220kv新一代智能变电站设计优化研究

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华北电力大学硕±学位论文原创性声明一本人郑重声明：此处所提交的硕±学位论文《２２０ｋＶ新代智能变电站设计》，优化研究，是本人在导师指导下在华北电为大学攻读硕±学位期间独立进行研巧工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人己发表或撰写过的研巧成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均己在文中Ｗ明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：降ｔ？曰期：Ｗ（年／月／曰华北电力大学硕±学位论文使用授权书化一《２２Ｖ新代智能变电站设计优化研究》系本人在华北电力大学攻读硕±学位期间在导师指导下完成的硕古学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得Ｗ其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部口送交论文的复印。、件和电子版本，允许论文被查阅和借阅本人授权华北电力大学，可采用影印。缩印或其他复制手段保存论文，可Ｗ公布论文的全部或部分内容＂＂本学位论文属于（请在Ｗ上相应方框内打Ｖ）：保密□，在年解密后适用本授权书不保密回／作者签名：曰期；ｖｆ／年知如＇导师签名：日期：入《年月日聲斧 华北电力大学硕士学位论文摘要为应对随机、波动可再生能源大规模接入的严峻形势，建设可靠、经济、高效的智能电网已经成为世界各国的共识。作为电网建设的关键环节，现有变电站技术难以满足坚强智能电网高度自动化、智能化、调控一体化的要求，迫切需要革新设计理念，改进设计方法，研究新一代智能变电站的设计优化技术。首先，深入剖析智能变电站的系统结构，提炼总结智能变电站的主要不足，进而依托智能电网的建设需求，系统分析新一代智能变电站的系统结构及其主要技术。其次，针对智能变电站分专业设计、设备功能独立等不足，提出一体化集成断路器、隔离开关、互感器、智能组件的智能隔离断路器技术需求，为电气主接线优化设计、优化总平面布置创造条件，有效减少了新一代智能变电站占地面积，节省投资。再次，针对二次设备调试项目多、联调工程量大、建设周期长等问题，研发了预制舱式二次设备和即插即用的预制光缆/电缆技术。二次设备在工厂内安装调试，并可与土建、电气一次同时开工，大量缩短了工程周期。此外，结合先进的信息采集、通信技术，新一代智能变电站采用“就地级、站域级、广域级”的层次化保护系统，实现了继电保护与安全稳定控制的协调配合，并将故障的识别、处理能力提高到系统层面，有效降低了连锁故障和大停电事故的可能性。最后，以某220kV实际工程为例，系统完成了新一代智能变电站的设计流程，包括新一代智能变电站的设计方案选择、各电压等级电气主接线、总平面布置、一二次设备选择等内容。关键词：智能隔离断路器；预制舱二次设备；层次化保护；新一代智能变电站I 华北电力大学硕士学位论文AbstractInresponsetothegrimsituationoflarge-scalerandomandfluctuationgrenewableenergyaccesstopowersystem,theconstructionofreliable,economicalandefficientsmartgridhasbecomeaworldconsensus.Asakeypartinthepowergridconstruction,theexistingsubstationtechnologycannotmeettherequirementsofbuildingastrongandsmartgrid,whichishighlyautomated,intelligentandregulationintegrated.Asaresult,itbecomesurgenttoinnovativedesignconceptandimprovedesignmethods,andthentheresearchon220kVnewgenerationsmartsubstationdesignandoptimizationbecomesnecessary.Firstly,thesystemarchitectureofintelligentsubstationsisanalizedindepth,andtheshortcomingsaresummaried.Moreover,basedonthesmart-gridconstructiondemands,thesystemstructureandmaintechnicalofthenewgenerationintelligentsubstationaresystematicallyintrodudced.Secondly,consideringtheinsufficienceslikesub-professionaldesign,devicefunctionalindependenceofintelligentsubstatio,smartisolationcircuitbreakersareproducedbymanufacturer,whichintegratesthecircuitbreakers,isolationswitch,electronictransformers,sensorsandotherelectroniccomponents.Thisintegrationcreatesaopportunityfortheoptimizationofmainelectricalwiringdesignandgenerallayout,effectivelyreducesthecoveredareaofnewgenerationintelligentsubstation,andsavesinvestmentsimultaneously.Moreover,tosolvetheproblemsoflargeprojectsincommissioningofsecondaryequipmentsandtheirintegartiontest,andlongconstructionperiodandsoon,theprefabricatedcabinforsecondaryequipment,theprefabricatedcableoropticalcablewithPlugandPlayaredeveloped.Consequently,theintegrationofsecondaryequipmentscanbefinishedwithinfactorys,whicestartswithcivilengineeringandprimaryelectricalengineeringandgreatlyredecestheprojectcycle.Besides,combinedwiththeadvancedinformationcollectionandcommunicationtechnology,thelayeredprotectionsystemof"locallevel,station-domainlevelandwidearealevel"isadoptedinthenewgenerationintelligentsubstation.Andthecoordinationbetweenprotectionsystemwithsecureandstablecontrolsystemhasbeenreached,andthefaultidentificationandprocessingcapacityhabebeenarisedtothesystemlevel,whicheffectivelyreducesthepossibilityofcascadingfailuresandblackoutsaccidents.Finally,takinga220kVactualprojectasanexample,thedesignprocessofanewgenerationintelligentsubstationissystematicallyintroduced,whichincludesII 华北电力大学硕士学位论文theselectionofdesignscheme,themainelectricalwiringofvariousvoltagelevels,generallayout,selectionforprimaryandsecondaryequipments,andsoon.Keywords:smartisolatedcircuitbreaker；prefabricatedmoduleforsecondaryequipment;layeredprotectionsystem;newgenerationintelligentsubstationIII 华北电力大学硕士学位论文目录摘要................................................IABSTRACT...............................................II目录.................................................IV第1章绪论............................................11.1研究背景及意义.....................................11.2国内外研究现状......................................21.2.1智能电网研究现状................................21.2.2变电站技术发展历程..............................41.2.3新一代智能变电站研究现状........................61.3本文研究内容.......................................7第2章新一代智能变电站概述.............................92.1概述...............................................92.2智能变电站系统结构与特点...........................92.2.1智能变电站系统结构..............................92.2.2智能变电站的不足...............................122.3新一代智能变电站技术概述及系统结构................132.3.1新一代智能变电站技术概述.......................142.3.2新一代智能变电站系统结构.......................142.4小结..............................................15第3章新一代智能变电站关键技术........................163.1概述..............................................163.2智能隔离断路器....................................163.2.1智能隔离断路器.................................163.2.2优化电气主接线和总平面布置.....................193.3预制舱式二次设备..................................213.3.1预制舱.........................................223.3.2即插即用技术...................................293.4层次化保护系统....................................31IV 