孫 峰，張幼明，黃 旭

(1．遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006;2．遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

隨著2009年國家電網(wǎng)公司正式提出“堅強智能電網(wǎng)”發(fā)展戰(zhàn)略，我國智能電網(wǎng)建設(shè)工作正式拉開序幕，建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有信息化、自動化、互動化特征，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的一體化高度融合的現(xiàn)代電網(wǎng)成為我國未來電網(wǎng)發(fā)展的主要目標(biāo)［1］。作為智能電網(wǎng)的兩個重要節(jié)點，智能變電站建設(shè)和電動汽車充電站建設(shè)不可或缺［2］。依據(jù)國家電網(wǎng)公司“十二五”電網(wǎng)智能化總體規(guī)劃，“十二五”期間全國新建110(66)kV及以上電壓等級智能變電站將超過8 000座，新建電動汽車充電站將超過3 900座。智能變電站和電動汽車充電站建設(shè)極大地推動了智能電網(wǎng)發(fā)展，然而隨著規(guī)模不斷擴大，市內(nèi)征地困難、系統(tǒng)安全穩(wěn)定等一系列問題逐步凸顯。為了保障智能電網(wǎng)建設(shè)的順利實施，開展智能變電站與電動汽車充電站關(guān)鍵技術(shù)研究迫在眉睫。

本文從解決智能變電站與電動汽車充電站建設(shè)中面臨的實際問題出發(fā)，分別從一次設(shè)備方面和二次設(shè)備方面積極開展了智能變電站與電動汽車充電站一體化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究，提出了智能變電站與電動汽車充電電站一體化設(shè)計的初步設(shè)計思路，在一次設(shè)備方面提出了基于三繞組三相電力變壓器的一體化設(shè)計方案，在二次設(shè)備方面提出了基于IEC61850國際標(biāo)準(zhǔn)的一體化設(shè)計方案。本文的研究內(nèi)容是在智能變電站與電動汽車充電站未來技術(shù)發(fā)展方向上一個初步探索，為后續(xù)的相關(guān)研究工作提供參考和借鑒。

1 變電站和充電站一體化設(shè)計思路

電動汽車充電站主要包括供電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、電池更換系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及相應(yīng)的配套設(shè)施。其中供電系統(tǒng)主要為充電設(shè)備提供電源，主要由一次設(shè)備 (包括開關(guān)、變壓器及線路等)和二次設(shè)備 (包括監(jiān)測、保護、控制裝置等)組成，供電系統(tǒng)主要電力來源為上級變電站 (智能變電站)。智能變電站作為電動汽車充電站的主要電源，主要由一次設(shè)備和二次設(shè)備組成。智能變電站和電動汽車充電站一體化設(shè)計，主要從一次設(shè)備一體化和二次設(shè)備一體化兩個方面進行考慮。

a． 在一次設(shè)備方面，考慮將智能變電站與電動汽車充電站供電系統(tǒng)一次設(shè)備進行整合，智能變電站采用三繞組三相電力變壓器，智能變電站變壓器高壓側(cè)出線為上一級電源接入點，中壓側(cè)出線依然供應(yīng)地區(qū)中壓配電網(wǎng)，而低壓側(cè)出線將直接為智能變電站站用電和電動汽車充電服務(wù)。一次設(shè)備的一體化設(shè)計，使變電站和充電站結(jié)構(gòu)緊湊分布更加合理，有利于節(jié)省一次設(shè)備總投資，減少了整體建筑面積。

b． 在二次設(shè)備方面，則考慮在智能變電站和電動汽車充電站全面采用基于IEC61850國際標(biāo)準(zhǔn)的一體化通信網(wǎng)絡(luò)，通過采用先進的智能的二次設(shè)備，在一體化通信平臺基礎(chǔ)上實現(xiàn)智能變電站與電動汽車充電站的通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和計量系統(tǒng)一體化整合。二次設(shè)備的一體化設(shè)計，極大地提升了變電站和充電站信息共享程度，提升了一體化站整體的自動化、信息化、智能化水平。

本文一體化設(shè)計推薦應(yīng)用于征地困難，且有智能變電站與電動汽車充電站建設(shè)需求地區(qū)。

2 一次設(shè)備一體化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 一次設(shè)備一體化設(shè)計方案

