新一代智能变电站集成优化设计研究

范　巍　兰春虎

（1国网天津市电力公司电力科学研究院天津3003842国网天津市电力公司经济技术研究院天津300171）

新一代智能变电站集成优化设计研究

范巍1兰春虎2

（1国网天津市电力公司电力科学研究院天津3003842国网天津市电力公司经济技术研究院天津300171）

本文以某220kV新一代智能变电站设计为例，对变电集成优化设计进行了深入研究。从主接线优化、平面布置、各级配电装置平面布置、设备选择、光电缆敷设优化、二次设计集成优化等多角度进行论述，提炼新一代智能变电站集成优化设计的核心技术，为后续智能变电站设计拓展思路，提升水平。

新一代智能变电站；集成；优化；设计

新一代智能变电站的建设目标是“系统高度集成、结构布局合理、装备先进适用、经济节能环保、支撑调控一体”,为智能变电站建设的各个环节提出了新的要求。本文以某220kV新一代智能变电站为例，对新一代智能变电站集成优化设计进行深入研究探讨。

1　工程总体规模介绍

1.1工程终期规模

电压等级220/110/35kV，主变3×240MVA，220kV进出线12回，110kV出线15回，35kV出线18回。

1.2工程本期规模

主变2×180MVA，220kV进出线6回；110kV出线10回，35kV出线12回。原则参考通用设计220-A2-3方案进行布置并进行局部优化。该变电站采用半户外布置形式，主变及中性点设备，架空出线避雷器布置于户外，其他配电装置布置于户内。

2　新一代智能变电站一次设计集成优化

2.1主接线优化

依据相关规程规定，各电压等级的主接线形式可根据出线规模、变电站在电网中的地位及负荷性质确定，当满足运行要求时，宜选择简单接钱。

根据该变电站实际接线情况，本站遵循新一代智能变电站设计原则，取消220kV、110kV主变进线侧隔离开关，取消220kV出线侧隔离开关，取消110kV无T接线路的出线侧隔离开关。

隔离开关的取消，能够从根本上提高设备运行的可靠性，能在一定程度上缩减设备尺寸，实现变电站紧凑化布置。

2.2一次设备高度集成

电气设备选择在遵循通用设计应用目录的基础上，使用高度集成的一、二次设备，能够最大程度实现工厂内规模生产、集成调试、模块化配送，减少现场安装、接线、调试工作，一次设备本体与智能控制柜之间二次控制电缆采用预制电缆连接，提高建设质量、效率。

2.2.1智能高压开关设备

通过GIS厂家完成智能控制柜内部各智能组建的组装，实现厂内接线，厂内调试，智能控制柜与本体一体化运输和吊装，可减少现场接线和联调，缩短工期，提高效率。智能终端、合并单元、监测IED应按工程本期规模按间隔配置。

2.2.2高压开关柜

35kV/10kV开关柜二次设备与开关柜一体化集成优化设计，便于后期布置的美观和运维检修的便利性。

2.3无功补偿优化

结合通用设计方案，本工程每台主变补偿4组10Mvar并联电容器组，共计12组。考虑优化变电站平面布置方案的需求，本站对无功补偿模块进行优化，在满足电压波动及运行要求的前提下，通过实际负荷计算，合理选择无功分组容量。最终本站每台主变配置3组（即2×10+20）Mvar电容器组，本期每台主变配置2组（即10+20）Mvar电容器组。

通用设计方案中，采用并联电容器组带干式空心并联电抗器，每台10Mvar电容器占地为(13m)长×（8.5）宽，不考虑两侧通道时至少需要整个变电楼设备长度为8.5×9=76.5m，且需要考虑剩余3组的布置问题；优化分组方案后，加之改用占地面积更少的带铁芯电抗器的电容器组，优化后每组10Mvar电容器组占地为(13m)长×（7）宽，每组20Mvar电容器组占地为(13m)长×（7.5）宽；不考虑两侧通道时至少需要整个变电楼设备长度为7× 6+7.5×3=64.5m，且已经全部考虑9组电容器的布置问题，不再需要额外空间。

电容器组合理分组的优化，满足变电站无功补偿及投运要求的同时，实现了变电站紧凑化布置。

2.4平面布置优化

该站电气总平面布置本着减少变电站占地面积，以最少土地资源达到变电站建设要求的原则进行合理设计。合理利用站区环境和站外道路，优化站内道路，缩减变电站纵向尺寸和横向尺寸，从而减少围墙内占地面积。