华北电力大学硕士学位论文3.4.1就地级.........................................313.4.2站域级.........................................333.4.3广域级.........................................353.4.4层次化保护系统.................................373.5小结..............................................39第4章工程应用........................................404.1概述..............................................404.2工程设计总体情况..................................404.2.1设计原则.......................................404.2.2设计方案.......................................404.3电气主接线设计....................................414.3.1电气主接线.....................................414.3.2总平面布置.....................................464.4电气设备选择......................................474.4.1电气一次设备...................................474.4.2电气二次设备...................................544.5小结..............................................60第5章结论与展望......................................61参考文献...............................................62攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果...................65致谢..................................................66作者简介...............................................67V 华北电力大学硕士学位论文第1章绪论1.1研究背景及意义随着经济社会的发展，化石能源日益枯竭、气候问题愈发严重。受能源危机和节能减排的双重压力，风电、光伏等可再生能源得到迅速发展。然而，可再生能源具有随机性、波动性的特点，大规模可再生能源的接入对传统电力网络提出了严峻挑战，研究安全、可靠、经济、高效的智能电网逐渐成为全球各-国的共识。所谓的智能电网是以集成、高速的双向通信网络为基础，利用先进的设备技术、传感器技术、测量技术、控制算法和决策支持系统技术等，实现电网的[3]安全、可靠、高效、经济和环境友好。美国能源部提出了“Grid2030”的远景目标，包含国家电力“主干网”、地区互联网、地方配电系统三部分内容，关注电力网络基础架构的升级更新，实现资源的优化配置。欧洲则提出了“Super[4]Grid”的概念，强调电力系统的柔性、易接入性、可靠性和经济性，重在保2障所有用户特别是可再生能源、零或低CO排放的本地发电，实现最有效的能源管理，保障供电可靠性和电能质量。此外，德国、日本、新加坡等国家分别[5]结合本国特征，提出了“E-Energy”等智能电网的发展战略，确保可再生能源的顺利接入和高效利用，进一步统筹电力需求，实现节能增效的目标。中国科技部颁发了《智能电网重大科技产业化工程“十二五”专项规划》，明确提出了建设智能电网的战略需求、发展思路、原则等。考虑到我国能源和负荷分布不均匀，需要远距离、大容量输电的具体特点，国家电网公司在“2009特高压输电技术国际会议”上，明确提出了发展规划建设坚强智能电网的目标。坚强智能电网以特高压的坚强网架作为基础，以智能控制为手段，以通信信息平台为支撑，涵盖电力系统发、输、变、配、用和调度各个环节，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，以及电网的坚强可靠、经济高效、[6]清洁环保、透明开放和互动友好。其典型特征是“坚强”和“智能”。变电站作为电力传输中的关键环节，承担着电压变换、电能分配、潮流控制和电压调节的核心作用。智能电网的发展战略对变电站技术提出了新的、更高的要求：要实现变电站运行数据的全面采集和实时共享，支撑电网实时控制、智能调节和各类应用；实现变电设备信息和运行维护策略和电力调度全面互动；实现全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、高级应用互动化。快速提升变电站智能化水平，已经成为建设坚强智能电网不可或缺的环节。而1 华北电力大学硕士学位论文近几年，微电子技术和计算机技术不断发展、信息化技术和控制理论逐步成熟、IEC61850标准颁布、电子式互感器推广应用等。新技术、新理念的成熟完善为开发智能化变电站技术提供了先进的理论支撑，创造了条件。经过六十余年的发展，我国变电站技术先后经历了传统变电站、数字化变电站、智能化变电站的发展历程，取得了较大发展进步。然而，即使目前最先进的智能变电站技术，仍存在以供应商主导的分专业设计、设计理念和设计方法受制于装备技术、一体化集成理念实施不到位、各二次系统独立分散配置等突出问题，使得变电站设备间功能独立、集成度低、协调性差、信息共享度低、维护量大，难以实现整体设计最优，并且对调控一体的支撑力度不够，尚不满足电网运维管理体质变革的需求。综上，建设智能电网的发展战略对变电站技术提出了新的需求，而现有的智能变电站技术仍然难以满足坚强智能电网高度自动化、智能化、调控一体化的要求，迫切需要进一步革新设计理念，改进设计方法，研究新一代智能变电站的设计优化技术。1.2国内外研究现状进入二十一世纪，世界各国相继提出了结合本国国情的智能电网发展战略，并在变电站智能技术方面开展有益探索。本节在总结国内外智能电网建设情况的基础上，重点阐述了我国变电站技术的发展历程，并简要概况了新一代智能变电站的最新研究情况。1.2.1智能电网研究现状1.2.1.1国外智能电网介绍欧美各国较早的开展了智能电网相关研究。美国电力系统面临着设备基础设施老化、机制不协调、阻塞输电走廊增加等突出问题，并在1996年、1999年、2000年、2001年和2003年相继出现大面积停电事故，每年电能质量事件和停电事故造成的损失在250-1800亿美元之间。为实现电网升级改造，组织和加强各方面对计划的实施领导，2003年美国能源部提出了“Grid2030”计划，率先提出智能电网概念，重点建设国家电力主干网、区域互联网、地方配电系统三部分内容。国家电力主干网通过超低阻抗的超导电缆及变压器将东西海岸、加拿大、墨西哥等连在一起，实现全国范围的供需平衡，扩大电力分配范围，提高系统效率；区域互联重在通过区域网络分配主干网电力，保障大功率交换市场高效运行；地方配电系统旨在加强需2 华北电力大学硕士学位论文求侧管理，实现信息实时监测以及电力市场的瞬时平衡。到2009年，美国能源[7]部提交了智能电网的研究报告，分析了智能电网的参与者和利益相关方，安全、经济、可靠、高效的发展目标，用户互动、跨区域运作、新能源和储能接入、自愈的典型特征，以及评估指标等内容。同年，美国政府公布智能电网技术投资计划，标志着美国智能电网进入全面建设阶段。针对能源危机和环境污染的突出问题，结合风能、太阳能等可再生能源远离负荷中心的现状，欧洲提出了超级电网（SuperGrid）的概念，强调可再生能源与传统能源的广域互联，强调可再生能源的远距离输送和高效利用，旨在实-[10]现多能源形式、多时间尺度、大空间跨越、多用户类型的交叉互补。2010年，欧洲正式公布超级电网的计划，提议将苏格兰海上风电、德国太阳能、挪威水电等可再生能源，通过泛欧洲电网连接起来，通过时空平滑效应，减少可再生能源的随机性和波动性，提高可再生能源的利用效率。2011年，欧洲启动[11]-[12]智能电网项目的全面调查，并完成电网发展现状的最新报告，分析了智能电网管理模式、可再生能源的大规模接入、智能用户和智能家居、电动汽车等典型应用。相对于欧美各国，日本更多的依赖于核电。自从福岛核电站事故后，日本开始大力寻求抗自然灾害、充分利用可再生能源的电力供给机制，加深智能电网的相关研究。日本智能电网的研究主要围绕太阳能等新能源的大规模开发利用、剩余电力和频率的控制、储能等新技术，强调可再生能源与现有电力系统的有机融合。在颁布的《智能电网国际标准化路线图》一文中，正式确定了广域监视控制系统、蓄电池、配电网管理、需求侧响应、电动汽车、先进量测装置等重点研究方向。此外，加拿大、澳大利亚、韩国等国家也分别针对本国国情提出了智能电网的发展战略，此处不再一一介绍。1.2.1.2国内智能电网介绍国内智能电网研究起步稍晚，但进展迅速。2007年，华东电网率先启动了智能电网的可行性研究，旨在提升大电网的安全稳定运行能力，并建立了高级调度中心和统一信息平台的智能电网试点工程。2008年，华北电网也开始智能电网相关研究和建设，致力于搭建智能电网信息架构、研究清洁能源关键技术，为建设智能电网奠定基础。2009年，国家电网正式提出了建设坚强智能电网的发展战略，揭示了坚强智能电网的内涵与特征、技术框架、发展目标与实施计划等，标志着智能电网进入规划建设阶段。2011年国家“十二五”规划纲要中明确指出，建设基于信息、控制和储能3 华北电力大学硕士学位论文等先进技术的智能电网，并在2012年科技部颁发的《智能电网重大科技产业化工程“十二五”专项规划》中明确了大规模新能源并网、电动汽车、大规模储能、智能输变电与装备、大电网智能运行与控制、智能配用电技术、柔性输变电等我国智能电网发展的关键技术。2013年，我国正式开始了智能电网综合标准化试点工作，分新能源并网、智能变电站、智能调度、电动汽车充换电等四个领域展开，建成了扬州经济技术开发区、上海世博园、天津中新生态城、绍兴镜湖新区、兰州新区等一系列示范工程，形成了国家标准、行业标准、企业标准相结合的智能电网技术标准体系。[13]目前，我国已开始全面建设智能电网，特高压技术和工程运营达到世界先进水平；清洁能源消纳取得突破；智能变电站建设和示范工程成果显著；智能电网试点工程顺利完成。其中，国家电网公司制定的《坚强智能电网技术标准体系规划》已经成为世界上首个智能电网建设的纲领文件。根据国家电网规划，到2015年坚强智能电网基本建成，电网智能化水平达到国际领先；到2020年，全面建成特高压为骨干网架、各级电网协调发展的坚强智能电网，技术和装备水平均达到世界领先地位。虽然世界各国建设智能电网的背景不同，对智能电网的发展方向、技术路线以及未来模式都有不同理解，但建设高效、灵活、清洁的智能电网已经成为各国共识。1.2.2变电站技术发展历程1.2.2.1我国变电站技术发展历程我国变电站技术大致经历了传统变电站、综合自动化变电站、数字变电站、智能变电站和新一代智能变电站的发展历程。传统变电站保护设备以晶体管、集成电路为主，二次设备按照传统方式布置，各部分互不相干，独立运行，没有系统和监控功能。