基于隔离式断路器的智能变电站电气主接线优化

易海琼，兑潇玮，李勇

(1.国网北京经济技术研究院，北京市 102209；2.清华大学，北京市 100084)

基于隔离式断路器的智能变电站电气主接线优化

易海琼1，兑潇玮2，李勇1

(1.国网北京经济技术研究院，北京市 102209；2.清华大学，北京市 100084)

随着国家电网公司智能变电站试点及建设的不断推进和深化，根据新一代智能变电站“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”的指导思想，未来新型智能化开关设备对变电站电气主接线的影响变得越来越重要。结合220、110 kV变电站典型设计方案，研究新型智能化开关设备的出现对智能变电站电气主接线优化设计的影响，对今后智能变电站的建设具有借鉴意义。

新一代智能变电站；电气主接线；隔离式断路器；优化设计

0 引 言

智能变电站是伴随着智能电网的概念而出现的，是指由先进、可靠、节能、环保、集成的智能设备组合而成，以高速网络通信平台为信息传输基础，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级应用功能的变电站。智能变电站具有全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、高级应用互动化的特点[1-2]。

2009年5月国家电网公司启动了智能变电站试点工程建设工作。宋璇坤等对目前智能变电站试点工程建设进行了分析，指出智能变电站建设理念、技术创新、专业管理、新设备研制等方面仍有待于进一步研究，例如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，站内信息网络比较复杂，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[3-4]。因此，国家电网公司及其他企业、研究机构等提出了新一代智能变电站的发展目标和技术路线[4]，即以“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。

高压开关设备为变电站中重要的元件，通常指用于一次设备操作和保护的断路器和隔离开关设备。在传统的变电站设计中，断路器与隔离开关是相互独立的设备。从实际运行统计来看，断路器的可靠性远高于隔离开关，基本可达到15年以上的维修间隔周期，因此，隔离开关成为薄弱环节。利用隔离开关来隔离高压电以进行断路器停电检修的检修模式已不再适用于电网的实际管理和发展需求，由此提出将原来的断路器两端设置隔离开关改为将隔离功能集成到断路器的灭弧室内部，从而提出了一个新的产品——隔离断路器(disconnecting circuit-breaker，DCB)，并成功应用[5]。

国家电网公司新一代智能变电站关键设备研制与应用中将DCB列为近期重点应用设备之一。DCB集成了线路侧接地刀闸，与电子互感器一体化制造。采用DCB后，可以减少站内一次设备数量，减少变电站空间与土地占用，同时供电可靠性可大幅提高。本文将结合DCB的出现，对智能变电站主接线型式进行研究，以220、110 kV变电站典型设计方案为例，探索简化主接线型式的可行性。

1 DCB的发展及其在智能变电站主接线优化中应用的可行性

1.1 126～252 kV DCB

国家电网公司新一代智能变电站发展技术路线结合不同阶段的需求以及设备实现等因素，分为近期、中期及远期等阶段[4,6]，并分别制定了各阶段的关键设备研制及应用计划[7]。其中，126～252 kV DCB已列入近期实用性关键设备研究框架[7]。

国际标准IEC 62271-108中，针对72.5 kV及以上电压等级的DCB给出了定义和使用要求，即具有隔离开关功能的断路器。其技术特点是：满足隔离开关断口要求，集成线路侧接地刀闸，与电子互感器一体化制造；采用电机驱动机构和同步控制技术实现智能灭弧；提高设备可靠性，维护周期达到15年以上，节省占地25%～40%。

1.2 DCB对主接线可靠性指标的影响分析

DCB的研制是实现断路器具备隔离功能的技术创新。DCB通过设备集成提升了可靠性，也给智能变电站的主接线优化提供了可能。以单母线接线为例进行定性分析，图1、2分别为采用传统断路器和采用DCB的110 kV单母线接线配电装置间隔接线。采用传统断路器，断路器两侧均配置隔离开关，用于断路器检修时隔离电源。在此接线方式下，间隔内任一元件(母线隔离开关及线路侧隔离开关等)故障或检修均导致相应线路或主变压器退出运行，间隔内元件的数量和可靠性对整体运行影响很大。

