如何设计110kV智能变电站

随着智能变电站的发展, 智能终端和合流单元设备的性能和优势得到广泛验证, 但也暴露了一些问题, 如: 合流单元配置不合理，降低了保护设备运行的可靠性, 采样延迟会增加整个保护组的操作时间, 等. 技术方案 “常规采样+GOOSE脱扣” 用于保护设备 220 已提出kV及以上智能变电站, 这也对建设具有参考意义 110 千伏智能变电站.

1 总体设计概述

在国家电网智能变电站模块化施工图总体设计中, 110 kV变电站常用作终端负荷站, 主变压器刻度 2 单元和单总线分段的典型方案 (单总线三段) 或内桥 (扩展内桥) 用于主接线. 本文以110-A3-3扩展内桥主连接形式的方案为例，分析母线合并单元的配置.

1.1 通用合并单元配置方案

在总体设计方案中, 电压电流采样采用的方法为 “常规变压器+合并单元”. 每个母线PT间隔配备一个智能终端和一个合并单元; 在线路和内部网桥之间间隔安装两个用于合并单元的集成智能终端设备; 在主变压器高压侧每隔一段时间安装一个智能集成装置; 主变压器智能柜配有1个智能终端和2个合并单元. 在主变压器的低压侧, 每个主要进料开关设备都配备了两个集成的智能设备. 低压设备在方案优化上没有改变, 所以不会进行统计.

1.2 电压采样逻辑关系

根据智能变电站技术指南, 线路, 内桥, 主变压器保护装置, SV型, 而GOOSE信息遵循的原则是 “直接获取和直接跳转”, 并通过光缆点对点传输. 根据最终比例配置的总体设计方案, 保护设备的电压采样逻辑关系如图所示 1.

实线表示电缆接线, 而虚线表示光缆或尾缆布线. 线路与主变压器高压侧间隔合并单元的电压采样通过 9-2 来自母线合并单元的协议级联, 并可转发到相应的线路保护, 电表, 主变压器过载等设备使用情况. 主变压器的电压采样保护, 备份自动切换, 低周期减载装置直接从母线合并单元点对点传输.

问题分析

在智能变电站中, 虽然配置方法的可靠性 “常规变压器+合并单元” 与早期相比有了很大的改进 “电子变压器+合并单元” 模式, 与传统保护装置相比，由于合并单元的软件和硬件模块增加，保护和测量系统的整体可靠性降低, 以及故障风险的增加. 另外, 现场布置的恶劣运行环境导致保护和测量系统的整体可靠性下降. 在国网智能变电站总体设计方案中, 这 110 千伏变电站仅配备 2 根据最终比例的母线合并单元组, 并且每组设备可以同时连接到 3 母线电压组. 在此接线方案中, 当一组合并单元失败时, 它会引起警报 1/2 站内主变压器保护装置, 以及警报或锁定备份自动切换, 测量与控制, 计量和其他设备, 影响范围广. 考虑母线合流单元的故障风险, 中国国家电网公司发布 “智能变电站模拟输入合并单元和智能终端标准化设计规范” 在 2016, 提出了一种方案，即为单个母线三段连接配置每个母线段一个合并单元的方案 110 千伏变电站, 如图所示 1. 该计划仍然存在几个问题: (1) 当在第一阶段建造两台主变压器并在最后一阶段扩展时, 每个母线配置的合并单元同时连接到三组母线电压, 这需要关闭相应的母线设备, 施工风险和技术难度增加. (2) 单个母线合流单元的故障至少会导致 2 组组主变压器保护装置报警, 以及保护测量和控制的其他部分, 自动设备, 电表等设备报警或锁定, 而且冲击范围还是比较大的. (3) 从母线合流单元到主变压器保护装置的采样电压和到其他间隔合流单元的级联电压需要大量的光缆 (尾缆) 待连接.

优化方案

根据整个车站的最终比例, 一个常规电压并联设备将安装在 110 kV I、III母线电压互感器PT控制柜，实现相邻母线之间的电压并联功能. 在II总线PT控制柜中将安装两个总线合并单元，以收集三个总线段的电压. 生产线上安装了两台集成智能设备, 内桥, 和主变压器的高压侧间隔. 取消主变压器本体智能柜的合流单元配置, 中性点零序和间隙电流通过电缆连接到主变压器的高压侧间隔合并单元. 适当简化过程级设备电压采样的逻辑关系.

母线电压通过电缆连接到主变压器的线路和高压侧, 并且来自总线合并单元的级联电路被取消. 主变压器保护电压采样直接从主变压器高压侧点对点采集. 备用自动切换、低周期甩负荷等公共设备的采样，可直接从二号母线PT控制柜的合并单元采集. 减小合并单元中故障的影响范围, 设置了两个总线合并单元, 并且光纤接口合理分配给其他公共设备使用.

与总体设计方案相比, 该方案的优点是: (1) 增强间隔层保护测量和控制系统的可靠性. 母线电压通过电缆连接到线路和主变压器间隔合并单元, 这增加了电路的可靠性，可以避免总线合并单元造成的采样和转换的不利影响, 以及此间隔的保护和测量设备上的设备故障. 当单个合并单元在时间间隔内发生故障时, 只会对单套主变压器保护测控装置报警, 故障影响范围将减半. (2) 简化母线合并单元光缆布线. 与图相比 1, 数字 2 显示保护和自动设备的配置保持不变. 工艺层设备数量 (包括 2 常规并联设备) 减少 2, 并且占用的总线合并单元光端口数量从 22 自 7. (3) 施工方便，扩增III母线时停电范围有限. 只有II母线需要配合停电, 无需修改 I 母线设备. (4) 降低设备采购成本. 改进后的计划减少了工艺层设备的数量 2 单位, 和 2 常规电压并联设备明显低于合并单元设备, 从而降低总体成本. 当 110 kV设备电能表放置在智能控制室, 可以使用模拟输入仪表, 这比数字输入仪表便宜得多，并进一步降低了工程设备的成本.

缺点包括: (1) 母线控制柜中安装的设备数量增加. 对于 A3-3 方案, 由于主变压器高压侧间隔的布局与母线的PT间隔的合并, 母线控制柜需要同时安装主变压器间隔合流单元和母线合流单元, 以及智能终端设备. 最初的通用设计方案要求在每个母线控制柜中安装三个设备; 优化计划需要安装 4 I 和 III 总线控制柜中的设备, 和 5 II 总线控制柜中的设备. 施工过程中的图纸设计, 可以与GIS设备制造商沟通，以增加机柜尺寸或在GIS房间内安装一个防护屏柜. (2) 后电压电路采用电缆连接线间隔智能单元, 将添加额外的机柜接线电路和电压空气开关等配件, 但数量不大，电路接线简单, 对施工过程影响不大.

这 110 千伏智能变电站配备常规电压并联装置, 线路和主变压器保护的电压采样通过电缆连接到相应的间隔合并单元. 这在提高保护和测量系统的整体可靠性，减小单个合并单元故障对保护装置的影响范围方面具有明显的优势. 同时, 设置了两个母线合并单元，以收集 110 kV母线单独, 供其他公共设备使用，如备用自动切换, 可满足智能变电站数字化采集和数据共享的技术特点.