馬 斌，鄭馨怡，王昱婷，徐瓊璟，李 晨

(南京電力設計研究院有限公司，江蘇 南京 210037)

智能電網(wǎng)發(fā)展趨勢下，如何驅(qū)動變電站綠色節(jié)能建設實為必然。為此，國家電網(wǎng)公司組織編制智能變電站模塊建設通用設計，擬實現(xiàn)其“標準化設計、模塊化設計”，預制艙式模塊化變電站建設成為主流趨勢，其將一、二次設備組合為獨立的功能模塊，集成在預制艙內(nèi)，采用裝配拼裝的方式完成變電站的節(jié)能建構(gòu)，不僅節(jié)約了變電站的占地面積，而且，縮減了建設周期，達到了節(jié)能設計的要求。

模塊化變電站衍生于20世紀60年代歐美戶外成套變電所裝置，國內(nèi)最早于20世紀90年代著眼于簡易廂式變電站的建設，針對35～220 kV不同電壓等級建構(gòu)模塊化變電站共計600多個，積累了豐富的經(jīng)驗。就目前研究而言，房嶺鋒[1]采用三維模塊設計方法，完成了智能變電站資源節(jié)約型、環(huán)保設計；管敏淵等[2]設計了基于模塊化雙有源橋變流器的直流變電站，且經(jīng)過仿真實驗該模變電站可實現(xiàn)各模塊有功功率的均衡配置；狄謙等[3]基于預制艙式模塊化變電站快速拼裝、節(jié)能降耗的優(yōu)勢，對其艙體隔熱差、易腐蝕、分模塊設備布設不合理等系列問題進行改進設計?？梢?，模塊化變電站設計已然成為一種必然趨勢，本文結(jié)合以往研究成果，著眼于節(jié)能降耗目標，探究模塊化變電站設計的關(guān)鍵技術(shù)，并對其整體能效水平進行評價分析。

1 整體設計

模塊化變電站設計以建構(gòu)筑物的預制裝配為基礎支撐，通過工廠化加工統(tǒng)一標準、尺寸的預制構(gòu)筑物，來進行裝配式的土建施工，以減少“濕作業(yè)”，實現(xiàn)節(jié)能降耗；而后，采用預制艙與設備一體化設計方法，秉承集成布設的原則對一、二次設備進行模塊設計，在工程內(nèi)完成內(nèi)部調(diào)試及連接后，將其封裝至預制艙體內(nèi)，運送至現(xiàn)場進行裝配拼裝、聯(lián)調(diào)后就可投運使用。整體流程如圖1所示。

圖1 模塊化變電站設計的整體流程Fig.1 Overall process of modular substation design

模塊化變電站節(jié)能降耗設計采用預制方式，以統(tǒng)一的標準、尺寸生產(chǎn)預制構(gòu)件。具體涉及預制式的圍墻、防火墻、電纜溝蓋板、構(gòu)支架等。其中，預制圍墻以承插式預制柱為支撐，采用ALC蒸壓輕質(zhì)混凝土墻板，將該墻板插入承插式預制柱的側(cè)面內(nèi)，使用高強度水泥砂漿填補拼接的縫隙；預制防火墻選用“現(xiàn)澆筑+ALC板”方式進行ALC板的拼裝[4]；預制電纜溝蓋板選用預制的高分子復合電纜溝蓋板，裝配前檢查基底，進行必要的修鑿或砂漿找平；預制式構(gòu)支架選用裝配式鋼管結(jié)構(gòu)，以柱材法蘭或螺栓連接，以埋式地腳螺栓使其與基礎連接。由此，采用BIM技術(shù)，將預制構(gòu)建進行模塊化分解，根據(jù)變電站空間結(jié)構(gòu)模型，通過“分段拼裝、整體吊裝”方式，便可搭建模塊化變電站的建筑實體框架。

2 模塊化變電站的硬件設計

2.1 一次設備硬件設計

模塊化設計過程中，變電站一次設備主變壓器、220 kV GIS、110 kV GIS、35 kV 開關(guān)柜等均使用通用設備，其中，主變壓器需結(jié)合目前負荷及電網(wǎng)運行方式，考量主變壓器故障無法運行時，余下的變壓器容量可為總線提供剩余功率的70%，本文選用50 MVA額定容量的主變壓器，參數(shù)見表1，各個主變壓器均配置1個智能控制柜，其由2組合并單元、1組智能終端組成的智能組件，可用于采集中性點電流、溫度等非電量信息，并對該信息進行數(shù)字化處理。主變體與散熱器分層錯層布設，電容器、電抗器布設于散熱器下方，協(xié)調(diào)布設“主變壓器間+無功補償裝置室+散熱器”[5]，以減控空間占位，以電纜替代GIL用于連接主變與開關(guān)柜，選用油紙電容套管作為主變高中壓側(cè)套管，與電纜以軟導線進行連接。

