)備組合而成，以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺為信息傳輸基礎(chǔ)，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、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。智能變電站具有全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、高級應(yīng)用互動化的特點[1-2]。

2009年5月國家電網(wǎng)公司啟動了智能變電站試點工程建設(shè)工作。宋璇坤等對目前智能變電站試點工程建設(shè)進行了分析，指出智能變電站建設(shè)理念、技術(shù)創(chuàng)新、專業(yè)管理、新設(shè)備研制等方面仍有待于進一步研究，例如一次設(shè)備智能化水平有待提高，一、二次設(shè)備和二次設(shè)備之間尚未有效集成，站內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，功能與定位不適應(yīng)專業(yè)化建設(shè)、調(diào)控運行、狀態(tài)檢修等模式轉(zhuǎn)變的要求[3-4]。因此，國家電網(wǎng)公司及其他企業(yè)、研究機構(gòu)等提出了新一代智能變電站的發(fā)展目標(biāo)和技術(shù)路線[4]，即以“系統(tǒng)高度集成、結(jié)構(gòu)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(biāo)，著力探索前沿技術(shù)，推動智能變電站的創(chuàng)新發(fā)展。

高壓開關(guān)設(shè)備為變電站中重要的元件，通常指用于一次設(shè)備操作和保護的斷路器和隔離開關(guān)設(shè)備。在傳統(tǒng)的變電站設(shè)計中，斷路器與隔離開關(guān)是相互獨立的設(shè)備。從實際運行統(tǒng)計來看，斷路器的可靠性遠高于隔離開關(guān)，基本可達到15年以上的維修間隔周期，因此，隔離開關(guān)成為薄弱環(huán)節(jié)。利用隔離開關(guān)來隔離高壓電以進行斷路器停電檢修的檢修模式已不再適用于電網(wǎng)的實際管理和發(fā)展需求，由此提出將原來的斷路器兩端設(shè)置隔離開關(guān)改為將隔離功能集成到斷路器的滅弧室內(nèi)部，從而提出了一個新的產(chǎn)品——隔離斷路器(disconnecting circuit-breaker，DCB)，并成功應(yīng)用[5]。

國家電網(wǎng)公司新一代智能變電站關(guān)鍵設(shè)備研制與應(yīng)用中將DCB列為近期重點應(yīng)用設(shè)備之一。DCB集成了線路側(cè)接地刀閘，與電子互感器一體化制造。采用DCB后，可以減少站內(nèi)一次設(shè)備數(shù)量，減少變電站空間與土地占用，同時供電可靠性可大幅提高。本文將結(jié)合DCB的出現(xiàn)，對智能變電站主接線型式進行研究，以220、110 kV變電站典型設(shè)計方案為例，探索簡化主接線型式的可行性。

1 DCB的發(fā)展及其在智能變電站主接線優(yōu)化中應(yīng)用的可行性

1.1 126～252 kV DCB

國家電網(wǎng)公司新一代智能變電站發(fā)展技術(shù)路線結(jié)合不同階段的需求以及設(shè)備實現(xiàn)等因素，分為近期、中期及遠期等階段[4,6]，并分別制定了各階段的關(guān)鍵設(shè)備研制及應(yīng)用計劃[7]。其中，126～252 kV DCB已列入近期實用性關(guān)鍵設(shè)備研究框架[7]。

國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62271-108中，針對72.5 kV及以上電壓等級的DCB給出了定義和使用要求，即具有隔離開關(guān)功能的斷路器。其技術(shù)特點是：滿足隔離開關(guān)斷口要求，集成線路側(cè)接地刀閘，與電子互感器一體化制造；采用電機驅(qū)動機構(gòu)和同步控制技術(shù)實現(xiàn)智能滅??；提高設(shè)備可靠性，維護周期達到15年以上，節(jié)省占地25%～40%。

1.2 DCB對主接線可靠性指標(biāo)的影響分析

DCB的研制是實現(xiàn)斷路器具備隔離功能的技術(shù)創(chuàng)新。DCB通過設(shè)備集成提升了可靠性，也給智能變電站的主接線優(yōu)化提供了可能。以單母線接線為例進行定性分析，圖1、2分別為采用傳統(tǒng)斷路器和采用DCB的110 kV單母線接線配電裝置間隔接線。采用傳統(tǒng)斷路器，斷路器兩側(cè)均配置隔離開關(guān)，用于斷路器檢修時隔離電源。在此接線方式下，間隔內(nèi)任一元件(母線隔離開關(guān)及線路側(cè)隔離開關(guān)等)故障或檢修均導(dǎo)致相應(yīng)線路或主變壓器退出運行，間隔內(nèi)元件的數(shù)量和可靠性對整體運行影響很大。

