智能变电站模块化建设在内蒙古电网的应用

王 安，薛 峰，聂建春，张 振，宋瑞军

(内蒙古电力经济技术研究院，内蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

智能变电站是坚强智能电网的重要组成部分，关系电网安全、质量和效益。智能变电站模块化建设是一种新的智能变电站建设模式，具有标准化设计、模块化组合、工厂化生产、集约化施工的特点，能全面提升电网工程的设计、建设和管理水平。推行智能变电站模块化建设，是应用模块化思想推进智能变电站高效建设的重要途径[1-2]。内蒙古电力公司于2018年下发了《推进智能变电站模块化建设实施方案》，从公司层面提出稳步推广应用智能变电站模块化建设，全面提升电网建设质量和效率。本文以宝音110kV变电站工程为例，介绍了该工程电气一次、电气二次、土建等专业的模块化关键设计技术，为今后智能变电站模块化建设在内蒙古电网的进一步推广应用提供借鉴。

1 宝音110 kV变电站工程概况

宝音110 kV变电站位于乌海市千里山工业园区，随着工业园区的不断发展，用电负荷与日俱增，已有变电容量已不能满足该园区新增负荷的供电需求，为加快建设进度，尽快缓解供电紧张的情况，同时根据内蒙古电力公司《推进智能变电站模块化建设实施方案》的要求，宝音110 kV变电站工程成为内蒙古电网首个智能变电站模块化建设的试点工程。由于受系统条件和外部条件所限，国家电网公司智能变电站模块化建设通用设计中无本工程直接适用的基本方案，结合本工程实际特点并分析通用设计中各基本模块的技术方案，本工程设计方案由110-A2-8和110-A3-3方案的基本模块进行拼接和局部调整形成。

1.1 建设规模

远期规模：80 MVA主变压器3台，110 kV出线3回，10 kV出线40回，每台主变10 kV侧装设4 Mvar电容器1组、6 Mvar电容器2组。

本期规模：80 MVA主变压器2台，110 kV出线2回，10 kV出线28回，每台主变10 kV侧装设4 Mvar电容器1组、6 Mvar电容器2组。

1.2 接线型式

110 kV远期采用扩大内桥接线，本期采用内桥接线。

10 kV远期采用单母线六分段接线，本期采用单母线四分段接线(每台主变低压侧设两段母线)。

1.3 总布置及配电装置

变电站采用半户内布置方式，除主变外其他主要电气设备均布置在配电装置楼内。110 kVGIS配电装置布置在配电装置楼西北侧，向北电缆出线，10 kV配电室布置在配电装置楼中部，电容器室布置在配电装置楼内，二次设备室及辅助房间布置在配电装置楼东侧；主变压器户外布置在变电站中部；从北侧进站。变电站围墙内占地面积0.467 5 hm2，建筑面积1 868.31 m2。变电站鸟瞰图及总平面布置如图1、图2所示。

图1 宝音110 kV变电站鸟瞰图

图2 变电站总平面布置图

2 智能变电站模块化建设关键技术特点

2.1 电气一次部分

2.1.1 平面布置模块化

宝音110 kV变电站平面布置实现模块化，整体由110 kV配电装置模块、主变压器及10 kV配电装置模块、配电装置楼模块3个基本模块组成组成。电气总平面布置如图3所示。

图3 电气总平面布置图

110kV配电装置模块主要内容为：110kV出线本期2回、远期3回，本期内桥接线、远期扩大内桥接线，户内GIS，电缆出线。

主变压器及10 kV配电装置模块主要内容为：主变压器本期2台80MVA、远期3台80 MVA，户外布置；10 kV出线本期28回、远期40回，本期单母线四分段接线，远期单母线六分段接线。

配电装置楼模块主要内容为：一层半建筑，钢框架结构，配电装置楼内布置10kV配电装置室、电容器室、110 kVGIS室、二次设备室等，设置地下电缆夹层，建筑面积1 803.17 m2，建筑体积8 394.5 m3。

平面布置模块化的优点一是有效地减少了占地面积和建筑面积，和常规全户内站相比，围墙内占地面积减少3.4%，建筑面积减小20%；二是在遇到非典型的电气主接线或由于用地范围限制而需调整布局的情况下，可以通过基本模块的拼接、调整及组合，方便快捷地制定方案，从而适应不同条件下的工程设计及建设，也是提高项目前期工作效率、促进项目全生命周期收益增加的重要手段[3]。

2.1.2 主要设备参数标准化

宝音110 kV变电站中主变压器、110 kVGIS、10 kV开关柜、10 kV电容器成套装置等主要设备均按照《国家电网公司输变电工程通用设备》要求选取，主要设备选用情况见表1所列。