表1 模塊化變電站的主變壓器參數(shù)Tab.1 Main transformer parameters for modular substations

2.2 二次設備硬件設計

根據(jù)變電站二次設備的功能，劃定不同的模塊，采用預制式“二次組合設備+智能控制柜”組合的模塊化方案，完成二次設備的硬件裝配，預制艙式二次組合設備：傳統(tǒng)預制艙內(nèi)二次設備安裝以屏柜雙列布置為準，柜體結(jié)構(gòu)尺寸未統(tǒng)一，安裝、運維困難，為此，本文以與預制艙一體化的機架替代屏柜，構(gòu)建設備模塊化集中布設平臺。機架內(nèi)自上而下布設裝置、檢修、走線區(qū)域等模塊，其中，裝置沿用“前接線前顯示”布設方式[6]，為實現(xiàn)不同工廠預制設備模塊的通用互換，統(tǒng)一裝置安裝固定點及前面板位置，并在預制艙內(nèi)獨立布設集中光纜進線柜，以引出全部對外光纜接口，模塊化裝配時通過尾纜即可將裝置背板插入接口，實現(xiàn)變電設備的“即插即用”；同時，預制艙內(nèi)各模塊化設備以整體行線布設，通過電氣及通信接口標準化設計，統(tǒng)一模塊內(nèi)外連接標準，預制艙內(nèi)布設一個連接預制式智能控制柜過程層設備與艙內(nèi)間隔層設備的集中接口柜，在與之對應的艙底開孔以實現(xiàn)供電光、電纜進出，此時，利用光纜即可將各間隔層過程設備統(tǒng)一連接至集中接口柜，而后，經(jīng)由光纖跳線進行光纜的匯總、調(diào)整，統(tǒng)一出口至艙內(nèi)各間隔層設備。

預制艙式智能控制柜：預制艙式智能控制柜內(nèi)的各設備模塊位置布設雜亂，為標準化智能控制柜尺寸，屏柜采用“前顯示、前后開門、后接線”方式，并標準化其智能控制柜二次回路接口。主變本體智能控制柜的寬、高、深采用800 mm×2 260 mm×600 mm標準尺寸[7]，且為規(guī)避接口不統(tǒng)一引發(fā)的預制光纜端口錯誤，配設M-MPO/MTP光纖轉(zhuǎn)換模塊，以統(tǒng)一接口標準，讓ST、LC等不同接口形式可實現(xiàn)互換，設備更換時無需拆除相關(guān)的光纜，實現(xiàn)了節(jié)能降耗設計。

2.3 預制艙硬件設計

本文設計的預制艙結(jié)構(gòu)由艙體骨架、艙壁、艙門及頂蓋4部分構(gòu)成，骨架部分使用鋼結(jié)構(gòu)形式一體化焊接而成，頂蓋采用密封防雨的雙坡屋面結(jié)構(gòu)，坡度應在5°以上。在此結(jié)構(gòu)框架下，一次設備預制艙以鋼結(jié)構(gòu)為主體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部增設保溫夾層、外部噴涂防腐涂料，以提升艙體保溫及防腐性能，通過工廠化預制、組裝、調(diào)試，運至現(xiàn)場進行拼裝；二次設備預制艙由二次組合設備、二次設備屏柜、智能控制柜等構(gòu)成，預制艙廠家根據(jù)圖紙及技術(shù)要求進行屏柜間配線操作，而后，運至現(xiàn)場與土建進行對接，完成裝配與調(diào)試即可投運。一、二次設備預制艙配設拾音器、紅外攝像機、紅外探頭、電插鎖、指紋及密碼門禁、煙感探測器等智能負控設備，用以監(jiān)測變電站各設備運行狀態(tài)。因模塊化變電設備尺寸不同，應集成至預制艙內(nèi)，需要優(yōu)化設計分模塊布設方案，艙體尺寸盡量標準、典型，通常存在Ⅰ型6 200 mm×2 800 mm×3 133 mm、Ⅱ型 9 200 mm×2 800 mm×3 133 mm、Ⅲ型12 200 mm×2 800 mm×3 133 mm這3種尺寸，為便于運輸及裝配，根據(jù)國標GB 1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》、2016年交通運輸部第62號《超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定》文件規(guī)定，艙內(nèi)集成的各分模塊總高度、寬度應分別控制在3.5、3.0 m以內(nèi)。

