新一代智能变电站的总体设计和技术路线陈娜张金华

新一代智能变电站的总体设计和技术路线陈娜张金华

陈娜张金华

（国网天津武清供电有限公司天津武清301700）

摘要：智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑，是电网运行数据的采集源头和命令执行单元，是智能电网建设的重要组成部分。电网发展方式转变、管理模式创新发展、科学技术进步都为智能变电站的发展提出了新的要求。本文对新一代智能变电站顶层设计进行研究，提出了新一代智能变电站的建设目标与功能特点，制定了新一代智能变电站的总体架构和技术路线，并论述了智能变电站核心技术与关键设备的发展方向和技术方案。

关键词：智能变电站；顶层设计；技术路线；

0引言

目前，国内已启动并完成了智能变电站试点工程。在不同电压等级、不同地域选取了47座新建变电站作为试点工程。在原理研究、设备研制、设计优化、标准制定等方面取得了许多创新成果。在设备方面，一次设备的智能化将设备运行状态信息上传到集控站和调度中心，有效支持生产环节对设备的运行管理、优化运行控制，提升了设备可用率；电子式互感器或“常规互感器+合并单元”的方式实现了电网信息的源头数字化采样；按照IEC61850标准建立了新型二次网络架构，整合变电站自动化系统、状态监测系统和辅助控制系统，实现全景数据监测。在设计方面，智能变电站的高级应用水平得到较大提升，顺序控制、智能告警和综合分析、源端维护等功能已在试点工程中得到应用，初步实现变电站操作控制高效便捷。在满足设备可靠性的前提下，提高装置硬件集成度、取消冗余功能器件、减少装置配置数量，通过装置整合，优化二次组柜，屏柜数量减少30%；采用交直流一体化电源系统，实现站内各类电源系统的一体化设计、配置、监视和控制。

智能变电站试点工程虽然在设备、建设与运维管理方面取得了较大进展。但由于系统较多、功能分散，智能变电站建设理念、技术创新、专业管理等方面仍有待于进一步解决。一是一次设备智能化水平有待提高，一、二次设备和二次设备之间尚未有效集成二是自动化架构多采用三层两网结构，站内信息网络比较复杂，既增加了设备投资，又降低了可靠性三是变电站与调度主站之间功能定位未能有效衔接，信息重复处理问题有待解决四是功能与定位不适应专业化建设、调控运行、状态检修等模式转变的要求。

智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑，是电网运行数据的采集源头和命令执行单元，是智能电网建设的重要组成部分。电网发展方式转变、管理模式创新发展、科学技术进步都为智能变电站的发展提出了新的要求。本文通过研究智能变电站发展的功能需求和试点工程建设中暴露出来的问题，提出了新一代智能变电站的发展目标和技术路线，论述了一次、二次等关键领域的发展重点，并完成了近期和远期新一代智能变电站设计方案的初步研究。

1功能需求

1.1满足电网发展方式转变的要求

波动性、间歇性清洁能源的接人，要求变电站更加灵活可控多元化服务需求，要求变电站更加友好互动经济社会的发展，要求变电站更安全、更可靠、更优质资源与环境约束，要求变电站更高效、更节约、更环保。

1.2满足公司发展方式转变的要求

建设调控一体模式，实现变电站设备监控的统一管理，要求变电站的信息流优化整合，与调度全景数据共享，提升决策控制能力与运行效率。同时建设专业检修模式，要求变电站支撑专业化运检方式，通过在线监测与设备状态可视化技术，为检修管理提供优化和决策依据，提高设备利用效率和管理水平。

1.3满足智能变电站技术进步的要求

协同控制技术为实现电网安全、可靠、经济、灵活的运行奠定了有效基础。高温超导、纳米技术、新型绝缘材料、复合材料等新材料应用为提高设备性能、研制新设备创造了条件。信息通信技术为满足海量信息交互和处理功能提供了技术支撑。

2存在问题

2.1设计模式

目前，变电站设计主要采用供应商主导的分专业设计模式，难以实现变电站的整体最优化目标。设计理念和设计方法受制于设备技术水平，配置、布置和控制等设计方案仍有进一步提升空间。新一代智能变电站将实现分专业设计向整体集成设计的转变。通过整体集成设计，明确设备的功能需求，引导设备研制通过优化主接线和总平面布局，提高变电站整体设计水平，确保先进的设计理念实施到位。

2.2一次设备

在智能变电站试点工程中，一次设备的一体化设计理念实施不到位，造成绝缘设计、机械设计等配合不当。同时缺少厂内一体化调试，设备现场联调时，出现通信接口、模型配置不统一等问题，影响工程进度。

新一代智能变电站将实现一次设备智能化向智能一次设备转变。通过智能组件、传感器与一次设备的一体化设计，实现设备有效集成，功能高度整合，达到安装快捷、运行智能、检修方便。

