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摘要：110kV智能变电站设计研究针对典型的变电站规模，通过考察了解掌握目前智能变电站相关关键技术的发展状况，选择合适的技术应用到变电站设计当中，形成技术先进、经济合理的适合智能电网发展现状的智能变电站设计方案。
关键词：电网运行；智能电网；智能变电站；规划设计
1.引言
智能电网的形成与发展，成为全球电力工业应对未来挑战的共同选择。建设智能电网，对于保障能源安全、应对气候变化、促进节能减排、发展低碳经济、提高服务水平具有重大意义，是优化电源结构、开发利用清洁能源的迫切要求，是满足经济社会可持续发展要求的重大选择，是电力工业科学发展的具体实践。
智能变电站是变电环节的关键技术，是坚强智能电网的重要基础和支撑。电网建设规划设计是龙头，智能变电站的设计直接决定了智能变电站的建设水准和技术水平。对智能变电站设计进行系统研究，形成技术先进经济合理的智能变电站设计方案，对智能变电站建设有着重大意义，也可为智能电网的发展积累宝贵的经验打下良好的基础。
2.智能电网和智能变电站技术研究现状
智能电网是电网发展的趋势和方向，且现己上升到国家战略的高度上。根据国家电网智能化规划，智能电网重点是从发电、输电、变电、配电、用电、调度六个环节实现电网的智能化。对于变电环节，智能电网规划的目标一是实现电网运行数据的全面采集和实时共享，支撑电网实时控制、智能调节和各类高级应用，二是实现变电设备信息和维护策略与电力调度全面互动，三是全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、高级应用互动化。
智能变电站是变电环节的关键技术，是坚强智能电网的重要基础和支撑。目前发达国家尚未提出智能变电站的概念，但随着欧美智能电网的建设，国外变电站在建设上也逐渐向智能化发展，由于国外各大厂家对智能电网的理解不同，针对变电站的发展建设思路也不同。公司认为变电站应该具有较高的自动化程度和自愈能力，可减少操作和维修工作，进而提高电网的盈利能力，其重点在高度自动化和自愈功能；公司认为自愈功能是智能电网的主要功能之一，其关注重点在于电网运行状态的采集，目前公司已开始研究电网运行状态与设备状态一体化采集技术，但为综合考虑变电站环境等信息的采集和处理。国内方面，在国家电网公司提出建设坚强智能电网的战略构想之初，就把智能变电站作为智能电网建设环节的重要节点之一，并安排了一系列的科研项目来支撑智能变电站的研究和建设。
3.智能变电站概述
3.1智能变电站的定义和主要技术特征
智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能、并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。
智能变电站作为电网的节点，和常规的变电站一样连接线路、输送电能，担负着变换电压等级、汇集电流、分配电能、控制电能流向、调整电压等常规功能，但智能变电站可以完成比常规变电站范围更宽、层次更深、结构更复杂的信息釆集和处理，变电站内、变电站与调度之间、变电站与变电站之间的互动能力更强，信息交换和融合更方便快捷，控制手段更灵活可靠。
3.2智能变电站的实现目标和系统结构
智能变电站采用先进技术与设备，强调优化系统结构与功能，其根本是服务于应用，从业务需求出发，把技术问题、经济问题、管理问题统筹考虑，实现对稳态数据、暂态数据和动态数据的同意采集和处理，从而提高智能电网对全景信息的感知能力，提高高级应用的深度和广度，实现自动化、互动化的目标。
相对于常规变电站，智能变电站在结构上更侧重于物理集成和逻辑集成。一方面，在系统的层面，物理集成体现了面向对象、功能自治的思想，有利于提高间隔功能的可靠性，降低运行和维护费用；另一方面，电力系统本质上是一个互联的系统，仅依靠单间隔、局部信息是很难再系统层面优化保护欲控制功能的。因此，智能变电站也强调逻辑集成，已构成面向系统的应用，实现就地、区域和全局功能的协调，支持具有在线决策、协同互动特征的各种高级应用。
3.3智能变电站的优势和关键技术
相对于常规变电站，智能变电站的优势主要体现在以下几个方面。
（1）一次设备智能化。一次设备智能化是智能变电站的主要特征，也是智能变电站区别于常规变电站的主要标志之一。在现阶段，智能变电站通过配置合并单元和智能终端进行就地采样控制，实现一次设备的测量数字化、控制网络化；通过传感器和主设备的一体化安装实现设备状态可视化，同时，进一步通过对各类状态监测后台的集成，建立设备状态监测系统，为状态检修、校验自动化和远程化提供了条件，进而提高了一次设备的管理水平，延长设备寿命，降低全寿命周期成本。
