新一代智能变电站平面布置优化设计

2014-02-13史京楠胡君慧黄宝莹杨小光

电力建设 2014年4期

史京楠，胡君慧，黄宝莹，杨小光

(国网北京经济技术研究院，北京市100052)

0 引言

作为实现低碳电力的基础与前提，近年来智能电网技术在很多国家得到快速发展，已成为电网未来发展的新趋势［1-4］。面对新形势和新挑战，2009年5月，国家电网公司提出了立足自主创新，以统一规划、统一标准、统一建设为原则，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、互动化特征的统一坚强智能电网的发展目标，努力实现我国电网从传统电网向高效、经济、清洁、互动的现代电网的升级和跨越，积极促进清洁能源发展，为实现经济社会又好又快发展提供强大支撑。智能变电站是统一坚强智能电网的重要基础，是坚强智能电网实现能源转换和控制的核心平台，是实现风能、太阳能等新能源接入电网的重要支撑，是电网运行数据的采集源头和命令执行单元，与其他环节联系紧密，是坚强智能电网安全、优质、经济运行的重要保障。根据国家电网公司统一部署，自2009年7月起，通过精心组织、严密论证，公司总部先后组织开展了2批工程的试点建设。在此基础上，通过全面分析、认真总结成果经验，并结合通用设计、两型一化、全寿命周期等设计理念，本着“安全可靠、成熟适用、经济合理”的原则，从2011年开始全面推广建设具备“两型一化”特征的智能变电站。

随着规模增大，智能电网的建设为智能变电站提出新的需求，2012年国家电网公司总结试点工程经验，结合设备研制和电子技术的最新成果，进一步加强二者融合，由从顶层设计入手，开展新一代智能变电站概念设计，引导设备研制，提出新一代智能变电站发展方向，新一代智能变电站的建设目标及功能特点。

平面布置是变电站设计的重要内容，是体现变电站可靠性高、节约占地、节省造价、方便运维的重要方面。新一代智能变电站的建设需求为变电站平面布置提出了新的要求，主接线的优化、新型集成式智能设备的应用及二次系统的整合为新一代智能变电站平面布置的优化提供了条件。变电站总平面布置，依据电气主接线要求，通过空间布置，实现其功能。它与主接线型式、电气设备密切相关，其中电气设备的型式是总平面布置的关键。本文根据户外变电站电气设备选型，配电装置型式分类，研究220 kV、110 kV户外AIS、GIS变电站的平面布置，选择通用设计方案的边界条件，提出平面布置优化方案。

1 新一代智能变电站建设目标及功能特点

智能变电站技术是智能电网发展的基础，也是区别传统电网的主要标志之一。截至2011年底，国家电网公司已成功投运41座试点建设的智能变电站，在原理研究、设备制造、设计优化、标准制定等方面取得了丰富的创新成果［5-7］。

新一代智能变电站以“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”为目标［8］，具有“全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、应用功能互动化、运维检修高效化”的功能特点，采用“一体化设备、一体化网络、一体化系统”的体系结构，实现建设方便、运行可靠、控制灵活、先进适用、投资节约的建设效果。

新一代智能变电站作为技术发展的的方向，提出“一体化设计、工厂化制造、模块化安装”的设计理念，结合目前及远期设备发展方向，对变电站平面布置进行了充分优化，并与通用设计对应方案进行了比较，提出变电站布置优化方向。

2 平面布置优化基本思路

2.1 配电装置布置优化

配电装置的布置尺寸主要由配电装置间隔纵向尺寸和间隔宽度决定。

2.1.1 优化配电装置间隔纵向尺寸

配电装置纵向尺寸的确定主要考虑设备、道路、沟道、架构等相互间的距离，除需保证安全运行外，还应满足巡视、操作、维护、检修、测试、运输等要求。

配电装置纵向尺寸的确定主要考虑以下几个因素:(1)安全净距的要求，配电装置必须满足安装、检修及电气设备与带电部分之间的安全净距的要求;(2)运行方面的要求，运行中要对电气设备作定期巡视并进行各项操作;(3)导线与设备连接的要求;(4)设备端子受力要求。

