220 kV 智能变电站设计及运维优化研究

李永华

（宁夏宁电电力设计有限公司，银川 750000）

220 kV 智能变电站是基于数字化信息技术搭建的智能平台，从而实现对全站信息采集、传输、分析和处理的功能，能够让变电站实现集中控制、自动运行、自行管理和运行状态自适应等功能，保证变电站能够安全、稳定运行，实现智能化控制。220 kV 智能变电站是将先进、集成的智能设备组合而成，以高速网络通信平台进行信息传输，自动进行监测、控制、保护和计量等，能够进行自动控制、智能调节、在线分析和协同互动等。220 kV 智能变电站技术包括变电站信息采集、智能传感技术、实时监测技术、保护技术和协调控制技术等。

1 220 kV 智能变电站

1.1 220 kV 智能变电站的特点

220 kV 智能变电站具有预防性、交互性、高集成度和低能耗性。

（1）220 kV 智能变电站设备能够对变电站存在的安全风险进行预防、报警等处理，减少因安全事故处理不及时带来的损失。

（2）220 kV 智能变电站具有可交互性，能够对各种信息进行收集和处理，从而实现与电网其他设备的相互交互，保证电网的安全运行。

（3）220 kV 智能变电站具有高集成度。220 kV 智能变电站系统能够使电子电工技术、计算机技术、信息化技术、网络控制技术和自动化技术等，实现集中控制、管理等高级观念，而且兼容了微网技术及虚拟电厂，通过利用虚拟平台对各种技术进行集成，实现对多种技术的利用，从而能够保证变电站安全、稳定工作。

（4）220 kV 智能变电站采用低功耗、低碳环保等特性的电子元器件，对能源的需求较低，而且有利于保护环境。因此，220 kV 智能变电站具有低能耗。

1.2 220 kV 智能变电站自动化系统结构

智能变电站以IEC61850 标准为基础，采用智能化的一次设备与网络化的二次设备，220 kV 智能变电站系统是以信息共享、虚拟平台网络化和智能变电站数字化为目标。根据IEC61850 标准关于变电站的模型，变电站自动化系统可以分为站控层、间隔层及过程层。220 kV 智能变电站系统的结构如图1 所示。

图1 220 kV 智能变电站系统的结构图

1.2.1 站控层

站控层是利用监控设计和控制设备对变电站系统进行整体管理和控制，能够实现电网调度和变电需求，控制变电站系统及监测数据的存储等。站控层可以利用智能设备实现自动控制，也可以进行人为控制，从而能够对变电站的所有设备进行管理、控制和监测等。

1.2.2 间隔层

间隔层包括各类测控装置、继电保护装置和自动装置等设备，利用这些设备能够实现继电保护、各个间隔的测控等功能，而且间隔层可以不依靠站控层的自动化控制实现继电保护和各个间隔的测控等，能够独立地完成相应的任务。

1.2.3 过程层

过程层具有电子式互感器、IED 智能设备等智能一次设备，利用这些设备能够实现操作命令的执行。过程层也是站控层的执行层，能够对下达的命令进行执行和控制，实现对变电站的智能控制和监测等。

2 220 kV 智能变电站设计

2.1 自动化系统配置

2.1.1 站控层的系统配置

现如今，我国变电站按照无人值班变电站的模式进行监管，通过利用智能技术实现对变电站自动管理和控制。智能变电站中，基于IEC61850 通信标准的智能二次设备相互之间的连接全部采用网络通信，通过网络实现数据共享。保护装置、故障录波器均直接接入自动化系统站控层MMS 网，从而能够实现整体控制。在对220 kV 智能变电站进行设计过程中，必须要优化站控层的系统配置，设计新的站控网络端，从而能够对变电站各种设备实现集成控制。