遼寧地區(qū)電動汽車充電站電源主要來自上級66 kV變電站，66 kV變電站10 kV出線直接送入充電站供電系統(tǒng)，電動汽車充電站供電系統(tǒng)一般自身設(shè)有專用10 kV配電變壓器，10 kV配電變壓器0.4 kV出線直接為充換電設(shè)備供電。結(jié)合遼寧電網(wǎng)的實際和電動汽車充電站的實際需要，一體化設(shè)計66 kV智能變電站采用三繞組電力變壓器，取代原有的66 kV雙繞組變壓器和充電站內(nèi)的10 kV配電變壓器，從而實現(xiàn)智能變電站與電動汽車充電站供電系統(tǒng)一次設(shè)備的一體化整合。一次設(shè)備一體化設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

一體化設(shè)計中66 kV三繞組變壓器三側(cè)電壓等級分別選取66 kV/10 kV/0.4 kV，其中66 kV側(cè)為供電電源進線，供電電源由上級220 kV變電站提供;變壓器中壓側(cè)接入10 kV電網(wǎng)，主要為地區(qū)10 kV配電網(wǎng)提供電力;變壓器低壓側(cè)0.4 kV送入電動汽車充電站，主要作為充換電設(shè)備的電力來源，同時也承擔(dān)著智能變電站和電動汽車充電站的全站用電任務(wù)。

圖1 一次設(shè)備一體化設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 一次設(shè)備一體化關(guān)鍵技術(shù)研究

2.2.1 變壓器低壓繞組容量選擇

常規(guī)三繞組變壓器容量配比有3種形式:100/100/50、100/50/100、100/100/50，額定容量是指容量最大的繞組的容量。如果按照常規(guī)變電站容量比例配比，則低壓側(cè)容量至少應(yīng)為額定容量的50%，考慮到一體化站變壓器低壓側(cè)只服務(wù)于站用電和電動汽車充電，66 kV變電站低壓側(cè)容量按照50%額定配置依然較大，因此66 kV變壓器低壓側(cè)容量需要進行單獨計算。配電變壓器容量選擇簡化算法如下［3］。

a． 充電機容量計算

考慮到充電站配電系統(tǒng)安裝了有源濾波無功補償裝置，cosφ可以達到0.95，共有N臺充電機，第i臺充電機的容量Si折算采用如下簡易算法:

式中:Pi為第i臺充電機的輸出功率;ηi為充電機工作效率，高頻開關(guān)整流充電機取0.95，相控整流充電機取0.85。

b． 換電設(shè)備輸入容量計算

共有M臺換電設(shè)備，其中第j臺換電設(shè)備功率Sj可表示為

式中:Pj為第j臺換電設(shè)備額定功率;ηj為換電設(shè)備工作效率。

c． 變壓器低壓側(cè)容量計算

依據(jù)實際充電站運行情況，全站考慮采用同時率Kx，則可得充電站站用電輸入總?cè)萘亢喴姿惴?

式中:Se為全站站用電容量;Kx為全站設(shè)備同時系數(shù)。Kx由充換電設(shè)備的使用情況和數(shù)量決定，取值范圍考慮0.5～0.8。

考慮變壓器最佳負(fù)荷率為βm，則可得變壓器低壓側(cè)容量S3:

式中:βm為變壓器最佳負(fù)荷率，一般考慮取值為0.8。

以上對變壓器低壓側(cè)容量的計算研究，主要是為一體化站三繞組變壓器的選型提供技術(shù)參考，具體的容量選擇還需要依托實際進行設(shè)計。

2.2.2 有源濾波及無功補償容量計算

變壓器低壓繞組直接接入充電站，因此低壓側(cè)需要進行有源濾波和無功補償。有源濾波及無功補償容量計算方法如下。

a． 確定補償容量

補償容量計算方法:

式中:SB為補償容量，Kx為整體修正系數(shù)，需根據(jù)計算分析結(jié)果和實際測定情況綜合決定，一般選擇0.5～0.8;Ki(i=1，2，3)分別表示大、中、小型充電機可靠系數(shù)，一般取1.05～1.20;ηi(i=1，2，3)分別表示大、中、小型充電機充電效率;ξi(i=1，2，3)分別表示大、中、小型充電機在交流電源輸入端產(chǎn)生的諧波電流含有率 (取輸出電壓范圍內(nèi)的最大值);Si(i=1，2，3)分別表示大、中、小型單臺充電機功率。

b． 進行有源濾波裝置的選擇

根據(jù)確定的補償容量，在兼顧經(jīng)濟性和實用性的前提下，選擇有源濾波裝置的容量和數(shù)量。

c． 確定功率因數(shù)補償參數(shù)

