彭鵠 ，田娟娟 ，陳燕 ，閆培麗，史京楠

（1.重慶電力設計院，重慶市 401121；2.重慶市電力公司電力科學研究院，重慶市 401121；3.國網北京經濟技術研究院，北京市 100052）

0 引言

傳統變電站的一次設備主要包括變壓器、開關設備（氣體絕緣開關設備、斷路器）、隔離開關、互感器等，二次設備主要包括保護、監(jiān)控、計量、電源及其他輔助系統，一次設備與二次設備相對獨立，且二次設備集中布置于二次設備室。

根據《智能變電站技術導則》的定義，智能變電站是采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的設備組合而成，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節(jié)、在線分析決策、協同互動等高級應用功能的變電站［1］。

智能變電站的特點首先是具有高度的可靠性；其次是具有很強的交互性；其三是具有很高的集成度［2－3］。

目前已投運的智能變電站已實現了一次設備本體與在線監(jiān)測傳感器的集成，有關保護、測控裝置，合并單元智能終端的裝置集成在不同電壓等級的變電站均有使用，實現了一、二次設備的初步融合，未來將朝著一、二次設備完全一體化的方向發(fā)展［4－6］。

本文根據智能變電站的發(fā)展方向和新一代智能變電站的設計理念，提出了新一代智能變電站設備集成的新思路，達到設備的高度集成化，同時，根據集成設備提出變電站優(yōu)化設計思路和方案，實現變電站占地面積的優(yōu)化。

1 新一代智能變電站的設計原則

新一代智能變電站的設計原則是“系統高度集成、結構布局合理、裝備先進適用、經濟節(jié)能環(huán)保、支撐調控一體”。

系統高度集成。設備上包括一次設備集成；系統上包括對保護、測控、計量、功角測量等二次系統一體化集成和故障錄波、輔助控制等系統的融合；功能上包括變電站與調控、檢修中心功能的無縫銜接。

結構布局合理。對內包括一、二次設備整體集成優(yōu)化、通信網絡優(yōu)化以及建筑物平面設計優(yōu)化；對外包括主接線優(yōu)化，靈活配置運行方式適應變電站功能定位的轉化和電源、用戶接入。

裝備先進適用。設備上智能高壓設備和一體化二次設備的技術指標先進、性能穩(wěn)定；系統上功能配置、系統調試、運行控制工具靈活高效，調控有力；通信系統安全可靠，信息傳輸準確無誤。

經濟節(jié)能環(huán)保。在全壽命周期內，最大限度地節(jié)約資源，節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、保護環(huán)境和減少污染，實現效率最大化、資源節(jié)約化、環(huán)境友好化。

支撐調控一體。優(yōu)化信息資源，增加信息維度，精簡信息總量。支持與多級調控中心的信息傳輸；支撐告警直傳與遠程瀏覽，為主站系統實現智能變電站監(jiān)視控制、信息查詢和遠程瀏覽等功能提供數據、模型和圖形的傳輸服務［7－8］。

2 一次設備集成基本思路

新一代智能變電站一次設備的集成是在傳統一次設備的基礎上將部分一次設備的功能進行有效整合，從而優(yōu)化變電站內設備配置，減少變電站設備數量，優(yōu)化變電站平面布置，減少變電站占地面積，降低變電站運行維護工作量。

2.1 隔離式斷路器的應用（集成式智能隔離斷路器）

老式斷路器的故障率比隔離開關高很多，常規(guī)變電站設備配置每間隔在斷路器兩側配置隔離開關，目的是盡可能將斷路器隔離開來以便檢修，隨著斷路器設計和生產工藝的不斷提高，斷路器的故障率大幅降低，隔離開關的故障率并未有明顯變化，現階段的變電站一次設備檢修維護的主要工作量集中在隔離開關上。

隔離式斷路器（disconnecting circuit breaker，DCB）是近年來被研發(fā)出來的新設備，其外形尺寸與普通斷路器一致（如圖1所示）。隔離式斷路器有3個工作位置：合閘位置、分閘位置、隔離開關位置，斷路器斷口達到隔離開關耐壓水平，其具備了隔離開關的功能，該功能通過斷路器滅弧室觸頭來實現，選配接地開關置于斷口外，接地開關閉合，可見接地點證明DCB在分閘位置，并可實現閉鎖，確保操作維護人員的安全。電子互感器可實現與DCB的的集成或組合安裝。