2.1.2 优化配电装置间隔宽度

满足带电距离是配电装置设计最基本的要求，带电部分对地和带电部分之间的距离是各种带电距离的基础，应根据3种条件进行校验:外过电压和风偏;内过电压和风偏;最大工作电压，短路摇摆和风偏［9］。在最大风速为30 m/s、短路电流为50 kA的情况下，安全净距一般由外过电压和风偏或内过电压和风偏决定。

屋外配电装置的最小安全距离宜以金属氧化锌避雷器的保护水平为基础确定，根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中的方法，计算作用在空气间隙上的放电电压值，以避雷器的保护水平为基础，对110～220 kV电压等级采用惯用法进行计算，确定最小安全距离［10］。

由于目前氧化锌避雷器的保护水平没有变化，因此近期设计方案中采用的空气间隙距离仍沿用现有电气净距的数值。

2.2 平面布置优化

变电站总平面布置设计应遵守《中华人民共和国土地管理法》的相关规定，符合国家土地使用政策，因地制宜，合理使用土地，提高土地利用效率。变电站总平面布置应按照最终规划规模进行设计，根据系统负荷发展要求，宜留有扩建空间，并使站区总平面尽量规整。

根据工程经验，变电站总平面布置除与站址地形条件，进出线走廊等有关外，站内主要影响因素主要包括以下几个方面。

2.2.1 主接线优化对平面布置的影响

对于确定电压等级、规模的变电站，主接线型式决定变电站各电压等级间隔数量，设备配置，影响配电装置型式，对变电站总平面布置影响较大，主接线型式及设备配置的优化将给变电站总平面布置优化创造有利条件。

2.2.2 主变低压侧无功补偿装置对主变低压侧布置的影响

220 kV、110 kV变电站主变低压侧电压等级为35 kV、10 kV，主要采用户内开关柜布置，无功补偿装置一般采用框架式并联电容器。主变低压侧在总平面布置中占有较大比例。新一代智能变电站选用高度集成的高压设备后，低压侧占地问题将更为突出。应在满足系统要求的前提条件下，优化电容器的容量、分组、设备选型，合理优化主变低压侧布置。

2.2.3 主设备选择对配电装置的影响

高压电气设备对配电装置宽度、纵向尺寸均有影响。随着新型AIS设备的研制、组合安装，GIS设备的结构优化，设备进一步小型化，设备的尺寸可以进一步优化。

2.2.4 二次系统整合对平面布置的影响

变电站平面布置除满足电气需求外，还要考虑建构筑物的要求，随着新一代智能变电站的二次系统整合，站内电缆、光缆数量减少，为电缆沟的优化、主控楼采用集装箱式建筑创造了条件。

电气总平面布置应从主接线、配电装置、主设备选型等方面入手，全面了解各电压等级配电装置的布置特点，结合变电站站址及自然地质地形条件、线路走廊等诸多因素，经过对各级配电装置合理组合并通过技术经济比较后，确定最佳的方案。

以通用设计 220-C1－1、220-A1－1、110-C －5、110-A1－1边界条件进行220 kV、110 kV户外变电站的平面布置优化方案研究。

3 电气主接线及主要设备选择

3.1 电气主接线优化

电气主接线应根据变电站在电网中的地位、进出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定。应满足供电可靠、运行灵活、操作检修方便、节约投资和便于扩建等要求。主接线设计需要考虑与电网的协调和内部设备的相互影响。智能化设备功能的集合、可靠性的提高，为主接线及设备配置的优化提供了条件。

根据建设规模情况，220 kV变电站220 kV侧维持双母线接线不变，110 kV侧主接线在满足系统要求的情况下由双母线接线优化为单母线分段接线，10 kV侧维持单母线分段接线不变。

110 kV变电站110 kV侧、35 kV侧、10 kV侧都维持单母线分段接线不变。

各侧主接线设备配置可根据设备集成情况进行优化。

3.2 220 kV、110 kV户外开关设备

目前，高压开关设备以真空断路器和SF6断路器及其成套设备为主导;发展方向是通过一次设备的功能集成及智能组件、传感器与一次设备的一体化集成，实现设备有效集成，功能高度整合，提高工程调试效率，实现一次设备智能化向智能一次设备转变。