2.3二次系统

智能变电站中各个二次系统的配置独立分散，信息共享度低，采样处理重复，维护工作量大对调控一体化的支撑力度不够，尚不满足电网运维管理体制的转变要求。

新一代智能变电站将实现分散独立系统向一体化业务系统的转变。整合原来各分系统功能，构建一体化业务系统深化高级功能应用，全面支撑“大运行”、“大检修”采用层次化保护控制，实现安全稳定的“三道防线”。

3建设目标

新一代智能变电站以“系统高度集成、结构布局合理、装备先进适用、经济节能环保、支撑调控一体”为目标，着力探索前沿技术，推动智能变电站的创新发展。

开展新一代智能变电站的研究与建设，超前勾画智能变电站的发展蓝图，探索技术研究和发展路线，努力在世界智能电网科技领域实现“中国创造”和“中国引领”。

4技术路线

4.1近期技术路线

近期以设计集成优化、支撑管理改革为重点，通过整合系统功能、优化结构布局，采用“一体化设备、一体化网络、一体化系统”技术构架，有效提升变电站智能化水平。

（1）一体化设备。将集成封装技术、节能环保技术与智能控制技术结合，一体化设计制造，实现设备小型轻便、运行智能、节能环保。

（2）一体化网络。深化IEC61850应用，采用多源信息分层与交互技术，组建变电站一体化高速以太网络，实现全景数据多维优化交互。

(3)一体化系统。构建变电站一体化业务平台，实现与调度、检修、营销系统的协调互动，提升对新能源、特殊负荷的控制能力，全面支撑智能电网运行管理。

4.2远期技术路线

远期以推动技术变革，展示理念创新为重点，通过前沿技术突破，采用“新型设备、新式材料、新兴技术”的支撑体系，推进变电站装备和技术的重大突破。

（1）设备上，采用超导变压器、超导限流器、电力电子变压器、固态开关、光子保护装置等新型设备，实现电网控制精确、调控灵活，设备自动诊断、自动隔离、自动重构、易维免维。

（2）材料上，采用超导材料、复合材料、节能环保材料等新式材料和工艺，实现设备轻型化、小型化、低碳化、高效化、节能省地环保。

（3）技术上，采用光计算、云计算、系统级芯片、物联网、自取储能等新兴前沿技术，实现应用系统对设备的即时感知、精准计算、快速互动和可靠控制。

5发展重点

5.1变压器

近期以提高变压器智能化、集成化水平为重点，将智能组件、传感设备与变压器本体集成加快研制新型材料、结构优化的节能环保变压器，有效降低损耗、提高安全性和环保水平。

远期以高温超导材料、纳米技术和电力电子技术为重点，研制超导变压器，有效降低损耗、提高过负荷能力研制集无功补偿、电能质量控制功能于一体的电力电子变压器，实现电网有功、无功、电压的平滑调控。

5.2开关设备

近期以研制具有隔离开关功能与电子式互感器的集成式智能断路器为重点，实现采用电机驱动机构和同步控制技术智能灭弧，减小对系统冲击采用状态监测与智能控制，实现开关设备的状态维护和自我调节。

远期将应用固态开关解决电网故障的快速隔离问题，实现高速频繁开断、精确控制。

5.3其他电气设备

近期研制集串联电抗器与并联电容器于一体的集成式无功设备。

远期将研究利用超导故障限流器有效解决电网故障短路电流问题，提升电网的安全性研制超导线圈储能系统，为重要负载提供高质量不间断电源。

5.4保护控制

近期以构建就地一站域一广域级的层次化保护控制体系为重点，实现空间维度和时间维度协调控制，提高保护控制的可靠性和精准度。

远期将研究实现多原理保护功能的专用芯片，提升通用性、安全性和可靠性研究光学保护系统，实现“光采集、光传输、光计算、光触发”的无缝连接，实现电网瞬时值全息测量，提高保护的可靠性、快速性和控制的精确性。

5.5变电站自动化

近期重点是高级应用功能实现化，通过顺序控制、状态估计、综合分析和智能告警，提高调控系统智能化水平研究与应用多功能二次装置，实现三态数据的统一采集和上送，减少装置，提高运维效率。

远期将利用生产控制云滴系统，有效整合数据与处理器资源，实现信息并行处理、功能统筹协调、业务灵活扩展研究自取能蓄能技术，为站内装置提供多样化用能方式，减少常规电源配置数量。

5.6系统通信

近期以构建站内一体化高速以太网为重点，简化过程层网络，减少交换机数量，方便信息共享建设大容量骨干网，提高传输带宽、支撑与调控、运检中心海量数据的实时交互。

远期将组建智能变电站站内传感网络，实现设备的全面感知与智能控制，推动电力物联网在变电站系统的集成创新应用。

6设计方案

近期新一代智能变电站以“占地少、造价省、效率高”为重点，构建以“集成化智能设备一体化业务系统”应用为代表的新一代智能变电站。

远期新一代智能变电站围绕“新型设备、新式材料、新兴技术”，构建基于电力电子技术和超导技术应用的新一代智能变电站。

6.1近期方案

（1）设备选择。110kV~220kV高压设备主要选择集成式智能变压器、断路器和无功设备，10kV~35kV选择低压气体绝缘开关柜二次构建一体化业务系统，配置层次化保护控制系统和多功能二次测控装置。