表1 主要电气设备参数表

主要设备参数标准化主要有以下优点：一是可最大程度实现相同运行条件下的同类设备互通互换，提高工程建设质量和效率，确保电网安全稳定运行；二是可增强设备的统一性和通用性，有利于降低工程造价；三是通过合理优化、科学配置设备参数，可以减少备品备件数量，有助于建设单位减少仓储管理，提高经济效益[3]。

2.2 电气二次部分

宝音110 kV变电站按智能变电站开展设计，设计原则采用“常规互感器+合并单元”的方式，三层设备结构，统一组网，信息共享，采用DL/T860通信标准，传输速率不低于100 Mbps，过程层设备模拟量采样较常规站互感器绕组减少25%。站控层、间隔层采用双星型网络结构，过程层采用单星型网络结构。110 kV线路保护、测控独立配置、合并单元、智能终端等下放于GIS智能控制柜。10 kV线路、10 kV电容器、10 kV站用变采用保护、测控集成装置，安装于就地开关柜内。根据智能变电站的设计要求，本着减少人工干预、提高系统集成度、实现变电站实时全景监测、与集控站/调度端/分布式电源等协同互动提供支撑的原则，进行高级应用配置策略的研究，考虑目前高级应用技术的发展现状，高级应用实现顺控操作。GIS智能化示意图如图4所示。

图4 GIS智能化示意图

2.2.1 电气二次设备模块化

传统变电站电气二次设备需要在现场进行接线、调试等工作，由于设备多、接线复杂，导致该工作消耗的人力、物力较大，在一定程度上制约了工程建设进度。智能变电站模块化建设的主要技术之一是将电气二次设备模块化，实现工厂内规模生产、集成调试、统一运输，大幅减少现场接线、调试工作，有效提高了工程建设质量和效率，并缩短建设周期[4]，和常规站相比，工期缩短15 d。宝音110 kV变电站电气二次设备模块化配置如下：

1)一体化监控系统模块：变电站设置了一体化监控系统，采集站内电网运行信息和二次设备运行状态信息，实现变电站全景信息采集、处理、监视、控制、运行管理等功能；变电站就地及远方操作均采用计算机监控系统逻辑闭锁加间隔内电气回路闭锁的方式，不设专门的微机五防装置。

2)就地化保护、测控模块：保护、测控装置与合并单元、智能终端就地安装于智能控制柜内，模拟量、开关量的采集以及控制命令的下发均采用数字量，通过由光路组成的光纤网络传输，减少人工干预、提高系统集成度，数据基于统一标准建模，各IED设备间的信息共享和互操作性大大增加。保护装置采用新型的数字化保护装置，利用SV或GOOSE的通讯做相应处理，装置的交流头插件利用SV采样值光口板代替，开入开出板卡利用GOOSE光口板代替，保护装置仅保留CPU插件完成保护算法以及键盘、液晶等人机界面；测控通过SV网络接收电流电压测量值，通过GOOSE完成信息量采集和控制命令下发等功能。10 kV保护测控集成装置下放至10 kV开关柜内，按相对集中原则设二次设备室，屏柜数量较通用设计减少7面，空间节省14%。

3)全站智能辅控系统模块：建立站内统一的辅助系统，实现变电站各类辅助系统运行信息的集中监管和智能控制。宝音变建立了智能监测与辅助控制系统，实现图像监视、安全警卫、火灾报警、环境监测系统统一管理和监视。

4)一体化电源系统模块：包括站用交流电源、直流电源、交流不间断电源(UPS)、通信电源、蓄电池等，实现全站交直流系统统一管理。

5)集中式故障录波模块：记录各电压等级过程层所有GOOSE信息、SV信息。

6)网络报文记录分析系统模块：为实现对全站各种网络报文的实时监视、捕捉、存储、分析和统计功能配置独立的网络报文记录分析装置。网络报文记录分析系统具备变电站网络通信状态的在线监视和状态评估功能。

7)全站光缆预制模块：根据一次系统配置，应用配置工具，引入“虚点、虚拟端子、虚拟变电站”等技术，实现二次系统的逻辑设计、测试和监视功能。

2.2.2 全站采用预制式光缆

宝音110 kV变电站采用分支式预制光缆，减少了光纤的熔接工作及光缆的使用数量。和同等规模的常规站相比，光缆用量减少了44%。二次光缆减少的同时也减少了现场安装调试工作量，另外预制光缆的出现实现了二次设备厂内联调。实现了“工厂化加工、工程化调试、工厂化验收”的理念，同时使设备“零缺陷”出厂成为了可能。

