智能变电站二次模块化设计关键技术研究

周秋鹏，熊川羽，曾 灿，袁 虹

（1.国网湖北省电力公司经济技术研究院，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077；3.襄阳诚智电力设计有限公司，湖北 襄阳 441000）

0 引言

模块化、智能化组合式电气设备已成为模块化智能变电站的发展趋势。工厂化加工、功能单元组装、现场简易安装的组合式电气设备，能够有效节省现场二次接线，实现“即插即用”[1]，在变电工程建设中优势明显。另一方面，现阶段大量110 kV城市智能变电站建设对变电站土地资源利用、环境因素、城市道路等因素提出更为严苛的要求，在此背景下采用模块化预制舱建设方式变电站发展迅速[2]。

目前阶段，模块化智能变电站在许多关键技术上还需要进一步完善。首先是设备集成化水平问题一直是模块化技术研究的重点方向；其次，为减少变电站二次设备现场接线和调试周期的接口标准化问题，这一决定模块化安装技术优势充分发挥的重要因素需要进一步细化与规范；另外，施工中二次安装与现场土建、电气一次等工作冲突问题，要求二次系统模块化设计在合理性方面进一步完善。

本文结合二次系统模块化技术在110 kV变电站中实际应用的具体情况，对模块化二次部分关键技术的优化方案进行分析和探讨，尝试通过设计优化提高新一代智能变电站模块化建设的集成化、标准化及合理化水平。

1 二次设备模块化划分及形式

二次设备模块化配置是将根据二次设备的总功能要求，分解为若干个功能单元，由此确定相应的功能模块的过程。模块不能过大（划分过粗），过大致使控制过于复杂，设计、实现、维护不便；模块也不能太小（划分过细），过小导致功能意义消失，反而使模块之间关系增强、模块的独立性降低，从而影响模块的阶层结构。模块的大小（划分的程度）必须以模块的功能意义、复杂程度、便于管理、经济适用为标准。

模块化设计包括确定模块的功能、结构型式、组装方式、接口方式；确定模块的互换模式和构成系列的模式，并形成系列参数（性能参数及结构尺寸），这就是要使模块功能、结构型式、接口典型化。在进行模块化产品设计时，通用模块不能完全解决问题，通常采取“通用模块+专用模块”的设计原则。对于专用模块的设计也是事先考虑到今后能重复利用，重复多了就有变“专用”为“通用”的可能。

模块化二次设备基本形式主要有三种：模块化的二次设备、预制式智能控制柜、预制舱式二次组合设备。对于二次设备室集中布置的二次设备多采用“模块化的二次设备”方案。对于下放布置的二次设备，多采用按电压等级与一次设备相结合，一体化设计的“预制式智能控制柜”方案。

常规二次设备模块化设计方案虽然具有诸多优点，但也存在很多亟待解决的现实问题。诸如预制式二次组合设备对于改扩建屏柜安装、设备运输就位困难等问题，预制式智能控制柜的二次回路、一二次设备接口、各专业接口及建设管理标准化问题。文章主要针对预制式智能控制柜与预制舱式二次组合设备模块化关键技术，对常规设计方案的问题做深入分析研究，以提升二次设备模块化设计方案优化水平。

2 预制式智能控制柜在智能变电站中的应用及优化

2.1 预制式智能控制柜存在的问题

实现“模块化”设计的一项重要内容既是实现设备的“标准化”，以往的智能变电站建设一般提出GIS汇控柜与智能控制柜整合[3]。但整合后的方案对于柜内设备布置、柜体尺寸、二次回路接线、端子排设置、一二次设备接口等方面均未进行深入的研究。对于预制式智能控制柜的“标准化”研究仍是空白，还存在以下问题需要进一步研究解决：

1）二次回路、设备布置、柜体结构、尺寸未实现标准化

现状智能控制柜内集中布置有一次设备厂家断路器本体机构接 线以及下放布置的过程层设备（合并单元、智能终端）和间隔层设备 (保护、测控装置)。在工程实施工程中，智能控制柜基本由一次设备厂家进行统一的设计、生产。柜内存在不同厂家设备时，一次设备厂家在进行设备整合过程中，由于没有统一的设计标准，所生产的智能控制柜无论从设备布置、柜体结构尺寸、一次设备与二次设备之间的二次回路设置及接线都不统一。

智能控制柜内部二次接线设置重复，设备厂家在回路设计时，仅是简单的按常规站模式，既保留了原常规站一次断路器结构二次接线端子排，又简单的按智能设备厂家提供图纸所示设置了下放二次设备的端子排，造成一次、二次设备端子排未很好的整合，重复设置，端子排过多，占用空间过大。

