智能箱式变电站设计方案探讨.doc

智能箱式变电站设计方案探讨蔡鑫 闫凯 陈斌 陈本周（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461001）摘要 对基于IEC61850智能箱式变电站的关键技术和设备进行分析，总结智能箱式变电站的特征和功能，提出智能箱式变电站的主要设计方案，包括设计思路、关键设备的选择以及实现方法。关键词 IEC 61850 智能箱式变电站 电子式互感器 0引言随着世界范围内市场化改革推进、数字经济发展、气候变化加剧、环境监管要求日趋严格以及各国能源政策的调整，电网与电力市场、客户之间的关系越来越紧密,客户对电能质量的要求逐步提高，传统的电力网络已经难以满足这些发展要求。为此，各国从战略高度提出发展智能电网的设想，以实现传统电网的升级换代。我国已经开始了对智能电网的建设和规划。基于智能变电站和箱变技术的智能箱式变电站已经具备了推广应用的基础。本文将从常规箱式变电站分析开始，对智能箱式变电站的设计思路及关键技术进行介绍。1常规箱式变电站现状1.1系统构架无统一标准二次设备缺乏统一的功能和接口规范，通信标准的采用缺乏一致性。当个别厂家的二次设备之间需要互联处理时，目前最常规的做法是通过加配规约转换器来实现不同规约之间的转换。在规约转换及数据库构建上浪费人力、物力，从软件和硬件方面给变电站建设增加成本，也为后期的系统维护增加了难度。图1 常规变电站所用通讯规约示意图1.2 设备更换困难现阶段国内电力市场上所用的箱变多为开关柜装箱模式，开关柜类型众多，应用成熟的几种柜型基本都是在国外相关产品上进行改进而引入国内的。在开关柜设计初期，受技术条件的限制，设计者多数没有考虑到设备的互换及后期检修维护的方便，在故障后一次设备的快速更换上尚无很好的解决方案。故障后需要长时间停电进行设备的维护或更换，给广大电力用户带来不便。1.3 设备维护多采用定期检修 随着新技术、新工艺在电力设备制造业中的广泛应用，电力设备的质量和性能已经大大提高，有的设备在设计使用年限内已达到免维护水平，若仍延用定期检修管理模式显然已不符合时代的进步。定期检修管理制度从根本上没有考虑各类设备初始状态(产品质量)的千差万别以及设备在不同环境条件下运行状态的千变万化，采取一刀切办法，在实践中缺乏科学性。1.4常规互感器存在固有缺点常规的电磁型互感器绝缘结构复杂、造价高、尺寸大、测量精度低，并且容易发生漏油漏气等安全事故。为了彻底解决常规互感器的固有缺陷，采用新型技术的电子式互感器应运而生，其具有无磁饱和、抗电磁干扰能力强、动态范围大、测量精度高、无二次开路危险、绝缘结构简单等优点，提高了智能变电站现场运行安全的可靠性。2 智能箱式变电站设计思路智能箱式变电站作为智能变电站的一部分，在系统方案上不能只是技术的延续和简单的设备集成，功能实现不仅要突出智能变电站和箱式变电站的技术特征，还要在两者的特点上有所突破和延伸，同时还要符合电网公司相关建站要求。2.1 智能 智能电网的基本特征是“随需应变”和“随机应变”， 主要特点是：自愈、安全、优质、清洁、交互、高效。结合到智能箱变的设计方案中时，可根据需要有选择性的选配辅助功能，原则上不能影响箱变结构，否则不利于产品标准化定型。除了二次系统之外，一次设备部分电子式互感器已有应用业绩，性能满足相关标准要求。中低压部分的一次设备暂时还没有实现完全的智能化，目前只能通过加装智能接口以实现设备的智能化，以满足与系统网络的连接需要。在智能箱式变电站的方案设计中，还应该根据实际情况配置相关在线状态检测设备。2.2 灵活随着基于IEC 61850智能变电站的推广应用，二次设备之间的互联已经可以做到“即插即用”。这使得在进行系统构建时，不同厂家之间的产品组配更加灵活和方便，基本不需要再另行配置规约装换装置。同样，从箱式变电站的角度考虑，箱变在设计时也需要考虑系统方案的灵活配置，例如间隔之间的模块互换、任意设备出现故障时的快速拆装，还有其他DER(分布式能源)的友好接入。2.3 安全智能变电站技术基于IEC 61850标准，将变电站自动化系统按照三层设备、二级网络结构的方式，实现变电站信息化、自动化和互动化。按分层分布式来实现智能变电站内智能电气设备间的信息共享和互操作性，系统从整体上分为三层：站控层、间隔层、过程层，将目前最先进的光纤网络技术应用于整个网络构建中。在智能箱式变电站的设计中，要侧重对人为或自然发生的扰动或攻击能够快速辨识和做出反应的能力，具体可以从一体化间隔配置方案和二次系统构架方面考虑。2.4 经济 在国家电网公司“两型一化”试点变电站建设设计导则中对变电站建设有着明确要求。