电力变电系统的智能化设计

赵心亮

（中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044）

0 引 言

随着我国经济的发展，电力系统的整体结构越来越复杂，将智能化技术应用在电力系统中，不仅能够使电力系统的运行速度加快，还能够提升其运行稳定性，实现现代电力系统节能环保的发展目标。变电系统是电力系统日常运行的关键环节，确保变电系统的稳定运行，才能保证电力系统整体正常运行。近年来，针对变电系统的各种研究不断增多，大量学者认为开展变电系统智能优化设计可以提升其运行的可靠性和安全性。基于此，文章对电力变电系统展开智能化设计，以期为我国电力变电系统的改革提供思路。

1 电力变电系统的现有设备

以某市电力系统中的某110 kV 变电系统为例，其主要现有设备如表1 所示。除此之外，该变电系统中还含有大量断路器、隔离开关以及互感器等。

表1 电力变电系统的现有设备

2 电力变电系统的智能化设计

2.1 智能化设计内容

在进行智能化设计时，其核心目的包括本质安全、智能巡检、智能表计、减少维护以及绿色环保等，具体内容如下文所述[1]。

（1）对现有装备中的1 号主变电器增设气体、电流、振动、介质损耗等多项监测设施；同时对2 号主变电器在增设与1 号相同监测设施的基础上，再次增加免维护辅助器。

（2）对现有装备增设断路器、能够进行远距离数字信息传输的继电器以及机械特性监测设施。

（3）对线路中的隔离开关进行更换，每个隔离开关均增设微动开关，在操作箱中增设温湿度传感器。

（4）更换线路中的互感器，增设介质损耗监测设施。

（5）在进线避雷器的计数器中增设泄露和阻性电流在线监测设施。

（6）增设干式站用变压器、主要流通接线板、开关柜小车、电缆室、电缆沟无线水浸传感器、节点设备等。

2.2 变电系统短路电流计算

当电力线路中出现短路现象时，线路中会在短时间内出现巨大的电流，进而对各个变电系统中的设施设备产生巨大影响。短路现象出现的具体原因相对复杂，可能受气温、湿度、绝缘老化等因素影响。本实验为了确保设计的智能化变电系统能够长期维持稳定运行，在判断故障风险上限时主要采取三相短路故障[2]。

开展相关计算能够为电力系统的继电保护提供一定的数据支撑，可作为变电系统主要电气设备参数值的设定依据。为了计算出更加精准的短路电流，文章在开展计算时需做出假设：第一，在发生短路的瞬间，发电机组的转子转速与相位相同；第二，若电流传输的线路较长，则需要进一步考虑线路容抗；第三，若电流传输线路的电阻与电抗差异较小，则还需要考虑电阻的影响[3]。

2.3 线路元件电抗标幺值计算

设定变电系统的基准容量SB=100 MVA，基准电压为UB=Uav，系统在最大电流传输的情况下，电抗的最小值为Xmin=0.04 Ω，最小电流传输情况下电抗最大值为Xmax=0.06 Ω。则此时，变电系统中变压器的阻抗XT计算如下。

最小运行方式下，变压器等效阻抗的标幺值为

最大运行方式下，变压器等效阻抗的标幺值为

最大运行方式下变压器高压侧电源的进线阻抗为

最大运行方式下变压器低压侧各出线阻抗为

式中：SN为带包变压器的额定容量；US为变压器短路电压的百分数；L为变电线路的长度；UB为变压器高压侧额定电压；L1～L5为变压器低压侧5 条出线的线路长度；Un为低压侧额定电压。

2.4 智能辅助系统改造

文章在改造智能辅助系统时，需要秉持着“设计一体化、精简化、远程化、智能化”的原则，全面提升变电站辅助系统的设备管控能力[4]。

第一，辅助设备监控系统结构功能。文章在智能辅助系统中设计了一套相应的辅助装置监控系统，该系统的接入主要是为了完成对变电站运行情况的数据采集、控制、告警、管理和全景信息展示等工作，以辅助工作人员对变电站内的设备进行合理监控。则辅助设备监控系统应具备的功能包括业务应用功能和高级应用功能。其中，业务应用功能主要包括变电站安全防护模块、变电站周边与内部环境监测模块、变电站内外照明控制模块、变电站设备运行监测模块、变电站智能锁控模块、变电站消防管控模块、变电站巡视机器人管理模块等[5]。

