35kV預制艙式變電站技術創新與應用綜述

李偉杰++魏合宇++張連斌++張坤強

摘 要：隨著電力工業發展，電力電子、網絡通信及人工智能技術等高新技術在電力系統中的應用越來越深入，在智能變電站的發展建設中起著重要的作用，近來國內外在智能電站建設理論與實踐方面做了大量嘗試，為建立更為先進的變電站打下了基礎。本文就35kV預制艙式變電站技術創新與應用方面進行闡述，所述諸類技術創新與應用體現了人性化、標準化、模塊化設計以及智慧、高效、綠色的電網建設理念。

關鍵詞：35kV預制艙式變電站；云監護平臺；專家診斷；人工智能；故障預判；在線式核對充放電；IEC61850；技術改進；創新；應用

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0169-02

1 概述

35kV預制艙式智能變電站典型設計由35kV預制艙、變壓器預制艙、10kV預制艙和綜合控制預制艙構成，35kV線纜作為進線，10kV線纜作為出線。35kV預制艙內主要由35kV開關柜構成，柜內集35kV萬能斷路器、35kV萬能隔離開關、PT、CT、氧化鋅避雷器以及綜保裝置等設備于一體；主變壓艙體內由智能變壓器和排熱裝置等裝置組成；10kV預制艙內由無功補償裝置、10kV開關柜以及直流屏等系統構成；綜合控制預制艙由遠動、綜自、通信等構成。

預制艙式智能變電站是在不降低穩定運行可靠性的條件下利用先進技術將智能一、二次設備、配套設施與基建進行智能化、小型化、緊湊化及經濟化的有機一體設計，預裝于幾個艙體內，它是傳統箱變的發展方向，同時也是傳統配網電站的改進方向。箱式變電站主要集中在10kV及以下的配電網，預制艙式智能變電站主要是35kV及以上電網，與常規站比，具有投運時間快、占地少、免維護程度高、外觀與環境協調、可深入負荷中心等特點，但是就目前個別地區已研制投運的預裝站來看都存在諸多的不足與技術提升空間，如：占地面積20%左右縮減效果不夠顯著；艙體空間小、擴建時電氣距離等問題導致增加設備時艙體需停電進行；艙體正下方半地下電纜層配套的基礎設施投資增較大；艙體為全封閉無開窗采光設計無論白晝或夜晚均需單獨照明；艙內環境溫濕度控制耗能管理粗獷，輔助系配置不夠完善，尤其在運維人員對電站的監護工作方面的技術支撐有待進一步提升。[1-2]

2 創新與應用

2.1 預制艙式變電站綜合布線的改進

取消常規預制艙式變電站艙體正下方2m高半地下電纜層與艙體底板人孔，取而代之在艙體兩邊外側設電纜溝，節省建筑投資同時避免運行人員在半地下電纜層內不易逃生的安全隱患；在艙體本體底座內設200mm高電纜夾層，艙內二次電纜在本體夾層內敷設，各柜體間聯絡電纜從柜底座電纜層進入電纜溝；使艙體內二次電纜可提前在工廠內敷設完成，大大減少了現場工作量，進一步提升變電站建設效率。

2.2 光導照明系統應用

預制艙體內為滿足溫濕度、消防等環境要求，加上預制艙墻體結構材料的特殊性及厚度較薄，在制造過程中制作工藝無法實現在艙體上開窗，因此即使是白天，艙體內也是一片漆黑，運行人員進入艙體時，只能啟動交流照明系統來解決艙內照明問題。對此不足提出了新的解決方案，采用新型光導照明技術，系統主要由采光器件、導光柱、導光片、漫射器件等幾部分組成，系統直接利用太陽光照，不同于太陽能熱水器、光伏發電等光電-電光轉換再使用，只要是白天既可通過安置在預制艙艙頂的光導照明系統解決自然采光的問題，艙外自然光導入艙體內使艙體內外一樣明亮。相較于常規照明系統設計更加節能環保，符合電網建設綠色發展方向，在預制艙式變電站中具有廣闊的推廣前景。

