智能变电站与电动汽车充电站一体化设计关键技术研究

2012-07-06张幼明

东北电力技术 2012年8期

孙峰，张幼明，黄旭

(1．辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳 110006;2．辽宁省电力有限公司，辽宁沈阳 110006)

随着2009年国家电网公司正式提出“坚强智能电网”发展战略，我国智能电网建设工作正式拉开序幕，建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展，具有信息化、自动化、互动化特征，实现“电力流、信息流、业务流”的一体化高度融合的现代电网成为我国未来电网发展的主要目标［1］。作为智能电网的两个重要节点，智能变电站建设和电动汽车充电站建设不可或缺［2］。依据国家电网公司“十二五”电网智能化总体规划，“十二五”期间全国新建110(66)kV及以上电压等级智能变电站将超过8 000座，新建电动汽车充电站将超过3 900座。智能变电站和电动汽车充电站建设极大地推动了智能电网发展，然而随着规模不断扩大，市内征地困难、系统安全稳定等一系列问题逐步凸显。为了保障智能电网建设的顺利实施，开展智能变电站与电动汽车充电站关键技术研究迫在眉睫。

本文从解决智能变电站与电动汽车充电站建设中面临的实际问题出发，分别从一次设备方面和二次设备方面积极开展了智能变电站与电动汽车充电站一体化设计关键技术研究，提出了智能变电站与电动汽车充电电站一体化设计的初步设计思路，在一次设备方面提出了基于三绕组三相电力变压器的一体化设计方案，在二次设备方面提出了基于IEC61850国际标准的一体化设计方案。本文的研究内容是在智能变电站与电动汽车充电站未来技术发展方向上一个初步探索，为后续的相关研究工作提供参考和借鉴。

1 变电站和充电站一体化设计思路

电动汽车充电站主要包括供电系统、充电系统、电池更换系统、监控系统及相应的配套设施。其中供电系统主要为充电设备提供电源，主要由一次设备 (包括开关、变压器及线路等)和二次设备 (包括监测、保护、控制装置等)组成，供电系统主要电力来源为上级变电站 (智能变电站)。智能变电站作为电动汽车充电站的主要电源，主要由一次设备和二次设备组成。智能变电站和电动汽车充电站一体化设计，主要从一次设备一体化和二次设备一体化两个方面进行考虑。

a．在一次设备方面，考虑将智能变电站与电动汽车充电站供电系统一次设备进行整合，智能变电站采用三绕组三相电力变压器，智能变电站变压器高压侧出线为上一级电源接入点，中压侧出线依然供应地区中压配电网，而低压侧出线将直接为智能变电站站用电和电动汽车充电服务。一次设备的一体化设计，使变电站和充电站结构紧凑分布更加合理，有利于节省一次设备总投资，减少了整体建筑面积。

b．在二次设备方面，则考虑在智能变电站和电动汽车充电站全面采用基于IEC61850国际标准的一体化通信网络，通过采用先进的智能的二次设备，在一体化通信平台基础上实现智能变电站与电动汽车充电站的通信系统、监控系统和计量系统一体化整合。二次设备的一体化设计，极大地提升了变电站和充电站信息共享程度，提升了一体化站整体的自动化、信息化、智能化水平。

本文一体化设计推荐应用于征地困难，且有智能变电站与电动汽车充电站建设需求地区。

2 一次设备一体化设计关键技术研究

2.1 一次设备一体化设计方案

辽宁地区电动汽车充电站电源主要来自上级66 kV变电站，66 kV变电站10 kV出线直接送入充电站供电系统，电动汽车充电站供电系统一般自身设有专用10 kV配电变压器，10 kV配电变压器0.4 kV出线直接为充换电设备供电。结合辽宁电网的实际和电动汽车充电站的实际需要，一体化设计66 kV智能变电站采用三绕组电力变压器，取代原有的66 kV双绕组变压器和充电站内的10 kV配电变压器，从而实现智能变电站与电动汽车充电站供电系统一次设备的一体化整合。一次设备一体化设计系统结构如图1所示。

一体化设计中66 kV三绕组变压器三侧电压等级分别选取66 kV/10 kV/0.4 kV，其中66 kV侧为供电电源进线，供电电源由上级220 kV变电站提供;变压器中压侧接入10 kV电网，主要为地区10 kV配电网提供电力;变压器低压侧0.4 kV送入电动汽车充电站，主要作为充换电设备的电力来源，同时也承担着智能变电站和电动汽车充电站的全站用电任务。