随着微处理器和通信技术的发展，才逐渐应用微机型远动装置（RTU），并新加了遥控、遥调、遥测、[14]遥信的“四遥”功能。传统变电站的不足在于：各功能模块独立，缺乏整体协调，没有实现变电站整体系统智能；二次接线复杂，通信规约不统一，系统联调难度大；缺乏统一的信息模型，自动化装置互操作性差。得益于计算机、网络、通信技术的发展，到20世纪90年代，初步形成了综合自动化变电站：一次设备实现多油断路器到少油、无油断路器的转变，二次保护从电磁型继电保护转变为微机继电保护，初步建立起变电站综合自动化[15]系统，实现对变电站运行情况的监视、测量、控制和协调。综合自动化变电4 华北电力大学硕士学位论文站具有分布式、集中式、分层分布式三种典型结构，实现了系统构成的模块话、操作监视屏幕化、通信局域网络化、运行管理智能化、测量显示数字化等功能，相对于传统变电站具有较大进步。然而，综合自动化变电站具备前置管理机任务繁重、软件复杂、系统可靠性低等问题，存在进一步提升的空间。进入21世纪，IEC61850标准规约在国内逐步应用，数字技术进一步发展，国内出现了以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化和高级应用互动化为特征的数字变电站。数字变电站一次侧采用智能化一次设备，二次侧构建过程层、间隔层和站控层的三层结构体系，实现站内智能电气设备之间的[16]信息共享和互操作。数字化变电站解决了设备间的互操作问题，实现了站内信息的数字采集和网络化信息交互，进一步提高了自动化水平。然而，数字化变电站存在保护校验复杂、信息共享仅限于变电站之内、缺乏完善的保护控制机制等不足。对于智能电网的建设需求而言，数字化变电站仍有待改进。为满足智能电网的发展需求，国家电网公司提出了建设智能变电站的目标。与数字化变电站不同，智能化变电站设备集成度更高，更加注重站站之间、变电站与调度中心之间的实时协调和协同互动。同时，智能变电站立足于满足智能电网的运行调度要求，更强调自动控制、智能调节、在线决策分析等高级应[17]用功能。1.2.2.2智能变电站技术智能变电站是采用技术先进、运行可靠、系统集成、低碳环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，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、协同互动等高级功能的变电[18]-[20]站。智能变电站的优越性主要体现在如下新技术的应用：（1）一次设备智能化：采用一次设备本体+智能组件的方案，实现设备就地测量、控制、状态监测等功能，并可根据设备的实际运行情况、在线监测和故障诊断结果，进行操作上的智能控制以及状态检修。（2）电子式互感器：与常规互感器相比，电子互感器具有体积小、抗饱和能力强、线性度好等优势；可避免传统互感器铁磁谐振、绝缘油变质爆炸、气体泄漏、电流互感器断线导致高压放电等固有问题。同时，能够节约大量铁芯、铜线等材料，更符合智能变电站低碳环保的设计理念。（3）状态检测技术：在保持正常运行不停电检修的情况下，运用在线监测相关仪器，对电力设备状况实时进行连续或周期性地自动监视，进而结合专家诊断算法，对设备健康状态作出分析、评估和预测，及时给出预警信息。5 华北电力大学硕士学位论文（4）二次设备网络化：为适应光电式互感器的应用、智能化一次设备和IEC61850通讯规约的需要，智能变电站二次系统结构采用三层两网(即站控层、间隔层、过程层)，站控层和间隔层以互联互操作为重心实现数据共享，过程层则以可靠性和稳定性为首要设计原则，通过网络真正实现资源共享。（5）一体化信息平台：建立变电站统一数据平台，实现全站信息的有效共享，避免数据重复采集；建立站内稳态、暂态、动态和状态信息全景数据的统一建模、统一接入、统一存储、统一处理、统一展示，供系统层各高级应用子系统进行统一、标准化、规范化的数据存取访问及向调度系统进行上送。虽然智能变电站相对于其他变电站，在一次设备、二次保护和协调控制等方面均有较大进步，但仍未脱离以供应商为主导的分专业设计模式，各二次系统间无法实现信息共享，对调控一体化支持力度不足，无法实现变电站整体设计最优。基于此背景，国内逐步开展新一代智能变电站的研究工作。1.2.3新一代智能变电站研究现状针对智能变电站分专业设计、一次设备一体化设计理念集成不到位、二次系统独立分散配置等不足，国内提出了以“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”为建设目标的新一代智能变电站。文献[21]详细分析了智能变电站存在的问题，介绍了新一代智能变电建设的功能需求、建设目标、技术路线等，展望了变压器、开关设备、保护控制、变电站自动化、系统通信等重点发展方向，进而探究了新一代智能变电站建设的远近期方案。文献[22]则从新一代智能变电站的总体架构出发，重点介绍了变压器智能化、新型断路器控制、智能断路器、网络化自动化系统等关键技术，以及集装箱式施工工艺优化技术等。文献[23]从智能变电站建设现状、取得的成果、存在的不足导入，阐述了新一代智能变电站的概念，以及电气主接线、层次化保护系统、一体化高速以太网、二次设备模块化集成等关键技术。上述文献成果为研究新一代智能变电站的设计框架奠定了基础。新一代智能变电站一次设备方面，文献[24]具体讲解了应用于新一代智能变电站的隔离断路器，其核心特征是集成了传统断路器、隔离开关、接地开关等设备功能，减少一次设备的数量；通过与电流互感器紧凑式布局，减少占地面积和工程量，有效降低工程成本。同时，隔离断路器实现了设备状态的在线[25]检测，提高了设备可靠性，如400kV隔离断路器的设备故障率降低50%。在隔离断路器研究的基础上，文献[26]介绍了基于隔离断路器的电气主接线优化方案、电气设备选型、平面布置优化设计等内容，并基于国家电网公司典型6 华北电力大学硕士学位论文设计提出了新一代智能变电站总平面优化布置的基本思路。国外智能化设备方面，具备一次设备生产能力的厂家有ABB、西门子、阿海珐、GE等公司，其设备智能化的发展方向体现在在一次设备和二次设备的融合。如，带数字接口的互感器、智能断路器、具备在线检测和状态评估功能的低压智能开关柜和智能组合开关、考虑过程层设备接口的高压断路器控制[27]装置等。新一代智能变电站二次系统方面，针对以往变电站二次系统独立分散配置、采样重复计算、信息共享度低的问题，文献[28]-提出了一种层次化保护控制系统，并详细介绍了层次化保护控制系统的总体架构、功能配置和系统性能。通过新旧方案的对比，层次化保护控制系统，不仅优化了保护配置与安全稳定控制系统，同时新增了站域级和广域级控制系统，实现区域电网信息共享应用，有效提升了继电保护性能，为建设智能电网提供了有力支撑。预制舱二次设备和预制光缆电缆技术研究较少，文献-宏观介绍了预制舱式二次设备的设计方案、布置方式、安装运输等内容。文献-对预制光缆/电缆的结构、连接方式、分类等内容进行了总结介绍。国外新一代智能变电站二次系统方面的研究侧重于通信协议的统一和应用。2013年，欧洲国家召开了“下一代智能变电站”研讨会以及GOOSE和[42]SV应用研讨会，对智能变电站数据管理和分析、IEC61850标准应用等内容展开讨论。2014年，召开了智能电网架构下，推动IEC61850标准在输电网和配电网大规模应用的研讨会，深入探讨了IEC61850第二版的影响和应用、变[43]电站高级应用功能等内容。此外，国外厂家较早的参与IEC61850标准的编制和修订，各厂家之间的设备较早的完成了互操作实验。如，ABB、ALSTOM和西门子等公司已经完成间隔层和站控层设备之间的互操作试验等[44]。国内外新一代智能变电站相关研究，为进一步开展实证化的新一代智能变电站设计优化方案奠定了基础，使得建设新一代智能变电站示范工程成为可能。1.3本文研究内容针对国内智能变电站设计建设现状和试点运行中存在的问题，根据国内外变电技术创新的最新进展，依托坚强智能电网的需求，本文开展220kV新一代智能变电站的设计优化研究，具体工作如下：第1章，系统概述了本课题研究背景、意义和现状；第2章，深入剖析、总结智能变电站的系统结构及主要问题，进而依托某220kV新一代智能变电站7 华北电力大学硕士学位论文建设需求，提出概述了新一代智能变电站相关技术和系统结构；第3章，深入研究新一代智能变电站的关键技术，重点阐述智能化隔离断路器、预制舱式二次设备、预制光缆/电缆、层次化保护系统等内容；第4章，依托某220kV新一代智能变电站建设需求，对本文所述优化设计方案开展实证应用研究；第5章是本文结论和展望。8 华北电力大学硕士学位论文第2章新一代智能变电站概述2.1概述变电站智能化技术是建设坚强智能电网的重要基础和支撑。随着计算机技术、自动化技术以及控制理论的发展，我国变电站智能化技术不断进步，先后经历了传统变电站、综合自动化变电站、数字化变电站、智能变电站的发展历程。然而，即使是最先进的智能变电站存在分专业设计、整体协调性差等不足，仍然无法满足建设坚强智能电网的需求。本章首先分析了智能变电站的系统结构、特点，进而探讨了智能变电站存在的主要问题。在此基础上，基于坚强智能电网的建设需求，研究了新一代智能变电站的系统框架及应具备的主要技术。下面将具体论述。2.2智能变电站系统结构与特点智能变电站基于先进、可靠、环保、集成的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网格化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护等基本功能，实现了控制自动化、调节智能化、在线诊断分析决策等高级功能。本节重点阐述智能变电站的系统结构和存在的主要问题。2.2.1智能变电站系统结构智能变电站一次系统采用智能高压设备，二次系统采用统一信息平台，信息交互从逻辑上分为“三层两网”，即过程层、过程层网络、间隔层、站控层网络、和站控层。整体系统结构如图2-1。（1）智能变电站一次设备智能高压设备是指具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、信息交互化、功能一体化等技术特征的高压设备。目前智能变电站一次设备相关的主要技术包括一次设备智能化、电子式互感器、状态在线检测等。一次设备智能化由高压设备本体、集成于高压设备本体的传感器和智能组件组成。其中智能组件是一次设备智能化的关键部位，由合并单元、智能终端等若干智能电子装置集合而成，实现主设备的测量、控制、监视等功能。以智能变压器为例，所需智能组件包括测量IED、OLTC控制IED、冷却装置控制IED、监测主IED、局部放电检测IED、油中溶解气体IED、绕组光纤测温IED、非电量9 华北电力大学硕士学位论文保护IED、合并单元等，实现常规信息测量、分接头开关智能控制、告警、检测等功能。变电站层变电站层网络间隔层过程层过程层网络系统服务器兼操作员1系统服务器保护测控电子式互感器兼操作员2合并单元通讯在线监视终端故障录波远动工作开关设备站1（主变、断路器、刀闸）智能单元远动工作站2电能计量保护及故障信息管理子站超五类屏蔽双绞线GOOSE视光缆频联动服其他智能务器设备电缆MMS/GOOSE网SMV网GOOSE网图2-1智能变电站整体系统结构电子式互感器通常由传感模块和合并单元组成。传感模块负责检测一次侧电压、电流信号，并将其转换为数字信号；合并单元则对传来的信号进行同步处理。相对于传统互感器，电子式互感器具有体积小、重量轻、绝缘性能优良、造价低、无磁饱和和铁磁谐振现象、测量精度高、频率响应范围宽、易于智能化实现等优点。具体可以分为有源式和无源式两种，包括罗氏线圈电子互感器、磁光玻璃原理光学电子互感器、全光纤型电子互感器等多种原理类型。一次设备状态检测的基本原理是当设备绝缘性能、缺陷发展到一定时期时，设备电气量、非电气量特性有渐进变化的征兆。