按功率因數(shù)補償?shù)?.95的目標(biāo)，計算需要的無功補償容量，確定電容器的容量和組數(shù)。

2.2.3 變壓器接線方式選擇

依據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》第6.0.7條，在TN及TT接地型式的低壓電網(wǎng)中，推薦采用Dyn11接線組別的配電變壓器。條文解釋中說明Dyn11接線有利于抑制高次諧波，充電機站采用TT接地型式，因此10 kV配電變壓器普遍推薦和采用Dyn11接線［4］。在66 kV變電站實際應(yīng)用方面，我國的66 kV變壓器多采用Ynd11型接線方式。因此結(jié)合一體化站的實際需要和目前我國66 kV變電站的實際應(yīng)用情況，本文推薦一體化設(shè)計中三繞組變壓器采用YnDYn型接線方式。

3 二次設(shè)備一體化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 二次設(shè)備一體化設(shè)計方案

目前智能變電站二次系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)主要采用基于IEC61850國際標(biāo)準(zhǔn)的“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，主要由站控層、間隔層、過程層及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成［5—6］。電動汽車充電站通信系統(tǒng)主要基于以太網(wǎng)或CAN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，系統(tǒng)由站控層、間隔層及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。智能變電站與電動汽車充電站二次設(shè)備一體化設(shè)計，考慮采用基于IEC61850國際標(biāo)準(zhǔn)的一體化通信網(wǎng)絡(luò)，采用分層、分布、開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，橫向涵蓋智能變電站和電動汽車充電站通信網(wǎng)絡(luò)，縱向在結(jié)構(gòu)上劃分為站控層、間隔層和過程層，實現(xiàn)全站測控保護、安防監(jiān)控、計量計費系統(tǒng)的一體化設(shè)計。二次設(shè)備一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

一體化設(shè)計中全站采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，均采用以太網(wǎng)組網(wǎng)，除考慮計量系統(tǒng)、安防系統(tǒng)單獨組網(wǎng)外，其他系統(tǒng)均統(tǒng)一組網(wǎng)并采用“三層兩網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

站控層設(shè)備主要包括:主機/操作員工作站/五防工作站、運動通信裝置、智能輔助控制系統(tǒng)、公用測控裝置、交直流電源管理系統(tǒng)以及其他智能接口設(shè)備。站控層主要提供一體化站內(nèi)運行的人機聯(lián)系界面，實現(xiàn)管理控制間隔層、過程層設(shè)備等功能，形成全站的監(jiān)控、管理中心，并實現(xiàn)與遠(yuǎn)方監(jiān)控/調(diào)度中心通信。

間隔層設(shè)備主要包括:測控裝置、保護裝置、錄波裝置、電能計量裝置以及其他智能接口設(shè)備等。間隔層由若干個二次系統(tǒng)組成，在站控層及站控層網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，具備仍能獨立完成間隔層設(shè)備就地監(jiān)控功能。

圖2 二次設(shè)備一體化設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

過程層設(shè)備主要包括電子式互感器、合并單元、智能終端等設(shè)備。過程層主要實現(xiàn)實時電氣量的采集、設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等功能。

站控間隔層網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)站控層設(shè)備間、間隔層設(shè)備間及站控設(shè)備與間隔設(shè)備間的通信，傳輸MMS報文和GOOSE報文;過程層網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)間隔層設(shè)備與過程層設(shè)備間的通信。傳輸SMV采樣值報文和GOOSE報文。

3.2 二次設(shè)備一體化關(guān)鍵技術(shù)研究

3.2.1 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究

a． 站控間隔層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有總線、星形和環(huán)形3種基本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。智能變電站站控間隔層網(wǎng)絡(luò)目前主要以采用星型結(jié)構(gòu)和環(huán)形結(jié)構(gòu)居多，相比星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)可用率有所提高，單故障時兩者均不損失功能，少數(shù)的復(fù)故障環(huán)形網(wǎng)可以保留更多的設(shè)備通信。但是由于支持環(huán)網(wǎng)功能，交換機價格也大大提高，目前環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)在國外智能變電站應(yīng)用較多。國內(nèi)經(jīng)過多年的技術(shù)積累，通信裝置普遍具備2～3個獨立以太網(wǎng)口，星型網(wǎng)絡(luò)在變電站實際應(yīng)用有著更加豐富的使用經(jīng)驗。依據(jù)《110(66)kV～220 kV智能變電站設(shè)計規(guī)范》要求，一體化設(shè)計中站控層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)渫扑]采用單星型結(jié)構(gòu)。

b． 過程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

過程層網(wǎng)絡(luò)分為SMV采樣值網(wǎng)絡(luò)和GOOSE信息傳輸網(wǎng)絡(luò)［7］。前者的主要功能是實現(xiàn)電流、電壓交流量的上傳;后者的主要功能是實現(xiàn)開關(guān)量的上傳及分合閘控制、防誤閉鎖等。目前在過程層組網(wǎng)方式上國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量相關(guān)研究與試驗，但是過程層組網(wǎng)方式尚無統(tǒng)一的方式。目前主要方式包括:點對點方式、組網(wǎng)方式、三網(wǎng)合一方式。

