一种集成型智能变电站设计思路的探讨

花 植

(山西国辰建设工程勘察设计有限公司，山西 阳泉 045000)

1 概述

电力系统重要组成部分之一就是35 kV变电站，为适应电力市场激烈竞争及信息化、自动化的要求，改建及新建35 kV变电站必须做到更低的成本、更高的可靠性、更好的电能质量和更小的建设规模。35 kV变电站设有许多一、二次设备原件，其综合性、系统性的技术要求很高。伴随材料科学、电力电子技术、通信技术、网络技术及人工智能等技术的发展，35 kV变电站建设有了更广阔、更人性化的实现方式及更丰富的实现技术手段。同时基于这些领域的新发展、新技术，35 kV变电站更加智能化、自动化的要求也更高，也已成为配电系统发展的重要研究方向。

35 kV变电站的微机数字化已经实现功能包含监测、控制、保护、记录等，但这些功能从硬件构成到功能实现基本相互独立，各子系统间交叉、重叠的功能甚多，有些硬件需要在几个子系统中重复安装，各子系统间信息孤立且电流互感器、电压互感器负载偏大，且二次接线繁多，造成整个35 kV配电系统可靠性偏低、建设投资偏大的缺陷。本文参照国家电网公司推荐的35 kV变电站典型设计方案，结合电网改造向纵深过程中各有关研究和生产部门积累的大量实践经验，对新式集成型智能变电站的建设模式进行了有益探索，有助于现代电网35 kV变电站建设和升级改造，提高供电质量。

2 变电站的分类

目前变电站使用较多的型式为箱变，箱变型式又分为美式箱变和欧式箱变，这两种箱变内部结构及外形都有较大区别，应用的场合也不同。随着科技的发展，紧凑型的变电站也已经成为了研究和应用热点。

1)美式箱变。其特点是占用空间小，安装简便，为与环境景观协调更便于在外观做美化，电缆出线长度较短，线路损耗及压降更小，同时价格较低。美式箱变缺点是供电的稳定性偏低，没有电动机构，现有箱体无法新增额外配电系统自动化设备，其不设电容无功补偿装置等。

2)欧式箱变。其优点是对环境噪声污染较美式箱变更小，对环境电磁辐射较美式箱变更低，欧式箱变的电力变压器安放于变压器金属柜内，金属柜体可有效屏蔽变压器的电磁辐射。同时欧式箱变箱体内部能够增设配电系统自动化设备。欧式箱变的缺点是其箱体较美式箱变箱体更大，造成安装更繁琐，同时不利于与周围环境相协调进而达到美观要求。

3)紧凑型变电站。目前，随着我国紧凑型变电站技术高速发展，其市场占有率得到提升，全国各地都制定了紧凑型变电站技术发展要求，市场使用率进一步增加。然而紧凑型变电站依然有许多需要改进的不足之处：仍然缺乏更加节能环保新材料电力变压器的研究和使用；缺乏研究新型电量变换器及数字式光电量测系统；缺乏变电站集成技术的研发，包含智能型空气断路器和智能型其他开关设备及系统；缺乏对数控和集成保护研究；缺乏人工智能和光纤网络通信技术在变电站的应用研究；缺乏以上述技术为基础的智能化变电站设计新理念研究。

3 35 kV集成型变电站典型模式

国家电网公司系统内35 kV变电站，包括户外、户内和箱式变电站。35 kV变电站典型设计方案分类自上而下按两个层次进行划分，即变电站布置方式、配电装置型式。第一层按变电站布置方式：35 kV变电站典型设计分为户外站(A型)、户内站(B型)和箱式变电站(D型)三大类；第二层按配电装置型式：例如户外变电站，可再划分为户外装配式配电装置和户内成套开关柜配电装置两类进行设计。

电气二次部分设计原则：35 kV变电站采用微机检测控制系统(由高可靠性专用设备实现数据遥传)；分散布置的35 kV变电站保护及控制系统，低压侧采用柜内安装的一体化保护测控装置；主变压器的保护和控制设备采用微机型设备，微机保护控制系统实现35 kV及10 kV系统小电流接地选线功能；变电站安装安全警戒系统和视频监控系统，完成35 kV变电站的安全警戒任务；变电站设置一套火灾探测报警系统。

集成型变电站将一次开关设备、自动化保护装置、交直流电源系统、自动化监控系统、通信设备、照明系统、环境控制系统(空调、除湿器、加热器、烟雾监测报警器、图像监视摄像设备等)、安防系统等设备和系统集成到同一个箱体中，箱体材料具有耐火、保温、隔热、防潮、防雨、防盗、防腐等特性。

4 新式集成型变电站建设模式探索

本文提出的35 kV变电站采用模块化设计，如图1所示的是基于模块化设计的变电站,主要包括40.5 kV组装模块、变压器组装模块、10 kV组装模块3个部分，各个模块之间的连接采用架空桥架或电缆两种形式。

4.1 40.5 kV组装模块

40.5 kV组装模块放置于变压器组装模块的进线侧，该模块与其他模块通过工厂预制的整体式电缆套管及可插拔式电缆插接头来连接。进线接口通过接插件与上级电站的出线侧相连,是变电站能源的输入口；出线接口除了电流输出外，还留有供各模块交流信息用的通信接口。该模块在变压器的高压侧设置贯穿式高压电量数据终端，即传感器式高压电能表或者传感器式组合互感器，以此实现对高压侧的计量，并将计量数据经远传无线、光纤等传到低压侧；高压侧的电流电压信号分别用毫安毫伏的弱信号传到低压侧，还可用于精确控制。为了保证模块能长期稳定运行，需要其具有防潮、隔热、防凝露等功能，因此需要附加环境测控装置。该模块在使用时，直接运到现场通过快速接头即插即用，具有较高的安装效率和运行维护可靠性。