第二，信息总览。变电站的智能辅助系统应具备同时集中管理与控制内部各个区域电子地图、运维班工作表、变电站设备状态等内容的模块，同时还应具备管控所有区域监控系统，进行实时监测结果的展示模块。

第三，照明控制。变电站在进行照明控制时，主要通过在内部设置控制器，并将其与变电站的各个灯具联系在一起，与变电站整体监控系统连接，实现变电站照明相关设备的实时监控与智能控制。

第四，安全防范。变电站的安全防范体系是智能辅助系统中极为关键的部分，其主要由变电站门禁、智能电子围栏、内外监控系统等构成，能够有效确保变电站的门禁，防入侵系统能够在同一时间内完成数据采集、监控与智能控制。

第五，环境监测。变电站智能辅助系统在开展环境监测工作时，主要通过在内部设置的大量传感器采集环境中的各项信息数据，并以此为依据对变电站的控制箱、水泵、除湿机、空调等设备进行智能控制，确保变电站的内部环境保持稳定。

第六，智能锁控。智能辅助系统中的智能锁控体系由锁具、钥匙和各个锁具的智能控制器组成，这一体系能够有效实现变电站内所有锁具的一键解锁，提升变电站工作效率，同时这一体系还为工作人员提供了远程控制锁具与开锁记录智能化管理的渠道，以提升变电站的锁具管理效率。

第七，在线监测系统。由于变电站日常生产工作涉及的工作设备数量与种类众多，在智能辅助系统中加入在线监测系统必不可少。这一系统大多由各种内部实时监测设备与相应的监测信息处理体系结合组成，工作人员通过在线监测系统即可完成对变电站整体的在线监测。对收集到的数据信息进行上传与分析后，能够反映各个设备的工作状态，以帮助工作人员及时发现设备故障，维护生产状态稳定。

第八，通信要求。变电站的智能辅助系统对通信具有一定要求，这主要体现在以下几个方面。（1）通信接口的设置应符合相关规定与制度，在硬性要求方面必须严格符合要求；（2）系统的软件应具有较高的扩展性，确保其能够向下兼容，形成完善的通信协议体系。

2.5 系统远动改造

系统远动改造如下文所述。

（1）管理模式：本变电站按无人值班设计，全站设置综合自动化系统。

（2）遥测：遥测信息主要对变电站内部线路信息进行遥测计量，包括线路侧的三相电流和母联三相电流、电压以及有功和无功信息、母线三相电压、主变压器每侧的三相电流、电压、有功和无功、功率因数、油温和绕组温度等。

（3）遥信：遥信信息主要针对电压等级的线路信息进行遥信计量，主要包括线路侧、主变低压侧、电容器、隔离开关等双位置信号、地刀位置信号、主变保护动作信号、各电压等级的母联和电容器保护动作信号、变压器内部故障总信号、直流系统接地、直流系统异常信号以及站用变本体异常信号等。

（4）遥控：包括变电站内所有的断路器分、合闸遥控和所有电动隔离开关及接地刀闸分、合闸遥控。

3 结 论

传统的人工控制变电站难以满足人们对于电力供给的需求，变电站需要更加灵活的控制模式。文章设计了一种智能化变电站，可以结合智能化技术缓解传统变电站的电力供给压力，为地区电网的发展提供更加坚实的基础。文章首先分析了某电力变电系统现有的所有设施与装备的状态，找到其中存在的问题。在此基础上，对变电系统进行智能优化设计，结合短路电流计算结果，对智能辅助系统进行了改造。该智能化电力变电系统符合智能化设计要求，可作为智能化设备进行推广与应用。