220 kV 智能變電站設(shè)計(jì)及運(yùn)維優(yōu)化研究

李永華

（寧夏寧電電力設(shè)計(jì)有限公司，銀川 750000）

220 kV 智能變電站是基于數(shù)字化信息技術(shù)搭建的智能平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)全站信息采集、傳輸、分析和處理的功能，能夠讓變電站實(shí)現(xiàn)集中控制、自動(dòng)運(yùn)行、自行管理和運(yùn)行狀態(tài)自適應(yīng)等功能，保證變電站能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)智能化控制。220 kV 智能變電站是將先進(jìn)、集成的智能設(shè)備組合而成，以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)進(jìn)行信息傳輸，自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)和計(jì)量等，能夠進(jìn)行自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析和協(xié)同互動(dòng)等。220 kV 智能變電站技術(shù)包括變電站信息采集、智能傳感技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)、保護(hù)技術(shù)和協(xié)調(diào)控制技術(shù)等。

1 220 kV 智能變電站

1.1 220 kV 智能變電站的特點(diǎn)

220 kV 智能變電站具有預(yù)防性、交互性、高集成度和低能耗性。

（1）220 kV 智能變電站設(shè)備能夠?qū)ψ冸娬敬嬖诘陌踩L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)防、報(bào)警等處理，減少因安全事故處理不及時(shí)帶來的損失。

（2）220 kV 智能變電站具有可交互性，能夠?qū)Ω鞣N信息進(jìn)行收集和處理，從而實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)其他設(shè)備的相互交互，保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

（3）220 kV 智能變電站具有高集成度。220 kV 智能變電站系統(tǒng)能夠使電子電工技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)集中控制、管理等高級(jí)觀念，而且兼容了微網(wǎng)技術(shù)及虛擬電廠，通過利用虛擬平臺(tái)對(duì)各種技術(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種技術(shù)的利用，從而能夠保證變電站安全、穩(wěn)定工作。

（4）220 kV 智能變電站采用低功耗、低碳環(huán)保等特性的電子元器件，對(duì)能源的需求較低，而且有利于保護(hù)環(huán)境。因此，220 kV 智能變電站具有低能耗。

1.2 220 kV 智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能變電站以IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，采用智能化的一次設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備，220 kV 智能變電站系統(tǒng)是以信息共享、虛擬平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化和智能變電站數(shù)字化為目標(biāo)。根據(jù)IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于變電站的模型，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)可以分為站控層、間隔層及過程層。220 kV 智能變電站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 220 kV 智能變電站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 站控層

站控層是利用監(jiān)控設(shè)計(jì)和控制設(shè)備對(duì)變電站系統(tǒng)進(jìn)行整體管理和控制，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度和變電需求，控制變電站系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。站控層可以利用智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，也可以進(jìn)行人為控制，從而能夠?qū)ψ冸娬镜乃性O(shè)備進(jìn)行管理、控制和監(jiān)測(cè)等。

1.2.2 間隔層

間隔層包括各類測(cè)控裝置、繼電保護(hù)裝置和自動(dòng)裝置等設(shè)備，利用這些設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)繼電保護(hù)、各個(gè)間隔的測(cè)控等功能，而且間隔層可以不依靠站控層的自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)和各個(gè)間隔的測(cè)控等，能夠獨(dú)立地完成相應(yīng)的任務(wù)。

1.2.3 過程層

過程層具有電子式互感器、IED 智能設(shè)備等智能一次設(shè)備，利用這些設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)操作命令的執(zhí)行。過程層也是站控層的執(zhí)行層，能夠?qū)ο逻_(dá)的命令進(jìn)行執(zhí)行和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的智能控制和監(jiān)測(cè)等。

2 220 kV 智能變電站設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)化系統(tǒng)配置

2.1.1 站控層的系統(tǒng)配置

現(xiàn)如今，我國(guó)變電站按照無人值班變電站的模式進(jìn)行監(jiān)管，通過利用智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站自動(dòng)管理和控制。智能變電站中，基于IEC61850 通信標(biāo)準(zhǔn)的智能二次設(shè)備相互之間的連接全部采用網(wǎng)絡(luò)通信，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。保護(hù)裝置、故障錄波器均直接接入自動(dòng)化系統(tǒng)站控層MMS 網(wǎng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)整體控制。在對(duì)220 kV 智能變電站進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，必須要優(yōu)化站控層的系統(tǒng)配置，設(shè)計(jì)新的站控網(wǎng)絡(luò)端，從而能夠?qū)ψ冸娬靖鞣N設(shè)備實(shí)現(xiàn)集成控制。

