刍议110kV智能变电站技术

国网北京通州供电公司 张国瑞 何方明 李志超

1 某智能变电站概况

某110kV 智能变电站位于县级境内，共计4座110kV 变电站，主变6台、主变容量214.5MVA；110kV 线路10条，总长度207.8km。整个网络为辐射状网络结构，使县域电网运行存在不稳定性，当电源节点发生故障时，将会影响整个区域电网的运行效果，存在大面积停电概率。110kV 变电站为无人值班变电站，监控系统包含网络设备、间隔层和站控层三项内容，其中网络设备构建全站分层分布式以太网，间隔层可独立监督设备使用情况，站控层具有远程调控管理功能。结合本公司电网结构，发现北部电网存在以下问题。

电源供电单一，网络结构薄弱。该县域范围广阔，北部110kV 布点较少，本站成为北部唯一的电源供应点。因电源点单一，与N-1供电安全要求不符，加上网络结构薄弱、供电范围大，导致片区的电压合格率较低，电能质量无法保障；电源点切入线路过长，短期内无法新建变电站。该县北部以耕地、山地为主，不适宜新建变电站，且110kV 变电站更新时间较长，进气难以通过接入新电源的方式解决电网难题；本站主变压器容量有限，已经达到终期建设规模，无法采用变压器增容的方式使负荷压力得以减轻。

110kV 变电站运行稳定性对北部片区供电能力具有决定性作用。本站建成时间久远，属于无人值守变电站，作为北部电网的关键节点，其安全运行能力将会直接影响片区供电状况。因电源输入单一、变压器过载运行，一旦110kV 侧电源出现间隔设备或越级误动，都将引起大范围停电，阻碍片区的正常生产生活[1]。

2 智能变电站关键技术

2.1 一次设备智能化技术

采用光学电压互感器，在Pockels 效应基础上利用光源、电光晶体、光纤维准直器等构成敏感组件，与检测电路、探测器一同应用到智能变电站中。技术原理是入射光经过起偏器后变为线偏振光，然后经过1/4波片形成2正交的线偏振光，因晶体带有Pockels 效应，偏振光经过晶体传输后形成相位差，借助检偏器可使2束线偏振光发生反应，以光强检测的方式达到相位检测效果。待入射光经过晶体时，受电场影响出现双折射现象，两线偏振光间的相位差受被测电压影响，二者具有正相关关系：

式中：φ代表的是偏振光波相位差；U代表被测电压；Uπ代表半波电压；n代表晶体折射率；γ代表电光系数；λ 代表晶体厚度；l代表光的传播长度。因相位测量难度较大，可利用智能检测技术，将其转换成强度检测。采用偏光分束棱镜对两个偏振光的光强分别检测，以Pockels 效应为基础对电场传递函数可用公式表示如式（1）所示，式中：a和b代表的是两个探测器的入射光强；E0代表的是电场强度；Eπ代表的是外加电场强度；KA和KB为两个偏振光的光路系数。通过上述公式计算，可得出探测器光强信号和外加电场间的关联，适用于智能变电站，通过设备运行状态的在线监测，及时发现并消除故障，提高电气设备的运营效率[2]。

2.2 二次组网技术

本站站控层网络利用100M 以太网相连，在技改设计中固定不变，网络改造以过程层网络重建为主，可选用的组建形式有以下三种：

点对点连接。与常规变电站的连接形式较为相似，控制命令、电气采集量的传输无需利用交换机，便可与间隔层交流。以DL/T860系列标准为基础，借助100M 以太网，利用光纤将站内过程层、间隔层连接起来；SV 点对点和GOOSE 组网。SV 选用点对点的方式，利用GOOSE 网络组网，借助网络渠道对开关输入量网络化处理，并利用通信协议对采样信息传输内容进行规范，使其满足新的变电站改造要求；SV 组网和GOOSE 组网。对SV 和GOOSE 网络全部组网，开关输入量利用计算机系统传递，电气采集信息能够在网络上流通交换，使本站的二次网络化需求得到满足，具有网络结构简单、使用接口数量少、光缆消耗量小等特点。

2.3 自动化系统结构

站在逻辑层面分析，将智能变电站网络结构进行改造形成“三层两网”结构，其中“三层”是由过程层（变压器、隔离开关等一次设备和智能元件构成）、间隔层（继电保护组件、调控设备、监控装置等）、站控层（自动化站级监控、通信系统等二次系统），可对本站全部电气设备信息进行采集和监控，还具有故障或异常状态告警、信息共享等功能；“两层”是由过程层、站控层两个网络构成。与传统结构形式相比，智能变电站的自动化系统具有接线简单、网络结构清晰、二次设备操作性强，支持数据共享等优势，可对接地点状态实时监控，避免传输介质或其他因素影响使误差增加，由此保证系统的稳定运行。

3 智能化改造技术在变电站中的应用方法

3.1 改造思路

本站自从建成以来一次设备运行情况始终良好，作为无人值守变电站，站控层设备利用100M高速以太网与间隔层相连。在本次智能化改造中，遵循一次设备智能化、二次设备网络化的原则，根据电压等级对本站进行区域划分，形成高中低三个级别的改造区域，构建“三层两网”系统结构，使110kV、35kV 侧网络能够独立组网。本站作为北部唯一的变电站，电源进线单一，运营期间存在诸多安全风险，根据负荷预测结果，该站在2020年的主变负载率提高86.5%，存在明显的过载问题，应考虑新建变电站或新增断路器的方式使负荷得以改善。

