风电场110kV智能变电站设计方案的探讨王凯

风电场110kV智能变电站设计方案的探讨王凯

王凯

（新疆风电工程设计咨询有限责任公司乌鲁木齐830063）

摘要：随着经济高速发展,我国电网规模不断扩大,信息化程度越来越高，电网对风电场的要求也越来越高，风电场智能变电站将成为未来发展的方向和必然趋势。智能变电站对于传统变电站具有巨大的挑战，其技术也是一个不断发展和完善的过程。针对智能变电站的特点，对风电场智能变电站设计要点进行了阐述，结合工程实例进行了方案探讨。

关键词：110kV智能变电站，设计要点，设计方案

0引言

变电站作为输配电系统的重要组成部分,市场化改革对其也提出了新的要求:从变电站外部看,更加强调变电站自动化系统的整体信息化程度，与电力系统整体的协调操作能力,从变电站内部看,体现在集成应用的能力上,也不同于传统的变电站自动化装置的智能。

电网是关系国计民生的重要基础设施，实现党的十九大提出的“两个一百年”奋斗目标，电力需求将保持持续增长；同时随着经济高速发展,我国电网规模不断扩大,信息化程度越来越高。在这种发展形式下,国家电网公司从2009年以来不断提出加快建设坚强智能电网，推动能源资源在更大范围实现优化配置，并制定了一系列规范、标准及典设。为了保证电网安全、稳定运行,电网对风电变电站的要求也越来越高，同时随着风电场建设的环境条件建设越来越恶劣，建设周期短，风电场智能变电站将为未来风电场发展的方向和必然趋势。

1智能变电站概述

1.1智能变电站的定义

智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全部信息数字化、通信网络化、信息共享标准化为基础要求，同时满足各类信息的采集、测量、保护、监控等多项功能，并可保证电网实现自动调节、在线分析并提供相应动作等高级功能的变电站。

智能变电站作为一种新兴的变电站形式，是在数字化变电站的基础上发展和演变而来的，可以实现变电站系统的自动化和智能化，是智能电网运行和控制的关键。

1.2智能变电站与传统变电站的区别

从传统变电站到智能变电站主要以下差异：

（1）一次设备智能化

一次设备的智能化和信息化是实现智能电网信息化的关键，使用标准的数字化、信息化接口，实现融合在线检测和测控保护技术于一体的智能化一次设备是这样就能实现整个智能电网信息流一体化的需求。智能变电站的设备层继承了传统变电站过程层、间隔层的所有功能。

（2）设备检修状态化

设备状态在线检测属于全新功能，可以锁是智能变电站与传统变电站最核心的区别之一。智能化一次设备通过先进的状态检测手段、可靠的评价手段和寿命的预测手段来判断一次设备的运行状态，并且在一次设备运行状态异常时对设备进行故障分析，对故障的部位、严重程度和发展趋势做出的判断，可识别故障的早期征兆，并根据分析诊断结果在设备性能下降到一定程度或故障将要发生之前进行维修。

传统变电站中只有少数变压器安装了在线监测装置。而在智能变电站领域中，不光是变压器，GIS、SF6断路器、隔断开关等主要一次设备都需要安装在线检测设备。

（3）二次设备网络化

变电站的二次设备，如继电保护、检测控制装置、运动装置、故障录波设置、无功补偿、网络安全检测设备等等。这些设备之间的连接全部采用高速的网络通信，而不会出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享。可以说二次设备网络化既是通过IEC61850协议、光纤等设备实现分布式系统控制，从而代替总线方式，使的数据传输更加丰富、更加标准，这也为智能变电站“全景”式监控提供了保证。

图1智能变电站与传统变电站的区别

1.3智能变电站一次设备

智能化一次设备主要为电子式互感器。

1.3.1电子式互感器

电子式互感器分为有源与无源2种，其中全光纤电流互感器为无源型，它基于磁光法拉第效应原理，采用光纤作为传感介质，不存在铁磁共振和磁滞后饱和，同时具有频带宽、动态范围大、体积小、重量轻等优点。有源型电子式电流/电压互感器即对传统的电流/电压互感器所输出的电流、电压信号进行就地数字化后，通过光纤、合并单元、网络设备等传输至保护、测控设备。