2）厂家一、二次设备接口不统一，未实现标准化

智能控制柜由一次设备厂家进行生产。柜内智能设备由二次设备生产厂家发货到一次设备厂内统一组装。由于柜内存在不同厂家设备，各二次设备厂家生产的二次设备接口不统一，如有的智能组件光口采用ST接口型式，有的智能组件光口采用LC接口型式。柜内接口形式的多样化容易造成预制尾缆的端口错误，同时也会造成尾缆敷设时双端端口敷设反向，二次设备更换时需要同时拆除相关尾缆，增加维修成本，给施工造成人力、物力、时间上的不必要的浪费。

3）智能控制柜设计模式未实现标准化

在工程实施中，一、二次厂家需要配合设计，在一次设备厂内完成一次接线和部分二次接线，在现场完成剩余二次接线（二次过程层与间隔层设备之间）。

一二次接口不清晰，往往造成厂家设计当中的问题，需要反复确认修改。这样的设计模式不能满足配送式的要求，本工程结合整合要求和国内一二次厂家分工现场，研究当前可行、有效的智能控制柜设计模式。

2.2 单间隔模块划分

110 kV、主变间隔层设备按间隔配置，分散布置于就地预制式智能控制柜内。按电压等级按间隔就地下放布置二次设备（保护、测控、智能终端、合并单元等），形成110 kV系统模块、主变模块，分别分布在各GIS室及主变室内，形成单间隔功能模块，集成于智能控制柜后通过统一的接口与外部连接，实现GIS设备的“即插即用”，实现一二次设备接口标准化。采用预制光缆、预制电缆对外连接，智能控制柜与GIS共底座设计、工厂化预制、现场零接线安装。针对现有各厂家智能控制柜尺寸不统一、柜面布置图不统一、对外接口不统一等问题，规范智能控制柜结构及柜内设备布置，优化智能控制柜尺寸，定义标准对外接口，便于模块化配送及建设。

2.3 预制式智能控制柜优化布置

常规智能变电站110 kV及主变压器均采用一次设备加智能组件方式，存在各组柜厂家屏柜安装布置不统一，大多未遵循智能变电站设备要求进行设备布置，有的厂家设备保护、测控在上，智能终端、合并单元在下；有的厂家设备可能正好相反；各个智能组件在柜内布置位置不统一，到现场设备会出现各家风格不一，布置凌乱的现象，给现场的运行维护工作带来极大不便。

综合考虑各厂家现有的智能控制柜尺寸，结合实际运行维护需要，屏柜采用前显示，前后开门，后接线方式，并将预制式智能控制柜二次回路接口标准化。

主变本体智能控制柜及110 kV GIS室采用单舱设计，标准尺寸800 mm×2 260 mm×600 mm（宽×高×深）。

2.4 预制式智能控制柜二次回路接口标准化

（1）优化二次端子排标准化设计，适应不同厂家的设备需要，解决常规智能变电站一次、二次设备端子排重复设置，占用空间过大等问题，优化端子排布置，实现预制电缆即插即用技术。

（2）优化预制连接器布置，方便走线，适合“即插即用”型智能变电站预制电缆和光缆的连接。解决各厂家不同接口形式造成的光缆端口设置错误，设置M-MPO/MTP光纤转换模块，将各厂家不同接口进行统一，达到对外预制光缆接口标准化，使现场接线更加准确方便，更换设备时无需更换光缆，有效节省成本。

3 二次设备预制舱在智能变电站中的应用

3.1 模块化预制舱式舱体结构

现有预制舱模块化设备基本采用钢构房形式,尺寸应尽量典型化,形成标准系列。常规钢结构预制舱的舱体围护系统由内向外结构为轻钢骨架支撑的空气层、保温层、外墙板饰面层,通过有效的固定式安装,构筑集保温节能、防火、耐久、美观等性能为一体的优良系统。新型预制舱采用GRC(Glass-fiber Reinforced C-ement)玻纤复合舱体结构,以耐碱玻璃纤维作增强材,硫铝酸盐低碱度水泥为胶结材并掺入适宜集料构成基材,具备一定的亲水性,使舱体自身成为一个具备一定环境调节能力的系统,可大大降低凝露发生的可能性材料易修复、可擦洗、维护及改装方便[4]。预制舱底座框架采用符合国标的高强度槽钢整体焊接成型,底座框架采用优质钢材,强度高、耐候性好,底座采用焊接后整体热镀锌处理工艺,户外使用寿命超过40年。侧壁及顶盖与底框通过钢结构框架焊接连接,保证刚强度。舱体侧壁及顶盖内预埋一定密度的钢筋网,提升电磁屏蔽性能。