图1 单母线配电装置间隔接线

如果采用DCB设备构建单母线配电装置间隔，由于隔离式断路器内部集成了断路器、接地开关、电流互感器等元件，断路器的触头兼具断路器和隔离开关的双重功能，且带线路侧接地刀闸，因此取消线路侧隔离开关，同样能满足线路(或主变压器)检修时的需要。DCB设备可靠性较高，接近于GIS设备的可靠性水平，设计检修周期可达到20年，若按变电站设计周期40年来算，在整个变电站运行期内，每台DCB仅需检修1次；并且DCB能与母线同时检修，因此，可取消母线侧隔离开关。可见，DCB设备的采用，极大简化了主接线型式。

进一步以一个220 kV变电站(主变规模及进出线规模为4变12线)为例，分别采用常规断路器加隔离开关的接线型式和采用DCB，分析应用DCB后对其220 kV主接线可靠性水平有无影响。

根据规程要求，4变12线的220 kV变电站，其220 kV主接线应选择双母线分段接线型式。计算时，由于DCB为新设备，目前尚无有关该设备的可靠性指标统计。研究中采用现有隔离开关、断路器2种设备中可靠性水平较高的可靠性指标来分析当DCB可靠性指标达到现有开关设备时对主接线的影响。计算中采用清华大学开发的发电厂/变电所电气主接线可靠性评估软件SSRE-TH (station and substation reliability evaluation-Tsinghua University )。该软件能够对变电站的电气主接线进行可靠性及经济性评估，可靠性评估中考虑三重及以下元件故障。SSRE-TH中采用的电气主接线可靠性指标如表1所示。其中故障概率、停电频率、期望故障受阻电力、期望故障受阻电能是关注度比较高的几个指标，分别反映了停电时间的长短、故障频次的多少以及造成停电损失的大小。

采用常规断路器加隔离开关与采用DCB时，双母线分段主接线可靠性指标见表2。采用DCB后的双母线分段主接线，其故障概率、期望故障受阻电能等指标均较采用常规断路器和隔离开关的主接线型式有较大下降，反应出采用DCB时能提高变电站主接线的可靠性。

表1 可靠性指标

表2常规断路器与隔离式断路器对双母线分段主接线可靠性的影响分析

Tab.2InfluenceoftraditionalbreakerandDCBonreliabilityofdouble-bussegmentalmainconnection

2 典型220 kV智能变电站主接线优化分析

本节结合国家电网公司220 kV变电站典型设计方案分析采用隔离式断路器后，能否对主接线型式进行简化。

2.1 修正的220-C-1典型设计方案

以《国家电网公司220 kV变电站典型设计》中的220-C-1典型设计方案为例，对考虑DCB后的主接线选择进行研究[8]。

220-C-1典型设计方案为：220 kV户外AIS变电站，220 kV出线6回，主变容量3×180 MVA，110 kV出线12回，10 kV出线24回，每台主变配置4组无功补偿装置。对该方案进行调整后，修正的220-C-1方案为：主变容量3×180 MVA；220 kV出线8回，110 kV出线16回，10 kV出线36回，每台主变设置4组8 Mvar电容器。

在此基础上，针对220 kV以及110 kV主接线的不同主接线型式进行优化。具体分析时，主要考虑了以下2种因素的对比：一是AIS方案采用隔离式断路器前后的可靠性和经济性分析；二是220 kV主接线和110 kV主接线能否由原来的双母线接线简化为单母线分段接线，对比方案如表3所示。220 kV变电站220、110 kV主接线可靠性和经济性指标计算结果分别如表4、5所示。