AIS变电站220 kV、110 kV设备选用集合断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器等功能以及融合有在线监测及二次智能组件功能的新型一体化集成式智能隔离断路器，集成式智能隔离断路器功能如图1所示。断路器断口达到隔离开关的断口要求，线路侧配置接地刀，可取消线路侧双接地隔离开关，该设备应具有高可靠性、维护周期达15 a以上，检修可与母线配合进行，110 kV单母线接线可取消母线侧隔离开关，优化变电站内设备配置，提高可靠性，满足运行维护要求。

图1 集成式智能隔离断路器Fig.1 Integrated-smart-isolated circuit breaker

GIS变电站220 kV、110 kV设备选用集合断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器等功能以及融合有在线监测及二次智能组件功能的新型一体化智能GIS设备。

3.3 10 kV开关柜

10 kV开关柜采用智能环境友好型金属封闭开关设备。开关柜利用环保气体绝缘技术，实现与原SF6气体绝缘开关设备相同的尺寸，真正实现环境友好、占地面积小、产品经济运行、周期成本低的目的。

3.4 无功补偿装置

10 kV选用串联电抗器与并联电容器一体化设备，可实现紧凑型布置，节约土地资源，缩短建设周期，减少运行维护量。

3.5 气体绝缘封闭母线

气体绝缘封闭母线主要具有性能可靠，使用寿命长，通流能力强，体积小，质量小，连接方式灵活等特点，可以通过套管与架空线连接，油气套管与变压器连接，可以与GIS直连，也可以在其线路上增加避雷器、电压互感器等保护和测量设备，具有结构紧凑，布置施工方便，占地面积小的特点，可以实现比较复杂的接线方案［11］。

经过技术经济比较后，将气体绝缘母线应用于110 kV母线，鉴于其封闭绝缘性能，可以不考虑带电距离，同时由于其免维护性可简化主接线形式，达到缩小变电站占地面积的目的。

4 集装箱式建筑

目前，集装箱式建筑在电力行业多应用于低压配网的箱式变，在高压输变电工程中仅处于试点应用阶段［12-13］。新一代智能变电站利用集装箱式建筑标准、安全、经济、环保等特点，优化结构、保温、通风、散热、防火等条件后，可与10 kV小型化开关柜、站用变、二次屏柜整合，并可作门卫室、卫生间、工具间等功能房间，取消站内配电装置楼，优化平面布置。集装箱式建筑效果如图2所示。

图2 集装箱式建筑Fig.2 Container type building

5 平面布置优化设计

5.1 220 kV户外AIS变电站

220 kV户外AIS变电站选取通用设计220-C1-1方案进行研究对比。

5.1.1 配电装置布置优化

根据屋外AIS配电装置设备配置的调整及具体的布置情况，对影响间隔宽度的主要因素，即上层导线以及构架处跳线进行各种电压和风偏下的距离校验，确定220 kV出线、主进间隔宽度保持在13 m。110 kV出线、主进间隔宽度保持在8 m，分段间隔由8.2 m优化为8 m。

根据设备选择及配置优化，220 kV的AIS配电装置间隔内纵向尺寸由54 m优化为40.7 m。110 kV母线采用GIL管型封闭母线，取消母线架构。

220 kV AIS变电站断面优化如图3所示。

5.1.2 总平面布置优化

图3 220 kV AIS变电站断面优化对比图Fig.3 Comparison of section optimization of 220 kV AIS substation

220 kV配电装置布置于站区北侧，110 kV配电装置布置于站区南侧，220 kV及110 kV线路均采用架空出线。220 kV配电装置采用支持式管型母线中型断路器单列布置，110 kV采用GIS封闭母线中型断路器单列布置，10 kV开关柜单列布置。主变与220 kV、110 kV主进断路器采用架空导线直接连接，与10 kV开关柜采用绝缘铜管母线连接。变压器、10 kV配电装置布置于站区中部，原配电装置楼优化为集装箱设计，站区设置环形消防道路，同时供安装、检修、运行巡视用［14］。新一代智能220 kV AIS变电站电气总平面布置如图4所示。

图4 电气总平面布置图(220 kV新一代智能AIS变电站)Fig.4 General layout of electrical system(new generation 220 kV smart AIS substation)

变电站南北方向尺寸由 128.5 m［15］优化为78 m，围墙内减少用地39.3%。优化前后对比见表1。

表1 220 kV AIS方案优化前后对比Tab.1 Comparison of 220 kV AIS scheme before and after optimization