2.1.2 CPU 的獨(dú)立配置

在對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)CPU 的獨(dú)立配置進(jìn)行設(shè)計(jì)。保護(hù)裝置的CPU 能夠?qū)\(yùn)算的邏輯功能進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)，從而保證變電站安全工作。

2.2 防雷設(shè)計(jì)

現(xiàn)如今，不斷有新型材料和先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用在防雷設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)了可控放電避雷針和自動(dòng)重合閘裝置，從而提高了220 kV 智能變電站的防雷能力，減少雷擊對(duì)220 kV 智能變電站的影響。在設(shè)計(jì)過程中，安裝可控放電避雷針，能夠?qū)纂娺M(jìn)行儲(chǔ)存和釋放，減少雷擊對(duì)其的影響。雷擊具有瞬時(shí)、高壓等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響了變電站的安全，而自動(dòng)重合閘裝置能夠在線路受到雷擊時(shí)自行消除閃絡(luò)性事故，減少雷擊對(duì)變電站造成二次傷害和永久傷害；也可以進(jìn)行直擊雷保護(hù)和雷電過壓保護(hù)等，從而減少雷電對(duì)變電站的影響。因此，在設(shè)計(jì)過程中，必須要加強(qiáng)對(duì)可控放電避雷針和自動(dòng)重合閘裝置的設(shè)計(jì)，將這些先進(jìn)的裝置應(yīng)用到防雷設(shè)計(jì)中，能夠提高其防雷的能力，為防雷設(shè)計(jì)提供新的方向和思路。而且必須對(duì)變電站的輸配電線路進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，防止其受到人為和自然因素的干擾。

2.3 智能開關(guān)設(shè)計(jì)

2.3.1 智能一次設(shè)備

在對(duì)智能開關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，首先必須要對(duì)智能一次設(shè)備的斷路器、刀閘的電機(jī)、彈簧和液壓泵的電機(jī)等設(shè)備開關(guān)進(jìn)行監(jiān)控設(shè)計(jì)，對(duì)智能一次設(shè)備的開關(guān)進(jìn)行監(jiān)控。其次，必須要在智能一次裝置中嵌入傳感器部件，對(duì)其信息進(jìn)行收集和傳輸，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)智能一次設(shè)備信息的處理和控制。最后，必須要完善隔離層和站控層設(shè)備間的聯(lián)系，提高其交互性，讓智能一次設(shè)備與智能電腦相連接，實(shí)現(xiàn)智能控制等。開關(guān)式設(shè)備智能化設(shè)計(jì)方法如圖2 所示。

圖2 開關(guān)式設(shè)備智能化設(shè)計(jì)方法

2.3.2 常規(guī)開關(guān)設(shè)備+智能終端+狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元

在智能變電站工程的開始階段，由于尚無一次性技術(shù)設(shè)備本身有IEC61850 無線通信連接、設(shè)施符合智慧站的技術(shù)條件，所以，許多變電站采用常規(guī)開關(guān)設(shè)備與智能終端和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合的方式來對(duì)開關(guān)進(jìn)行管控，采用在新一次性技術(shù)設(shè)備中加上智慧終端用戶和狀況檢測(cè)的方法來完成對(duì)設(shè)備的控制。開關(guān)設(shè)備的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方法，如圖3 所示。其中，一次設(shè)備、監(jiān)測(cè)傳感器和控制柜相互獨(dú)立，利用控制柜的智能終端和總體監(jiān)測(cè)單元實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備斷路器的控制，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)。而且利用間隔設(shè)備和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其相互獨(dú)立工作和對(duì)一次設(shè)備的監(jiān)測(cè)。