2.3 恒溫恒濕系統的應用

預制艙式變電站艙體內空間狹窄封閉，自然通風降溫困難，常規的通風降溫設計采用大功率風機及大功率制冷空調實現，無法智能精確控制運行環境且耗能大。因此在預制艙內設置智能新風節能裝置及機房用精密空調進行通風降溫，新風和空調構成聯動聯控系統：當艙體外溫、濕度滿足設定條件，同時艙內溫、濕度達到新風開啟閾值時，新風裝置啟動高效排熱操作；當新風排熱效率較低的時候即艙內溫度持續上升并升至空調開啟點，則投入外部空調運行，新風裝置停止運行。機房精密空調系統在炎夏溫度較高時連續工作，根據設定的閾值，可以將艙體內溫濕度控制在1℃上下浮動以內，實現艙體內恒定溫濕度，保證了所有電氣設備的工作環境正常。本動力環境系統智能高效節能邏輯，一般可以節能25～80%。[3-4]

2.4 無線傳感網絡

為進一步減少預制艙式智能變電站的接線施工量、降低整體成本及其占用面積，適當引入無線傳感網絡技術。節點采用采用低功耗無線傳感器結合領先領先企業國電光宇自主研發的監護云平臺系統，借助云平臺超低功耗神經網絡算法，使無線傳感器平均工作電流降低到4.5mA超低功耗水平，根據變電站現場運行管理要求，經分析比較測算，可達到預期10年壽命的技術指標。無線傳感網絡的傳輸方式為無線，信號在傳輸方面存在不穩定性，傳輸質量比光纖傳輸要差很多，同時由于無線傳感網絡在時延方面包括空間數據傳輸的時延、編解碼以及modem的時延，同等傳輸距離下要比網線或光纖傳輸時間長，因此用于保護方面的測量控制量目前不適于無線網絡方式傳輸，但是在智能變電站輔助監控系統方面，絕大多數設備的狀態檢測數據都可以放在無線傳感網絡上完成傳輸。網絡構建及應用數據可以直接建立在該協議之上，不增加網絡傳輸層，這樣可以減少控制的環節、增大數據吞吐量減少無線傳輸時延。35kV預制艙式智能變電站艙體的長度一般不大于20m，對無線傳感網絡來說該通信距離很短，網絡拓撲設計不需太復雜，一般兩層即可，無需進行無線路由的中繼，第一層只設網絡節點，即中心節點，完成網絡的建立、維護以及與遠方通信管理機的通信，第二層設有多個終端單元，每個終端單元完成一個或多個傳感數據的采集與傳輸。協議數據采用2.4GHz免許可頻段作為無線通信信道。中心單元布置在綜控艙內，終端單元緊靠需要采集數據信息的設備布置。[5-7]

2.5 IEC61850標準體系在預制艙式變電站全面應用

預制式35KV智能變電站監控系統依照變電站無人值守要求設計，優化網絡拓撲結構，通信標準統一采用變電站通信網絡和系統IEC61850國際標準，與站內綜保系統和遠動系統統一規劃建模、統一組網、數據高度復用，實現站控層、間隔層和過程層三層兩網設備互操作。變電站內數據具有共享和唯一性，保護動作信息、遠動數據不重復采集。實現對變電站可靠、完善、合理的檢測控制、四遙信號的遠動和SNTP GPS對時能力以及與遠方調度中心信息交換的能力。[8]

2.6 智能自動巡檢系統

根據《國家電網公司變電站管理規定》、《無人值守電站管理規范（試行）》的意見和要求，各網省公司制定了運維站巡視管理規定，但無人值班站人工巡檢及時性、可靠性差，巡視與記錄效率低下，部分地區試投放機器人巡檢，但運用在露天作業實際運行效果并不理想，出錯概率大，技術不夠成熟。針對預制艙式變電站，提出基于物聯網技術的就地自動智能巡檢系統，該系統對多種類型的信息進行廣泛、深入融合，通過電子圍欄、墻體震動傳感器、視頻監控信息的感知與融合，實現高可信的無虛警、無漏警安防報警；通過感知與融合視頻監控信息、紅外熱成像信息和煙感信息，實現高可信的消防報警；通過感知與融合比對同一設備不同相位、同類設備之間的溫度差異，以及環境溫濕度信息，實現準確、快速的設備故障告警；通過感知與融合水浸、水位、環境溫濕度和視頻監控信息，實現高可信的變電站環境狀態告警。