图1 一次设备一体化设计系统结构图

2.2 一次设备一体化关键技术研究

2.2.1 变压器低压绕组容量选择

常规三绕组变压器容量配比有3种形式:100/100/50、100/50/100、100/100/50，额定容量是指容量最大的绕组的容量。如果按照常规变电站容量比例配比，则低压侧容量至少应为额定容量的50%，考虑到一体化站变压器低压侧只服务于站用电和电动汽车充电，66 kV变电站低压侧容量按照50%额定配置依然较大，因此66 kV变压器低压侧容量需要进行单独计算。配电变压器容量选择简化算法如下［3］。

a．充电机容量计算

考虑到充电站配电系统安装了有源滤波无功补偿装置，cosφ可以达到0.95，共有N台充电机，第i台充电机的容量Si折算采用如下简易算法:

式中:Pi为第i台充电机的输出功率;ηi为充电机工作效率，高频开关整流充电机取0.95，相控整流充电机取0.85。

b．换电设备输入容量计算

共有M台换电设备，其中第j台换电设备功率Sj可表示为

式中:Pj为第j台换电设备额定功率;ηj为换电设备工作效率。

c．变压器低压侧容量计算

依据实际充电站运行情况，全站考虑采用同时率Kx，则可得充电站站用电输入总容量简易算法:

式中:Se为全站站用电容量;Kx为全站设备同时系数。Kx由充换电设备的使用情况和数量决定，取值范围考虑0.5～0.8。

考虑变压器最佳负荷率为βm，则可得变压器低压侧容量S3:

式中:βm为变压器最佳负荷率，一般考虑取值为0.8。

以上对变压器低压侧容量的计算研究，主要是为一体化站三绕组变压器的选型提供技术参考，具体的容量选择还需要依托实际进行设计。

2.2.2 有源滤波及无功补偿容量计算

变压器低压绕组直接接入充电站，因此低压侧需要进行有源滤波和无功补偿。有源滤波及无功补偿容量计算方法如下。

a．确定补偿容量

补偿容量计算方法:

式中:SB为补偿容量，Kx为整体修正系数，需根据计算分析结果和实际测定情况综合决定，一般选择0.5～0.8;Ki(i=1，2，3)分别表示大、中、小型充电机可靠系数，一般取1.05～1.20;ηi(i=1，2，3)分别表示大、中、小型充电机充电效率;ξi(i=1，2，3)分别表示大、中、小型充电机在交流电源输入端产生的谐波电流含有率 (取输出电压范围内的最大值);Si(i=1，2，3)分别表示大、中、小型单台充电机功率。

b．进行有源滤波装置的选择

根据确定的补偿容量，在兼顾经济性和实用性的前提下，选择有源滤波装置的容量和数量。

c．确定功率因数补偿参数

按功率因数补偿到0.95的目标，计算需要的无功补偿容量，确定电容器的容量和组数。

2.2.3 变压器接线方式选择

依据《供配电系统设计规范》第6.0.7条，在TN及TT接地型式的低压电网中，推荐采用Dyn11接线组别的配电变压器。条文解释中说明Dyn11接线有利于抑制高次谐波，充电机站采用TT接地型式，因此10 kV配电变压器普遍推荐和采用Dyn11接线［4］。在66 kV变电站实际应用方面，我国的66 kV变压器多采用Ynd11型接线方式。因此结合一体化站的实际需要和目前我国66 kV变电站的实际应用情况，本文推荐一体化设计中三绕组变压器采用YnDYn型接线方式。

3 二次设备一体化设计关键技术研究

3.1 二次设备一体化设计方案

目前智能变电站二次系统通信网络主要采用基于IEC61850国际标准的“三层两网”结构，主要由站控层、间隔层、过程层及网络设备组成［5—6］。电动汽车充电站通信系统主要基于以太网或CAN网络建设，系统由站控层、间隔层及网络设备构成。智能变电站与电动汽车充电站二次设备一体化设计，考虑采用基于IEC61850国际标准的一体化通信网络，采用分层、分布、开放式网络系统结构，横向涵盖智能变电站和电动汽车充电站通信网络，纵向在结构上划分为站控层、间隔层和过程层，实现全站测控保护、安防监控、计量计费系统的一体化设计。二次设备一体化设计结构如图2所示。