圖1 單母線配電裝置間隔接線

如果采用DCB設(shè)備構(gòu)建單母線配電裝置間隔，由于隔離式斷路器內(nèi)部集成了斷路器、接地開關(guān)、電流互感器等元件，斷路器的觸頭兼具斷路器和隔離開關(guān)的雙重功能，且?guī)Ь€路側(cè)接地刀閘，因此取消線路側(cè)隔離開關(guān)，同樣能滿足線路(或主變壓器)檢修時的需要。DCB設(shè)備可靠性較高，接近于GIS設(shè)備的可靠性水平，設(shè)計檢修周期可達到20年，若按變電站設(shè)計周期40年來算，在整個變電站運行期內(nèi)，每臺DCB僅需檢修1次；并且DCB能與母線同時檢修，因此，可取消母線側(cè)隔離開關(guān)?？梢?，DCB設(shè)備的采用，極大簡化了主接線型式。

進一步以一個220 kV變電站(主變規(guī)模及進出線規(guī)模為4變12線)為例，分別采用常規(guī)斷路器加隔離開關(guān)的接線型式和采用DCB，分析應(yīng)用DCB后對其220 kV主接線可靠性水平有無影響。

根據(jù)規(guī)程要求，4變12線的220 kV變電站，其220 kV主接線應(yīng)選擇雙母線分段接線型式。計算時，由于DCB為新設(shè)備，目前尚無有關(guān)該設(shè)備的可靠性指標(biāo)統(tǒng)計。研究中采用現(xiàn)有隔離開關(guān)、斷路器2種設(shè)備中可靠性水平較高的可靠性指標(biāo)來分析當(dāng)DCB可靠性指標(biāo)達到現(xiàn)有開關(guān)設(shè)備時對主接線的影響。計算中采用清華大學(xué)開發(fā)的發(fā)電廠/變電所電氣主接線可靠性評估軟件SSRE-TH (station and substation reliability evaluation-Tsinghua University )。該軟件能夠?qū)ψ冸娬镜碾姎庵鹘泳€進行可靠性及經(jīng)濟性評估，可靠性評估中考慮三重及以下元件故障。SSRE-TH中采用的電氣主接線可靠性指標(biāo)如表1所示。其中故障概率、停電頻率、期望故障受阻電力、期望故障受阻電能是關(guān)注度比較高的幾個指標(biāo)，分別反映了停電時間的長短、故障頻次的多少以及造成停電損失的大小。

采用常規(guī)斷路器加隔離開關(guān)與采用DCB時，雙母線分段主接線可靠性指標(biāo)見表2。采用DCB后的雙母線分段主接線，其故障概率、期望故障受阻電能等指標(biāo)均較采用常規(guī)斷路器和隔離開關(guān)的主接線型式有較大下降，反應(yīng)出采用DCB時能提高變電站主接線的可靠性。

表1 可靠性指標(biāo)

表2常規(guī)斷路器與隔離式斷路器對雙母線分段主接線可靠性的影響分析

Tab.2InfluenceoftraditionalbreakerandDCBonreliabilityofdouble-bussegmentalmainconnection

2 典型220 kV智能變電站主接線優(yōu)化分析

本節(jié)結(jié)合國家電網(wǎng)公司220 kV變電站典型設(shè)計方案分析采用隔離式斷路器后，能否對主接線型式進行簡化。

2.1 修正的220-C-1典型設(shè)計方案

以《國家電網(wǎng)公司220 kV變電站典型設(shè)計》中的220-C-1典型設(shè)計方案為例，對考慮DCB后的主接線選擇進行研究[8]。

220-C-1典型設(shè)計方案為：220 kV戶外AIS變電站，220 kV出線6回，主變?nèi)萘?×180 MVA，110 kV出線12回，10 kV出線24回，每臺主變配置4組無功補償裝置。對該方案進行調(diào)整后，修正的220-C-1方案為：主變?nèi)萘?×180 MVA；220 kV出線8回，110 kV出線16回，10 kV出線36回，每臺主變設(shè)置4組8 Mvar電容器。

在此基礎(chǔ)上，針對220 kV以及110 kV主接線的不同主接線型式進行優(yōu)化。具體分析時，主要考慮了以下2種因素的對比：一是AIS方案采用隔離式斷路器前后的可靠性和經(jīng)濟性分析；二是220 kV主接線和110 kV主接線能否由原來的雙母線接線簡化為單母線分段接線，對比方案如表3所示。220 kV變電站220、110 kV主接線可靠性和經(jīng)濟性指標(biāo)計算結(jié)果分別如表4、5所示。