电子式互感器较之传统互感器在很多方面都有了很大的提高，其敏感元件和传输元件都是光纤，安装维护相对于其他电子式互感器简单。输入输出光路为统一路径，提高了抗干扰能力，安全可靠性高。

1.4智能网络化的二次设备

智能网络化的二次设备架构采用三层网络结构：过程层、间隔层、站控层。

过程层是一次设备与二次设备的结合面，主要由电子式互感器、合并单元、智能单元等自动化设备构成，主要完成与一次设备相关的功能，如开关量、模拟量的采集以及控制命令的执行等。

间隔层主要包括变电站的保护、测控、计量等二次设备，主要任务是利用间隔的数据完成对本间隔设备的监测和保护判断。

站控层主要包括变电站监控系统、远动系统、继电保护故障信息系统等，其作用是完成对本站内间隔层设备及一次设备的控制，并完成与院方控制中心、工程师站及人机界面的通信功能。

2智能变电站设计的要点

2.1智能化变电站的关键设备技术应用

智能组件是若干智能电子装置（IED）的集合，安装于宿主设备旁，承担与宿主设备相关的测量、控制和监测等功能。智能组件还可集成相关继电保护功能。智能组件集成与宿主设备相关的测量、监测和控制等基本功能，由若干智能电子装置实现。

智能组件是一个灵活的概念，可以由一个组件完成所有功能，也可以分散独立完成，可以外置于主设备本体之外，也可以内嵌于主设备本体之内。

智能高压设备是一次设备和智能组件的有机结合体，是具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化等特征。智能控制和状态可观测是高压设备智能化的基本要求，其中运行状态的测量和健康状态的监测是基础。

2.1智能化一次设备的选择

（1）110kV、主变各侧采用电子式互感器、以光纤通信信号输出，其他一次设备可以保持原有设备不变，同时使用智能终端作为一次设备的智能化接口，实现智能设备的功能要求。

（2）对于风电场中110kV变电站中的配电装置，使用手车式或者充气式开关柜，由于其各出线的保护测控装置统一安装在各自的开关柜上，因此，只需要在其主变低压侧外置智能终端即可，不需要在每回出线柜上进行配置。

2.2构建网络构架

组网形式使用高速以太网络，可以确保系统的数据传输速率不低于100Mb/s，同时是所有设备都具有对应的通信接口，通信规约宜采用DL/T860标准。

站控层可传输MMS报文和GOOSE报文，宜采用冗余网络，网络结构拓扑宜采用单星型以太网，站控层/间隔层MMS信息应在站控层网络传输。站控层/间隔层MMS信息应具备间隔层设备支持的全部功能，其内容应包含四遥信息及故障录波报告信息。站控层/间隔层GOOSE信息可在站控层网络传输，主要用于间隔层设备间通信。

110kV间隔层设备与过程层设备之间宜采用点对点方式传输GOOSE、SV报文。当全站配置有故障录波、母差保护或备自投装置时，110kV过程层可设置单星型以太网，GOOSE报文和SV报文公网传输。35kV不宜单独设置过程层网络，当110kV过程层设置单星型以太网络时，主变压器35kV设备宜接入110kV过程层网络。GOOSE报文通过站控层网络传输。

3智能变电站设计实施方案

结合某风电场变电站的设计，对其设计方案进行探讨。

该变电站电压等级为110kV，线变组接线，最终1台50MVA主变，1回110kV出线，3回35kV风机出线；110kV采用GIS设备，35kV采用手车式开关柜设备。