圖1 隔離式斷路器外形及滅弧室結構圖Fig.1 Shape of disconnecting circuit breaker and structure of interrupter

由于隔離式斷路器具備了斷路器＋隔離開關＋電流互感器＋接地開關的功能，因此將其應用于變電站可以減少變電站主接線中元件的數量，提高變電站電氣主接線的可靠性。

2.2 集裝箱式設備的應用

目前，集裝箱式設備在電力行業(yè)中多應用于低壓配網的箱式變，在高壓輸變電工程中還處于試點應用階段［9］。集裝箱式設備按電氣功能模塊化設置，箱內接線及單體設備調試均在工廠內完成。箱內設備、箱與箱及箱與其他設備間采用標準化連接，實現“即插即用”。集裝箱式設備最大程度實現工廠內規(guī)模生產、集成調試，采用標準化定型，提高工藝水平。推進現場機械化施工，減少勞動力投入，降低現場安全風險，提高工程質量，提升施工效率（圖2）。

圖2 變電站中集裝箱式建筑應用示意圖Fig.2 Schematic diagram of container－type equipment in substation

2.3 氣體絕緣開關柜的應用

氣體絕緣高壓開關柜是一種緊湊、封閉、免維護的開關柜，由于其帶電部分安裝在充有氣體的密封氣室內，因此帶電部分不會受污穢、灰塵、小動物等的影響，且能最大限度的保證人員的安全。該類開關柜的技術成熟，結構緊湊，相比空氣柜，氣體絕緣式高壓開關柜具有體積小、防護等級高、使用壽命更長、免維護、不受海拔潮濕影響特點。

將氣體絕緣開關柜應用于新一代智能變電站，并安裝于集裝箱內，能極大的優(yōu)化變電站的占地面積，圖3為采用集裝箱布置的10kV 配電裝置平面圖。

圖3 采用集裝箱布置的10kV配電裝置平面圖Fig.3 Layout of 10kV power distribution device in container

2.4 氣體絕緣母線的應用

氣體絕緣母線即GIS 設備的封閉絕緣母線，其具有結構緊湊、體積小、防護等級高、使用壽命長、免維護等優(yōu)點。將氣體絕緣母線應用于新一代智能變電站的110kV 母線，由于其封閉絕緣性能，可以不考慮帶電距離，同時由于其免維護性可簡化主接線形式，達到縮小變電站占地面積的目的。

3 二次系統集成與創(chuàng)新

新一代智能變電站二次設備的集成主要體現在設備及其實現功能的整合；創(chuàng)新主要體現在層次化保護控制系統的應用。

3.1 二次設備集成整合

系統高度集成是新一代智能變電站設計的原則之一，二次系統的設計方案從站控層、間隔層到過程層設備配置，無不遵循這一原則。

站控層設備集成：變電站監(jiān)控主機、操作員工作站和工程師工作站采用三合一服務器配置方式；Ⅰ區(qū)數據通信網關機和圖形網關機采用二合一服務器配置方式。間隔層設備集成：220kV 電壓等級和主變壓器采用多功能測控裝置，集成測控、計量和PMU功能；110kV 電壓等級采用保護、測控與計量多合一裝置；10kV 電壓等級采用保護、測控、計量、錄波、操作及合并單元等六合一裝置。

過程層設備集成：110kV 及以下電壓等級采用合并單元與智能終端裝置集成；主變壓器本體智能終端集成非電量保護功能。

通過集成整合設計，有效減少了二次設備的配置數量，降低了二次系統運行維護工作量。

3.2 層次化保護控制系統

層次化保護控制系統以就地保護為基礎、站域與廣域保護協同的多維度層次化繼電保護系統，從空間維度上由3層構成，分別是就地層保護控制系統、站域層保護控制系統和廣域層保護控制系統，3層保護控制系統實現電網全范圍保護控制功能覆蓋，3層構架如圖4所示［10］。

圖4 層次化保護控制系統構架Fig.4 Architecture of hierarchical protection ＆control system

3.2.1 就地級保護控制系統

就地保護控制系統，向單個被保護對象，利用被保護對象自身信息獨立決策，實現可靠、快速地切除故障，其保護功能的實現不受站域保護控制系統和廣域保護控制系統的影響。

3.2.2 站域級保護控制系統

站域保護控制系統，面向變電站，利用站內多個對象的信息，集中決策，完成并提升變電站層面的保護及安全自動控制功能。

站域保護控制功能配置應根據不同地區(qū)、不同站點的實際需求確定，如表1所示。

站域保護控制系統有助于解決傳統后備保護僅能獲取單間隔信息，動作時間長、靈敏性和選擇性無法兼顧的問題，與就地級保護控制系統一并構成變電站繼電保護體系。

表1 220kV變電站站域保護控制系統功能需求表Tab.1 Functional requirement of substation－area protection ＆control system in 220kV substation

