智能变电站一次设备智能化应用研究

李大鹏，夏荣秀，胡小男，魏玉荣

（1.济南供电公司，山东 济南 250032；2.济南电力设计院，山东 济南 250032）

0 引言

智能变电站采用先进、可靠的智能设备，以信息数字化、通信平台数字化、信息共享化为基本要求，实现变电站基本信息的采集、控制、保护、监测，并在计算机网络支持下，实现运行监视、辅助决策、调节控制、维护管理等高级功能。智能一次设备作为智能变电站的关键环节，是智能变电站的典型部件与结构基础，智能一次设备既是各种智能单元的接入平台，又是具体智能技术的应用终端。

1 智能变电站构成及特点

一次设备智能化。一次设备智能化是智能变电站的重要特征，也是智能变电站区别于常规变电站的主要标志之一。现阶段一般采用“一次设备本体+传感器+智能组件”形式，未来发展趋势为传感器、智能组件与一次设备本体采用一体化设计，提高一次设备和二次设备的整合，使一次设备运行更加可靠、更加安全。

光缆取代电缆。智能变电站由于采用合并单元、智能终端实现就地采集和控制，光缆代替大量长电缆，从根本上解决电磁干扰问题，提高传输的可靠性。

通信规约标准化。智能变电站所有设备均按IEC61850建立信息模型和通信接口，按照统一的通信标准接入变电站通信网络，实现信息共享，解决常规变电站不同厂家设备无法互连通信的缺点，减少规约转换器的数量。

功能集成，设备简化。智能变电站信息就地采样，通信规约统一，促进了装置的集成。同时智能变电站通过GOOSE方式实现各保护装置之间信息的交互，常规变电站的端子被GOOSE虚端子取代，电缆连接替换为光缆连接，保护硬压板被软压板取代，促进装置硬件的简化和集成［1］。

2 智能一次设备

智能一次设备是一次设备与相关传感器及智能电子设备的有机结合体，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特征的一次设备，是智能变电站的典型部件与结构基础［1］。目前，智能一次设备还处在初级发展阶段，传感器和智能组件与一次设备本体相互独立。随着一次设备智能化技术的不断发展，未来智能一次设备将向功能集成化和结构一体化方向发展［2］。将传感器和智能组件内嵌到一次设备本体内，使得一次设备具有测量、控制、保护、监测、自检等功能，然后通过网络将设备信息上传至主服务器。由于传感器和智能组件内置，节省了其与一次设备本体的接线，减少了硬件投资，同时缩小一次设备端子箱的体积，对于设备优化布置，节约建筑面积具有重要意义。

3 智能一次设备总体方案

根据领秀110 kV智能变电站初设，工程智能一次设备采用“电子式传感器加智能组件”方式，一次设备通过附加智能组件实现智能化。

3.1 高压开关应用方案

领秀110 kV智能变电站110 kV侧采用GIS组合电器。所谓GIS智能化，即以GIS为核心，将传感器、控制装置融入本体，使GIS自身可靠运行。

根据（关于印发《国家电网公司2011年新建变电站设计补充规定》的通知）国家电网基建〔2011〕58号文要求，考虑经济性和稳定性。本站不采用电子式互感器，采用“常规互感器+合并单元”形式实现一次设备采样智能化。

GOOSE信息共享，实现跨间隔电气闭锁。利用智能终端内部逻辑闭锁配合后台五防闭锁软件实现110 kV GIS跨间隔闭锁。

采用先进的开关设备状态监测与诊断系统，灵活的局放传感器安装方式。专家系统能够及时预见开关设备可能出现的异常，并给出状态检修意见，既避免运行事故发生，又克服了定期检修的盲目性和破坏性，降低检修费用，提高设备的投运率。

为解决内置传感器无法更换维护，外置传感器监测灵敏度降低等问题，110 kV GIS局放传感器安装在GIS本体上预留出的介质窗口上。

3.2 智能化开关的主要优势

采用数字信号的光纤网络传输，速度更快、精度更高、损耗更小，节约了大量的电缆及相应设施等的投资；光缆代替大量长电缆，节省投资，优化网络结构；采用合并单元、智能终端合一装置，简化二次接线，缩小汇控柜尺寸，减少现场施工量；一次二次联合设计，减轻了设计院的工作量，缩短了设计周期；联调在出厂前完成，减少了现场调试工作量，缩短了投运时间；跨间隔电气闭锁由智能组件内部逻辑闭锁接点代替，简化二次接线，闭锁逻辑已经确定，必须通过程序进行更改，保证闭锁可靠性，减少人为误操作，同时使得逻辑闭锁有很大的灵活性，更改逻辑闭锁更方便；智能状态监测与诊断，保障了系统性能的稳定和运行的安全可靠。