3.1智能化一次设备

在满足可靠性、经济性的前提下，运用相应的方法，对智能化一次设备进行适当选择，同时配置对应的传感器、智能终端等功能模块，将常规一次设备转换为智能一次设备。

（1）主变智能化是指在电力变压器上附加综合智能组件，附加的变压器综合智能组件通过变压器状态传感器和指令执行元件，可以实现对主变中性点隔离开关、有载调压开关等设备的管理和控制，以及对主变电量、油色谱、局部放电、容性设备监测、光纤绕组测温、铁芯接地电流等监测项目的全部或部分内容。附件变压器综合智能组件并不改变变压器的基本技术原理。

（2）对于主变高低压侧的互感器采用罗氏线圈电子式电流电压互感器；对于35kV风机出线/SVG出线/站用变/接地变间隔，考虑到性价比的因素，选用常规的互感器。

（3）110kV避雷器采用带在线监测装置，避雷器在线监测系统实现了避雷器的全电流，泄漏电流值以及计数器动作次数的在线监测功能。

3.2智能化二次设备

3.2.1智能终端

智能终端主要实现一次设备的状态监测及控制，由于国内外还没有纯粹的智能开关设备面世，所以在不改变电气一次设备本体结构的前提下，在间隔端子箱内安装智能终端实现对本间隔所有断路器、刀闸的集中监控与控制是目前国内数字化变电站较为通用的做法。

（1）主变智能终端配置方案：主变高、低压侧配置双套智能终端，并配置单套主变本体智能终端。

各智能终端配置独立的GOOSE接口，点对点与对应的主变保护装置相连；各智能终端配置一个独立的GOOSE接口分别接入过程层GOOSE网络，主变本体智能终端接入GOOSE网，用于非电量信号的采集。主变本体智能终端与主变本体保护采用电缆直接连接。

（2）其他智能终端的配置方案：110kV侧的智能终端安装在GIS智能汇控柜内，35kV的智能终端安装在相应的开关柜内。

3.2.2合并单元

合并单元是联系电子式互感器和网络化的二次设备之间的设备，用于对来自传感模块的各相电流电压进行时间相关性同步组合，并转发给二次设备。传感模块到合并单元之间为光纤以太网，传输规约采用IEC61850-9-2传送。

变压器各侧合并单元按双套配置，中性点电流并入高压侧合并单元，主变套管TA配置双套合并单元。各合并单元配置独立的GOOSE接口，点对点输出给对应的主变保护装置；各合并单元配置一个独立的SV接口，分别接入过程层网络，用于故障录波及计量等。

3.2.3其他二次

非61850子系统（如直流、消防、视频等）配置一套智能接口机，接入信息一体化平台。

3.3智能变电站的创新点

智能变电站是智能电网的重要内容，变电领域的发展重点是智能变电站，智能变电站对智能电网的建设将起到先驱作用。

智能变电站的主要优势：

（1）光纤代替电缆，设计安装调试都变得简单

（2）模拟量输入回路和开关量输入输出回路都被通信网络所取代，二次设备硬件系统大为简化

（3）统一的信息模型，避免了规约转换，信息可以充分共享

（4）可观测性和可控性增强，产生新型应用：如状态监测、站域保护控制

主要体现在以下几个方面：引进了电子式互感器、合并单元智能终端、交换机等新装置；采用了IEC61850标准、IEEE1588新标；其中继电保护系统、通信网络结新体系结；同时研发了一些新功能。

4结语

随着经济的快速发展，设备的更新换代的速率越来越快，智能变电站将是未来风电场变电站发展的方向和必然趋势。同时智能变电站又是一个全新的理论体系，对于传统的变电站自动化系统、微机保护装置以及一次设备具有一定的挑战性，一次和二次设备还需要进一步完善。

因此，只有不断加强智能变电站设备智能化技术的研发与创新，才能真正推动我国电网现代化建设，并为我国的长久可持续发展提供必要的能源基础。

参考文献：

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[4]蒋航．110kV智能变电站的设计研究［J］．国网四川省电力公司眉山供电公司，2013（33）:138～129．

收稿日期：

作者简介：

王凯(1985—)，女，工程师，从事风电、光伏工程设计工作，wangkai0991@163.com．