2.4.1应用模块化集成设计理念

本工程应用了变电站模块化集成设计新理念，实现平面布局优化。严格按照工厂预制现场装配的理念设计，一次设备本体加智能组件的方式实现一次设备智能化，智能组件统一由一次设备厂家场内集成，体现模块化设计的高效；电气装置的布置方式采用“单元”布置方式，一台主变所带设备成“单元”分区就近布置，并满足二次接线的要求。开关设备同无功补偿设备分区明确，充分体现电气布置模块化。一二次设备高度集成，现场只需完成合并单元及保测装置至二次设备室的相关交直流电源电缆及光缆的敷设，全站电缆大幅减少，电缆敷设、电缆施工接线的工作量相应减轻，缩短电缆施工安装周期，节约工程造价。

2.4.2优选小型化设备

设备是影响变电站占地指标的关键因素。本工程优选小型化、紧凑型设备，并对全站布局进行优化，以实现变电站紧凑化布置。本站220kVGIS电缆出线间隔宽度为2.8m,其他间隔为1.8m，整个220GIS室布局紧凑合理，放置于220配电装置楼二层，优化后的9组电容器放置于220配电装置楼一层；本站110kVgis间隔宽度为1m，35kV采用金属铠装SF6充气柜，出线柜宽0.6m，受总及分段柜宽0.8m，相对与常规1.2m(1m)的空气绝缘柜大大节省占地面积。优化后全站综合楼为55m(长)×10.2m（宽）。优化后全站总建筑面积（3633.24m2）较通用设计（5327.51m2）优化了39.3%，优化后全站围墙内占地面积(5829m2)较通用设计（7740m2）优化了24.7%。

2.4.3整合全站功能用房

该变电站设计融入变电站紧凑化布局设计思想，按照无人值守变电站标准将变电站房间数量和项目标准化。全站仅设置安全工具间，资料间，卫生间，泵房。减少附属房间配置，优化全站布局。

2.5光、电缆敷设优化

本站电缆的敷设采用成品电缆槽盒，方便土建施工，提高施工效率。电缆沟采用成品复合沟盖板和装配式电缆沟，减少现场浇筑施工量和时间。通过使用隐藏式电缆沟系统在安全、方便的前提下，站内无明露沟、盖板，全站外观简洁，突出工业化。

2.6绿色建筑节能环保

本站建筑电气设计过程中融入绿色建筑理念，以绿建三星标准进行变电站辅助电气设施相关的设计。首选低能耗、低噪音的电气设备，充分利用太阳能、风能等新能源条件，实现变电站能够接入清洁能源的条件。实现新一代智能变电站的“更节能”、“更低碳”、“更环保”。

3　新一代智能变电站二次设计集成优化

3.1实际工程优化方案

（1）站域保护控制系统通过网采网跳方式采集站内信息，集中决策，实现备投、主变过负荷联切、低频低压减載等紧急控制功能；实现110kV间隔单套保护的冗余配置功能；优化主变低压后备保护功能，实现35kV/10kV简易母差功能。同时支持不同运行方式下控制保护策略的自适应功能。（2）二次设备在线监测以公用测控装置为主IED，实时监测二次设备自检及自诊断信息。（3）考核计量点设备采用保护测控计量一体化装置，电量信息通过网络传递，省去电度表，更加节省空间。

3.2衍生的集成优化前沿理念

3.2.1屏柜机架一体化

现有二次设备屏柜组合方案都是建立在单体屏柜的构架基础之上的，故而存在运输时整体强度、空间利用、预留远期接口等问题。笔者从以模块为单位的角度出发，不再考虑单体屏柜组合的模式，采用一体化机架作为模块整体结构的基础。在此基础上，重新分配二次装置安装空间及接线方式，实现装置的即插即用；单独设置对外光电缆接口，通过使用预置光电缆，真正实现现场零施工；结合前接线理念，优化模块内的走线路径，解决预留间隔设备后期安装的问题等。主要优势如下。

（1）以模块为单位整体设计。摆脱单体屏柜的结构局限，整体设计模块内的空间分布，进一步优化安装接线空间和装置运行环境。

（2）采用一体化机架作为模块主体结构。为模块结构的整体强度加强，为运输安装提供便利条件。避免单体屏柜再组合在运输、安装等阶段引起的一系列问题。

（3）优化设备散热条件。采用冷通道封闭系统进行散热，“先冷设备，后冷环境”，实现冷热空气分离有序流动，提高空调冷量利用率，降低耗能。

图1　设备布置示意图

图2　一体化机架方案示意图

图3　机架内制冷空气流动示意图

（4）优化二次设备室布置。结合“前接线、前显示”设计理念，实现“背靠背+背靠墙”的布置方式，节省二次设备室占地面积。3.2.2智能终端、测量、合并单元三合一装置

（1）技术可行性：合并单元和智能终端一体化装置采用功能独立的两块CPU，CPU选用实时性处理能力强大的PowerPC和FPGA。两块CPU中，一块用于智能终端的处理，一块用于合并单元的处理，功能独立的设计可以有效防止当采样环节CPU故障导致该间隔主保护退出时，跨间隔保护对该间隔的故障切除，保证智能终端的优先可靠性。