该变电站运行期限依旧，平面布置固化，未提前留置其他变压器的空间，站内设备应根据变压器容量选择类型，为充分发挥设备应用价值，不准备整体更换一次设备，因此无法通过更换变压器的方式使过载问题得以改善。该变电站长期无人值守，设备之间的互操作性较弱，存在误动作、拒动等安全问题，需要在改造中增加在线监测系统对设备工作状态动态监督，便于及时发现故障，预防不可逆事故产生[3]。

3.2 解决方案

本站智能化改造的关键在于自动化系统结构优化，从原本的“两层一网”朝着“三层两网”转变，新增过程层相关设备和网络，构建数据共享平台，使电气设备信息间能够相互交流，促进系统运行效率提升[3]；针对本站一次设备进行改造，为促进原本站内设备的应用价值发挥，不整体更换组合式设备，提出“一次设备＋互感器＋智能组件”的改造模式，对110kV 侧出线间隔、主变三侧进线间隔的互感器进行换新，达到信息化采集目的；利用光缆传输使信号精度更高，为二次设备运维提供保障；针对110kV 侧出线间隔断路器、避雷器等进行在线监测，实时采集信息传递给后台，使本站关键设备的运行模式、工作状态等得到动态跟踪，及时发现故障或异常并妥善处理[4]。

3.3 改造措施

3.3.1 一次设备改造

本站现有互感器为常规电磁式，因绝缘结构较为复杂，运行期间很容易受谐振影响，如若短路电流过大磁饱和风险较高，对人身安全构成威胁。对此，在改造期间采用“一次设备＋互感器＋智能组件”的改造方案，对110kV 侧进线间隔利用电子式互感器达到就地数字化信息采集依靠光缆传输的目的，与以往相比，不但信号精度提升，还可使二次设备得以准确运行。

在互感器配置期间，根据本站互感器使用环境、间隔层配置情况，采用直采直跳方式，直接与GOOSE 网相连，对110kV 侧采用罗氏线圈互感器，将采集的电压、电流信号变为数字信号，将其传递给合并单元，借助数字化信息整合处理，依靠光纤传递给测控、保护等过程层装置。本站采用户内高压柜布设法，将测控装置安装到高压柜上，因35kV线路匹配的是RCS-9631C 型号的电容器保护装置，根据通讯规约，单纯支持模拟量输入模式，如若改造中加入电子互感器，不但安装操作不便还会增加成本，因此该处决定继续使用常规互感器。

在合并单元与互感器连接方面，合并单元的功能在于样本数据采集并依靠以太网传递出去，因此可用传统的模拟接口与新型传感器相连。在连接时，因合并单元自身带有模数转换性能，为使信号精准采集，可将TV/TA 装置变成数据量，再将其传递给保护、测控等装置。为使合并单元的采样时间相同，在接入外部时间源时应同步开展样本数据采集，传感器传递的数据经过合并单元解码后传递给测控、保护装置，如图1所示[5]。

图1 电子互感器与合并单元接线图

3.3.2 二次设备网络组建

本站110kV 采用电子互感器过程层新增以下设备，如智能控制柜、合并单元等，前者对主变侧单独配置，具有完整的断路器信息交互功能，可有效预防跳闸和误操作，无需智能终端发挥作用便可直接在断路器上实现；后者为110kV 和35kV 的合并单元，直接连入互感器内，具有输出数字模拟信号、保护和跳闸线圈配合等作用。本期二次设备组建的智能终端配置情况如表1所示。

表1 本期二次设备智能终端配置表

在网络设备配置层面，本站自动化系统的站控层选用超五类双绞线，二次设备室采用光缆网络连接，过程层采用常规互感器与合并单元、智能终端相连。110kV 单间隔保护选用点对点方式，跳闸指令无需借助交换机可直接传递到断路器的智能模块内，剩余开关量传输、故障录波等均依靠GOOSE网络传输。在交换机配置方面，过程中共计引入15个交换机，各虚拟网设置2个备用口利用100Mbps光口将交换机和智能终端相连，交换机和测控装置、110kV 保护等共同组柜[6]。

3.3.3 在线监测系统应用

针对110kV 变电站设备状态进行监测，包括主变、避雷器等，在技改过程中采用“一次设备＋互感器＋智能组件”的改造模式，引入在线监测系统，重点对一次设备信息数字化采集、运行状态进行监测，如主变油温、绕组温度等；高压断路器的气体压力、分合闸电流等；避雷器的雷击放电次数、泄露电流值等。本站的在线监测系统是由数据处理器、传感器、上位机、通讯传输等部件构成，利用传感器采集数据信息，经过处理后，利用A/D 模块转化使信息量变成数字，再利用CAD 总线上传站控层上位机，将数据存储起来并处理计算，将处理结果传递给远方调度中心，实现电网和变电站一次设备间的协同交互，以状态检测为基础，为设备全生命周期内优化管理提供数据参考，还可为设备检修和优化提供辅助。

综上所述，当前智能化技术日益成熟，国内变电站逐渐超过智能化方向迈进，通过本站运行方式、负荷状况等分析，开展智能化改造十分必要。