表3 220-C-1典型设计对比方案

2.2 220 kV主接线优化分析

对比220 kV AIS方案，从表4中方案1-1和1-2可知，采用DCB后，若DCB本身的可靠性水平能达到现有断路器的可靠性水平，其220 kV主接线故障概率、故障频率、期望故障受阻电力、期望故障受且阻电能等可靠性指标较优化前均呈下降趋势，下降比例为13%～35%；故障概率下降了约28%。从表4中方案1-1和2-1可知，采用DCB可使单母线分段的主接线达到原来双母线接线可靠性水平。并采用DCB后，AIS方案的220 kV主接线设备投资水平进一步下降，下降比例约为13%。

表4 优化前后220 kV变电站220 kV主接线可靠性及经济性指标

注：设备投资仅计入断路器、隔离开关、互感器等设备。

表5 优化前后220 kV变电站110 kV主接线可靠性及经济性指标

因此，从主接线可靠性水平来看，DCB的应用使得将220 kV主接线由双母线接线简化为单母线分段接线具备了可能性。考虑到主接线选择除了需要考虑可靠性、经济性外，其灵活性也是决定主接线选择的重要因素。因此，综合对比220 kV AIS方案，具体选择220 kV主接线时，需要结合变电站定位、电网转供能力等来选择双母线接线及单母线分段型式。对枢纽变电站、运行灵活性要求较高或下一级电网转供能力较低的220 kV变电站，220 kV主接线可考虑维持双母线接线方式，此时，主接线可靠性水平较未采用DCB时已经有较大提高。对变电站位置要求不高、下一级电网转供能力较强的变电站，也可考虑采用单母线分段接线。

2.3 110 kV主接线优化分析

由表5可知，采用DCB时，110 kV侧电气主接线的可靠性水平得到提高，故障概率下降了约27%，平均持续停电时间减少了20%；110 kV侧主接线可靠性水平可达到以往采用常规断路器和隔离开关时的双母线主接线可靠性水平。从经济性来看，采用DCB后，AIS方案的设备投资水平进一步下降，下降比例约为18%。此时，110 kV侧电气主接线可考虑简化为单母线分段接线。

2.4 220-C-1典型设计方案主接线优化结果

采用集成互感器功能的隔离式断路器，优化后，220 kV主接线采用双母线接线，AIS变电站取消站内出线侧隔离开关；110 kV由双母线接线优化为单母线分段接线，AIS变电站取消站内出线、母线侧隔离开关。

优化后的220 kV变电站的220 kV侧、110 kV侧电气主接线如图3～4所示。

3 典型110 kV智能变电站主接线优化分析

3.1 110-C-5 典型设计方案

针对110-C-5典型设计方案[9](2台50 MVA主变、110 kV出线4回)，分析采用DCB后简化主接线型式的可行性。

110-C-5原方案：主变容量2×50 MVA；10 kV出线4回，35 kV出线8回，10 kV出线20回，每台主变设置1组3.6 Mvar电容器+1组4.8 Mvar电容器；主接线：110 kV单母线分段接线，35 kV单母线分段接线，10 kV单母线分段接线；配电装置型式：户外AIS变电站；110 kV采用常规断路器及隔离开关。35、10 kV采用户内充气式开关柜。

图3 优化后的220 kV主接线

图4 优化后的110 kV主接线

110-C-5优化后方案：主变容量2×50 MVA 10 kV出线4回，35 kV出线8回，10 kV出线20回，每台主变设置1组3.6 Mvar电容器+1组4.8 Mvar电容器；主接线：110 kV单母线分段接线，35 kV单母线分段接线，10 kV单母线分段接线；配电装置型式：户外AIS变电站；110 kV采用集成互感器功能的集成式智能断路器，取消线路侧、母线侧隔离开关。35、10 kV采用户内充气式开关柜。