4.2 变压器组装模块

该变电站的变压器模块主体选用新型变压器。变压器铁芯选用符合能效标准的新材料，其空载损耗U0(变压器二次侧断开时，在一次侧产生的损耗功率)比传统材料硅钢片制成铁芯的变压器至少降低一半，空载电流(变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流)下降50%以上，同时具有运转温度低、绝缘老化慢、使用寿命长、运行性能稳定的特点。该新型变压器要能适用于发展中地区电网等配变利用率较低的地方。该模块除了选择适合的配电变压器外，集成化部分主要考虑对变压器进出线端子进行改造，通过采用可拔插的电缆附件与进出线模块相连，提高设备安装效率和集成度，方便调试检修。

4.3 10 kV组装模块

10 kV组装模块放置于变压器组装模块的出线侧，该模块与其他模块是通过工厂预制的整体式电缆套管及可插拔式电缆插接头来连接。进线接口通过接插件与变压器组装模块的出线侧相连；出线接口除了电流输出外，留有供各模块交流信息用的通信接口；模块的核心部件是内部的智能开关，通过现场总线的信息共享，智能开关除了智能开断/闭合变压器组装模块的出线侧的电流外，还可将该模块的状态监测信息共享到现场总线上，供其他模块实时使用，以达到整个变电站的高智能化；为了保证模块能长期稳定运行，需要其具有防潮、隔热、防凝露等功能，因此需要附加环境测控装置。该模块在使用时，直接运到现场通过快速接头即插即用，具有较高的安装效率和运行维护可靠性。

5 新式集成型变电站建设模式特点

新式35 kV集成型变电站容量及出线回数不同，其组装箱体的体积也不同，必须结合实际情况确定相应的建设模式。本模式旨在建设集成化、智能化、高可靠、低成本、免维护的35 kV集成型变电站。

1)单个设备小型化。按照本变电站建设模式的思路，涉及到的主要设备包括40.5 kV组装模块、变压器组装模块、10 kV组装模块。设备小型化可分为两项：开关柜的小型化；变压器组装模块的小型化。

开关柜小型化技术，需要细分到每一个组件的小型化。开发体积小、结构简单、可靠性高的操动机构；以减小智能单元尺寸为目的，选用高集成度的芯片；合理布置开关柜内部几个单元之间的进出线格局，将进一步减小整个集成柜体的体积。变压器小型化主要是通过对35 kV集成型变电站的变压器进行选型，在保证整体效率的基础上缩减体积。

2)一次设备和二次设备的融合。为适应智能化变电站的发展趋势，35 kV集成型变电站需要在有限的箱体空间内最优化设计和布置一次主设备与相应的二次系统及设备，配置相应的采集、测量、自动控制、保护、自动装置、故障录波等必备的保护功能。主变需要主保护装置和后备保护装置配合使用,主要实现主变差动、后备保护，测控、计量、故障录波等功能。小型化开关为以最小的空间提供最多的回路，需要将整体变电站的自动化、保护、控制集中在集成型变电站的低压室，实现便于运行调度的目的。同时在模块之间实现补偿设备与站内其他设备的集成、消弧控制系统的设计与集成也是一次设备和二次设备的集成化设计和融合的重要内容。以及如何从整个电站的角度进行设备防雷、操作电源和控制电源与其他设备的集成也是项目的难点。在满足上述功能要求的同时，还要在有限的空间内为35 kV集成型变电站预留相应的维护空间和通道，满足运行维护人员工作的安全距离，便于设备的检修和维护。

3)设备的模块化安装。在变压器容量较小时，40.5 kV及10 kV的额定电流一般不会很大，台套量一般不是很多。设计时考虑将整个变电站设计成40.5 kV组装模块、变压器组装模块、10 kV组装模块三个可独立运输安装模块，其他功能模块尽可能分散集成到各设计模块内，比如：电容器补偿为安装方便就设计在相应电压等级的模块内；操作电源模块可与中性点装置等组成一个可独立运输的模块；厂内安装时可根据功能分区不同，采用不同的隔间。每个模块内可将与本站就地控制的各项保护控制及智能控制单元功能分散到各开关单元内，同时将与远端有关的各项信号预留出光纤通讯接口。设计完成后，按设计要求在厂内完成各个可独立运输模块的安装、设备调试、电气控制(包括保护)预联调等工作。现场安装，可简单将上述四个独立单元模块就位，用预制好的快速连接器连接后进行设备联调。

在变压器容量较大时，40.5 kV及10 kV的额定电流大，台套量多。设计时将整个变电站设计成40.5 kV组装模块、变压器组装模块、10 kV组装模块等三个模块，每个模块功能集成和隔间划分与小容量相同。每个模块的各个功能单元分组件完成厂内预制，开关设备单元完成厂内调试。现场安装时，可以将预制好的单元部件分别运输到现场后进行组装，用预制好的快速连接器连接后进行设备联调。

6 结语

智能变电站的关键技术是功能平台的高利用率、空间低占用率，通过模块化设计将原系统内各个子系统高度整合，实现智能变电站的模块化、小型化、高可靠性、低成本和免维护。随着通信技术和电力电子技术的发展，智能化变电站已成为电力行业发展新方向，智能化变电站也将成为智能电网可靠、平稳运行的关键环节，并为智能化电网建设打下坚实基础。