圖3 開關(guān)設(shè)備的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方法

3 220 kV 智能變電站運(yùn)維策略

3.1 智能變電站的運(yùn)行巡視

3.1.1 過程層設(shè)備巡視

（1）合并單元檢查

在對(duì)過程層進(jìn)行運(yùn)維時(shí)，首先應(yīng)該對(duì)各種設(shè)備的外部情況進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)是否存在工作燈閃爍、設(shè)備外殼損壞和設(shè)備溫度過高等現(xiàn)象。其次，在設(shè)備正常工作時(shí)，必須要確認(rèn)空氣開關(guān)是否在合閘位置及裝置光纖接口有無松動(dòng)現(xiàn)象等，從而判斷過程層是否存在故障。最后，必須要對(duì)合并單元進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)其電流、電壓值是否在規(guī)定范圍內(nèi)，測(cè)量其內(nèi)部工作的溫度等，從而能夠保證變電站設(shè)備正常工作。

（2）智能終端

智能終端的柜體設(shè)備外形良好，無腐蝕問題。對(duì)其線路進(jìn)行檢查，檢查是否出現(xiàn)線路損壞、線路老化等情況。也要對(duì)智能終端的溫度、濕度等環(huán)境進(jìn)行檢查，保證智能終端設(shè)備的工作環(huán)境穩(wěn)定。

3.1.2 間隔層設(shè)備巡視

（1）繼電保護(hù)裝置

采集器和設(shè)備的機(jī)殼保持清潔完好且無損壞，并保持密封性良好。直流電源工作正常，空開保持在合閘的適當(dāng)位置。設(shè)備內(nèi)各種指示燈的指示工作正常且無誤。正常的工作狀況下，設(shè)備檢修壓板時(shí)應(yīng)維持在退出狀態(tài)。設(shè)備的光纖接頭應(yīng)無松動(dòng)跡象。設(shè)備操作時(shí)無異常噪聲和異味。

（2）測(cè)控裝置

設(shè)備的外表保持清潔完好并且無損壞跡象。設(shè)備內(nèi)的各指示燈說明正常準(zhǔn)確，且無閃爍現(xiàn)象。而二次側(cè)接線端子的接頭應(yīng)保持安全緊固，且無松動(dòng)掉落跡象。

3.1.3 站控層設(shè)備巡視

（1）網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)

主要檢測(cè)監(jiān)控后臺(tái)機(jī)的遙測(cè)數(shù)據(jù)指示功能是否正常工作，有沒有異常告警信號(hào)。而網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的各指示燈均保持正常工作并且無閃爍現(xiàn)象，通信狀態(tài)也保持正常。網(wǎng)絡(luò)工作情況正常。溫度在正常范圍內(nèi)，不影響設(shè)備工作。

（2）服務(wù)器及工作站

檢測(cè)設(shè)備能否正常運(yùn)行，以及是否存在死機(jī)現(xiàn)象。設(shè)備工作過程中有無產(chǎn)生異常聲響及異常氣體，以及有無產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。

3.2 智能變電站的運(yùn)行維護(hù)方法

3.2.1 電子式互感器運(yùn)維解析

電子式互感器和常規(guī)互感器運(yùn)行機(jī)理有所不同，儀器構(gòu)造和技術(shù)參數(shù)也存在區(qū)別。電子式互感器和普通互知器比較，兼具了高低溫全部分開、磁飽和或鐵磁諧振不形成、TA 二次開路或TV 短路風(fēng)險(xiǎn)較小及2 次輸入輸出均為數(shù)碼信息的特性，但不足之處是容易受到影響，對(duì)電氣屏蔽要求較高，在小負(fù)載工作時(shí)2 次輸入輸出偏差較大等。根據(jù)上述分析，在智能站運(yùn)維時(shí)要著重考慮電流互感器的飽和及工作狀態(tài)，即高壓和油位均順利工作，電流互感器飽和外形無異樣，末屏均應(yīng)連接（避免電磁輻射干擾），電控箱內(nèi)溫度和濕度超過法規(guī)限制區(qū)域及供電安全可靠等。

3.2.2 智能斷路器運(yùn)維解析

智能剩余電壓斷路器由斷電器和智能控制單元共同構(gòu)成，通過人員操縱對(duì)系統(tǒng)的失效及繼電保護(hù)裝置分閘、重合閘的智能控制和分、合閘操作相位角控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而能夠現(xiàn)斷路器控制選相合閘操縱和同步直流限流熔斷器。在智慧站管理運(yùn)維時(shí)，應(yīng)該著重注意智慧斷路器的設(shè)置地溫和濕度限制，斷路器電壓表值、各相位及方向應(yīng)準(zhǔn)確，智慧監(jiān)控單元操作時(shí)有無異常和定值準(zhǔn)確等。