3.2 主接线优化结果分析

110-C-5方案优化前后110 kV侧主接线的可靠性水平指标及投资计算结果见表6。

由表6可知，采用DCB后，110 kV电气主接线的可靠性水平得到提高，故障概率、故障频率等指标下降比例为13%～27%，平均持续停电时间减少15%；同时设备投资水平进一步下降，下降比例达到35%。

表6 110-C-5方案优化前后110 kV侧主接线的可靠性指标及投资

因此，国家电网公司110 kV变电站的110-C-5典型方案，采用DCB时，110 kV主接线采用单母线分段接线，AIS变电站可取消站内隔离开关。

4 结 语

(1)未来新一代智能变电站功能的集成化以及结构的一体化，将促使变电站主接线的简化。本文考虑新一代智能变电站近期设备发展趋势，重点针对隔离式隔离断路器的研制，综合分析其对变电站电气主接线的影响，指出智能化设备功能的集合带来单体设备可靠性的提高，为主接线的优化及设备配置提供了条件。

(2)以220 、110 kV变电站典型设计为例，针对采用隔离式断路器后，对优化前后主接线可靠性及经济性指标进行分析，提出了220-C-1典型设计方案、110-C-5 典型设计方案电气主接线优化方案。本文的主接线优化结果已在国家电网公司新一代智能变电站的试点工程中得到应用。

[1]黎翀宇. 智能变电站技术的研究及应用[D]. 成都：西南交通大学， 2009.

[2]李斌. 智能变电站技术及其应用研究[D]. 北京：华北电力大学， 2011.

[3]宋璇坤，闫培丽，吴蕾，等. 智能变电站试点工程关键技术综述[J]. 电力建设，2013，34(7)：10-16.

[4]宋璇坤，沈江，李敬如. 新一代智能变电站概念设计[J].电力建设，2013,(34)6:11-15.

[5]李劲彬，阮羚，陈隽. 应用于新一代智能变电站的隔离断路器[J]. 电力建设，2014,35(1):30-34.

[6]宋旋坤，李敬如，肖智宏,等. 新一代智能变电站整体设计方案[J]. 电力建设,2012，33(11),1-6.

[7]新一代智能变电站关键设备研制框架研究报告[R].北京：国家电网公司，2012.

[8]国家电网公司220 kV变电站典型设计工作组. 国家电网公司220 kV变电站典型设计[S]. 北京：中国电力出版社，2006.

[9]国家电网公司110 kV变电站典型设计工作组. 国家电网公司110 kV变电站典型设计[S]. 北京：中国电力出版社，2006.

李 勇(1968)，男，主任工程师，高级工程师，主要从事电力系统分析与控制，电力系统规划等方面的研究工作。

(编辑：张小飞)

MainElectricalConnectionOptimizationofSmartSubstationBasedonDisconnectingCircuit-breaker

YI Haiqiong1, DUI Xiaowei2, LI Yong1

(1. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China;2.Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Along with the promotion and deepening of the pilot and construction of smart substation in State Grid Corporation, the influence of new smart switch equipment on the main electrical connection in substation will be more and more important in the future, according to the guiding ideology of a new generation of smart substation: ‘highly integrated system, reasonable structural layout, advanced and appropriate equipment, energy conservation and environmental protection, supporting the integration of regulation and control’. Combined with the typical design schemes of 220, 110 kV substations, this paper studied the influence of new smart switch equipment on the main electrical connection in smart substation, which could be the reference for the future construction of smart substation.

a new generation of smart substation; main electrical connection; disconnecting circuit-breaker; optimization design

国家电网公司科技项目(新一代智能变电站设计关键技术研究)。

TM 561

： A

： 1000-7229(2014)06-0092-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.017

2013-12-19

：2014-01-27

易海琼(1979)，女，高级工程师，主要从事电力系统分析与控制，电力系统规划等方面的研究工作，E-mail：yihaiqiong@chinasperi.sgcc.com.cn；

兑潇玮(1988)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统可靠性、风光储设备状态检修，E-mail：373330025@qq.com；