點對點方式實現(xiàn)較容易、投資較小，但設(shè)備間連接較復(fù)雜、信息共享性較差;組網(wǎng)方式設(shè)備間連接簡單清晰、信息共享性好，但延時不確定、投資大、對繼電保護可靠性有影響;三網(wǎng)合一方式即將SMV、GOOSE和同步對時網(wǎng)絡(luò)三網(wǎng)合一建設(shè)，此種方式是未來的發(fā)展趨勢，但目前還處于研究試驗階段。充分考慮到一體化設(shè)計的安全性、可靠性、實時性和示范性等多方面要求，一體化設(shè)計中過程層網(wǎng)絡(luò)66 kV間隔考慮采用直采網(wǎng)跳方式，即SMV采用點對點方式，GOOSE采用組網(wǎng)方式;10 kV、0.4 kV間隔采用三網(wǎng)合一的組網(wǎng)方式。

3.2.2 同步對時方式研究

智能變電站同步對時方式主要有:GPS秒脈沖及B碼對時、SNTP、IEEE 1588 3種。GPS秒脈沖及B碼對時的優(yōu)點是技術(shù)成熟，精度可達微秒級，但需要額外鋪設(shè)光纖線纜;SNTP協(xié)議實現(xiàn)簡單，但精度只能達到毫秒級;IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)先進，精度可達微秒級，目前只有為數(shù)不多的二次設(shè)備和交換機能夠?qū)崿F(xiàn)，但是未來的發(fā)展方向。

在考慮到現(xiàn)有的技術(shù)水平和未來發(fā)展趨勢基礎(chǔ)上，建議一體化設(shè)計中在站控層網(wǎng)絡(luò)上使用SNTP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)對時，在過程層點對點方式采用B碼對時方式，組網(wǎng)使用IEEE1588(V2)網(wǎng)絡(luò)對時方案。

3.2.3 計量系統(tǒng)一體化研究

66 kV智能變電站主要在變壓器10 kV側(cè)、10 kV出線、10 kV電容器設(shè)置計量點，如有關(guān)口計費要求，可采用帶通信接口的全電子式多功能電能表，站內(nèi)設(shè)置1套電能量采集裝置，通過網(wǎng)絡(luò)或電話撥號方式向有關(guān)部門傳送電能信息。電動汽車充電站計量部分主要由關(guān)口電能表、直流電能表、交流電能表 (含三相表與單相表)組成，通過站內(nèi)采集終端完成與用電信息采集系統(tǒng)或上級監(jiān)控中心的通信。

智能變電站與電動汽車充電站一體化設(shè)計，全站設(shè)置統(tǒng)一的電能量采集裝置，通過本地工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)對智能變電站和電動汽車充電站的電能量、充電電量等信息的采集，相關(guān)信息送到后臺服務(wù)器進行存儲和處理，并通過光纖或無線方式實現(xiàn)與上級監(jiān)控管理部門的通信，確保上級系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取智能變電站和電動汽車充電站內(nèi)的電量信息，實現(xiàn)設(shè)備和信息的集約化管理。

4 結(jié)束語

a． 為解決智能變電站與電動汽車充電站建設(shè)中面臨實際問題，提出了智能變電站與電動汽車充電站一體化設(shè)計的總體設(shè)計思路。

b． 提出了基于66 kV三繞組電力變壓器的智能變電站與電動汽車充電站一次設(shè)備一體化設(shè)計方案，針對三繞組變壓器低壓側(cè)容量選擇、接線方式選擇、有源濾波和無功補償容量選擇問題開展關(guān)鍵技術(shù)研究，并給出了相應(yīng)推薦方案。

c． 提出了基于IEC61850國際標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站與電動汽車充電站二次設(shè)備一體化設(shè)計方案，針對通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇、同步對時方式選擇、計量系統(tǒng)一體化設(shè)計等問題開展關(guān)鍵技術(shù)研究，并給出了相應(yīng)推薦方案。

［1］ 張文亮，劉壯志，王明俊，等．智能電網(wǎng)的研究進展及發(fā)展趨勢 ［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(13):1－11．

［2］ 曹 楠，李 剛，王冬青．智能變電站關(guān)鍵技術(shù)及其構(gòu)建方案的探討 ［J］．電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39(5):63－68．

［3］ Q/GDWZ423—2010，電動汽車充電設(shè)施典型設(shè)計［S］．

［4］ Q/GDW238—2009，電動汽車充電站供電系統(tǒng)規(guī)范［S］．

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