（2）采样就地数字化。采样就地数字化通过采用电子式互感器或常规互感器结合合并单元的方式来实现。电子式互感器具有体积小、抗饱和能力强、线性度好等优势；可避免传统互感器铁磁谐振、绝缘油爆炸、六氟化硫气体泄漏、短线导致高压危险等固有问题，同时能节约大量铁芯、铜线等金属材料，更符合智能变电站低碳环保的设计理念。
（3）光缆取代电缆，数字取代模拟。常规变电站的一次设备与二次设备之间、二次设备见采用电缆进行连接，而智能变电站增加了过程层网络，通过合并单元、智能终端实现就地采集和控制，用光缆取代了常规变电站的大量长电缆。取消了常规互感器的大功率输入回路，避免了电缆带来的电磁兼容、传输过电压和两点接地等问题，从根本上解决了干扰问题，提高传输可靠性。
（4）通讯规约标准化。常规变电站二次设备缺乏统一的信息模型规范和通信标准，为实现不同厂家设备的互联，需要设置规约转换器，增加了系统的复杂度和设计、调试和维护的难度，增加了变电站建设成本。智能变电站的所有智能设备均按建立信息模型和通信接口，设备间可实现无缝连接，各种设备均按照统一的通信标准接入变电站通信网络，实现设备间信息共享，不再需要为不同功能建设各自的信息采集、传输和执行系统，减少了软硬件的重复投资。
4.智能化一次设备
4.1智能化一次设备发展趋势
智能高压设备采用“高压设备智能组件”的模式组成。其中智能组件包括保护单元、测量单元、控制单元、计量单元、检测单元和通信单元等。智能组件的概念是灵活的，可以分散（一个组件一个功能），也可以集成（一个组件几个功能）；安装方式是既可以外置，也可以内嵌。智能组件的构成，包含了传统间隔层的设备，其灵活的配置方式符合现状与未来的发展。高压设备与智能组件之间、各智能单元之间相对关系的演变以及功能上的演变形成了智能高压设备发展的三个阶段。
4.2 110kV智能变电站智能一次设备配置方案
考虑目前的技术和设备制造水平，设备的在线监测技术已日绩成熟，全面清晰地把握设备运行状态、发现设备潜伏故障的运行维护需求越来越强烈。随着应用网络技术、开发协议、智能一次设备、电力信息接口标准等技术的发展，其他智能组件的控制、保护、测量、通信等功能，目前己有相关的分散外置的智能接口设备实现，当采用协议的网络方式通信时，具有控制功能的智能终端与具有测量功能的合并单元具备了实现一体化设计的条件。
本文研究的课题是110kV智能变电站规划设计，拟采用高压设备配置一体化的在线监测装置，同时配置智能终端与合并单元组成的智能综合单元，安装于就地智能控制柜内。即将在线检测设备的传感部分融入高压设备中，主要是传感器与设备本体的一体化，实现反映高压设备的诊断信息，其余的组件还是独立于高压设备外部。结合目前技术和设备制造水平以及智能变电站实际情况，在不影响测量和可靠性的前提下，采用外置型传感器，确需内置的，仅内置最必要的部分。从运行，维护、检修等方面考虑，外置传感头不但宜于更换维修，而且不会影响高压设备的安全运行，而内置传感头若需更换必须解体设备，不符合全寿命周期管理要求。因此，若必须采用传感头内置的方案，必须保证传感头的寿命和抗老化能力，且不能影响高压设备的安全运行，总之，不论内置或外置，传感器的接入均应保证不影响宿主一次设备的安全运行，保证全寿命周期的使用寿命，保证更换和调试的方便且应有免维护的特点。
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5.110kV智能变电站规划设计研究
5.1电力系统部分
（1）短路电流水平
各电压等级的设备短路电流选择如下：
110kV电压等级：40kA；
35kV电压等级：25kA；
10kV电压等级：主变及分段31.5kA、出线25kA。
（2）系统继电保护及安全自动装置
系统保护均采用微机保护，主变保护装置按主、后一体双套配置，配置独立的非电量保护；35kV、10kV出线保护测控装置各按一套配置。
（3）系统通信及站内通信
a.变电站设置分层分布式智能变电站系统。
b.通信方式釆用两种：一种是采用光缆通信，另一种采用市话作为辅助通信。
c.不设置独立的通信电源，采用双模块供电。
5.2电气一次部分
（1）电气主接线
110kV采用内桥接线方式。
35kV采用单母线分段接线方式。
10kV采用单母线分段接线方式。
变压器中性点接地方式：
110kV侧：中性点直接接地、经放电间隙接地或不接地；
35kV侧：中性点不接地。
10kV侧：中性点经消弧线圈接地。
（2）主要电气设备选择
主变压器釆用户外布置节能型主变压器，型式：三相油浸式三绕组自冷有载调压，型号：SSZ11-50000/110；