预制舱尺寸一般选用（长×宽×高），I型：6 200 mm×2 800 mm×3 133 mm，II型：9 200 mm×2 800 mm×3 133 mm，III型：12 200 mm×2 800 mm×3 133 mm。当采用单列布置或站内布置、设备运输条件受限时，预制舱宽度也可采用2 500 mm。

3.2 预制舱式二次组合设备典型模块

预制舱式二次组合设备宜按设备对象模块化设置，以方便运行、维护，变电站可根据需要设置公用设备预制舱、间隔设备预制舱、交直流电源预制舱、蓄电池预制舱等模块，可根据变电站具体建设规模、布置方式等进行选择调整组合[5]。

110 kV变电站可由公用设备预制舱、110 kV间隔设备预制舱、110 kV主变压器间隔设备预制舱等模块构成。

保护测控装置屏柜尺寸统一为2 260 mm×600 mm×600 mm；服务器柜尺寸统一为2 260 mm×900 mm×600 mm。对于预制舱内置于一期已上屏柜中间的远期屏柜，建议一期一次性安装好空屏柜，并预留好相关布线。间隔层二次设备预制舱宜采用“前接线前显示”二次装置、屏柜双列布置。站控层

设备、公用设备、交直流电源设备、通信设备预制舱采用二次屏柜单列布置。舱内除服务器外均采用“前接线前显示”二次装置。装置应符合相关标准要求，并经有资质的检测机构检测合格。

3.3 典型案例优化设计

模块化智能变电站是变电站建设的一种创新模式，从设计到建设阶段将全过程遵循“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”的原则。下面某110 kV户外变电站为例进行分析，该站二次设备分别布置在公用二次设备室及二次预制舱内，预制舱整体设计，整体运输。综合考虑了后期物资招标、施工设计、现场施工、运行维护难易度等方面进行比较分析，对站内二次设备布置方案进行优化设计。

1）公用二次设备室内屏位布置优化

原典型设计采用双排屏柜居中布置方案，设置600 mm×600 mm屏柜18面、800 mm×900 mm屏柜两面，如图1所示。对公用二次设备室内屏位布置进行了优化，全站二次设备屏柜突破常规设计理念，采用屏柜靠墙布置，前接线方式，尺寸均为800 mm×600 mm，改进后方案可布置800 mm×600 mm屏柜14面、600 mm×600 mm屏柜8面以及800 mm×900 mm屏柜两面。比常规方案增加了4面屏柜，布局更加合理，提高远期扩建利用率。优化后公用二次设备室内屏位布置如图2所示。

图1 公用二次设备室内屏位布置示意图（优化前）（单位：mm）Fig.1 Public secondary equipment indoor screen arrangement（unimproved）(unit：mm)

图2 公用二次设备室内屏位布置示意图（优化后）（单位：mm）Fig.2 Public secondary equipment indoor screen arrangement（improved）(unit：mm)

2）预制舱宽度增加300 mm

2013年版国网公司预制舱式二次组合设备技术规范中Ⅲ型预制舱尺寸为12 200 mm×2 500 mm，保护屏单列布置，最多可布置尺寸为2 260 mm×800 mm×600 mm屏柜12面，或2 260 mm×600 mm×600 mm屏柜17面，如图3所示。

图3 2013年版国网公司预制舱式二次组合设备技术规范中Ⅲ型预制舱尺寸示意图（优化前）（单位：mm）Fig.3 2013 version of the State Grid Corporation prefabricated secondary composite equipment specifications Ⅲ prefabricated cabin size intended（unimproved）（unit：mm）

改进方案尝试采用Ⅲ型预制舱，尺寸优化为12 200 mm×2 800 mm，从而优化保护屏为双列靠墙布置，可布置尺寸为2 260 mm×800 mm×600 mm屏柜25面（含2面集中接线柜）。

通过优化了布置方式，增加宽度300 mm，比规范方案多出8～13面屏柜，使Ⅲ型预制舱最大利用率提高80%～108%，优化后预制舱内布置如图4所示。且配置2面集中接线柜，可实现预制光、电缆“即插即用”。