2.7 基于專家診斷和神經網絡預判算法的無線監護單元系統

該系統將常規變電站各自獨立的輔助生產系統，通過IEC61850通信規約轉變為綜合智能化管理平臺，與設備在線監測系統一起構成了變電站智能巡檢系統，具有自由擴展性，可以自由覆蓋任意廠家的任意類型智能設備，可免去人工或機器人的常規巡檢任務，遠方的監控中心可利用云監護平臺實時掌控站內設備和輔助系統的運轉狀態，彌補了現有綜自系統與動力環境監控系統功能覆蓋的不足和對一線運維人員需求的針對性不強等問題。同時該系統具備專家診斷人工智能算法，能夠對現場數據做深入學習與診斷，做到系統運行狀況的預判，并會自動把定位的異常點以短信等方式發送給相關運維及管理人員移動終端上。這是在目前以狀態檢修為主的運維模式下的一次質的提升。

2.8 蓄電池組在線核對充放電單元系統

目前無論是常規變電站還自動化變電站亦或是無人值守智能預制艙式變電站目前都未解決的一個問題就是蓄電池組的日常自動維護，雖然蓄電池普遍采用的是免維護型，但這里的免維護并不是指的完全意義上的不維護，國網最新相關規定：新安裝的閥控式蓄電池組在驗收時應進行核對性放電，以后每兩年進行一次核對性放電，運行了四年以后的閥控式蓄電池組，應每年進行一次核對性放電。但是該政策的執行也存在著很大的難度，如：（1）蓄電池組核對性充放電試驗耗費大量人力資源，現在普遍采用人工操作，運維成本較大。（2）蓄電池內阻及運行工況不能實時監控撐握，日常巡檢中缺乏有效檢測手段，易造成直流電源故障。（3）根據DL/T724-2000及大部分地方政策均規定，對于只有一組蓄電池組的變電站，不能退出運行，也不能做全核對性放電，只能用I10恒流放出額定容量的50%，但規程并沒有對50%容量測試的操作作出具體說明。導致大部分放電操作人員要么大量接線外加一組蓄電池放電，要么按0.1C10電流放5小時。對此一些電源企業研制了具備內阻測的全在線自動核對充放電系統，該系統摒棄了常規人工利用離線放電儀經放電電阻以熱能的方式將能量泄放到周圍環境中做法，而是采用有源逆變技術，放電過程中電池組不脫離系統同時泄放的能量回饋給電網，實現節能環保的同時避免了散發熱量影響到周圍設備的正常運行。目前該技術較為成熟領先的企業國電光宇已將該系統投用到塔拉等750kV超高壓級電站，同時該技術也獲得了開普實驗室認證、國家知識產權局頒發的證書以及北京市科委高新成果轉化上榜產品并且該技術已在除電站之外的通信基站、服務器機房等領域也進入快速推廣應用階段。[9-10]

3 結語

以上綜述了預制艙式變電站現有設計方案現狀，以及提供了在現有基礎上進行技術改進與新技術應用提升預制艙式變電站智能化水平的思路，除此之外，從互聯網+智慧能源的角度出發，還有很多的創新點可以去思考，大量新技術的應用必將推動我國電網建設向著更加智慧、高效、綠色方向邁進。

參考文獻

[1]趙和平.智能變電站二次預制艙設備布置與應用分析[J].自動化應用，2015，（12）：146.

[2]張萬菊.尖扎灘 35kV 預制艙式變電站特點[J].青海電力，2012，（10）：31.

[3]GB50053-94.35～110kV變電站設計規范[s].

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[5]Jun Zheng，Abbas Jamalipour， Wireless Sensor Networks： A Networking Perspective [M].Wiley-IEEE Press， 2009.

[6]劉振亞，智能電網技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

[7]Mac Leod， H.， Loadman， C.， Experimental studies of the 2.4-GHz ISM ireless indoor channel[J].Communication Networks and Services Research Conference， 005（3）：63-68.

[8]DL/T860-2006. IEC61850-2003. 變電站通信網絡和系統[s].

[9]國家電網公司十八項電網重大反事故措施，國家電網公司防止變電站全停十六項措施[s].2010.

[10]Q/GDGY-0901-2015 自動核對在線充放電GY-ZLP-HS-1系列直流系統[s].