表3 220-C-1典型設(shè)計對比方案

2.2 220 kV主接線優(yōu)化分析

對比220 kV AIS方案，從表4中方案1-1和1-2可知，采用DCB后，若DCB本身的可靠性水平能達到現(xiàn)有斷路器的可靠性水平，其220 kV主接線故障概率、故障頻率、期望故障受阻電力、期望故障受且阻電能等可靠性指標(biāo)較優(yōu)化前均呈下降趨勢，下降比例為13%～35%；故障概率下降了約28%。從表4中方案1-1和2-1可知，采用DCB可使單母線分段的主接線達到原來雙母線接線可靠性水平。并采用DCB后，AIS方案的220 kV主接線設(shè)備投資水平進一步下降，下降比例約為13%。

表4 優(yōu)化前后220 kV變電站220 kV主接線可靠性及經(jīng)濟性指標(biāo)

注：設(shè)備投資僅計入斷路器、隔離開關(guān)、互感器等設(shè)備。

表5 優(yōu)化前后220 kV變電站110 kV主接線可靠性及經(jīng)濟性指標(biāo)

因此，從主接線可靠性水平來看，DCB的應(yīng)用使得將220 kV主接線由雙母線接線簡化為單母線分段接線具備了可能性?？紤]到主接線選擇除了需要考慮可靠性、經(jīng)濟性外，其靈活性也是決定主接線選擇的重要因素。因此，綜合對比220 kV AIS方案，具體選擇220 kV主接線時，需要結(jié)合變電站定位、電網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力等來選擇雙母線接線及單母線分段型式。對樞紐變電站、運行靈活性要求較高或下一級電網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力較低的220 kV變電站，220 kV主接線可考慮維持雙母線接線方式，此時，主接線可靠性水平較未采用DCB時已經(jīng)有較大提高。對變電站位置要求不高、下一級電網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力較強的變電站，也可考慮采用單母線分段接線。

2.3 110 kV主接線優(yōu)化分析

由表5可知，采用DCB時，110 kV側(cè)電氣主接線的可靠性水平得到提高，故障概率下降了約27%，平均持續(xù)停電時間減少了20%；110 kV側(cè)主接線可靠性水平可達到以往采用常規(guī)斷路器和隔離開關(guān)時的雙母線主接線可靠性水平。從經(jīng)濟性來看，采用DCB后，AIS方案的設(shè)備投資水平進一步下降，下降比例約為18%。此時，110 kV側(cè)電氣主接線可考慮簡化為單母線分段接線。

2.4 220-C-1典型設(shè)計方案主接線優(yōu)化結(jié)果

采用集成互感器功能的隔離式斷路器，優(yōu)化后，220 kV主接線采用雙母線接線，AIS變電站取消站內(nèi)出線側(cè)隔離開關(guān)；110 kV由雙母線接線優(yōu)化為單母線分段接線，AIS變電站取消站內(nèi)出線、母線側(cè)隔離開關(guān)。

優(yōu)化后的220 kV變電站的220 kV側(cè)、110 kV側(cè)電氣主接線如圖3～4所示。

3 典型110 kV智能變電站主接線優(yōu)化分析

3.1 110-C-5 典型設(shè)計方案

針對110-C-5典型設(shè)計方案[9](2臺50 MVA主變、110 kV出線4回)，分析采用DCB后簡化主接線型式的可行性。

110-C-5原方案：主變?nèi)萘?×50 MVA；10 kV出線4回，35 kV出線8回，10 kV出線20回，每臺主變設(shè)置1組3.6 Mvar電容器+1組4.8 Mvar電容器；主接線：110 kV單母線分段接線，35 kV單母線分段接線，10 kV單母線分段接線；配電裝置型式：戶外AIS變電站；110 kV采用常規(guī)斷路器及隔離開關(guān)。35、10 kV采用戶內(nèi)充氣式開關(guān)柜。

圖3 優(yōu)化后的220 kV主接線

圖4 優(yōu)化后的110 kV主接線

110-C-5優(yōu)化后方案：主變?nèi)萘?×50 MVA 10 kV出線4回，35 kV出線8回，10 kV出線20回，每臺主變設(shè)置1組3.6 Mvar電容器+1組4.8 Mvar電容器；主接線：110 kV單母線分段接線，35 kV單母線分段接線，10 kV單母線分段接線；配電裝置型式：戶外AIS變電站；110 kV采用集成互感器功能的集成式智能斷路器，取消線路側(cè)、母線側(cè)隔離開關(guān)。35、10 kV采用戶內(nèi)充氣式開關(guān)柜。