3.2.3 合并單元、智能終端運(yùn)維解析

智能站整合模塊，是將二次轉(zhuǎn)換器的流量與壓力等信息隨時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間上相互整合的物理模塊，將電流互感器所導(dǎo)出的各種類型的數(shù)值統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，再利用光纖并借助交換機(jī)將采集的所得數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)通信應(yīng)用。

智能站綜合單元、智慧終端運(yùn)維時(shí)應(yīng)著重檢測(cè)設(shè)備外形是否正規(guī)、有無非正常過熱，并檢測(cè)各間隔電流轉(zhuǎn)換及工作方式指示與實(shí)際情況是否相符。授時(shí)準(zhǔn)確，供電可靠，安裝后地溫、相對(duì)濕度控制均保持在正常狀態(tài)。設(shè)備運(yùn)行時(shí)應(yīng)保持內(nèi)部無異物且壓板投退正常工作。另外，還應(yīng)保證各指示燈工作為常態(tài)，不發(fā)生報(bào)警情況。

4 220 kV 智能變電站設(shè)計(jì)和運(yùn)維優(yōu)化的建議

4.1 優(yōu)化二次接線方式

為了確保二次回路功能設(shè)計(jì)的合理性，在對(duì)220 kV智能變電站系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)數(shù)字化信息技術(shù)的運(yùn)用，并進(jìn)行優(yōu)化方案設(shè)計(jì)工作。經(jīng)過完善后的智能變電站二次系統(tǒng)的接線形式主要有2種，一是利用網(wǎng)絡(luò)方式來形成網(wǎng)路重合閘方式，經(jīng)過對(duì)二次系統(tǒng)回路線路進(jìn)行分析表明，在這種方案下的線路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，更突出了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的共享性，而且網(wǎng)絡(luò)延時(shí)并沒有對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)重合閘方案產(chǎn)生影響。還有1種保護(hù)線路的方法就是光纖線路，可以把跳閘信號(hào)迅速傳送到智能終端設(shè)備中，因?yàn)檫@種傳送形式信號(hào)的穩(wěn)定性比較強(qiáng)，從而提高了信號(hào)傳送效果。在對(duì)220 kV 的智能變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還要進(jìn)行二次工程設(shè)計(jì)和電氣施工等工作，嚴(yán)格地按照國(guó)家規(guī)范的工程建設(shè)條件，進(jìn)行各項(xiàng)施工和設(shè)計(jì)工作。

4.2 優(yōu)化其檢測(cè)手段和電子式互感器接入合并單元規(guī)約問題

現(xiàn)階段，智能電網(wǎng)在運(yùn)行過程中存在著電子式互感器直接接入合并單元規(guī)約問題，當(dāng)電流互感器和電壓互感器直接連接在一起時(shí)，會(huì)產(chǎn)生延時(shí)現(xiàn)象。為克服這一問題，就必須克服電流和電壓輸出問題，把電子式互感器的輸出信號(hào)和到達(dá)合并單位之間的均時(shí)差限制在2 m/s 以內(nèi)。在220 kV 智能變電站中要相應(yīng)地提高合并單位數(shù)量，管理好智能組件柜的體積等。該技術(shù)應(yīng)用了先進(jìn)的檢測(cè)裝置。對(duì)變電站的信號(hào)通過大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便檢查出產(chǎn)生危險(xiǎn)的可能性。在檢測(cè)時(shí)，還要運(yùn)用紅外線技術(shù)對(duì)變電站實(shí)行24 h 監(jiān)控和管理，并通過大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和繪制圖形，以發(fā)現(xiàn)變電站出現(xiàn)的問題。要對(duì)變壓器開展一定的應(yīng)用試驗(yàn)，利用新儀器開展差法、控法的制圖，更好地體現(xiàn)變壓器使用的實(shí)際狀況，從而能夠?yàn)樵摷夹g(shù)的研究提供研究方向。

5 結(jié)束語

綜上所述，對(duì)220 kV 智能變電站設(shè)計(jì)及運(yùn)維優(yōu)化研究具有重要的意義，必須要加強(qiáng)對(duì)220 kV 智能變電站設(shè)計(jì)的研究，改善運(yùn)維方法，從而保證智能變電站能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，也能夠確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行。