110kV智能化变电站电气系统设计

隋美红

（中海油石化工程有限公司，山东青岛266101）

变电站是电力系统的基本构成部分，其担负着电能转换、优化调整电压、电能传递等功能。在智能化技术的支撑下，变电站电气系统已成为目前智能电网构建的关键。智能化变电站在传统变电站设备的基础上，更加注重变电站电力资源数据的采集以及一次设备和二次设备的设计及智能辅助设备。智能化变电站从自动化控制领域不断延申，彰显了其在电网监控运行及电力调度一体化等方面的价值。

1 智能化变电站一次设备的工作原理

1.1 智能化变电站一次设备的构成

目前，智能化变电站一次设备的构成已经不同于传统变电站的一次设备，因其要实现对电网运行状态的全面检测以及信息交换测量。智能变压器、智能高压开关设备以及各类电子互感器等均为智能化变电站的一次设备。在变电站电气系统运行阶段，会面临电力设备老旧且各项物理或化学参数变化等情况，将这些变化在系统传感器设备上进行检测和处理，便可针对性地解决问题。对比传统变电站一次设备的设计，智能化变电站电气系统设计更加彰显人性化控制理念，其在各种逻辑单元和智能组件的相互配合下，能够完成电力数据信息的网络化传输、实时掌握变电站电气系统的基本运行状态、优化一次设备的使用效率、尽可能地提高电网系统的供电质量[1]。

1.2 智能化变电站一次设备的工作原理

1.2.1 智能变压器的工作原理

在电力系统运行单元阶段，变电站处于各项工作的节点位置，可完成电能的转换和工作的分配。而在这整个过程中，均离不开变压器设备的支持，所以变压器是变电站电气设备的关键组成部分，其与各种用电设备直接相互连接，且具备分布范围广、数量大等综合性优势。故此，在变电站中借助智能化变压器设备，提高对变压器设备的实时在线检测，即可从源头上控制变压器状态的精准性与可靠性，以此可避免日常人工方式繁琐的检测和维修工作。

1.2.2 智能高压开关设备的工作原理

除了变压器设备之外，高压开关设备作用也很重要。在高压配电系统中，高压开关设备主要是对电力系统的控制与保护，同时依据电网运行的基本需求情况，也可控制部分电力设备的科学运行。当电力系统的电力设备或线路出现某种运行故障时，该功能可及时将发生故障的位置予以隔断，以此来保证无故障电网系统的常规运行。

2 智能化变电站二次设备的工作原理

2.1 智能化变电站二次设备的介绍

通过对智能化变电站一次设备的构成与工作原理的简要分析可知，其与传统变电站电气一次设备相比，其多了网络在线监测与控制环节，并增加了电子式互感器模块，既能够实现电力系统数据的自动在线功能，还可以根据系统运行状态完成自动调整功能，还能够在整个控制环节中完成诸多的智能化在线分析。此外，在智能化变电站二次设备的设计阶段，在系统整体架构和配置等方面均有了明显的改变，即在信息交互模型的基础上实现了二次设备之间的信息数据高度共享，使二次设备构成网络化二次回路，以此实现采样值和信息数据之间的网络传输。

2.2 智能化网络通信系统的工作原理

智能化网络通信系数的结构大致分为三类，即过程、间隔和站控。每一个层次之间需要借助高速网络技术进行信息通信。要对电力系统通信网络层次进行划分，如站控层与间隔层之间的通信机制为站控通信网络，而间隔层与过程层之间的通信机制为过程层通信网络。通常情况下，110kV电压等级的智能化变电站系统一般采用单以太网。此外，在智能变电站二次设备配置文件环节涵盖内容较多，如SCD文件、SSD文件等。各类二次设备配置文件可优先使用XML语言，以保证机器设备或人的正常阅读[2]。

3 110kV智能化变电站电气一次设备的设计

3.1 智能化变电站电气一次设备的设计依据

在智能化变电站电气一次设备的设计阶段，须重点考虑变电站工程概况，并综合考虑工程项目要求，以合理选择主变压器设备型号和电气主接线方式等。同时要根据经济性等设计需求，明确变电站的设计位置，并得出各出线回路和方向，并在相关规章制度程序下合理设计绝缘配套方案和过电压保护方案，以此全面保障运行设备的使用寿命，继而实现电力系统的供电可靠性。

3.2 智能化主变压器的设备选型

本文变电站电压等级为110kV，需结合实际情况，多方面综合考虑各种因素，最终选择能更好为系统服务的方案，需要注意下面两点：

一是无论由于何种原因使得任意一台变压器需要单独运行，此时应该能够提供对于总负荷S30×(60%～70%)的需求,计算公式为ST≈SNT=（0.6～0.7）S30。通过计算可以得出所需数据，将其代入公式可得：

二是在遇到上面所出现的情况时，单独运行的变压器可以满足全部一级和二级负荷S30（I+II）的需求，计算公式为ST≈SNT≥S30（I+II），将相应的数据代入可得：

根据工程实际情况，为了满足所需适配系统的设计，本文选用了两台S9-1000/10型变压器，其连接组别为Dyn11。

3.3 智能化变压器的电气主接线设计

变电站为110kV、10kV两级电压，本期选用2台110kV、50MVA变压器。为了减少输送线路的损耗，使电能利用更充分，同时在不增加建设成本的前提下，既提供优质电能，又达到增加项目效益的目的，所以采用了提高功率因数的方法来进行无功补偿。通常用来进行无功补偿的方式有集中、分组和就地三大类。本文在110kV接线中采用单母线双隔刀分段接线，10kV接线中采用单母线分段接线。

3.4 智能化短路电流的计算和设备选择

常用的计算方法主要有两种，本文设计选择通过标幺制法来进行短路电路的计算。本系统设计选择Sj=100MVA，Uj=Ujp，且主变压器短路电抗取常规值UK%=14.5%。这种方法的计算步骤为：

（1）参照原始资料绘制计算电路图；

（2）通过选定的Sd、Ud进行基准值的确定；

（3）确定所需元件的电抗标幺值；

（4）化简电路并绘制等效电路图；

（5）计算各点的短路数据及相关参数。

以此得出110kV母线的短路电流I″＝13.72kA，10kV主变低侧短路电流I″=21.56kA。变电站110kV短路电流水平选择40kA，10kV短路电流水平选择31.5kA。

3.5 防雷与接地的设计

对于变电站，首先要在其屋顶装设避雷针，以此来防止被雷电直接击中，其次要在变压器进线部分装设避雷器。变电站内接地的设计方案为：在二次设备室及敷设有二次电缆的沟内敷设TMY-25×4接地铜排，形成室内外等电位接地网，并与主接地网紧密相连。

4 110kV智能化变电站电气二次设备的设计

4.1 智能化变电站电气二次设备的设计依据

智能化变电站二次设备的设计须满足的设计依据为：对标各类电力行业标准和国家标准；遵循变电站通用设计的主要技术原则；采用智能化技术，以适应技术发展的要求。此外，技术和设备配置包括：系统继电保护、电力调度数据网接入设备、变电站操作直流电源、交流不停电电源等。同时，按照统一的配置原则和技术制定二次设备的典型组屏方案和各屏柜的功能配置。

4.2 电气系统网络配置结构的设计方案（见表1）

表1 电气系统网络配置方案

5 结论

国内的电气资源市场处于蓬勃向上的局面，各个行业对电力资源的需求逐渐提高。鉴于此，国内智能化变电站的供电系统将迎来全新的机遇。同时，智能化技术和电子技术等的高速发展将为国家电网体系的稳定性和可靠性提供技术支撑，并将进一步构建更为完善的智能电网体系。