对于预制舱内的远期屏柜，一期一次性安装好空屏柜，并预留好相关布线，永久性备用屏柜需预留安装位置并敷设盖板，备用屏位设置于靠近舱门的位置。便于维护，避免了后期增容扩建设备不兼容问题。

图4 加宽处理及布置方式改进后Ⅲ型预制舱尺寸示意图（优化后）（单位：mm）Fig.4 Widening and arrangement improved type Ⅲ prefabricated tank dimensions（Improved）（unit：mm）

3）优化了装置在屏柜内的安装、布线设计

全站二次设备采用“前接线、前显示”装置，优化了装置在屏柜内的安装、布线设计，满足装置安装、检修、更换及布线等要求，运行维护更加方便。

为实现柜内不同厂家设备通用互换，“前接线前显示”二次装置采用统一的装置安装固定点及装置前面板（液晶面板）位置。二次装置结构型式、安装方案也可根据厂家设备类型适当调整，满足整体美观且方便装置安装、拆除及现场布线的要求。

二次设备装置布置在柜体右侧（面对屏柜），液晶屏采用上翻方式，竖走线槽设在柜体左侧。端子排统一设置在柜体下部，并采用横端子排布置方式。横走线槽置于装置下部。竖向线槽宽度不应小于150 mm，并满足光纤弯曲半径的要求。竖向线槽深度应考虑柜内走线的数量，以满足柜体内所有走线要求。走线槽等均采用金属专用盖板封装，并方便拆装。

本方案优化了二次装置在屏柜内的安装、布线设计，将屏宽由600 mm调整至800 mm，在满足门外观视角美观的基础上，内部装置侧偏安装，解决了装置居中、两边线槽狭窄，运行维护不便等问题。

4）二次设备采用集成装置

整站（除主变保护外）采用保护、测控、计量多合一装置，大大减少了全站二次设备的数量。智能控制柜采用一体化设计，简化并规范智能控制柜与本体机构、二次设备间的接口。按终期规模考虑，节约屏位2个（含装置5台），节约智能组件28套、计量表计42只。

3.4 预制舱式模块化设计优化分析

目前模块化建设中，预制舱式模块化建设与传统变电站二次系统有两大突破，第一，建筑结构上采用工厂预制设备（预制舱等）替代传统的二次设备室或传统的建筑物建设方案，现场仅采用装配式作业。第二，电气接口标准化，由于智能变电站一次与二次主要采用光纤通讯联系，电缆使用大量减少，采用光、电缆航空插头替代传统的端子排接线及光缆熔接，极大提高施工效率。

一个规模较大的110 kV智能变电站，优化配置后全站采用双端预制光缆。舱内屏柜之间采用双端预制尾缆，舱内保护装置到户外智能控制柜采用光纤转接方案。在预制舱及二次设备室分别设置光纤转接柜，光纤转接柜与舱内二次设备间采用尾缆连接，在工厂完成接线及调试；与舱外设备间采用多芯室外预制光缆连接，现场即插即用。因此各间隔光缆连接可由原来的智能控制柜与多个二次设备的连接，简化为智能控制柜与舱内光纤转接柜的连接，即采用 1或2根多芯光缆完成智能控制柜与舱内光纤转接柜的所有接线。

预制舱的作用取代变电站内传统的主控室及继电保护小室（甚至开关柜小室），对其使用寿命、消防照明、防护等级、防火、防腐防锈、隔热通风、温控、电磁屏蔽等方面有严格要求，预制舱舱体整体运输及安装，通过实现“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”，变电站节约资源，节省投资，从而达到缩短现场的建设周期，提高工程质量等目标，降低了全寿命周期成本。

4 结论

本文研究依托实际工程二次设备模块化设计经验，通过改变二次设备室内屏位布置，采用屏柜靠墙布置、前接线方式，有效增加屏柜面数使布局更加合理。预制舱优化设计通过微调预制舱宽度设计，改变屏柜布置方法，能够有效提高单个Ⅲ型预制舱最大利用效率80%～108%。同时，本文在对屏柜内装置安装及布线、采用集成装置、预制智能柜布置及二次接口标准化方面提出了优化设计建议，为解决现阶段二次模块化技术在模块化智能变电站应用中存在的合理化问题提出了优化意见。研究对提高的模块化建设集成化、标准化水平，推动变电站模块化建设的进一步深化具有现实意义。

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[5] 刘娇,刘斯佳,王刚.智能变电站建设方案的研究[J].华东电力,2010,38(7)：974-979.LIU Jiao,LIU Sijia,WANG Gang.Study on construction plans of intelligent substation[J].East China Power,2010,38(7)：974-979.