2.1.2 CPU 的独立配置

在对自动化系统进行设计过程中，需要对CPU 的独立配置进行设计。保护装置的CPU 能够对运算的逻辑功能进行检测和保护，从而保证变电站安全工作。

2.2 防雷设计

现如今，不断有新型材料和先进的技术应用在防雷设计中，出现了可控放电避雷针和自动重合闸装置，从而提高了220 kV 智能变电站的防雷能力，减少雷击对220 kV 智能变电站的影响。在设计过程中，安装可控放电避雷针，能够对雷电进行储存和释放，减少雷击对其的影响。雷击具有瞬时、高压等特点，严重影响了变电站的安全，而自动重合闸装置能够在线路受到雷击时自行消除闪络性事故，减少雷击对变电站造成二次伤害和永久伤害；也可以进行直击雷保护和雷电过压保护等，从而减少雷电对变电站的影响。因此，在设计过程中，必须要加强对可控放电避雷针和自动重合闸装置的设计，将这些先进的装置应用到防雷设计中，能够提高其防雷的能力，为防雷设计提供新的方向和思路。而且必须对变电站的输配电线路进行防雷设计，防止其受到人为和自然因素的干扰。

2.3 智能开关设计

2.3.1 智能一次设备

在对智能开关进行设计过程中，首先必须要对智能一次设备的断路器、刀闸的电机、弹簧和液压泵的电机等设备开关进行监控设计，对智能一次设备的开关进行监控。其次，必须要在智能一次装置中嵌入传感器部件，对其信息进行收集和传输，从而能够实现对智能一次设备信息的处理和控制。最后，必须要完善隔离层和站控层设备间的联系，提高其交互性，让智能一次设备与智能电脑相连接，实现智能控制等。开关式设备智能化设计方法如图2 所示。

图2 开关式设备智能化设计方法

2.3.2 常规开关设备+智能终端+状态监测单元

在智能变电站工程的开始阶段，由于尚无一次性技术设备本身有IEC61850 无线通信连接、设施符合智慧站的技术条件，所以，许多变电站采用常规开关设备与智能终端和监测系统相结合的方式来对开关进行管控，采用在新一次性技术设备中加上智慧终端用户和状况检测的方法来完成对设备的控制。开关设备的自动化实现方法，如图3 所示。其中，一次设备、监测传感器和控制柜相互独立，利用控制柜的智能终端和总体监测单元实现对一次设备断路器的控制，并且实现对一次设备的在线监测。而且利用间隔设备和在线监测系统实现其相互独立工作和对一次设备的监测。

图3 开关设备的自动化实现方法

3 220 kV 智能变电站运维策略

3.1 智能变电站的运行巡视

3.1.1 过程层设备巡视

（1）合并单元检查

在对过程层进行运维时，首先应该对各种设备的外部情况进行检测，检测是否存在工作灯闪烁、设备外壳损坏和设备温度过高等现象。其次，在设备正常工作时，必须要确认空气开关是否在合闸位置及装置光纤接口有无松动现象等，从而判断过程层是否存在故障。最后，必须要对合并单元进行检测，检测其电流、电压值是否在规定范围内，测量其内部工作的温度等，从而能够保证变电站设备正常工作。

（2）智能终端

智能终端的柜体设备外形良好，无腐蚀问题。对其线路进行检查，检查是否出现线路损坏、线路老化等情况。也要对智能终端的温度、湿度等环境进行检查，保证智能终端设备的工作环境稳定。

3.1.2 间隔层设备巡视

（1）继电保护装置

采集器和设备的机壳保持清洁完好且无损坏，并保持密封性良好。直流电源工作正常，空开保持在合闸的适当位置。设备内各种指示灯的指示工作正常且无误。正常的工作状况下，设备检修压板时应维持在退出状态。设备的光纤接头应无松动迹象。设备操作时无异常噪声和异味。

（2）测控装置

设备的外表保持清洁完好并且无损坏迹象。设备内的各指示灯说明正常准确，且无闪烁现象。而二次侧接线端子的接头应保持安全紧固，且无松动掉落迹象。

3.1.3 站控层设备巡视

（1）网络交换机

主要检测监控后台机的遥测数据指示功能是否正常工作，有没有异常告警信号。而网络交换机的各指示灯均保持正常工作并且无闪烁现象，通信状态也保持正常。网络工作情况正常。温度在正常范围内，不影响设备工作。

