浅谈智能变电站设备架构

田惠川

（西山煤电电力公司）

0 引言

一般来讲，传统变电站架构可以从一次系统架构、二次系统架构和辅助系统架构几个方面来考虑，一次系统选用的高压开关柜主要包含上、下隔离刀闸和断路器、互感器等，断路器手车需要在停、送电操作时人工拉出或推入，二次系统选用的继电保护装置主要在电流互感器的配合下对故障电流识别并且发出指令，能在故障状态下对断路器发出跳闸信号。辅助系统主要包括交直流屏、操作显示装置、微机监控后台等等，传统变电站每班至少需要配备2名运维人员进行设备巡视及执行当班倒闸操作任务，运维人员每天对设备进行周期性巡视，内容就包含设备测温、蓄电池电压测量等等，并且需要记录在运行日志中，不仅工作量大，而且对运维人员的基本业务素质要求比较高，如果遇到业务素质相对较低或主观责任心不足的运维人员值班，巡视过程中很容易忽视设备在故障初期暴露出来的现象，甚至在倒闸操作时发生误操作的供配电事故。因此，尽可能引入智能设备，建设新型智能变电站，减少通过人的主观因素判断考量电气设备运行状态好坏是很有必要也是符合当下政策环境的手段。

1 智能变电站一次系统设备架构

1）以110kV变电站为例，110kV电压等级设备通常架构在户外区域，户外设备因为电压等级高所以操作户外设备具备一定的危险性，所以首先110kV隔离刀闸、接地刀闸、断路器等设备应具备电动操作功能，并且接地刀闸应具有闭锁功能或者五防功能，避免带电可以合接地刀闸，引起短路事故。其次，110kV设备在具备电动分合闸操作的基础上应通过数据传输将设备状态信息和操作信号传输至控制室，通过远程监控断路器和刀闸状态信息及远方操作来实现对户外设备的日常管理。

2）从户外110kV间隔到变压器。常规的变压器巡检主要是通过“望、闻、听、测”等手段，比如观察变压器上层油位是否过低、油温及绕组温度表指示是否在允许范围内，是否嗅到有异常味道，是否听到运行变压器有杂音，通过测量母排与母排、瓷瓶与母排等连接处的温度是否因为负荷增加导致温升过高等措施来综合判断变压器是否正常运行［1］。从智能变电站建设的角度讲，主要应做好变压器的监测与火灾预防。监测和保护手段主要可分为电量数据和非电量数据的监测与保护，监测的手段可引入在线测温技术与红外测温技术。在线测温技术主要对高、中、低压侧瓷瓶与母线连接处或母线之间连接处通过“内置电池表带式”与“集电环取电式”等测温装置采集温度数据。红外测温技术主要通过引入变压器红外热成像系统，可以第一时间发现变压器内部故障与电力连接点热故障，红外热成像系统不仅能实时监控变压器表面温度与内部温度，还能对故障点定位，而且可以穿透雨雾，不受可见光强度影响，不仅降低人工式巡检在危险作业区作业的风险性，还提高电力系统监控、测量效率。

另外，对变压器的火灾预防可引入变压器充氮灭火装置，也叫排油注氮防火灭火装置，其原理是当变压器发生火灾时，装置如处于自动运行状态，则在接收到重瓦斯动作信号、温感火灾探测器动作信号、断路器跳闸信号、油箱超压信号后装置立即启动，装置启动后，首先快速排油阀打开使变压器油箱顶部部分热油通过排油管排出，释放压力，防止二次燃爆，同时断流阀关闭切断油枕至油箱的补油回路，防止火上浇油。排油15s后，充氮阀打开使氮气从油箱底部注入搅拌，强制热冷油的混合，进行热交换，使油温降至闪点以下，同时充分稀释空气中的含氧量，达到迅速灭火的目的［2］。

3）从变压器到中低压侧配电室。对开关柜型号的选择上应逐步淘汰GG1A型开关柜，当前应用比较普及的也是使用效果不错的KYN28中置手车式开关柜，通过真空断路器切断运行电流及短路电流。对中低压配电室一次系统而言，智能化的改造或升级主要体现在开关柜隔离刀闸或接地刀闸的电动分合闸以及中置式手车的自动投入和退出，所以智能化变电站高压开关柜的配置思路主要指的是高压开关柜应具备电动操作刀闸与电动投入和退出手车的功能，并且具备远方控制的条件。

4）其他一次系统设备配置。高压一次电缆往往使用的是截面积比较大的铠装电缆，在对电缆的巡视和管理中，除了需要定期通过对电缆做绝缘电阻试验和耐压试验来判断电缆运行状态外，就是在运维过程中对电缆以及电缆井（沟）的日常巡视。在人的主观因素作用下通过人去巡视和判断电缆运行状态是非常不可控的，一方面由于电缆沟（井）所处环境是相对较为脏污的，运维人员不一定实事求是去现场完成巡检；另一方面通过普通测温仪器对电缆外层测温并结合一次测电流数据来判断电缆运行状态，对测温仪器的精度和运维人员专业素质的要求都比较高，有时数据并不一定准确，并不能反映电缆实时运行状态，所以从智能化变电站建设角度来看，利用不同温度的物体辐射出来的光波长不一样，通过光纤接收这些辐射波，传输至光谱仪再解码成温度的原理，引入电缆感温光纤测温系统是目前技术上已经成熟可靠的架构思路。