3.2.3 廣域級保護控制系統

廣域保護控制系統，面向區(qū)域電網，利用多站的綜合信息，統一判別決策，實現相關保護及安穩(wěn)控制等功能。

隨著電網建設的規(guī)模的不斷擴大，對電網安全穩(wěn)定運行的要求越高，廣域保護控制系統可以實現在更廣范圍內以最優(yōu)化方式實現故障切除，確保系統的安全穩(wěn)定運行。

層次化保護控制系統是新一代智能變電站中繼電保護系統的重要特征，以繼電保護多年成功的理論和實踐探索為基礎，既堅持了就地保護的獨立性和可靠性，又充分利用可共享的數據信息和網絡通信技術，有效整合保護功能、提升故障識別能力，強調了與安全穩(wěn)定控制功能的協調配合，提升了保護控制系統總體性能，有利于構建更加嚴密的電網安全防護體系。

4 變電站主接線及總平面優(yōu)化設計

重慶大石220 kV 輸變電工程被國家電網公司列為新一代智能變電站試范工程，本文以重慶大石220 kV變電站為例，將隔離式斷路器、氣體絕緣開關柜、110 kV 氣體絕緣母線、層次化保護控制系統及集裝箱式設備應用于該站，并在此基礎上對該站的主接線和總平面進行合理優(yōu)化，以達到提高運行可靠性、降低維護工作量、優(yōu)化占地面積、節(jié)能經濟環(huán)保的目的。

該站的建設規(guī)模為主變壓器最終3 臺180 MVA；220 kV 出線最終6回；110 kV 出線最終12回；10 kV 出線最終24回。

4.1 電氣主接線優(yōu)化設計方案

該站按其建設規(guī)模如采用常規(guī)一次設備，220 kV 電氣主接線如圖5所示［11］。

圖5 采用常規(guī)一次設備時220kV電氣主接線圖Fig.5 220kV main electrical wiring diagram with using conventional primary equipment

如采用隔離式斷路器，220kV 電氣主接線如圖6所示。

圖6 采用隔離式斷路器時220kV電氣主接線圖Fig.6 220kV main electrical wiring diagram with using disconnecting circuit breaker

從圖5、圖6 可以看出，采用隔離式斷路器后，220kV 電氣主接線中元件數量得到了較大減少，出線及主變間隔斷路器、電流互感器整合為集成式智能隔離斷路器，取消線路側隔離開關，每個間隔設備數量減少3個，但主接線形式仍為雙母線接線。

該站按其建設規(guī)模，如采用常規(guī)一次設備，110kV電氣主接線如圖7所示［11］。

圖7 采用常規(guī)一次設備時110kV電氣主接線圖Fig.7 110kV main electrical wiring diagram with using conventional primary equipment

如采用隔離式斷路器，110kV 電氣主接線如圖8所示。

從圖7、圖8 可以看出，采用隔離式斷路器后，110kV 電氣主接線中元件數量得到了較大減少，出線及主變間隔斷路器、電流互感器整合為集成式智能隔離斷路器，電氣主接線從雙母線接線簡化為單母線三分段接線，取消出線及母線隔離開關。

經過上述優(yōu)化，設備數量和投資變化如表2～3所示。

圖8 采用隔離式斷路器時110kV電氣主接線圖Fig.8 110kV main electrical wiring diagram with using disconnecting circuit breaker

表2 采用DCB與否時220kV設備數量對比Tab.2 Comparison of 220kV equipment numbers between using DCB and not using DCB

表3 采用DCB與否時110kV設備數量對比Tab.3 Comparison of 110kV equipment numbers between using DCB and not using DCB

從表2、表3可以看出，采用隔離式斷路器后變電站的設備數量得到大幅降低，電氣主接線中元件數量也相應減少，該站電氣主接線的可靠性分析如表4～5所示。

表4 220kV電氣主接線可靠性比較Tab.4 Reliability comparison of 220kV main electrical wiring

從表4 可以看出采用隔離式斷路器后，220 kV電氣主接線的失電量期望將減少1 596 MW·h·a－1（容載比按1計算），如果1 kW·h電按0.5元考慮，每年可提高售電額約79.8萬元。