同時，對隔熱、防銹及防塵等性能進行優(yōu)化設計：艙壁使用內(nèi)外層鋼板包裹骨架結(jié)構(gòu)，填充巖棉或玻璃棉夾芯板于外層鋼板與骨架之間，以讓內(nèi)外層鋼板完全斷橋，而非一體化連接，并以巖棉或玻璃棉填充骨架空隙、高強度瓦楞鋼板作為外層，如此，即便在夏季40 ℃的高溫下，也能達到良好的隔熱性能。以不銹鋼作為艙壁外層，或鍍鋅板刷漆艙壁，會增加成本、亦不能解決銹蝕問題。為此，本文先以噴丸、吹塵處理艙壁表層，采用熱噴鋅工藝噴涂50 μm的鋅層，再經(jīng)過富鋅底漆→環(huán)氧鐵紅中涂層→面漆的處理，即可讓預制艙在中性鹽霧試驗720 h仍保持良好的防腐性能。

3 模塊化設備的即插即用

采用預制光纜、電纜的即插即用方式，通過航空接頭的預制封裝，來整合一、二次設備的連接標準，以實現(xiàn)快速拼裝。預制式電纜存在單端及雙端之分，如圖2、圖3所示，其中，雙端形式是電纜兩端均預制航空接頭，而單端則是一端預制航空插頭、另一端甩線用于現(xiàn)場連接端子排，變電站各設備艙體之間、艙體與智能控制柜選用雙端預制式電纜，智能控制柜與一次設備之間選用單端預制電纜，如此，即可實現(xiàn)二次電纜的即插即用。同時，預制式光纜是光纜端部基于需求預制各類型的光纜連接器，秉承集成化、緊湊性的要求，將更多的纜芯集成至同一鏈路方向，以減少多次布線的能耗，且該預制式光纜無需熔接工藝，使用預制式光纜連接變電站各設備艙體與智能控制柜，可降低近2 000個光纖連接點的現(xiàn)場熔接操作，在實現(xiàn)二次光回路即插即用的同時，也達到了節(jié)能降耗的要求。

圖2 單端預制電纜Fig.2 Single-ended prefabricated cable

圖3 雙端預制電纜Fig.3 Double ended prefabricated cable

4 模塊化設備的一體化設計平臺

模塊化變電站各個設備之間配置文件各異，彼此的通信困難，且一旦廠商更換，則以往的配置文件無法使用，影響了各模塊設備的復用性。為此，可采用AutoCAD軟件平臺，依據(jù)IEC61850標準在設計階段通過圖元編輯功能，根據(jù)變電站各模塊設備設計要求定義圖元并進行編輯；基于SSD一次系統(tǒng)建模功能，利用CAD提供的各類線性和配置的一次接線圖元進行繪圖，并對設備進行賦值、分組，生成本地SSD文件；而且，可利用SCD全站集成功能編輯變電站的虛端子，也即先繪制間隔網(wǎng)絡接線圖，并為各模塊設備添加擴展屬性，綁定模型文件，在完成各模塊設備模型關(guān)聯(lián)后即可進行網(wǎng)絡配置，以實現(xiàn)各設備之間通信。如此，通過該圖模一體化設計操作，便可統(tǒng)一變電站各模塊設備的配置，而后，將設計所需的圖元、圖紙、模型文件等存儲至MySQL數(shù)據(jù)庫，即可實現(xiàn)多機分布式操作，為模塊化變電站的設計提供可視化操作平臺。

5 模塊化變電站的能效分析

為驗證模塊化變電站設計的能效性，以廣東某地區(qū)220 kV變電站為實例，依據(jù)預制艙設計及《變電站總布置設計技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5056—2007)、《變電站建筑結(jié)構(gòu)設計規(guī)程》(DL/T 5457—2012)設計要求建設。擬投建220 kV變電站占地面積較小(7 189 m2)，建成規(guī)模為3臺180 MV主變，220、110、10 kV出線分別為8回、12回、30回。采用傳統(tǒng)標準及模塊化設計的變電站方案如圖4所示。

圖4 變電站設計方案Fig.4 Substation design scheme

對比分析各能效指標，見表2。

表2 不同設計方案下變電站能效指標Tab.2 Energy efficiency index of substation under different design schemes

由表2可知，模塊化變電站設計下，占地面積縮減了22.35%，且建筑周期、投資總成本分別減少了8個月、11.71%，達到較好的節(jié)能降耗效果。

6 結(jié)語

預制艙式模塊化變電站設計方法通過變電設備獨立分模塊的設計、加工及裝配，完成了變電站快速、低成本建設，契合了節(jié)能降耗的發(fā)展需求。上述研究根據(jù)節(jié)能降耗的要求，針對模塊化變電站設計的現(xiàn)實需求及技術(shù)標準，梳理、優(yōu)化設計方案，通過集成式、集約式布設方法提升設備模塊設計的標準化、緊湊性，利用建構(gòu)筑物預制加工完成變電站整體框架組裝，以降低施工周期及占地面積，且對預制艙結(jié)構(gòu)及模塊化設計提出了優(yōu)化意見，以提高其應用效能，為模塊化變電站的節(jié)能降耗提供了有效支撐。