5.2 220 kV户外GIS变电站

220 kV户外GIS变电站选取通用设计220-A1-1方案进行研究对比。

5.2.1 配电装置布置优化

近期设计方案中考虑了全架空出线和全电缆出线2个设计方案。

在全架空出线方案中，根据220 kV及110 kV屋外GIS配电装置设备配置的调整及具体的布置情况，对影响间隔宽度的主要因素，即出线侧上层导线以及构架处跳线进行各种电压和风偏下的距离校验，确定220 kV、110 kV GIS出线间隔宽度仍分别保持在12.5，7.5 m。

在全电缆出线方案中，考虑了线路与变电站内设备的协调配合，采用全电缆出线，可以缩小变电站出线侧横向尺寸，由此可同时取消进出线门型架构、主变架构，简化配电装置型式，进一步缩小配电装置纵、横向尺寸。由于取消了构架及外露带电连接导线，影响间隔宽度的主要因素也随之消失，配电装置的宽度只需由GIS设备本身的产品尺寸及检修要求确定。

220 kV GIS变电站断面优化对比如图5所示。

图5 220 kV GIS变电站断面优化对比图Fig.5 Comparison of section optimization of 220 kV GIS substation

5.2.2 总平面布置优化

220 kV、110 kV配电装置分别布置于站区北侧、南侧，采用全架空出线或全电缆出线。10 kV开关柜单列布置于集装箱式建筑内。主变与220 kV及110 kV主进断路器均采用油气套管、GIL管连接，与10 kV侧开关柜采用绝缘铜管母线连接。10 kV配电装置及无功补偿电容器装置布置于站区东侧，原配电装置楼优化为集装箱设计，变压器布置在变电站中部，站区设置环形消防道路。新一代智能220 kV GIS变电站电气总平面布置如图6、7所示。

对于全架空方案，变电站东西方向由103 m优化为110 m，南北方向尺寸由86 m优化为63 m，围墙内减少用地22%。全电缆方案，变电站东西方向由103 m优化为65 m，南北方向尺寸由86 m优化为45 m，围墙内减少用地67%。优化前后对比见表2。

5.3 110 kV户外AIS变电站

110 kV户外AIS变电站选取通用设计110-C1-1方案进行研究对比。

图6 电气总平面布置图(220 kV新一代智能GIS变电站(架空出线))Fig.6 General layout of electrical system(new generation 220 kV smart GIS substation(overhead outlet))

图7 电气平面布置图(220 kV新一代智能GIS变电站(电缆出线))Fig.7 Layout of electrical system(new generation 220 kV smart GIS substation(cable outlet))

表2 220 kV GIS方案优化前后对比Tab.2 Comparison of 220 kV GIS scheme before and after optimization

5.3.1 配电装置布置优化

110 kV设备选择及配置优化，母线采用GIS封闭母线，取消母线架构。AIS配电装置间隔内纵向尺寸优化如图8所示。

图8 110 kV AIS变电站断面优化对比图Fig.8 Comparison of section optimization of 110 kV AIS substation

根据110 kV AIS户外配电装置设备配置的调整及具体的布置情况，对影响间隔宽度的主要因素，即上层导线以及构架处跳线进行各种电压和风偏下的距离校验，确定110 kV出线、主进间隔宽度保持在8 m，分段间隔由8.2 m优化为4 m。

开关柜单列布置，35 kV进、出线采用电缆方式，10 kV开关柜单列布置，进线采用铜母线桥，出线采用电缆方式。

5.3.2 总平面布置优化

110 kV配电装置布置于站区北侧，架空出线，主变与110 kV主进断路器导线直接连接。35 kV、10 kV配电装置布置于站区南侧，原配电装置楼优化为集装箱设计，变压器布置在变电站中部，站区设置环形道路。新一代智能110 kV AIS变电站电气总平面布置如图9所示。

图9 电气平面布置图(110 kV新一代智能AIS变电站)Fig.9 Layout of electrical system(new generation 110 kV smart AIS substation)

110 kV新一代智能AIS变电站的东西方向由57 m优化为55 m，南北方向尺寸由65 m优化为38 m，围墙内占地面积减少44%，建筑面积减少72.6%，优化前后对比情况详见表3。

表3 110 kV AIS方案优化前后对比表Tab.3 Comparison of 110 kV AIS scheme before and after optimization