110kV配电装置采用户内布置GIS组合电器；带点显示器：DXN10-126；氧化锌避雷器：102kV，10kA雷电冲击残压不大于266kV。
35kV配电装置选择户内布置中置式开关柜，断路器主变压器及分段回路：真空断路器40.5kV，1250kA，25kA；主母线：40.5kV，1250kA。
10kV配电装置选择户内布置中置式开关柜，断路器主变压器及分段回路：真空断路器12kV，3150A，31.5kA；主母线：12kV，3150A。
110kV避雷器为安装在内部的氧化锌避雷器；35kV避雷器选择无间隙氧化碎避雷器；目前国内厂家生产的氧化锌避雷器，其保护性能和工作特性优良。为此10kV侧配置17/45kV氧化锌避雷器。
（3）电气总平面布置
站区长52米，宽34.5米。半户内型结构，建筑物主体是一座二层配电装置楼，110kV电源从南侧进线。变电站整体布置简明清晰，紧凑合理，能够满足无人值班的要求。变压器布置在室外，配电装置楼长36米，宽15米，局部9米，上下两层布置。中低压配电室、接地变室及电容器室等布置在一层，二次设备室及110kVGIS室布置在二层。站内设置环形车道，运输主变的道路宽4米，其它路宽3.5米，道路内侧转弯半径均为7米，站区围墙内占地面积1794平方米。总建筑面积722.8平方米。
5.3电气二次部分
（1）计算机监控系统
采用智能变电站系统实现无人值班功能。
（2）智能变电站自动化系统网络的构成和主要设计原则
网络构成：智能变电站自动化系统网络在逻辑上由站控层、间隔层和过程层三层组成：站控层由主机兼操作员站、远动通信装置和其它各种二次功能站构成，提供所内运行的人机联系界面，实现管理控制间隔层、过程层设备等功能，形成全所监控、管理中心，并与远方监控调度中心通信；间隔层由若干个二次子系统组成，在站控层及站控层网络失效的情况下，仍能独立完成间隔层设备的就地监控功能；过程层由电子式互感器、合并单元、智能单元等构成，完成与一次设备相关的功能，包括实时运行电气量的釆集、设备运行状态的监测、控制命令的执行等。过程层网络包括GOOSE网络和采样值（SV）网络：GOOSE是面向通用对象的变电站事件，是IEC61850标准中用于满足变电站自动化系统快速报文需求的机制，主要用于实现在多IED之间的信息传递，包括传输跳合闹信号命令（命令），具有高传输成功概率。
智能变电站自动化系统网络采用高速以太网组成，通信规约宜采用DL/T860或IEC61850标准，传输速率不低于100Mbps。
5.4系统远动、通信
（1）系统远动
工程远动信息送市级调度，与市级调度通信釆用电力调度数据网络和远动专线互为备用的方式。数据通信协议采用IEC-870-5-104规约。
远动专线通道速率600bit/s。要求在通道信噪比为17dB时，误码率不大于10-5。远动通道应安装防雷保护器。数据网络通道：传输速率为2M。
调度数据网接入及二次安全防护。为电力调度数据网的接入层，根据电力二次系统安全防护的要求，配置纵向加密认证装置1台。
（2）系统通信
通信工程是输变电工程的配套工程，主要解决地调对本站的调度通信、调度自动化和监控的需求。
622M传输设备一套，设备按1+1配置，分别对对接站各开通1个622M光方向。对接站各新上光口板一块。综合数据网设备一套，综合配线柜一套，及相应的配线单元。
系统通信电源由一体化电源引入两路48V直流电源。
调度数据网4个2M，故障录波器1个2M，接入网个2个2M，多业务接入设备20个2M系统带宽的以太网接口，其他作为通信网发展预留。
6.总结
智能变电站建设中，规划设计作为电力工程建设的龙头显得尤为重要，本文通过考察了解掌握目前智能变电站相关关键技术的发展状况，选择合适的技术应用到变电站设计当中，形成初步的智能变电站设计方案。但不容忽视的是智能变电站技术目前仍在快速发展的过程当中，现有的一些技术和设备还不成熟，缺乏长期运行的考验，仍需不断地完善，同时新的技术和新的设备也会在未来不断的出现，本文只是在当前的技术和设备发展水平上针对一种变电站的布置方式对现有技术和设备进行了分析研究，有一定的局限性，另外智能变电站的技术和设备选择在试点工程和全面推广两种不同的阶段考虑的侧重点也会有所不同。在今后的工作和学习中，还会继续对智能变电站设计这一课题进行更深入的研究和实践。
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论文作者:高伟,豆河伟,王喆,高雄伟
论文发表刊物:《电力设备》2016年第18期
论文发表时间:2016/12/2
标签：变电站论文; 智能论文; 设备论文; 电网论文; 通信论文; 功能论文; 系统论文; 《电力设备》2016年第18期论文;