（2）电气主接线。变电站电气主接线除满足自身的可靠性、经济性和灵活性外，也应满足电网整体的运行方式灵活改变的需要，便于潮流的合理分布，减小事故的影响范围，并能从主接线结构实现短路电流限制。

由表1可见，新一代智能变电站采用集成式智能断路器，电气主接线的可靠性得到提高,故障概率平均下降约27%，平均持续停电时间减少了16%，并使采用单母线分段的220kV侧电气主接线可靠性水平达到原双母线型式的可靠性。具体工程需结合变电站定位、电网转供能力等选择双母线接线及单母线分段型式。

（3）平面布置。新一代智能变电站配电装置采用集成电子式互感器、隔离开关和断路器的集成式智能断路器，应用封闭母线与封闭组合电器实现无裸露连接，平面布置的纵向尺寸将显著缩短，各方案占地面积平均缩减30%，其中封闭组合电气电缆出线方案缩减60%。

（4）造价分析。与相同规模、建设型式、配电装置形式的变电站通用造价对比，新一代智能站总投资增加6%~28%。其中，设备费平均增加21%左右，建筑工程费平均降低13%，安装工程费降低14%，其他费用降低11%。考虑工程推广，设备批量生产后，预计设备价格可下降约20%。此时，新一代智能站将与常规智能站投资水平基本相当或进一步降低。

（5）成效分析。新一代智能变电站将缩小故障波及范围、缩短停电时间，电气主接线的可靠性得到提高。采用一体设备配置方案减少了设备平均不可用性。新一代智能变电站将设备维护的不可用性从3.1h/a减少至1.2h/a，提高了设备可用率。将配电室楼由钢筋混凝土框架结构优化为集装箱单元箱体，减小建筑面积70%~80%。采用集成化设备，实现模块化连接，优化站内结构布局，减小占地面积20%~60%。

（6）技术亮点。

设备高度集成：应用一体设备，实现一次、二次设备整合封装，站内设备元件减少，总平布置深度优化。站内母线可采用封闭母线落地布置，取消母线、主变架构，降低建筑物建筑高度和站内整呼高。

建设灵活高效：采用模块化设计、组合化拼装，实现设备“即装即用”。采用集装箱式建筑，方便检修与运维，简便运输，提高变电站建设效率。

运维安全便捷：采用新型环保气体电气设备，减少全站设备带油体量，降低火灾发生概率减少变电站裸露带电部分，方便运行维护，降低误操作概率，提高人身安全保障。

系统优化整合：全站信息高度共享，提升保护整体性能，提供基于三态数据采集、存储和处理的统一信息平台，全面支持调度技术支持系统应用，支撑调控一体和运维一体。

6.2远期方案

（1）基于电力电子技术应用的方案。应用电力电子技术，构建“一次电、二次光”的新一代智能变电站，实现电能精确、灵活、快速控制，交直流混供功能。

一次设备采用电力电子变压器和固体开关，简化接线型式，取消无功设备，提升电网安全运行水平。二次系统构建纯光系统，实现光学传感精确采集、光纤通道无误传递，光学计算准确判断、光能触发无缝驱动，创新二次系统架构。

（2）基于超导技术应用的方案。应用超导技术，构建“高容量、低损耗、抗短路”的新一代智能变电站，增大传输容量、降低网损，降低电网故障短路电流。

一次设备采用内嵌智能芯片的超导故障限流器、超导变压器，通过物联网动态感知，实现主动保护与控制。二次系统采用云技术实现智能控制和保护，参与云调度，支撑基于高速网络的电网广域协调、保护及控制等功能，提高电网的可靠性。

7结语

目前，智能变电站在技术、设备、功能等方面实现了较大提升，总体造价与常规变电站相比基本相当，但是与外部运行管理的转变和内部自身技术的发展要求仍存在差距，建设理念需要突破，关键技术需要创新，专业管理有待提升。

参考文献

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[5]李瑞生，李燕斌，周蓬权.智能变电站功能架构及设计原则[J]电力系统保护与控制，2010，34（7）：1-4

作者简介

陈娜（1985年01月~），女，汉族，助理工程师，本科学历，祖籍天津武清，主要从事配电线路运行维护、业扩受理、安全管理等工作。工作单位：国网天津武清供电有限公司。

张金华（1981年8月），男，汉族，大学本科学历，祖籍天津武清，主要从事电网规划管理、电力市场分析预测、负荷预测、大用户及新能源接入等工作。工作单位：国网天津武清供电有限公司。