在土建部分应优化设计，减少占地、减少工程投资；在建筑部分应按工业建筑标准、以工业化生产模式设计，应以统一标准、统一模数布置，提高变电站建筑设计标准化水平，研究推广应用工厂预制式装配建筑。箱变自引入国内之后，一直以占地面积小、工程预制化程度高、投资小等优点在国内得到了广泛的应用，目前智能箱式变电站的设计应该在此基础上进行优化改进，同时在箱变模块化、标准化方面加强研究。3 智能箱式变电站关键技术及设备应用3.1 电子式互感器应用目前电子式电流互感器从原理上区分有基于罗科夫斯基线圈的互感器（简称罗氏互感器）和基于法拉第磁旋光效应的互感器（简称光学互感器）；电子式电压互感器有基于电阻或电容分压原理（电子式）和基于Pockels效应（光学）两种。电子式互感器具有以下几个典型特征：传感准确化：电子式互感器的输出形式是高精度的信号，不再是能量形式的输出；传输光纤化：光纤是电子式互感器的理想信号传输方式；输出数字化：数字量是电子式互感器的终极输出形式。图2非常规互感器（NCIT）的分类3.2 智能一次设备应用针对中低压系统，采用一体化的智能开关柜方案，符合智能变电站发展及现实的要求。目前先进的做法是：采用一体化智能开关柜集一次断路器、隔离刀闸、一体化的电子式电流电压互感器、状态监测设备、智能间隔单元等于一体，有完全意义上的智能操作单元及标准的对内对外的数字接口，可以提供完备的间隔相关信息，符合智能变电站的应用要求。智能一体化开关柜有着优异的机械和电气特性，可以采用单稳态永磁操作机构，合闸位置采用永磁锁扣，分闸位置采用弹簧锁扣，用一个电磁线圈来完成分、合闸操作，符合真空断路器合闸结束时需要较大的保持力，而分闸开始时需要较大加速度的特性；克服了弹簧操作机构和双稳态永磁操作机构的不足，能给出适当的合闸速度和分闸速度，具有优异的机械特性及电气特性。 智能一体化开关柜可靠性高，采用固封极柱，使一次部分的绝缘状态完全不受外界环境的影响，绝缘更加可靠。采用永磁操动机构，省去了传统机构的储能、锁扣等机械装置，其零件数量较传统机构减少了70以上，大大提高了机构的可靠性。智能一体化开关柜机械寿命长，永磁机构寿命长达10万次，特别适用于操作频繁的电力线路。3.3 智能二次保护及网络应用网络化保护及控制技术，就是采用智能变电站中特有的过程层GOOSE机制、间隔层GOOSE机制，实现常规综自站不能实现，或依靠专用设备实现的保护及控制功能。网络化控制保护功能包括网络化低频低压减载功能、网络化备自投功能、网络化五防闭锁功能等，所有网络化保护控制出口均采用基于GOOSE机制的网络化跳合闸技术。图3智能箱变系统网络结构示意图3.4整体设计方案智能箱变的整体思路可以概括为：在统一的自动化平台上，建立起对箱变各个分立系统及元件的综合管理、控制、保护、测量，而不仅仅是对某个部分或者分立系统实现了智能化，在信息测量规范上符合IEC 61850的要求，能够在一个统一的界面上发布箱变的各项信息和实现远程操作，能够在站控层看见箱变的有关机械结构、一次设备的参数等。要实现这些功能，必须要对箱变各个部分进行全方位的测量。实际上箱变产品经过智能化改造后也不可能对箱变内的各个元件进行监测和控制操作，目前可操作的是实现对间隔内的一次回路元器件和配置的保护装置、仪表、电度表等设备进行优化，在保证性价比的情况下尽量实现智能化。4 结束语智能箱式变电站节能、环保、可消除大量安全陷患，有着传统变电站不可比拟的优点。项目符合国家的产业发展政策，具有很好的社会经济效益。4.1、提高变电站运行可靠性，减少停电时间智能箱式变电站可以极大提高运行可靠性，能够实现故障精确定位，及时准确的发现故障点，缩小事故范围，减少用户停电时间，提高变电站供电可靠性。4.2、实现设备状态化检修，降低检修成本智能箱式变电站可以实现一、二次设备的智能状态检修，可以按照最优化的方式进行设备检修，可以是设备少检修、免维护，从而降低设备检验的工作量和维护成本。同时采用远程校验的方式减少设备维护过程中的长距离人员奔波，减少人为因素对设备的影响，降低传统现场检修误操作的危险。同时可以实施对设备进行监视，一旦发生异常，可以及时处理，保障设备安全，提高设备寿命，经济效益高。4.3、优化系统设计，减少设备及安装调试费用智能箱式变电站二次设备方案优化，可以节约二次电缆，减少保护屏个数、优化二次回路，大量节约安装调试费用。4.4、智能化程度高，运行维护成本低智能箱式变电站二次系统设备技术水平及智能化程度大大提高，可大量节约日常运行维护检验成本。减少对传统电磁互感器、站用电源系统、继电保护设备的检修维护成本。参考文献1高湛军，潘贞存，从伟，基于光纤以太网的纵联保护通信方案，电力系统自动化，2005.29（1）：57-602高翔，数字