基于此理论，通过实时采集、分析设备的运行状态信息，对各信息数值大小和变化趋势进行处理和综合分析，在线评估设备运行状态，预测设备可靠性和剩余寿命，必要时提供预警、诊断故障类型等。状态检测技术是实现设备状态检修的技术基础，包括在线监测和离线检测两种方式。其突出应用是变压器油中气体、油中微水、套管绝缘、负荷温度、绕组振动等以及开关设备的SF6气体和微水、局部放电等信息的在线检测。电子式互感器、智能组件、在线监测等新技术的应用为实现智能变电站设备状态全景信息库、设备管理、在线监测、故障诊断等高级应用功能奠定了基础，有力提高了变电站智能化水平。（2）智能变电站二次系统随着光纤通信技术和电子互感器技术的应用，智能变电站二次系统也发生相10 华北电力大学硕士学位论文应变革，突出表现在高级应用和一体化信息平台等方面。得益于数字信息的全面采集，智能变电站能够实现顺序控制、站内状态估计、源端维护、设备状态可视化、站域控制、故障综合分析、智能告警等多种高级应用功能，进一步提高安全运行水平和工作效率。以顺序控制为例，在变电站原有标准化操作前提下，下达运行方式变化的指令后，变电站自动化系统按照操作票规定的顺序一步一步执行指令，每执行一步操作前自动检查防误闭锁逻辑，校验通过后，自动进行下一步操作，这样就做到了一次性自动完成多个控制步骤的操作。顺序控制能够结合网络拓补和操作规则智能生成操作票，有效提高工作效率，其典型流程如图2-2。调控中心①②③④⑥败⑦⑧⑨⑩败⑪一遥根传顺等传传对继信返键控据送控信送送等续号回式选顺顺操号单单待执）操⑤顺择控控作）步步步行作下操控确命操作遥骤骤骤顺结一操认令作控过过，控果作取票票执程程确操信个校遥读文行信信认作息顺控操件验息„息继„（控通选作（（续顺择票过步等执控操骤待行总作成）成功/功/失失变电站图2-2智能变电站顺序控制流程一体化信息平台是通过建立站内全景数据的统一信息平台，将智能变电站的新系统、数据有机融合，实现变电站数据的标准化、规范化存储和访问，从而满足各高级应用系统的功能需求。变电站统一信息平台功能有两个，一是管理系统中各种上层应用对信息获得的统一化，实现了系统横向信息共享；二是各层对其上层应用支撑的透明化，实现系统纵向信息的标准化。信息平台的关键技术是全景数据库技术、通信标准化技术和图形基系统技术。一体化信息平台的设置为变电站各高级应用提供了平台支持，从而为信息数据的深化应用奠定了基础。此外，智能变电站还有时间同步系统、交直流一体化电源、辅助控制等智能二次辅助系统，通过各系统之间的协调配合，共同实现变电站智能化。（3）智能变电站通信网络结构变电站通信网络结构与自动化系统密切相关，直接影响变电站保护、监视、控制等功能的实现效率。目前，智能变电站通常采用分层分布式的开放式结构，分为总线型、星型和环型三种结构。智能变电站自动线系统具体由“三层两网”组成。“三层”包括站控层、间隔层和过程层；“两网”包括站控层网络和过程层网络。11 华北电力大学硕士学位论文站控层包含了操作员站、一体化信息平台、智能设备接口等设备，涵盖自动化系统、站域控制、通信系统、对时系统等子系统，实现变电站运行的人机交互、间隔层和过程层的管理、远方监控、调度通信等功能，完成数据采集和监视控制（SCADA）、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。站控层网络是连接站控层设备和间隔层设备，实现两者内部不同设备、两者之间信息交互的通道。站控层网络通常采用如下配置方式：MMS、GOOSE、SNTP同步对时三网合一；星形网结构避免网络风暴；100M以太网保障数字化、全站统一配置的交换机。间隔层包括继电保护、安全自动装置、电能质量监测、故障录波等二次装置，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能，即与各种远方输入/输出、智能传感器和控制器通信等。间隔层由不同间隔的设备组成，能够在站控层和网络失效的情况下，独立完成站控层设备的就地监控、测量、保护等功能。过程层主要包括变压器、断路器、隔离开关等一次设备与智能组件构成的智能设备、合并单元、电子式互感器、智能终端等设备，负责实现实时采集、状态检测、命令执行等与一次设备相关的功能。过程层是一次设备和二次设备的结合，是智能变电站中的设备智能化部分。过程层网络则负责间隔层与过程层之间、间隔层设备之间、过程层设备之间的数据通信，包括GOOSE网络和SV网络。过程层网络通常采用如下配置：星形网结构；双重化配置；100M以太网；多间隔公用交换机；SV网络、GOOSE网络和同步对时网络三网合一等。智能变电站通过一次设备智能化、电子式互感器、智能终端、一体化信息平台、高级应用等新型一二次技术的应用，实现设备与系统间的物理集成，有效提高了变电站智能化水平。2.2.2智能变电站的不足智能变电站“一次设备+智能组件”的方式有效提高了设备操作智能化水平，使得设备不完全依赖于变电站控制系统，能够独立的执行相关功能。电子式互感器以及智能组件的采用提高了设备的测量、监视、控制水平。基于在线监测与诊断情况，设备状态检修成为可能，系统的可用性大幅提高。此外，电子式互感器的大量采用使得变电站信息均为数字信号，加之IEC61850标准、软件复用技术、面向对象建模、高速以太网等软硬件配置，使得智能变电站系统呈现分层分布式优化布局，信息呈现交互网络化方式，系统可靠性、灵活性有效提高。智能变电站特有的一二次设备、通信网络结构使其具有设备操作智能化、设备检修状态化、系统分层分布化、信息交互网络化等优点。然而，受设计理念、专业分工、技术壁垒、工作习惯等客观因素的制约，智能变电站仍存在如下不足：12 华北电力大学硕士学位论文（1）分专业设计模式，难以实现变电站整体最优目前，各类型变电站均采用供应商主导的设计模式，各厂家从自身工作习惯、工作利益出发，生产的设备水平受设计理念和设计水平的限制，存在兼容性问题，通用性和协调性较差。特别是各厂家对信息交互的规范性考虑不足，数字化海量信息的传输和共享方面仍存在矛盾。因此，迫切需要转变智能变电站设计模式，通过整体化设计思路，明确各设备功能划分，进而改进设计方法和设计流程，提高变电站设备的协调性。（2）一体化集成理念不到位，设备功能独立智能变电站一次智能设备采用“一次设备+智能组件”的方式，一体化集成程度不够，由单一产品质量导致的设备配合问题频繁发生。同时，一次设备和二次设备之间也未实现真正意义的集成，无法开展厂内联调工作。实际工程建设中，由于各设备之间机械设计、通信接口、绝缘设计、模型配置等不统一或配合不当，往往影响工期进度。因此，需要进一步加强一次设备的智能化水平，整合一次、二次相关设备的功能，实现设备有效集成及功能高度整合，切实提高变电站建设、运行效率。（3）二次系统分散配置，维护工作量大虽然智能变电站采用电子式互感器和“三层两网”结构方式，实现了数据采集的数字化和信息交互网络化，但同时使得变电站二次网络结构非常复杂，交换机、电缆等设备数量众多，加剧了施工建设和运行维护的难度。同时，各二次系统仍采用分散式布置方式，存在采用重复、信息程序程度低、维护工作量大等突出问题。整体而言，智能变电站二次系统对调控一体化支撑力度不够，不满足运维管理的变革需求。因此，需要转变二次系统配置方式，进一步深化高级应用功能，构建一体化业务系统平台和层次化保护系统，提高变电站各系统的协调性、共享性。为有针对性的解决上述问题，进一步提高变电站智能化水平，新一代智能变电站的概念应运而生。2.3新一代智能变电站技术概述及系统结构新一代智能变电站是在现有智能变电站建设、运行的经验基础上，通过打破专业壁垒、整合系统功能、优化结构布局，进一步推动变电站创新发展，实现设备在控可控、信息共享互动、服务优质便捷的全新管理和建设模式。其目标是“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。”本节将从宏观上对新一代智能变电站的相关技术、系统结构等进行介绍。13 华北电力大学硕士学位论文2.3.1新一代智能变电站技术概述为解决智能变电站一次设备集成不到位、二次装置配置分散等不足，新一代智能变电需在一次设备、二次系统等方面有针对性改进，提升设备智能化水平，加强信息交互和共享，并在此基础上优化结构布局、深度集成相关系统，从而为调度、运维提供有利支撑。本文所述新一代智能变电站优化设计的主要技术概括如下：（1）智能化一次设备以设备高度融合、调控灵活方便为目标，提出一次设备与智能组件有效集成的设备智能化方案，引导厂家提高装备水平。较智能变电站而言，新一代智能变电站应用了智能隔离断路器，高度集成了隔离开关、断路器、接地开关、传感器、智能终端等设备，提高了设备可靠性。同时，基于智能隔离断路器，优化了电气主接线，有效减少变电站占地面积，节省工程投资。（2）预制舱式二次设备为解决智能变电站二次装置分散布置，协调性差、集成联调工作量大等问题，新一代智能变电站开发了预制舱式二次设备整体结构，在工厂内完成二次控制设备的安装、调试，大幅缩短现场施工周期，提高工作效率。此外，新一代智能变电站通过预制电缆、预制光缆等设备优化二次设备接口，实现二次装置的“即插即用”，提高设备接口的通用性和灵活性。（3）层次化保护系统为充分利用广域测量信息，进一步提高保护的可靠性和准确性，新一代智能变电站开发了面向保护对象的的层次化保护控制系统，通过“就地级—站域级—广域级”三级保护在时间维度、空间维度和功能维度等方面的协调配合实现了单一设备、整个变电站、区域内多个变电站的层次化保护和智能控制，有效提高了保护系统的可靠性、准确性和适应性。通过智能化一次设备、预制舱式二次设备和层次化保护系统等新技术，新一代智能变电站在技术、设备、功能等方面得到较大提升，建设、运行、管理更加灵活高效，有利支撑了智能电网技术发展。2.3.2新一代智能变电站系统结构新一代智能变电站不再拘泥于单一变电站范围，通过广域层和站域层两层结构配置，实现广域信息的统一采集和完全共享，为广域范围的智能保护和控制奠定集成。具体系统结构见图2-3。14 华北电力大学硕士学位论文调度（调控）中心其他主站系统III/IV区数据通信网关机综合应用服务器Ⅰ区数据通信PMU数据集中器图形网关机数据服务器II区数据通信时间同步系统监控主机（统一处理与综合展示）网关机网关机正反向隔离装置功能整合功能整合MMS防火墙多功能测控站域保护微机保护装置（测控+PMU+计量）二次设备状态采集消防/安防/照明/视频在线监测环境监测等就地化保护SV+GOOSESV+GOOSE256点采样智能终端就地化保护测控装置数字化电度表传感器合并单元与保护/测控接口，输出80点/周波；合并单元/智能终端装置集成分析装置计量电源辅助控制系统在线监测系统与计量/电能质量接口，输出256点/周波。电子互感器断路器刀闸电子互感器断路器刀闸图2-3新一代智能变电站整体系统结构站域层涵盖整个变电站，在现有智能变电站的“三层两网”结构基础上，新一代智能变电站新增了“两层一网”的分层分布式结构。“两层”指就地层智能设备和站控层设备；“一网”指就地层和站控层通信网。就地层智能设备采用测量、保护等智能组件与一次设备高度融合的智能化一次设备，打破一二次技术壁垒，有效降低设备维护工作量。站控层采样共网共端口技术，有效减少设备端口数量，提高经济性；采用基于一体化业务平台的设备，实现在线监测、网络分析等智能管理功能，提高系统智能化水平。通信网采用一体化高速以太网，实现数据、信息的快速交互，为变电站智能控制、状态检修等提供物理基础。广域层面向区域电网，利用多个变电站综合信息，统一判定决策，实现相关保护和控制功能。广域信息的统一采集和完全共享，改变了继电保护等二次系统的配置方式，为层次化保护系统奠定技术基础。2.4小结本章首先介绍了智能变电站“一次设备+智能组件”的设备智能化方案、基于高级应用和一体化信息平台的二次系统、“三层两网”的体系结构等内容，进而分析了智能变电站分专业设计、一次设备集成不到位、二次设备分散布置等不足。