常规变电站光缆配合工作量大、供货周期长、接线质量低、现场改动工作量大等问题严重影响变电站的施工周期和运行安全。宝音110 kV变电站采用预制光缆，实现了设备间的“即插即用”式接线和标准化生产，有效提升了智能变电站建设效率和质量。

2.3 土建部分

宝音110 kV变电站建有配电装置楼、消防水泵房两座建筑，均采用装配式钢框架结构，防火墙、电缆沟等构筑物采用装配式结构。主要建(构)筑物材料实现工厂化预制、现场机械化施工，减少人工作业和湿作业，大大提高了施工效率。

2.3.1 装配式建筑物

配电装置楼和消防水泵房采用装配式钢框架结构，钢结构梁、柱、肋板、连接板等主要承重构件采用Q235B型钢材，锚栓采用Q345B型钢材，钢结构的传力螺栓采用10.9级高强螺栓。框架柱采用箱型截面，框架梁采用H型截面，框架梁柱采用刚性连接，梁端翼缘加焊楔形盖板，栓焊混合节点；柱脚采用螺栓连接，设置加劲肋。

配电装置楼地上部分内、外墙采用装配式ALC墙板，200 mm厚；消防水泵房外墙采用装配式NALC墙板，200 mm厚。配电装置楼和消防水泵房主体结构及外墙围护结构实现工厂化加工，现场装配式施工，如图5所示，大大减少了环境、气温等外部条件对施工的影响，和常规户内站相比，施工工期缩短了近2个月。散水及女儿墙压顶均采用预制混凝土构件，减少现场湿作业工作量。配电装置楼耐火等级一级，所有结构主材均采用不燃性材料，钢结构防火处理采用涂刷厚型防火涂料的方法使钢柱、钢梁、屋顶承重构件分别满足3.0 h、2.0 h、1.5 h的耐火极限要求。内、外墙采用装配式ALC墙板，满足耐火极限3.0 h的要求。消防水泵房耐火等级二级，所有结构主材均采用不燃性材料，钢结构防火处理采用涂刷厚型防火涂料的方法使钢柱、钢梁、屋顶承重构件分别满足2.5 h、1.5 h、1.0 h的耐火极限要求。外墙采用装配式NALC墙板，满足耐火极限2.5 h的要求。

图5 装配式配电装置楼墙体安装

2.3.2 装配式防火墙

主变压器防火墙采用预制混凝土柱+装配式墙板形式，预制柱采用C30混凝土，尺寸 7 650 mm×300 mm×300 mm， 截 面 设75 mm×70 mm凹槽。基础采用混凝土现浇杯口基础，待混凝土柱吊装就位后，杯口与柱体之间的缝隙采用C35细石混凝土二次浇筑，起到底部与垫层的稳固连接的作用。墙体采用C30清水混凝土预制墙板，墙板尺寸3 580(1 420) mm×450 mm×60 mm，待混凝土异形柱安装就位后将墙板从异形柱的凹槽插入，墙板安装后采用1∶1水泥砂浆勾缝，能有效提升围墙的稳定性能。墙体耐火极限大于3 h，满足规范要求[5]。装配式防火墙如图6所示。

图6 装配式防火墙

2.3.3 装配式电缆沟

装配式电缆沟由电缆沟体、支架和沟盖板组成。装配式电缆沟体截面呈U型，采用抗渗等级P6的C30混凝土，单节电缆沟尺寸分为3 000 mm(长 )×1 820 mm(宽 )×2 060 mm(高 )、2 500 mm(长 )×2 440 mm(宽 )×2 380 mm(高 )两种，电缆沟单体之间采用榫卯形式接合，接合处采用多级密封防水处理，沟底设有排水槽，具有施工工序少、工期短、受气候影响小等优点。支架采用钢支架，支架焊接后进行除锈处理，并整体镀锌防腐。沟盖板采用无机复合盖板，内嵌平铺于U型电缆沟上，具有轻质高强、耐腐蚀、防水及安装方便等优点[6]。装配式电缆沟如图7所示。

图7 装配式电缆沟

3 结语

宝音110 kV变电站运用智能变电站模块化建设技术，通过优化总平面布置，采用标准化的一次设备、智能化、模块化的二次设备以及装配式建(构)筑物，与同等规模的常规变电站相比，占地面积减少3.4%，建筑面积减少20%，建设工期工期缩短了2个月，有效提高了变电站的建设效率，取得了良好的经济和社会效益，为内蒙古电网进一步推进智能变电站模块化建设积累了宝贵经验。