在变压器中性点不接地或没有直接接地的小电流接地系统中，电容电流允许值超过规范值情况下，应配置消弧装置，提高发生单相接地故障时的灭弧能力和电网安全运行［3］。在功率因数低系统的电容补偿中，应考虑使用动态无功补偿装置，自动根据负荷调整确定补偿容量，如SVG、SVC系统在变电站无功补偿中的应用。

2 智能变电站二次系统设备架构

1）智能变电站二次系统主要包括继电保护装置、变压器二次系统、互感器二次接线、直流系统等等。对智能化的继电保护装置要求，主要还是沿用传统继电保护装置原理和功能，通过对继电保护装置的整定值设置达到对高压设备保护的目的。此外，传统的变压器保护和测控装置通常按照一台变压器主保护装置，两台变压器后备保护装置，一台非电量保护装置，一台变压器测控装置来配置，装置数量多，屏内占用空间多，变相增加了屏柜的数量，所以从智能化精简设备的角度可以考虑配置一台变压器主后一体化保护装置及一台变压器测控装置，这样，2台装置就可以达到原来5台装置才可以实现的保护和测控功能。

2）直流操作电源。变电站直流系统主要负责提供可靠的直流操作电源，对电力设备安全运行具有重要作用。智能变电站对直流操作电源的要求主要体现在直流操作电源的安全性和可靠性。直流系统主要利用的就是蓄电池对继电保护、故障照明、后台监控等设备提供配电源，而由蓄电池有可能引起火灾事故且变电站内火灾事故极具破坏性，因此直流系统的智能化应体现在对直流系统的监控和预防火灾措施中。目前国内外主流的电池监控系统是BMS电池管理系统，电池管理系统（BMS）主要就是为了智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。防火管理可以引入气体火灾探测器，通过选择电池组表温和电池组内一氧化碳浓度这两种参数进行复合探测，对蓄电池热失控及火灾状况做出综合判断，避免系统误报和漏报。此外，气体探测可以兼顾气体浓度和浓度上升速率，提高探测准确率［4］。

3）其他二次系统设备配置。智能操作显示装置作为最直观的设备状态显示，对确定断路器及刀闸位置信息有重要作用，智能化的操作显示装置不仅具有状态指示功能，还可以结合开关柜在线测温系统显示触头温度以及带电指示功能，并且具备将这些数据传输到综合自动化后台的功能。

小电流接地系统中应配置小电流接地选线装置，从而在发生单相接地时准确判断出故障线路，目前小电流接地选线技术已相对成熟，选线准确率基本都可以达到98%以上，对保证电网运行安全是十分重要的，值得注意的是，在变压器经消弧线圈接地的系统中，应注意小电流接地选线装置与消弧线圈的配合问题，区分小电流选线装置同消弧补偿的原理，提高选线概率［4］。此外，还可以配合行波测距装置，在发生故障时准确判断故障线路的大致故障位置，对于故障处置，提高变电站安全性和智能化水平有重要意义。

3 辅助系统设备架构

变电站除了主系统以外的其他设备设施，虽然没有直接影响整体的高压设备运行，但是在保障电力设备安全运行中的作用以及直观地反映变电站智能化水平中还是非常重要的。变电站最主要的辅助系统应是综合自动化监控平台，综合自动化监控平台不仅反映设备断路器、刀闸位置状态，还能反映出电流、电压、负荷、功率因数等数据参数，将遥信、遥控、遥调等功能集中体现。此外，综合自动化后台远程操作功能还应具备上传电力调度功能，最终实现电力调度集中控制各下级站所开关设备、视频信号等功能，真正做到集中程度高、安全性高、可靠性高的无人值守智能化变电场所。

变电站最常见的运维过程就是设备巡检，轨道式巡检机器人或胶轮式巡检机器人在这方面的应用可以非常直观地体现出变电站智能化水平，两者均具备开关柜温度检测、局部放电监测、温湿度监测等等，其缺点也同样明显，比如造价和维护成本较高、巡视周期长，单个户内开关柜时长需要5～10min，整个巡视周期长达数小时。对于胶轮式巡检机器人还需要专门配置机器人充电口，上楼电梯等辅助设施，所以对于电力巡检机器人的配置应综合测评、效益评估后再选择应用。此外，智能化变电站辅助系统配置还应考虑全站视频监控系统、电子围栏安防系统、火灾烟雾报警系统等，打造成封闭式的、安全性高的智能化变电场所。

4 结束语

智能化变电站设备配置不仅仅针对新建变电站，在老旧变电站改造中也可以加入智能化改造内容。电气设备新建安装与升级改造耗资巨大，智能化变电站建设的道路上也不是一朝一夕可以完成的，建设智能化变电站、无人值守变电站还需要大量的时间沉淀和投资保证。随着科技的进步，新产品、新技术的不断应用，智能化设备也在不断升级换代和创新，在智能化变电站建设和改造的道路上，管理人员需要思路清晰、考虑全面、不断学习，并且同前沿设备和技术接轨，引入新技术、新装备、新管理模式，从而打造出坚强的供配电系统。