为针对性的解决上述问题，进而对新一代智能变电站智能隔离断路器、预制舱式二次设备、层次化保护系统等技术以及“站控层—广域层”的系统结构进行了概述。15 华北电力大学硕士学位论文第3章新一代智能变电站关键技术3.1概述为解决智能变电站分专业设计、一次设备集成不到位、二次设备分散布置等不足，新一代智能变电站提出了智能化一次设备、预制舱式二次设备、层次化保护等相关技术。上一章从宏观上概述了这些技术的提出背景、典型特点和意义，却未对其原理、具体实现详细展开。本章从基本原理、特点、功能配置等方面，对新一代智能变电站的智能隔离断路器、预制舱式二次设备、层次化保护系统等关键技术进行详细叙述。值得说明的是，智能变压器、电子式互感器、高速以太网等与智能变电站相同的技术本文将不再一一介绍。3.2智能隔离断路器受设备材料、生产水平和工艺的限制，传统油断路器可靠性低，故障频繁。为保证检修、维护的安全，传统变电站设计时，在断路器两侧配置隔离开关，在保障其他设备正常运行的同时，形成明显的断口隔离高压。近几年，随着生产工艺、运行维护、设备设计水平的提高，真空断路器和SF6断路器得到广泛应用。然而，隔离开关等设备水平却并未显著提升。可靠性水平显著提升的断路器与运行可靠性停滞不前的隔离开关愈发不相匹配。加之智能组件、互感器等二次设备的集成不到位，使得现有变电站设备故障多、占地面积大、建设周期长、运行效率低等弊端愈发突出。一体化集成断路器、隔离开关、二次组件的智能隔离断路器应运而生。本节重点阐述智能隔离断路器的原理、特点、具体实现等内容，并在此基础上说明基于智能隔离断路器的电气主接线优化改进。3.2.1智能隔离断路器智能隔离断路器是一体化集成断路器、隔离开关、电子式互感器、接地刀闸、智能组件等元件的新型设备（如图3-1），能够实现断路器、隔离开关、保护、测量、控制等功能。其系统结构、工作原理、状态检测和工作特点如下。16 华北电力大学硕士学位论文图3-1智能隔离断路器结构示意图（1）系统结构以ZCW9-126(L)/T3150-40型智能隔离断路器为例：上部为灭弧室；中部为电子式互感器；下部为支撑绝缘瓷柱、框架、操作机构、接地开关以及就地布置的智能控制柜等。接地开关和智能隔离断路器共用1个底架：断路器采用弹簧操作结构，为三相联动操作，布置于框架中部。接地开关采用电动操作机构，与其连接机构共同布置于边相支柱上。电子式互感器位于智能隔离断路器套管和支柱套管之间，以光纤绝缘子固定在断路器支架。信息采集器位于光纤绝缘子顶部，采集的数据信息通过光纤绝缘子内部的光纤传输，结构紧凑。此外，智能隔离断路器采用SF6气体为绝缘和灭弧介质，三极相互连通，共用一个气室，通常额定压力为0.5Mpa。（2）工作原理智能隔离断路器是具有隔离开关功能的断路器，在动作过程中仅有一套运动触头，断路器和隔离开关功能均通过灭弧室触头实现。智能隔离断路器具有三种工作位置：合闸位置、分闸位置和隔离闭锁位置。当用作隔离开关时，智能隔离断路器在断路器动作机构上加装机械闭锁装置（见图3-2），保障了在机械闭锁启动时，触头始终保持在打开位置，从而实现隔离开关的功能，确保检修人员和设备的安全。接地刀闸置于隔离断路器断口外，只有隔离断路器闭锁在分闸位置时才能进行接地刀闸的合闸操作。接地刀闸具备可见的接地和非接地位置，可就地挂锁，确保运维操作人员的安全。智能隔离断路器的动作位置示意图如图3-2。17 华北电力大学硕士学位论文合闸位置接地开关隔离闭锁位分闸位置置a.机械结构b.动作位置示意图3-2智能隔离断路器闭锁装置局部图（3）状态检测智能隔离断路器内部集成了在线监测等智能组件，能够实现对设备功能、状态的自动监测和智能控制。监测项目和监测状态量如下表所示。表3-1智能隔离断路器状态监测项目和监测状态量监测项目监测状态量SF6气体状态气体温度（℃）、压力（MPa）、微水（1）时间特性：分合闸时间（ms）、分合闸速度（m/s）机械性能（2）分合闸线圈电流：操作方式（合/分）、峰值电流（A）、功耗（W）等（3）储能电机：日启动次数、日累计工作时间（s）等绝缘性能局部放电、漏电流等1、SF6气体微水在线监测以SF6气体为绝缘介质或灭弧介质的高压设备中，当SF6气体中的微水含量达到一定程度时，在电晕或电弧的作用下，SF6气体将产生对电气设备有较大腐蚀的分解物，影响设备的正常运行。目前，微水监测的主要方法有冷镜法、重量法和阻容法。其中，阻容法由于测量响应速度快、准确度高、长期稳定性好、成本低等优点，得到较广应用。2、性能监测断路器性能监测主要体现为断路器触头行程和分/合速度的测量、是否发生拒动或误动等。触头行程和分/合速度的测量利用位于主轴的位移旋转式光栅传感器，将断路器触头的行程、速度转换为传感器与主轴间的相对运动，进而经过数据处理得到相应信息。是否发生拒动、误动方面，利用补偿式霍尔电流传感器监测断路器分合闸线圈的电流信号，将电流信号中的机械信息提炼出来，并于实际断路器开/合指令比较，进而判断断路器是否发生拒动、误动。3、局部放电监测18 华北电力大学硕士学位论文局部放电是是GIS绝缘劣化的征兆和表现，并将导致绝缘劣化加剧。目前，常用的监测方法有脉冲电流法、超高频法、超声波监测法等，其中超高频法适用于连续状态监测，精度较高，应用较多。（3）工作特点1、可靠性高。智能隔离断路器取代了传统断路器的和独立隔离开关的联合应用，将裸露在空气中的隔离开关触头集成到SF6灭弧室中，显著提高了设备运行可靠性，将断路器和隔离开关的现有平均检修周期13年、6年延长到15年以上，解决了断路器、隔离开关可靠性不相匹配的矛盾。2、占地面积少。智能隔离断路器实现了断路器和隔离开关的一体化集成，解决了传统一次设备数量多、分散配置的弊端，进而可以减少变电站空间和占地面积，优化站内布局，降低工程成本。同时，电子式互感器集成到智能隔离断路器本体，结构更加紧凑，可进一步减少占地面积和工程量。3、智能控制。智能隔离断路器内部集成了同步控制器、在线监测等智能组件，可以实现对隔离断路器的智能控制：利用集成的同步控制器，控制断路器的开/合时间，实现智能灭弧，从而减少对系统的冲击；利用在线监测模块，实现对SF6微水、断路器机械性能的在线监测，提高了装备的可靠性、实用性，并为状态检修提供信息保障。3.2.2优化电气主接线和总平面布置智能隔离断路器整合并集成了传统断路器、隔离开关和互感器的功能，使得变电站设备数量大量减少。同时，由于智能隔离断路器的运行可靠性更高，无需频繁的检修、维护，更加适用于简单接线方式。基于上述两种因素，智能隔离断路器的采用使得新一代智能变电站的主接线型式和总平面布置能够进一步优化。具体如下：3.2.2.1优化电气主接线基于智能隔离断路器的电气主接线优化主要体现在减少间隔内设备数量、优化主接线型式两个方面。（1）减少间隔内设备数量当前变电站设计时，为了保障检修、维护的方便，在断路器两侧均加装隔离开关以及接地开关导致变电站中隔离开关数量很多。隔离开关的触头长期暴露在大气中，运行环境恶劣。加之近几年制造工业和设计水平的停滞不前，使得隔离开关的故障率和维护周期大大缩短，甚至已经高于断路器的维护要求。传统断路器、隔离开关分专业设计的模式已经成为制约变电站可靠运行、灵活检修的突出19 华北电力大学硕士学位论文环节。智能隔离断路器集成了上述间隔中各元件的功能，断路器触头具备断路器和隔离开关的双重功能。由于带有紧凑型布置的接地开关，因此可以取消传统出线间隔中的线路侧开关。而智能隔离断路器触头均密封于灭弧室中，运行环境良好、可靠性高，检修周期长，并可以同母线一起检修。因此，可以取消母线侧隔离开关。由于取消了母线侧和线路侧隔离开关，整个间隔的主接线能够得到优化，如图3-3所示。DE/ESDCBDE/ESDE/ESa.传统断路器b.智能隔离断路器图3-3智能隔离断路器出线间隔示意图（2）优化主接线型式智能隔离断路器具有检修周期长、可靠性高的优点，即使采用简单接线形式（单母线接线）也可达到传统断路器复杂接线（双母线接线）的可靠性，进而使得优化电气主接线型式成为可能。220kV主接线型式优化基于智能隔离断路器的220kV主接线，设备故障率有效降低，可靠性显著提升，采用单母线分段接线即可达到双母线接线的可靠性。从可靠性和经济性的角度而言，220kV主接线可以由双母线接线优化单母线分段接线。但双母线接线调度灵活，各个电源和回路负荷可以任意分配到某一组母线上，灵活地适应系统中各种运行方式和潮流变化的需要。相对而言，单母线接线在母线检修时，该母线回路均要在检修期间停电，调度灵活性相对较差。实际应用中，220kV具体采用何种接线方式应根据变电站的地位、电网转供能力等要求，具体选择。对于枢纽变电站和灵活性要求较高的变电站，仍然采用双母线接线；而对于终端变电站和灵活性要求不高的变电站，可优化为单母线分段接线。20 华北电力大学硕士学位论文110kV主接线型式优化110kV多应用于配电网，承担着向负荷供电的任务，对潮流转供需求和调度灵活性要求较低。因此，从可靠性和经济性的角度而言，基于智能隔离断路器的110kV主接线多将双母线接线优化为单母线分段接线。3.2.2.2优化总平面布置变电站总体布局取决于间隔个数、间隔纵向尺寸和间隔宽度等参数。在间隔个数确定的情况下，由于采用了智能隔离断路器，新一代智能变电站各间隔设备数量有效减少，纵向尺寸大幅降低。同时，电气主接线型式得到优化，使得变电站尺寸进一步降低，并为优化总平面布置提供了可能。以国家电网公司通用设计方案为例，优化后的新一代智能变电站尺寸如表3-2和表3-3所示AIS站占地面积减少39.3%，架空线出线和电缆出线的GIS站占地面积分别减少22%和67%。显然，采用智能隔离断路器的新一代智能变电站占地面积大幅下降，实现了“结构布局合理”的设计目标。表3-2220kV新一代智能变电站AIS尺寸2方案围墙纵向尺寸（m）占地面积（m）占地面积减少（%）通用设计方案128.520560-新一代智能站AIS781248039.3表3-3220kV新一代智能变电站GIS尺寸2方案围墙纵向尺寸（m）占地面积（m）占地面积减少（%）通用设计方案868858-新一代智能站GIS63693022（架空线）新一代智能站GIS45292567（电缆）3.3预制舱式二次设备变电站中二次设备数量众多，并且多由不同厂家设计制造，存在调试项目多、联调工作量大的实际问题。而目前变电站建设中，各二次设备均在现场安装调试，导致施工周期长、现场工作量大、效率低等。同时，由于现场工作环境恶劣、人员众多，现有变电站二次设备设计制造模式还存在人身和设备的安全隐患。为此，新一代智能变电站提出了预制舱式二次设备（简称预制舱）的设计模式，在工厂内完成各二次设备的安装、联调，进而缩短现场的施工周期，提高工作效率。本节从预制舱和即插即用技术两方面阐述新一代智能变电站二次设备的设计模式。21 华北电力大学硕士学位论文3.3.1预制舱预制舱是指在工厂内完成箱体制作、相关配线、二次设备安装调试等工作，并作为一个整体运送至施工现场，在现场与一次设备、土建直接对接，以便于多种方式装卸、运输和设备运行维护的标准工作间。下面从预制舱组成、类型和结构型式、尺寸、布置方式等方面进行论述。（1）预制舱组成预制舱由预制舱舱体、二次设备模块、二次设备屏柜（机架）和舱体辅助设施组成，采用标准集装箱式构造。典型预制舱结构如图3-4所示。预制舱舱体包括舱体框架、照明设备及开关（正常照明和应急照明）、舱体配电系统、电源插座、有线电话、折叠桌等设备。不同的预制舱内部所含二次设备模块不同。如，站控层设备预制舱中配置有数据服务器、综合应用服务器、数据通信网关机、图形网关机、监控主机、调度数据网设备、火灾报警系统、智能辅助系统、时间同步设备、UPS系统等设备屏；间隔层预制舱包括线路保护、母线保护、母联保护、间隔测控、故障录波、电能计量等模块。舱体辅助设施包括安全防护及视频监控措施；有线电话等通讯设施；摄像头、温湿度传感器、环境控制系统等辅助功能设备；空调、加热器、风机等采暖通风设备；烟雾探测探头、声光报警器、灭火器等消防安全设备等。