5.4 110 kV户外GIS变电站

110 kV户外AIS变电站选取通用设计110-A1-1方案进行研究对比。

5.4.1 配电装置布置优化

近期设计方案中考虑了全架空出线和全电缆出线2个设计方案。GIS配电装置间隔内纵向尺寸优化如图10所示。

图10 110 kV GIS变电站断面优化对比图Fig.10 Comparison of section optimization of 110 kV GIS substation

在全架空出线方案中，经计算校验，确定110 kV GIS出线间隔宽度仍保持为7.5 m。

在全电缆出线方案中，配电装置宽度只需由GIS设备本身的产品尺寸及检修要求确定。

5.4.2 总平面布置优化

110 kV配电装置布置于站区北侧，采用全架空出线或全电缆出线。10 kV配电装置及无功补偿电容器装置布置于站区南侧，10 kV无功补偿电容器装置布置于站区西侧，主变与110 kV主进断路器采用油气套管或GIL管连接，与10 kV侧开关柜采用电缆或绝缘铜管母线连接。变压器布置在变电站中部。新一代智能110 kV GIS变电站电气总平面布置如图11、12 所示。

(1)全架空方案。变电站东西方向由60.8 m调整为62 m，南北方向尺寸由63.9 m优化为40 m，围墙内减少用地36%。

(2)全电缆方案。变电站东西方向由60.8 m优化为53 m，南北方向尺寸由63.9 m优化为29 m，围墙内减少用地60%。优化前后对比见表4。

图11 电气总平面布置图(110 kV新一代智能GIS变电站(架空出线))Fig.11 General layout of electrical system(new generation 110 kV smart GIS substation(overhead outlet))

图12 电气总平面布置图(110 kV新一代智能GIS变电站(电缆出线))Fig.12 General layout of electrical system(new generation 110 kV smart GIS substation(cable outlet))

6 结论

新一代智能变电站平面布置的优化应以电网工程设计经验、新技术、新设备的研发为基础，主要采取技术论证的方法进行研究，根据典型工程条件设计应用方案，通过技术经济对比进行分析论证。设计方案必然涉及到相关设备的研发，需要与制造厂商密切沟通，提出技术需求，引导制造厂商的研究方向，通过合作，实现制造设计与安装设计的内在统一，既保证了产品的安全可靠性，又可满足工程实用性要求。

变电站平面布置要树立全局观念，在电气主接线优化、新型设备研制应用的基础上，梳理影响平面布置的因素，将新技术、新工艺与布置方案融合，提高土地利用率，减少占地面积，实现平面布置方案功能分区明确、布置紧凑合理的要求。本文以国家电网公司通用设计整体方案典型工程条件为实例，得出新一代智能变电站近期平面布置优化设计方案，引导今后变电站的电气平面布置优化方向。

［1］何大愚.关于未来智能电网的特征［J］.中国电力，2012，45(2):9-11.

［2］陈武，刘慧敏，陈宾.智能电网背景下电压暂降监测装置的最优布点方法［J］.电力建设，2011，32(6):18-21.

［3］李威，徐泰山，薛禹胜.重要小受端智能电网安全防御系统关键技术［J］.电力建设，2009，30(6):15-20.

［4］孙强，葛旭波，刘林，等.国内外智能电网评价体系对比分析［J］.电力系统及其自动化学报，2011，23(6):105-110.

［5］国家电网公司.智能变电站试点工程评价报告［R］.北京:国家电网公司，2011.

［6］国家电网公司.Q/GDW 383—2009智能变电站技术导则［S］.北京:中国电力出版社，2009.

［7］国家电网公司.Q/GDW Z 410—2010高压设备智能化技术导则［S］.北京:中国电力出版社，2010.

［8］宋璇坤，李敬如，肖智宏，等.新一代智能变电站整体设计方案［J］.电力建设，2012，33(11):1-6.

［9］水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册［M］.北京:水利电力出版社，1989.

［10］中国电力企业联合会.DL/T5352—2006高压配电装置设计技术规程［S］.北京:中国电力出版社，2006.

［11］赵昌，李健，王永强.SF_6气体绝缘金属封闭管道母线工程设计要点［J］.电气制造，2008(5):54-56.

［12］王伟男.当代集装箱装配式建筑设计策略研究［D］.广州:华南理工大学，2011.