合并单元和智能终端一体化后，隔刀位置信号可以在装置内与智能终端实现数据共享，则合并单元无需为了获取位置信号进行电压切换和上传装置告警信号再占用1个GOOSE交换机光接口，节约了交换机和装置2个光接口，简化了网络接线。在高电压等级变电站中，当智能操作箱和合并单元均需和多个保护装置点对点连接时，节省的光接口数量更可观。

合并单元与智能终端合一装置，可采用FPGA直接发送报文，报文延时输出抖动不大于1μs，以保证插值再采样同步的精度；采用分时报文发送技术，使得SV报文和GOOSE报文在同一光缆传输时，SV报文发送时刻不受GOOSE报文影响，并仍支持间隔层设备插值再采用同步；采用100M以太网接口和硬件解码技术，具备100M线速数据处理能力，保证通讯流量满负荷时GOOSE相应的实时性和可靠性。

智能终端只需适当采取增加开入量、采用CC插件对网口进行扩展等措施，即可将测控装置集成到智能终端。

（2）三合一装置优势：将智能终端、合并单元、测控三个功能单元整合为一个装置，可避免信息重复采集，智能终端与合并单元共享硬件平台，减少信息交互，在线监测的参量采集范围将更加广泛，提高可靠性，减少交换机端口及接线；减少智能控制柜体积；节省光缆；减少柜内设备功耗，减少设备的发热量，有利于柜内保持合适的温度环境；节省投资，减少运行维护工作量，降低变电站全寿命周期运行成本。

3.2.3故障录波器及网络分析仪一体化方案

预期效果：网络报文记录及故障录波分析一体化装置对全站各种网络报文进行实时监视、捕捉、存储、分析和统计。装置具备变电站网络通信状态的在线监视和状态评估功能。对报文的捕捉安全、透明，不对原有的网络通信产生任何影响。能实现对过程层SV网络报文、过程层GOOSE网络报文、站控层MMS网络报文的传输过程进行监视和捕捉。一体化装置能与变电站内继电保护运行及故障信息管理子站或直接与监控系统连接，向子站或监控系统提供的信息包括：故障录波的启动信号、启动时间、启动原因。便于了解故障时系统的运行情况，分析继电保护和安全自动装置在事故过程中的动作行为及事故原因，迅速判定线路故障点位置和故障性质。装置能记录所有过程层SV、GOOSE网络报文，站控层MMS报文具备暂态录波分析功能与网络报文分析功能，分析结果上传至站控层主机兼操作员工作站。

3.2.4一体化业务平台

目前，监控系统中子系统名目繁多、建设独立、集成度低，成为了困扰运维人员的大问题。一体化业务平台理念提出：通过标准化平台接口支持第三方扩展应用模块的接入，实现高级应用功能的专业化和实用化。一体化业务平台包括硬件与部署、数据存储与管理(全景数据中心)、公共服务、基础平台应用等功能。综合数据中心全面支撑变电站的三大类核心应用，同时具有标准、开放、可靠、安全的技术特征和良好的适应性，可满足调控中心、运行单位、设备评估中心等上级系统对变电站数据的处理要求。

图4　一体化业务平台部署架构图

一体化业务平台将应用封装为“大对象”，包括业务逻辑（一组进程）和支撑该业务逻辑的实时数据库。实时库是表的容器，放在应用空间中，可以分区。这种方式有四大优点，一是增减应用时，只需同时增减其相应的实时库，而对平台上的其他应用没有影响，达到了应用“即插即用”的目标；二是应用模型的修改只会对本应用有影响，对其他应用没有影响；三是实时库分区，可实现数据共享而对实时库某种粒度的分割。若应用模型数据相同，或实时库分区相同，数据库之间可以相互克隆，达到快速建立应用的目的；四是应用实时库具有清晰的边界，可实现应用与数据高度封装与专用。

图5　一体化信息平台层次图

4　结语

本文以某220kV新一代智能变电站电气一次、二次集成优化设计内容进行研究探讨，总结归纳新一代智能变电站集成优化设计技术特点，并提出新一代智能变电站向更集成、更优化发展的理念和方向。通过优化创新，使变电站具备科技含量高、资源消耗低、建设周期短、运行可靠性高的特点。随着示范工程的实践和设备生产水平的提高，今后需努力将集成优化设计更加细化，并逐步标准化、规范化，从而进一步提高设计方案的技术经济合理性。

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范巍(1984—)，女，硕士，工程师，从事电力系统科技咨询工作。

兰春虎(1986—)，男，硕士，助理工程师，主要从事变电二次设计工作。