图3-4预制舱结构组成示意（2）预制舱类型和结构型式根据功能不同，预制舱可以分为公用间隔预制舱、110kV间隔设备预制舱、220kV间隔设备预制舱、主变压器间隔设备预制舱、交直流电源预制舱、蓄电池预制舱等。根据材料不同，预制舱可以分为钢结构预制舱和玻纤复合材料预制舱。钢结构预制舱由舱体主体和围护材料构成。其中，舱体主体包括底座、框架22 华北电力大学硕士学位论文和顶盖三部分；围护材料分为内墙、外墙和夹心层三部分。钢结构预制舱内墙多采用铝塑板、夹芯板等金属装饰板；外墙多采用金邦板、FC板等水泥纤维板；夹心层多采用岩棉、聚氨酯等保温材料。钢结构预制舱结构形式。钢结构预制舱具有结构标准化程度高、电磁屏蔽性能好、轻质高强等特点。玻纤复合材料预制舱由底座和舱体主体构成。其中，底座采用热轧型钢焊接，舱体主体采用玻纤复合材料整体浇注。由于玻纤复合材料耐热性强、抗腐蚀性好的特点，玻纤复合材料预制舱具有气候适应性强、使用寿命长、防凝露等优点。（3）预制舱尺寸根据国家交通运输部《超限运输车辆行驶公路管理规定》，运输车辆车货总宽度不宜超过2.5m，车货总长不宜超过18m，车货总高度不宜超过4.2m。由于当前设备运输以公路运输为主，为提高运输效率及可靠性，预制舱尺寸不宜超限，增加运输成本。对于大型预制舱，可由1个或多个标准舱体拼接而成。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2500mm。结合现有运输条件，标准预制舱舱体外形尺寸设置如表3-4所示。表3-4标准预制舱舱体外形尺寸型号开门方式预制舱尺寸（mm）（长×宽×高）I型单开门6200×2800×3133II型单开门9200×2800×3133III型双开门12200×2800×3133（4）预制舱内屏柜布置方式1.预制舱内屏柜类型及尺寸传统变电站二次屏柜多采为前显示、后接线装置，并采用2260mm×800mm×600mm（高×宽×深）的外形尺寸（通信设备屏柜为2260mm×600mm×600mm），如图3-5所示。图3-5传统变电站二次屏柜示意为有效利用预制舱空间，同时便于运行和维护，新一代智能变电站对保护、测控、故障录波等二次设备屏柜确定了前开门接线机柜和“前接线前显示”2种二次装置模式。23 华北电力大学硕士学位论文前开门接线机柜前开门接线机柜的二次装置端子位于装置背面，整个装置布置于机柜门上并随柜门移动，从而实现装置的背面接线，进而提高空间利用效率。前接线前显示“前接线前显示”装置是在不改变现有插件结构形式的基础上，将人机界面与接线端子位置同时置于装置正面，通过将人机界面翻转的动作机构，露出接线端子，实现可在装置正面进行人机对话与接线工作，如图3-6所示。常见的人机界面翻转方式通常有上移、侧翻和上翻等。测控装置-811B线路保护运行备用WXH备用告警备用备用备用备用备用备用备用备用A面（前插件）液晶控制面板前接线保护测控装置示意图图3-6前接线前显示装置示意同时，为打破二次设备厂家分专业设计的壁垒，实现不同厂家设备的通用互换，针对“前接线前显示”的二次设备模式，新一代智能变电站设计了标准、统一的机柜结构。“前接线前显示”装置采用统一的装置安装固定点和装置前面板位置。装置安装固定点与装置前面板距离为130mm，安装固定点到装置后部应不大于350mm，装置前面板必须为一个平面，装置前面板宽度统一为447mm。装置前面板与柜门距离为85mm。机柜开门角度为180°。二次屏柜示意图如图3-7所示。图3-7前接线机柜示意二次屏柜尺寸优化考虑到传统二次屏柜只在单侧安装一根竖走线槽，光缆和电缆在同一根线槽24 华北电力大学硕士学位论文里混合行线，维护不便，新一代智能变电站结合“前接线前显示”的结构特点，将舱内屏柜宽度扩至800mm，光缆和电缆分左右两侧分路上行，实现光电缆分离，即“前接线前显示”二次屏柜尺寸为2260mm×800mm×600mm。对于传统的“前显示后接线”二次屏柜，由于新一代智能变电站二次设备之间信息传输网络化并采用SV、GOOSE、IEC61588三网合一方案，所需控制电缆根数和端子排数量大为减少。同时，由于内部诸多功能插件的省去以及软压板代替传统硬压板，装置机箱布置紧凑，机箱体积减少。加之，低功耗电子元器件的采用，使得柜体尺寸可精简为2260mm×600mm×600mm。综上，预制舱内二次屏柜类型及尺寸如下表所示。表3-5预制舱二次屏柜类型及尺寸二次屏柜类型二次屏柜尺寸（mm）（长×宽×高）保护、测控等2260×800×600传统二次屏柜交直流电源类2260×800×600或2260×800×800服务器类2260×800×1000前开门旋转式2260×800×600新型二次屏柜前接线前显示2260×600×6002.预制舱内屏柜布置方式由于预制舱单舱采用标准尺寸，为尽可能利用有限的舱内空间，新一代智能变电站组屏方案有屏柜双侧布置方案和单侧布置方案两种方式。结合现有二次屏柜设备，双侧布置方案又可以分为前开门旋转式屏柜、普通屏柜舱体侧开门及普通屏柜装置前接线三种方式。前开门旋转式屏柜，双侧布置方案前开门旋转式柜体只能从柜前开门，柜体前面板带旋转轴，二次设备安装于前面板上，端子排及电缆接线安装在柜体内部。当柜体安装或装置检修时，将前面板连同设备一起旋出，留出作业空间。根据二次厂家设备装置结构，屏柜需采用2260×800×600mm。按标准20尺预制舱可双侧布置12面屏柜。布置效果如图3-8所示。普通屏柜舱体外侧开门（装置背板朝外），双侧布置方案二次设备跟以往布置方案无区别，装置液晶显示器、操作按钮、压板均布置于屏正面，方便检修、运行人员操作维护；端子排、装置插件接线均布置于屏背面，当检修人员对装置查线、修改屏背接线时，需将舱体侧开门打开进行操作。采用此方案，可以在不改变二次设备厂家现有的装置结构条件下实现屏柜布置的最大化。但此方案增加舱体侧开门，预制舱整体结构稳定性较差。同时，由于检修原因侧开门开关次数较频繁，每次检修时间可能会比较长，在户外环境恶25 华北电力大学硕士学位论文劣地区对二次设备造成较大的损坏。并且在恶劣天气情况下，不能打开舱体侧开门，对检修造成不便。大门摇架机柜(共12面)摇架机柜前门大门图3-8前开门旋转式屏柜，双侧布置效果根据二次厂家设备装置结构，屏柜可采用2260×600×600mm或2260×800×600mm。按标准20尺预制舱可双侧布置12面2260×800×600mm屏柜或16面2260×600×600mm屏柜。布置效果如图3-9所示。大门机柜前门大门舱体侧门舱体侧门大门机柜前门大门舱体侧门舱体侧门图3-9普通屏柜舱体外侧开门，双侧布置效果普通屏柜舱体外侧开门（装置背板朝内），双侧布置方案26 华北电力大学硕士学位论文此方案与“普通屏柜舱体外侧开门（装置背板朝外）、双侧布置方案”相似，区别在于各二次设备屏柜背板（接线端）在预制舱内，面板朝向预制舱外侧。同时，在预制舱外侧添加视窗，便于观察二次装置显示屏。其特点是预制舱外侧无需开门，整体结构稳定性好，但只能观察运行情况，无能设置操作设备，不利于运行维护。所用二次屏柜尺寸、布置个数和效果与“普通屏柜舱体外侧开门（装置背板朝外）、双侧布置方案”相似，不再列出。前接线前显示屏柜，双侧布置方案各二次设备厂家需要改变现有的装置及柜体结构，装置液晶显示器、操作按钮、压板均布置于屏正面，端子排、装置插件前移至屏前，方便运行、检修人员在屏前进行插接光缆、接线操作。此方案与“普通屏柜舱体侧开门，屏柜双侧布置方案”的屏柜尺寸相同，按标准20尺预制舱可双侧布置12面2260×800×600mm屏柜或16面2260×600×600mm屏柜，布置效果类似，不再一一列出。普通屏柜前后开门，单侧布置方案此方案二次设备跟以往布置方案无区别，预制舱结构、屏柜结构及厂家装置结构均不需要变动，但相对于两侧布置方案，相同尺寸预制舱屏柜布置较少。根据二次厂家设备装置结构，屏柜可采用2260×600×600mm或2260×800×600mm。按标准20尺预制舱此方案仅可布置6面2260×800×600mm屏柜或8面2260×600×600mm屏柜。布置效果如图3-10所示。12345678图3-10普通屏柜前后开门，单侧布置效果3.预制舱内屏柜布置方案比较双侧布置方案能够有效利用预制舱空间，但需要各厂家对二次设备进行改造，设计实施难度较大。此外，“前开门旋转式屏柜，双侧布置”方案操作空间较小，不利于工作人员接线或核对检修工作；“普通屏柜舱体外侧开门（装置背板朝外），双侧布置”方案需要检修人员户外操作，天气恶劣时有较大不便，需额外配置可折叠移动式检修帐篷适应恶劣天气；“普通屏柜舱体外侧开门（装置27 华北电力大学硕士学位论文背板朝内），双侧布置”方案只能观察设备运行情况，无法操作控制，不利于运行维护；“前接线前显示屏柜，双侧布置”方案对现有装置结构改动量较小，并能兼顾施工、运行需求，具有较大的应用潜力。相对而言，采用单侧布置方案预制舱检修空间大，方便运行、检修人员维护操作，但对预制舱空间利用效率低，需布置较多的舱体，将会增加占地和投资。各组屏方案比较及布置数量对比情况分别见表3-6和表3-7。表3-6预制舱二次屏柜布置方案比较方案二：方案三方案一：方案四方案五普通屏柜舱体普通屏柜舱体前开门旋转前接线前显示普通屏柜前后外侧开门（装外侧开门（装柜，双侧布屏柜，双侧布开门，单侧布置背板朝外），置背板朝内），置置置双侧布置双侧布置2260×800×2260×800×2260×800×2260×800×机柜尺2260×800×600或2260×600或2260×600或2260×600或2260×寸（mm）800600×600600×600600×600600×600屏柜布较少多多多少置数量舱内屏前：1040mm通道尺745mm1145mm1145mm1145mm屏后：700mm寸舱内空间狭户外环境恶劣检修不方便运行维小，不利检时，不方便检方便检修方便检修方便性护修修较高，需对电影响光纤寿运行气和光纤接口命，可靠性较高较高高可靠性采取防误碰措较低施装置二次装置二次装置二次装置二次装置二次装置适应性不需做修改不需做修改不需做修改需更改结构不需做修改占地面较小小小小较大积表3-7预制舱二次屏柜布置数量比较单预制舱最大屏柜数布置方式机柜尺寸I型（20尺）II型（30尺）III型（40尺）2260×800×6005913单侧布置2260×600×600813182260×800×800101826双侧布置2260×600×600162636基于上述分析可得，新一代智能变电站预制舱二次屏柜布置方式可优先选择“前接线前显示屏柜，双侧布置”方案，充分利用舱内空间，而当变电站规模较少或装置集成化程度较高时，可采用“普通屏柜前后开门，单侧布置”方案，以28 华北电力大学硕士学位论文方便运行、检修操作。（5）预制舱工作特点1、建设周期短。各二次设备在厂家完成制造、安装、调试，可以与电气一次设备、土建部分同时开工，大量减少现场工作量。通过优化建设流程，设计、施工和建设管理效率得到提升，施工周期有效缩短。2、投资省。相对于传统二次设备小室，预制舱将各二次设备功能整合、有效集中，端子排数量和压板个数大量减少，二次屏柜占地面积有效降低，节省了工程投资。同时，二次设备采用就地化布置方式，减少了电缆/光缆长度，能进一步降低工程造价。3、安全性提高。各二次设备在厂内联调，避免了施工现场粉尘大、环境恶劣的弊端，设备性能得到可靠保障。同时，预制舱采用环保集成材料拼装，无需砌筑施工、装饰粉刷，直接现场吊装即可，进一步保障了二次设备环境，设备安全性能得到有效保障。3.3.2即插即用技术变电站中各设备间通过电缆、光缆通信，传统光缆/电缆连接时多采用熔接工艺，现场施工强度大，故障隐患多，运行可靠性较低。同时，施工质量受工人水平影响参差不齐，影响美观。新一代智能变电站以提高设备运行可靠性、实现安装工艺标准化为抓手，提出了预制光缆和预制电缆技术。所谓预制光缆是指工厂内对光缆/电缆预处理，在光缆一端或两端根据类型装配的光缆/电缆连接器，以实现施工现场无熔接式连接和二次设备的即插即用。