表5 110kV電氣主接線可靠性比較Tab.5 Reliability comparison of 110kV main electrical wiring

從表5 可以看出采用隔離式斷路器后，110 kV電氣主接線的失電量期望將減少1 965 MW·h·a－1（容載比按1計算），如果1 kW·h電按0.5元考慮，每年可提高售電額約98.3萬元。

4.2 電氣總平面優(yōu)化設計方案

根據該站的建設規(guī)模，參照國家電網公司通用設計方案，采用常規(guī)設備的220 kV 配電裝置平面布置圖如圖9所示［11］。

圖9 采用常規(guī)設備的220kV配電裝置平面布置圖Fig.9 Layout of 220kV power distribution devices with using conventional equipment

采用隔離式斷路器和集裝箱式設備后的220kV配電裝置平面布置圖如圖10所示。

圖10 采用隔離式斷路器的220kV配電裝置平面布置圖Fig.10 Layout of 220kV distribution devices with using disconnecting circuit breaker

根據該站的建設規(guī)模，參照國家電網公司通用設計方案，采用常規(guī)設備的主變及110kV 配電裝置平面布置圖如圖11所示［11］。

圖11 采用常規(guī)設備的主變及110kV配電裝置平面布置圖Fig.11 Layout of main transformer and 110kV power distribution devices with using conventional equipment

采用隔離式斷路器、氣體絕緣開關柜和110kV氣體絕緣母線、集裝箱式設備后的主變及110kV 配電裝置平面布置圖如圖12所示。

圖12 采用隔離式斷路器的主變及110kV配電裝置平面布置圖Fig.12 Layout of main transformer and 110kV distribution devices with using disconnecting circuit breaker

經過上述優(yōu)化后，變電站橫向尺寸未發(fā)生變化，但縱向尺寸由128.5m 減少為84.5m，另外由于集裝式建筑的應用，變電站建筑面積也得到較大減小，優(yōu)化前后占地面積和建筑面積對比如表6所示。

表6 優(yōu)化前后占地面積和建筑面積對比表Tab.6 Comparison of occupied area and building area before and after optimization

5 結論

本文根據新一代智能變電站的設計理念和思路，提出了隔離式斷路器、集裝箱式建筑、氣體絕緣開關柜和110 kV 氣體絕緣母線在變電站的應用，總結了二次系統設備集成整合和層次化保護控制系統的配置原則，并以重慶大石220 kV 變電站為例，對其電氣主接線和電氣總平面進行了優(yōu)化設計。

經過設備集成和優(yōu)化設計后，變電站電氣主接線的可靠性得到了明顯提高，且占地面積和建筑面積也得到了較大減小，滿足新一代智能變電站的設計原則，達到新一代智能變電站的建設目的，同時為新一代智能變電站的推廣實施奠定了基礎。

［1］國家電網公司.Q／GDW383—2009 智能變電站技術導則［S］.北京：中國電力出版社，2009.

［2］鐘金，鄭睿敏，楊衛(wèi)紅，等.建設信息時代的智能電網［J］.電網技術，2009，33（13）：12－18.

［3］曹楠，李剛，王冬青.智能變電站關鍵技術及其構建方式的探討［J］.電力系統保護與控制，2011，5（39）：63－67.

［4］國家電網公司.Q／GDW Z410—2010 高壓電氣設備智能化技術導則［S］.北京：中國電力出版社，2010.

［5］黃新波，賀霞，王宵寬，等.智能變電站的關鍵技術及應用實例［J］.電力建設，2012，33（10）：29－33.

［6］國家電網公司智能電網部.智能開關設備技術條件［R］.北京：國家電網公司，2010.

［7］宋璇坤，李敬如，肖智宏，等.新一代智能變電站整體設計方案［J］.電力建設，2012，33（11）：1－6.

［8］劉有為，鄧彥國，吳立遠.高壓設備智能化方案及技術特征［J］.電網技術，2010，34（7）：1－4.

［9］王偉男.當代集裝箱裝配式建筑設計策略研究［D］.廣州：華南理工大學，2011.

［10］李孟超，王允平，李獻偉，等.智能變電站及技術特點分析［J］.電力系統保護與控制，2010，18（38）：59－62.

［11］國家電網公司.國家電網公司輸變電工程通用設計：110（66）～750 kV 智能變電站部分［M］.北京：中國電力出版社，2010.