一体化设计中全站采用统一的网络结构体系，均采用以太网组网，除考虑计量系统、安防系统单独组网外，其他系统均统一组网并采用“三层两网”的网络结构。

站控层设备主要包括:主机/操作员工作站/五防工作站、运动通信装置、智能辅助控制系统、公用测控装置、交直流电源管理系统以及其他智能接口设备。站控层主要提供一体化站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，形成全站的监控、管理中心，并实现与远方监控/调度中心通信。

间隔层设备主要包括:测控装置、保护装置、录波装置、电能计量装置以及其他智能接口设备等。间隔层由若干个二次系统组成，在站控层及站控层网络失效的情况下，具备仍能独立完成间隔层设备就地监控功能。

图2 二次设备一体化设计系统结构图

过程层设备主要包括电子式互感器、合并单元、智能终端等设备。过程层主要实现实时电气量的采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行等功能。

站控间隔层网络主要负责站控层设备间、间隔层设备间及站控设备与间隔设备间的通信，传输MMS报文和GOOSE报文;过程层网络主要负责间隔层设备与过程层设备间的通信。传输SMV采样值报文和GOOSE报文。

3.2 二次设备一体化关键技术研究

3.2.1 通信网络结构研究

a．站控间隔层网络结构

通信网络的拓扑结构主要有总线、星形和环形3种基本的网络结构。智能变电站站控间隔层网络目前主要以采用星型结构和环形结构居多，相比星型拓扑结构，环形网络可用率有所提高，单故障时两者均不损失功能，少数的复故障环形网可以保留更多的设备通信。但是由于支持环网功能，交换机价格也大大提高，目前环网结构在国外智能变电站应用较多。国内经过多年的技术积累，通信装置普遍具备2～3个独立以太网口，星型网络在变电站实际应用有着更加丰富的使用经验。依据《110(66)kV～220 kV智能变电站设计规范》要求，一体化设计中站控层网络结构拓扑推荐采用单星型结构。

b．过程层网络结构

过程层网络分为SMV采样值网络和GOOSE信息传输网络［7］。前者的主要功能是实现电流、电压交流量的上传;后者的主要功能是实现开关量的上传及分合闸控制、防误闭锁等。目前在过程层组网方式上国内外已经开展了大量相关研究与试验，但是过程层组网方式尚无统一的方式。目前主要方式包括:点对点方式、组网方式、三网合一方式。

点对点方式实现较容易、投资较小，但设备间连接较复杂、信息共享性较差;组网方式设备间连接简单清晰、信息共享性好，但延时不确定、投资大、对继电保护可靠性有影响;三网合一方式即将SMV、GOOSE和同步对时网络三网合一建设，此种方式是未来的发展趋势，但目前还处于研究试验阶段。充分考虑到一体化设计的安全性、可靠性、实时性和示范性等多方面要求，一体化设计中过程层网络66 kV间隔考虑采用直采网跳方式，即SMV采用点对点方式，GOOSE采用组网方式;10 kV、0.4 kV间隔采用三网合一的组网方式。

3.2.2 同步对时方式研究

智能变电站同步对时方式主要有:GPS秒脉冲及B码对时、SNTP、IEEE 1588 3种。GPS秒脉冲及B码对时的优点是技术成熟，精度可达微秒级，但需要额外铺设光纤线缆;SNTP协议实现简单，但精度只能达到毫秒级;IEEE1588标准技术先进，精度可达微秒级，目前只有为数不多的二次设备和交换机能够实现，但是未来的发展方向。

在考虑到现有的技术水平和未来发展趋势基础上，建议一体化设计中在站控层网络上使用SNTP协议网络对时，在过程层点对点方式采用B码对时方式，组网使用IEEE1588(V2)网络对时方案。

3.2.3 计量系统一体化研究

66 kV智能变电站主要在变压器10 kV侧、10 kV出线、10 kV电容器设置计量点，如有关口计费要求，可采用带通信接口的全电子式多功能电能表，站内设置1套电能量采集装置，通过网络或电话拨号方式向有关部门传送电能信息。电动汽车充电站计量部分主要由关口电能表、直流电能表、交流电能表 (含三相表与单相表)组成，通过站内采集终端完成与用电信息采集系统或上级监控中心的通信。

智能变电站与电动汽车充电站一体化设计，全站设置统一的电能量采集装置，通过本地工业以太网实现对智能变电站和电动汽车充电站的电能量、充电电量等信息的采集，相关信息送到后台服务器进行存储和处理，并通过光纤或无线方式实现与上级监控管理部门的通信，确保上级系统能够实时获取智能变电站和电动汽车充电站内的电量信息，实现设备和信息的集约化管理。