所谓预制电缆是通过插针和针孔组成的电连接器，实现多股芯线并行传输信号、即插即用的二次电缆。本节重点介绍预制光缆的结构、类型、连接方式和工作特点等，预制电缆特征与预制光缆类似，不再具体介绍。（1）预制光缆的结构光缆连接器由光缆缓冲、光缆固定、弹性对接、光缆对接、插针防转、头座锁紧等部分组成，如图3-11所示。实际应用中，只需将光缆连接器接口对接或光缆插头与屏柜中的插座对接，并加以固定，即可完成光缆与光缆之间、光缆与系统和仪表等设备之间的活动连接。29 华北电力大学硕士学位论文图3-11光缆连接器结构示意（2）预制光缆的类型根据预制光缆接头的数量，分为单端预制光缆和双端预制光缆：双端预制光缆能够能省全部工作量，实现现场施工全过程即插即用，大量提高施工工艺的标准化水平，有效缩短施工周期。但其对光缆长度精度要求较高，长度过长可能造成浪费及盘线困难，长度过短则可能导致光缆报废。对于站区面积较小、室外光缆长度较短的应用场合，可采用双端预制光缆方式。相对而言，单端预制光缆则可更精确的控制光缆长度，但仍有一段需采用焊接工艺，工程量较大，对施工环境要求也较高。对于站区面积较大、室外光缆长度较长的应用场合，可采用单端预制光缆方式。（3）预制光缆的连接方式预制电缆主要应用于一次设备与智能控制柜之间的二次连接，而预制光缆则主要应用与各二次设备间的相互连接。根据光缆敷设位置、所连接设备功能等区别，预制光缆的连接应用方式有跳纤、尾缆、单端预制、双端预制等，具体见表3-18和图3-12。表3-8预制光缆应用方式所连二次设备连接方式柜内二次设备间跳纤二次屏柜室内屏柜间尾缆或软装光缆跨房间、跨场地屏柜间二次设备单端预制光缆或双端预制光缆箱内二次设备尾缆或软装光缆光纤配线柜箱外设备单端预制光缆或双端预制光缆30 华北电力大学硕士学位论文二次设备预制舱过光智能控制柜母线程纤（就地）线路层保保交配护护换线机柜电缆沟图3-12预制光缆应用方式示意（4）预制光缆工作特点1、施工质量好。采用预制光缆技术能够在工厂内完成光缆连接头的质量监测，发现缺陷及时处理。施工现场对二次设备即插即用，克服了作业人员水平对施工质量的影响。2、缩短施工周期。采用预制光缆技术无需现场熔接，大量减少现场施工强度，有效缩短施工周期。3、施工工艺标准化。工厂采用先进的机械设备和生产线，能够实现光缆连接头的批量生产，便于预制光缆技术的普及推广。同时，预制光缆布线美观、操作简便，便于施工工艺的标准化，并为设备检修维护提供了方便。3.4层次化保护系统随着电网规模的扩大和电网结构的复杂化，现有面向元件的继电保护配置方式暴露出主保护拒动时易引发局部电网灾害、后备保护应变性差难以适应运行方式的变化等突出问题。为了充分利用广域测量信息，实现系统层面的故障隔离和系统防护，避免连锁跳闸和大停电事故，新一代智能变电站提出了基于时空多维度信息的层次化保护控制系统，实现二次保护的协调整合，提高系统层面的故障识别和处理能力。层次化保护是指综合应用广域测量信息，通过相互协调的分布式功能配置，实现时间、空间、功能等多维度的协调配合，进一步提升电网继电保护性能和系统安全稳定控制能力的、面向功能的保护控制系统。层次化保护控制系统包括就地级、站域级和广域级三个层面。3.4.1就地级就地级保护以快速隔离故障元件为目的，利用本地（和对侧）信息独立决策，31 华北电力大学硕士学位论文实现快速、可靠的元件主保护。就地级保护面向线路、变压器、母线、断路器等独立的设备间隔。下面从实现方式、保护配置、信息交互等方面论述。（1）实现方式就地级保护在保留现有元件功能特点的基础上，改进了硬件结构设计并提高了电子器件等级，有效提高了保护抗电磁干扰和温湿度变化的能力并显著降低了功耗。就地级保护多靠近一次设备布置，目前有预制舱和智能组件柜两种实现方式。比较上述两种实现方式，见表3-9。预制舱实现的就地级保护具有可靠性和安全性高，现场工作量少，运行维护方便、环境适应性强等优点，应用较广，包括跨间隔的母线保护、变压器保护、AIS变电站线路保护等。而对于户内GIS等环境条件好的变电站，则用智能组件柜的方式。（2）保护配置就地级保护主要包括线路保护、主变保护、母线保护、母联分段保护、电抗器保护等。各电压等级保护配置类型如表3-10所示，各电压等级所用保护原理与传统保护相同，区别在于新一代智能变电站中110kV线路保护采用了保护、测控、考核计量的集成装置，35kV/10kV间隔保护采用了保护、测控、考核计量、合并单元、智能终端等功能多合一的装置。表3-9就地级保护实现方式预制舱智能组件柜安全性和可靠性较高较低安装调试出厂前完成出厂前完成现场工作量少少运行维护方便方便环境要求环境适应性强环境要求高成本较高较低表3-10各电压等级就地级保护配置配置方式保护装置保护原理线路保护差动、零序、相间距离、接地距离等双重化配置220kV母线保护母差、母联死区、失灵等双套主后一体主变保护差动、复压闭锁反向过流、零序、过负荷等线路保护相间距离、接地距离、零序、重合闸、低频单套装置110kV主变保护差动、复压闭锁反向过流、零序、过负荷等双/单套主后一体母线保护母差、母联死区等35kV/10kV多合一装置各间隔保护过流、零序、过负荷、重合闸、低频、低压（3）信息交互32 华北电力大学硕士学位论文就地级保护需要间隔设备和站控系统、不同间隔设备、同一间隔内不同设备等二次设备之间的信息交互，包括电压、电流等模拟量及跳闸指令、动作指令等数据量。以“三层两网”式布局的新一代智能变电站为例，其地级保护信息交互如图3-13所示，各环节信息见表3-11。图3-13就地级某间隔信息流表3-11就地级保护信息流具体情况信息处理或信息装置装置2信息流向信息描述流号转发端流号站域保护控25181/411→18→25电压、电流采样值（SV）制装置1.电压、电流采样值（SV）动态记录装合并过程层29181/511→18→292.合并单元的状态监测信1118置单元交换机息（GOOSE）1.电压、电流采样值（SV）测控装置27181/211→18→272.合并单元告警信息（多功能）（GOOSE）3.4.2站域级站域级保护是综合利用全站多个对象的电气量、开关量、就地级保护设备等网络数据信息，集中分析和决策，采用网采网跳的方式不经就地级保护直接下达控制指令，以实现保护的冗余和优化配置；全站备自投、主变过载联切、低周减载等紧急控制功能并支撑广域保护控制技术的设备。从功能配置、技术优势和信息交互三方面介绍。（1）功能配置站域级保护的功能主要体现在保护冗余、后备保护优化、紧急自动控制和广33 华北电力大学硕士学位论文域保护控制支撑等方面，具体见表3-12。站域级保护综合利用全站多个间隔的电气量信息，进行单套就地级保护的冗余配置、加速后备保护、简易母差保护、协调适应的紧急控制功能等，有效提升了变电站继电保护、安全自动控制系统的安全性、速动性和可靠性。站域级保护控制装置通常布置于预制舱或主控室。对于不具备广域保护子站功能的变电站，单套布置；具有广域保护子站功能需求的变电站，双套布置。表3-12站域级保护配置序号功能配置功能描述配置站域级110kV线路、主变等元件主保护，作为单套1保护冗余配置、就地级保护的冗余保护，确保可靠性断路器跳闸失灵保护基于网络采样，快速故障定位，加速后备保护动作，缩2后备保护优化短故障切除时间基于GOOSE信息的简易母差保护替代独立的安全稳定控制装置，综合利用各间隔电气信3紧急控制息，实现各电压等级备自投协调投运、过载切负荷综合联切、低周低压减载集成优化4广域保护控制支撑接受广域信息并判断、执行；收集、上传站内信息（2）技术优势1、提高可靠性和灵敏性。针对传统后备保护动作延时长、断路器失灵保护单独配置等问题，站域级保护通过综合利用全站多间隔信息，优化保护功能和动作逻辑，实现故障快速定位、系统稳定态势感知等功能，提高了全站保护的灵敏性、可靠性和速动性。对于单套配置的就地级保护，采用保护冗余配置，实现就地保护异常推出和自动重构功能，进一步提高了可靠性。2、全站信息共享。站域级保护解决了传统二次系统分散配置、采样重复、共享度低的问题，实现了全站信息综合共享。通过综合利用全站信息，加速了后备保护动作，实现了低周低压减载、过载连切等安全稳定装置的协调控制，有效避免了系统层面的故障灾害。（3）信息交互站域级保护在层次化保护系统中承担着“上传下达”的重要任务，需要接收广域保护系统（子站）的广域测量信息、控制指令等，并进行校核和下达。同时，也需要将本站测量、控制等信息上传到广域保护系统。此外，站域级保护还需要汇集本站各类信息，对整站系统进行故障判定、稳定识别等，防止出现站域级安全稳定事故。站域级信息交互流如图3-14和表3-13所示。34 华北电力大学硕士学位论文表3-13站域级保护信息流序出口分类功能模块接收信息接口分析号信号110kV线路冗余间隔SV及位冗余保护保护置信息1类110kV母联（分间隔SV及位段）过流保护置信息110kV过程层网络采集、出口110kV失灵保护失灵开入中低压侧SV优化后备加速后备保护2及位置信息保护类GOOSE10kV母线后备主进SV，10kV主进走过程层；闭锁信息站跳合闸保护闭锁信息控层GOOSE开入、开出。高压侧母线电过程层SV采集，站控层低周低压减载压、频率GOOSE出口安全自动主进及分段3站域备自投过程层SV采集、出口控制类SV、位置信息高压侧电流、过程层SV采集，站控层主变过载联切母线电压GOOSE出口图3-14站域级保护信息流3.4.3广域级广域级保护基于SDH高速通信网，面向整个区域电网，综合利用区域内各变电站站域及就地级保护信息，统一分析和决策，优化实施安全稳定控制测量和广域后备保护，实现区域内保护与控制的协调配合。35 华北电力大学硕士学位论文（1）实现方式广域保护系统直接接受调度系统的管理和控制，多布置于枢纽变电站或调控中心。根据是否设置广域保护控制装置，分为集中式和分布式两种实现方式，如图3-15所示。站域保护就地级通信网络控制装置控制装置变电站1站域保护变电站1控制装置就地级控制装置广域保护站域保护站域保护控制装置控制装置变电站2变电站2站域保护广域信息交互变电站3就地级控制装置控制装置控制装置站域保护站域保护控制装置就地级变电站3变电站4控制装置控制装置a.集中式b.分布式图3-15广域级保护实现方式集中式实现方式中，各变电站将本站信息传输给广域保护装置，并接受其传达的各子站信息和控制命令，具有数据传输工作量小、硬件设计要求低的特点，但若广域保护装置失效将导致整个系统失效，需双重化配置。分布式实现方式中，各变电站将本站信息直接传输给其他变电站，并接受其测量信息。分布式实现方式需要传输大量数据，对硬件设备要求较高，但没有系统失效风险，可靠性较高。（2）功能配置广域级保护综合整个区域电网、各个变电站的信息，利用先进的控制算法和策略，实现整个区域电网保护系统和稳定控制系统的协调配合，进一步提高保护系统和稳定控制系统的灵活性、适应性，确保区域电网安全稳定运行。广域级保护通常配置差动原理的后备保护、拓补分析、保护定值调整、广域级紧急控制等功能，如表3-14所示。表3-14广域级保护配置序号功能配置功能描述基于多站信息，实现区域电网故障快速定位，配合站域1广域后备保护级保护，缩短后备保护故障切除时间单一变电站保护控制功能失去后的应急保护功能、失灵2局部电网冗余保护保护等3自适应保护定值基于系统结构和运行方式，自适应调整保护定值4区域安全稳定控制基于广域信息，实现区域安全稳定控制功能5广域低频低压减载智能分配切负荷量和切负荷轮次，优化切负荷策略36 华北电力大学硕士学位论文6广域失步解列基于广域信息，选择最优断面实施解列7区域电网自愈电网故障切除后的自动恢复功能协调保护和安全控制措施之间的动作，优化控制决策，8保护与安控协调配合减少保护对系统的影响，预防连锁故障。3.4.4层次化保护系统新一代智能变电站的层次化保护控制系统综合利用了广域电网测量信息，采用就地级、站域级、广域级的三级保护策略，实现了保护和安全控制系统时间、空间、功能三个维度的协调配合，有效保障了区域电网的稳定运行。