3.2 主接線優(yōu)化結(jié)果分析

110-C-5方案優(yōu)化前后110 kV側(cè)主接線的可靠性水平指標(biāo)及投資計算結(jié)果見表6。

由表6可知，采用DCB后，110 kV電氣主接線的可靠性水平得到提高，故障概率、故障頻率等指標(biāo)下降比例為13%～27%，平均持續(xù)停電時間減少15%；同時設(shè)備投資水平進一步下降，下降比例達到35%。

表6 110-C-5方案優(yōu)化前后110 kV側(cè)主接線的可靠性指標(biāo)及投資

因此，國家電網(wǎng)公司110 kV變電站的110-C-5典型方案，采用DCB時，110 kV主接線采用單母線分段接線，AIS變電站可取消站內(nèi)隔離開關(guān)。

4 結(jié) 語

(1)未來新一代智能變電站功能的集成化以及結(jié)構(gòu)的一體化，將促使變電站主接線的簡化。本文考慮新一代智能變電站近期設(shè)備發(fā)展趨勢，重點針對隔離式隔離斷路器的研制，綜合分析其對變電站電氣主接線的影響，指出智能化設(shè)備功能的集合帶來單體設(shè)備可靠性的提高，為主接線的優(yōu)化及設(shè)備配置提供了條件。

(2)以220 、110 kV變電站典型設(shè)計為例，針對采用隔離式斷路器后，對優(yōu)化前后主接線可靠性及經(jīng)濟性指標(biāo)進行分析，提出了220-C-1典型設(shè)計方案、110-C-5 典型設(shè)計方案電氣主接線優(yōu)化方案。本文的主接線優(yōu)化結(jié)果已在國家電網(wǎng)公司新一代智能變電站的試點工程中得到應(yīng)用。

[1]黎翀宇. 智能變電站技術(shù)的研究及應(yīng)用[D]. 成都：西南交通大學(xué)， 2009.

[2]李斌. 智能變電站技術(shù)及其應(yīng)用研究[D]. 北京：華北電力大學(xué)， 2011.

[3]宋璇坤，閆培麗，吳蕾，等. 智能變電站試點工程關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 電力建設(shè)，2013，34(7)：10-16.

[4]宋璇坤，沈江，李敬如. 新一代智能變電站概念設(shè)計[J].電力建設(shè)，2013,(34)6:11-15.

[5]李勁彬，阮羚，陳雋. 應(yīng)用于新一代智能變電站的隔離斷路器[J]. 電力建設(shè)，2014,35(1):30-34.

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[7]新一代智能變電站關(guān)鍵設(shè)備研制框架研究報告[R].北京：國家電網(wǎng)公司，2012.

[8]國家電網(wǎng)公司220 kV變電站典型設(shè)計工作組. 國家電網(wǎng)公司220 kV變電站典型設(shè)計[S]. 北京：中國電力出版社，2006.

[9]國家電網(wǎng)公司110 kV變電站典型設(shè)計工作組. 國家電網(wǎng)公司110 kV變電站典型設(shè)計[S]. 北京：中國電力出版社，2006.

李 勇(1968)，男，主任工程師，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析與控制，電力系統(tǒng)規(guī)劃等方面的研究工作。

(編輯：張小飛)

MainElectricalConnectionOptimizationofSmartSubstationBasedonDisconnectingCircuit-breaker

YI Haiqiong1, DUI Xiaowei2, LI Yong1

(1. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China;2.Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Along with the promotion and deepening of the pilot and construction of smart substation in State Grid Corporation, the influence of new smart switch equipment on the main electrical connection in substation will be more and more important in the future, according to the guiding ideology of a new generation of smart substation: ‘highly integrated system, reasonable structural layout, advanced and appropriate equipment, energy conservation and environmental protection, supporting the integration of regulation and control’. Combined with the typical design schemes of 220, 110 kV substations, this paper studied the influence of new smart switch equipment on the main electrical connection in smart substation, which could be the reference for the future construction of smart substation.

a new generation of smart substation; main electrical connection; disconnecting circuit-breaker; optimization design

國家電網(wǎng)公司科技項目(新一代智能變電站設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究)。

TM 561

： A

： 1000-7229(2014)06-0092-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.017

2013-12-19

：2014-01-27

易海瓊(1979)，女，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析與控制，電力系統(tǒng)規(guī)劃等方面的研究工作，E-mail：yihaiqiong@chinasperi.sgcc.com.cn；

兌瀟瑋(1988)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)可靠性、風(fēng)光儲設(shè)備狀態(tài)檢修，E-mail：373330025@qq.com；