3.3 变压器智能化应用方案

主变压器为变电站内重要能源设备，智能变电站要求主变压器供电可靠性高、高效率、节能环保，具有侦测预报故障的功能。变压器采用附加智能组件的方式实现智能化，智能组件完成以下功能。

1）变压器本体信息采集与控制。主变压器油箱及分接开关的油温、油位等遥测信息，分接开关位置、气体继电器节点信息和压力释放器状态等遥信信息［3］。

冷却系统的智能控制。 能根据顶层油温、环境温度以及出线侧负荷等参数形成控制策略自动控制冷却器的投退，并将冷却器的运行状态返回给后台系统。

分接开关的控制。 由控制器自主控制，也可由智能组件接受后台调压命令或者在主变压器就地发出调压命令实现有载调压操作。

2）本体非电量保护。 根据本体重瓦斯、有载重瓦斯、压力释放、超温等非电量开入信号启动逻辑判断通过电缆直接跳闸［3］。

3）主变压器各侧信息采集。 采集主变压器各侧电压、电流及功率等交流量，用于主变压器的冷却系统控制、有载调压控制以及状态监测等功能。主变压器状态监测信息的采集，包括油中溶解气体及水分、局部放电、容性设备监测、绕组光纤测温、铁心接地等项目。实现后台对主变压器的控制和监测。

3.4 智能化主变压器的优势

CAN总线通信模式，减少电缆连接，航口插头形式便于施工和维护，延长主变压器寿命。

在线监测系统实现主变压器的故障自检和就地控制，支持主变压器状态检修，增加了供电的可靠性。

4 一体化设计控制柜

4.1 GIS汇控柜设计方案

工程110 kV GIS智能组件安装方式选用智能组件柜与GIS汇控柜一体化设计方案。110 kV GIS智能组件合并单元、智能终端就地安装于GIS汇控柜，合并单元和智能终端采用合一装置。SV、GOOSE数据实现共网口传输，有效减少装置端口数量，改善装置因光口数量多长期运行的发热问题。减少了汇控柜内智能组件数量，有利于汇控柜散热。

1）控制柜绝缘性能要求。在正常运行条件下，控制柜的绝缘电阻应不低于20 MΩ［4］。控制柜能承受2 000 V，历时1 min工频耐压试验。

2）温湿度调节性能要求。控制柜应对柜内温湿度具有调节和控制能力，以满足柜内智能电子设备正常工作的环境条件。

3）告警功能要求。控制柜的温湿度控制系统应具有告警功能，能对温湿度传感器及控制器执行元件的异常工作状态进行告警［4］。

4）防护等级要求。户外控制柜的外壳防护等级应符合IP55，户内控制柜的外壳防护等级应符合IP40。

4.2 主变压器本体智能柜设计方案

变压器智能组件安装于主变压器本体智能柜，放置于变压器附近。智能组件装置和在线监测装置均放置于智能组件柜内，传感器元件与智能组件柜的功能单元采用光缆连接。

智能组件装置集成了合并单元、智能终端、非电量保护、冷却器控制等功能。 其中合并单元用于电流采样上传至主变压器保护测控装置；智能终端用于开关量采集和接收控制指令；非电量保护接收重瓦斯、轻瓦斯、压力释放等本体信号，所有非电量保护跳闸均通过控制电缆引至主变压器各侧断路器直接跳闸。所有数据上传至后台供运行检修使用。

5 结语

通过对智能一次设备进行研究，根据变电站的特点，提出一次设备智能化的设计方案。110 kV GIS采用常规互感器加合并单元方式，职能组件就地安装于一体化智能汇控柜内；主变压器采用光纤测温和CAN总线技术，减少本体至智能组件的二次电缆接线，同时智能终端集成非电量保护功能，减少设备投资，简化设备二次接线。

［1］ 国家电网公司基建部.智能变电站建设技术［M］.北京：中国电力出版社，2011.

［2］ 刘振亚.智能电网技术［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［3］ 水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册－电气二次部分［M］.北京：中国电力出版社，2012.

［4］ Q/GDW 430—2010 智能变电站智能控制柜技术规范［S］.