（2）服务器及工作站

检测设备能否正常运行，以及是否存在死机现象。设备工作过程中有无产生异常声响及异常气体，以及有无产生振动现象。

3.2 智能变电站的运行维护方法

3.2.1 电子式互感器运维解析

电子式互感器和常规互感器运行机理有所不同，仪器构造和技术参数也存在区别。电子式互感器和普通互知器比较，兼具了高低温全部分开、磁饱和或铁磁谐振不形成、TA 二次开路或TV 短路风险较小及2 次输入输出均为数码信息的特性，但不足之处是容易受到影响，对电气屏蔽要求较高，在小负载工作时2 次输入输出偏差较大等。根据上述分析，在智能站运维时要着重考虑电流互感器的饱和及工作状态，即高压和油位均顺利工作，电流互感器饱和外形无异样，末屏均应连接（避免电磁辐射干扰），电控箱内温度和湿度超过法规限制区域及供电安全可靠等。

3.2.2 智能断路器运维解析

智能剩余电压断路器由断电器和智能控制单元共同构成，通过人员操纵对系统的失效及继电保护装置分闸、重合闸的智能控制和分、合闸操作相位角控制系统进行控制，从而能够现断路器控制选相合闸操纵和同步直流限流熔断器。在智慧站管理运维时，应该着重注意智慧断路器的设置地温和湿度限制，断路器电压表值、各相位及方向应准确，智慧监控单元操作时有无异常和定值准确等。

3.2.3 合并单元、智能终端运维解析

智能站整合模块，是将二次转换器的流量与压力等信息随时实现时间上相互整合的物理模块，将电流互感器所导出的各种类型的数值统一转换为标准的数字数据，再利用光纤并借助交换机将采集的所得数据实现通信应用。

智能站综合单元、智慧终端运维时应着重检测设备外形是否正规、有无非正常过热，并检测各间隔电流转换及工作方式指示与实际情况是否相符。授时准确，供电可靠，安装后地温、相对湿度控制均保持在正常状态。设备运行时应保持内部无异物且压板投退正常工作。另外，还应保证各指示灯工作为常态，不发生报警情况。

4 220 kV 智能变电站设计和运维优化的建议

4.1 优化二次接线方式

为了确保二次回路功能设计的合理性，在对220 kV智能变电站系统进行方案设计时，还应该加强对数字化信息技术的运用，并进行优化方案设计工作。经过完善后的智能变电站二次系统的接线形式主要有2种，一是利用网络方式来形成网路重合闸方式，经过对二次系统回路线路进行分析表明，在这种方案下的线路结构比较简单，更突出了网络系统的共享性，而且网络延时并没有对点对点重合闸方案产生影响。还有1种保护线路的方法就是光纤线路，可以把跳闸信号迅速传送到智能终端设备中，因为这种传送形式信号的稳定性比较强，从而提高了信号传送效果。在对220 kV 的智能变压器进行优化设计时，还要进行二次工程设计和电气施工等工作，严格地按照国家规范的工程建设条件，进行各项施工和设计工作。

4.2 优化其检测手段和电子式互感器接入合并单元规约问题

现阶段，智能电网在运行过程中存在着电子式互感器直接接入合并单元规约问题，当电流互感器和电压互感器直接连接在一起时，会产生延时现象。为克服这一问题，就必须克服电流和电压输出问题，把电子式互感器的输出信号和到达合并单位之间的均时差限制在2 m/s 以内。在220 kV 智能变电站中要相应地提高合并单位数量，管理好智能组件柜的体积等。该技术应用了先进的检测装置。对变电站的信号通过大数据分析进行监测，以便检查出产生危险的可能性。在检测时，还要运用红外线技术对变电站实行24 h 监控和管理，并通过大数据分析进行统计和绘制图形，以发现变电站出现的问题。要对变压器开展一定的应用试验，利用新仪器开展差法、控法的制图，更好地体现变压器使用的实际状况，从而能够为该技术的研究提供研究方向。

5 结束语

综上所述，对220 kV 智能变电站设计及运维优化研究具有重要的意义，必须要加强对220 kV 智能变电站设计的研究，改善运维方法，从而保证智能变电站能够安全、稳定地运行，也能够确保电网的安全运行。