整个层次化保护控制系统如图3-16所示。各维度配合模式如下。（1）空间维度层次化保护分为就地级、站域级和广域级三个层：就地级面向单一设备间隔，实现单个设备的保护；站域级面向变电站，实现站内综合防御和安全控制；广域级则面向区域电网，实现区域电网的综合防御和稳定运行。通过三级保护的设置，实现电网保护与安全控制的全范围覆盖。各级保护范围如图3-17所示。保护控制中心GPS/北斗广调度其他广域保护广域控制域系统层站间通信网络站域站域保护层控制就就地保护测控装置地层过程层网络光纤网连合并单元智能终端光纤直连电缆直连对时CVTSW/CB图3-16层次化保护控制系统37 华北电力大学硕士学位论文就地保护站域保护110kV主变10kV出线500kV出线110kV母线10kV母线110kV出线110kV母线220千伏母线220kV母线10kV母线500kV主变220kV出线220kV主变10kV出线66kV母线图3-17层次化保护控制系统的空间保护范围（2）时间维度就地级保护中各类主保护动作无延时，为20-30ms；后备保护为保障选择性和可靠性，通过延时实现，为0.8-1.2s。站域级保护和广域级保护综合了其他间隔、其余变电站的信息，加速后备保护动作，将其提高到0.3-0.5s。各级保护与安全稳定控制系统在时间维度相互协调、配合，保障了电网稳定运行。层次化保护系统各功能模块在时间维度的动作范围如图3-18所示。就地保护站域后备保护自动解列无功设备投切低频切负荷远方切负荷FACTS的运行广域后备保护低压切负荷变压器分接头调整0.001秒0.01秒0.1秒1秒10秒100秒1000秒时间图3-18层次化保护控制系统各功能模块的时间范围（3）功能维度就地级保护类似于传统继电保护，只面向单一间隔内单一元件，后备保护动作延时较长。站域级保护利用了站内多个间隔的信息，优化后备保护，加速切除故障并作为就地级保护的冗余配置，进一步提升保护性能。同时，与站内备自投、低周低压减载等安全稳定系统协调配合，避免站内连锁故障发生。相类似，广域级保护从区域电网出发，促进各变电站保护、安全稳定系统协调配合，预防区域连锁故障。通过站域级、广域级保护的优化、冗余配置，站内、站间安全稳定系38 华北电力大学硕士学位论文统的协调配合，有效保障了电网的安全稳定运行。3.5小结针对传统变电站分专业设计、一次设备集成不到位、二次设备分散布置等不足之处，本章详细论述分析了智能隔离断路器、预制舱式二次设备、层次化保护系统等新一代智能变电站的关键技术，包括智能隔离断路器的系统结构、工作原理、技术优势和优化电气主接线；预制舱二次设备的组成、系统结构、布置方式和即插即用技术；就地级、站域级、广域级的层次化保护系统等内容，为实际设计新一代智能变电站奠定了理论基础。39 华北电力大学硕士学位论文第4章工程应用4.1概述以某220kV新一代智能变电站工程实际为例，本章对新一代智能变电站的设计优化方案进行整体介绍。该站规模如下：主变压器本期规模1台180MVA，远期3台180MVA；220kV出线，本期1回，远期6回；110kV出线，本期4回，远期12回；10kV出线，本期9回，远期24回；10kV无功补偿装置，本期1×（4×8）Mvar电容器组，远期3×（4×8）Mvar电容器组。4.2工程设计总体情况新一代智能变电站以“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，以功能需求为导向，在变电站设计原则、设计方案上具有鲜明的特征。本节从设计原则和设计方案两方面对新一代智能变电站工程实例进行概述。4.2.1设计原则结合新一代智能变电站“占地少、造价省、可靠性高”的设计目标以及本站在系统中的作用，确定本站设计原则：一次设备方面：集成接地刀闸，与电子式互感器一体化制造，实现操作、测量等设备的高度融合；采用高度集成的智能设备，实现设备小型化、功能集成化，提高工艺质量和建设效率。二次设备方面：优先采用技术节能、环保、紧凑型、模块化、标准化的设备，实现模块化设计、紧凑型布局和装配式安装；构建层次化保护控制系统，实现继电保护与安全自动控制装置的协调配合。电气主接线方面：结合变电站在系统中的位置，在满足系统安全运行及保证供电的条件下，基于设备可靠性提高、检修周期延长等因素简化电气主接线。总平面布置方面：结合主接线优化、新型集成设备的应用，整体优化布置方案，提高土地利用率，减少占地面积。4.2.2设计方案本文为220kV新一代智能变电站设计一套推荐方案，具体内容见表4-1，电40 华北电力大学硕士学位论文气主接线、总平面布置及设备选型具体见下文。表4-1新一代智能变电站设计方案建设规模推荐方案本期2回双母线接线电220kV远期6回优化的双母线接线气本期4回单母线分段主110kV远期12回单母线三分段接本期9回单母线分段线10kV远期24回单母线三分段本期1×180MVA主变压器三相有载调压变压器远期3×180MVA配电220kV户外AIS装置110kV户外AIS布置10kV户内开关柜双列布置本期1×（4×8）Mvar无功补偿装置集合式电容器远期3×（4×8）Mvar开放式分层分布式系统，预制二次系统舱二次设备、就地布置4.3电气主接线设计电气主接线设计是变电站一次设计的核心内容，直接影响变电站的可靠性、灵活性，决定了变电站占地面积、设备投资等，其核心内容是电气主接线和总平面布置。4.3.1电气主接线基于智能隔离断路器的新一代智能变电站，电气主接线中可以取消线路侧、变电侧隔离开关，对于母联隔离开关仅需保留单侧即可。此外，结合实际情况，还可进一步优化电气主接线。（1）220kV主接线220kV接线本期采用双母线接线，远期采用优化的双母线接线。为充分利用设备可靠性提升的优势，本文借鉴传统3/2接线模式提出了优化出线结构的双母线接线模式：即将3组隔离开关串联形成隔离开关串，加装在两条母线间，由边隔离开关和联络隔离开关之间引出出线，如图4-1所示。41 华北电力大学硕士学位论文出线3出线4出线5出线6出线1出线2EYTEYTEYTECTECTECTECTQFQFQFQFQFQFQFQFQFQFECTECTECTECTECTECTEYTEYTEYT主变1主变2主变3图4-1220kV主接线远期接线模式同传统双母线接线相比，优化后的双母线接线具有较高的经济性和灵活性：1、经济性传统双母线接线中每回出线需配置2组母线侧隔离开关、1组线路侧/变电侧隔离开关，占用设备较多。新一代智能变电站采用智能隔离断路器，取消了线路侧、变电侧隔离开关和1组母联隔离开关。并且，优化后的双母线接线中每回出线只需配置3/2台隔离开关，所用设备、占地面积均可大幅减轻，经济效益显著。如表4-2所示，优化的双母线接线，二次设备配置相同，但隔离开关减少14组，减少投资112万元。综合智能隔离断路器购置等费用后，一次设备投资节约982万元，占地面积减少2052m。表4-2220kV优化电气主接线方案经济性传统双母线接线优化的双母线接线优化值隔离开关数量（台）291514二次设备配置相同相同—隔离开关投资（万元）2321201122占地面积（m）7722567020522、灵活性优化后的双母线接线中，#1、#2主变进线回路采用传统双母线接线方式，3#主变固定于一段母线运行。此方式中，任一母线或母线隔离开关检修、故障时，均可保证至少2台主变运行，具有较强的进线灵活性。出线回路，传统双母线接线与优化后接线如图4-2所示。相对于传统接线模42 华北电力大学硕士学位论文式，虽然优化后的双母线接线牺牲了“L1-IIM，L2-IM”的接线方式，但仍能保证电源和负荷的灵活分配。并且，运行方式切换过程中仅需2次分合隔离开关操作，较传统双母线接线动作次数减少，降低了误操作的可能性，如表4-3和表4-4所示。母线1母线24G2G1G3G母线22G3G1G母线1出线2出线1出线2出线1（a）传统接线（b）优化后接线图4-2220kV主接线出线间隔表4-3220kV优化电气主接线运行方式隔离开关状态序号接线型式传统接线优化后方式一L1-IM，L2-IM合1G、2G，分3G、4G合1G、3G，分2G方式二L1-IM，L2-IIM合1G、4G，分3G、2G合1G、2G，分3G方式三L1-IIM，L2-IM合3G、2G，分1G、4G—方式四L1-IIM，L2-IIM合3G、4G，分1G、2G合2G、3G，分1G表4-4220kV优化电气主接线运行方式切换比较隔离开关操作次数序号方式一方式二方式三方式四传统—224方式一优化后—2—2传统2—42方式二优化后2——2传统24—2方式三优化后————传统422—方式四优化后22——（2）110kV主接线传统110kV侧12回出线时多采用双母线接线，采用智能隔离断路器后的新一代智能变电站则可采用优化的单母线三分段接线，如图4-3所示。本变电站43 华北电力大学硕士学位论文110kV接线本期采用单母线分段接线，终期采用单母线三分段接线。较传统接线，优化的单母线三分段接线接线简单清晰、设备少、操作方便，具有较强的经济性和灵活性。3#主变2#主变1#主变3#主变2#主变1#主变出出备备备备出出备备备备出出备出备出备备备备备备线线用用用用线线用用用用线线用线用线用用用用用用12341234a.传统双母线接线b.优化后单母线三分段接线图4-3110kV电气主接线1、经济性优化后的单母线三分段接线，取消线路侧、变电侧隔离开关，保留线路侧接地开关，节省隔离开关25组，减少母线长度1.6米，节省设备投资200余万元，具有较强的经济性。表4-5110kV单母线三分段电气主接线方案经济性传统双母线接线单母线三分段优化值隔离开关数量（台）472225母线长度82.881.21.6开关母线投资（万元）475.4273.42022占地面积（m）3600249611042、可靠性优化后的单母线分段接线将三台主变分配到不同母线段上，接线简单清晰，可靠性与双母线接线可靠性接近。特别的，将同名回路接于不同段母线，保证当一段母线停电时，仍可由另一段母线正常供电，单母线停电对回路电能供应影响不大。表4-6110kV单母线三分段电气主接线可靠性比较传统双母线接线单母线三分段系统平均停电次数2.502.53-4-4系统平均不可用率8.24*108.34*10电力不足期望1947.81977.344 华北电力大学硕士学位论文3、灵活性正常运行时，传统双母线接线各进出线固定于一条母线运行，当母线停运时，需要倒闸操作实现母线出线的切换，涉及设备较多，操作复杂。单母线三分段接线可合理优化分配出线间隔，使电源和负荷配对接于相同母线、同名回路分配于不同母线，不仅能满足系统并列运行、分列运行的要求，还无需倒闸操作。此外，扩建过程中，传统双母线接线需停电二次、倒闸操作二次，而单母线三分段接线只需一段母线短时停电一次即可。整体而言，在正常运行和远期扩建方面，单母线三分段接线更加灵活，停电范围更小，操作更加简单。（3）10kV主接线传统10kV侧24回出线时多采用单母线六分段环形接线，采用智能隔离断路器后的新一代智能变电站则可采用单母线四分段接线，如图4-4所示。本变电站10kV接线本期采用单母线分段接线，终期均采用单母线三分段接线。与110kV侧分析类似，单母线三分段接线简化了接线型式，节约了投资，经济效益突出。详细分析本文不再一一列述。1段2段3段4段5段6段1#2#3#a.传统单母线六分段环形接线示意1段2段3段1#2#3#b.单母线三分段接线图4-410kV电气主接线45 华北电力大学硕士学位论文4.3.2总平面布置新一代智能变电站采用智能隔离断路器和优化后的电气主接线型式，一体化集成了断路器、隔离开关、电子互感器等设备，有效减少了设备数量和占地面积，为优化总平面布置奠定了基础。（1）220kV户外AIS布置220kV采用户外悬吊式管型母线中型布置，将检修道路布置于母线下方，压缩母线相距。每两回线路布置在同一个间隔内，1#、2#主变进线单独布置一个间隔，3#主变与母线分段布置在同一个间隔，某断面如图4-5所示。图4-5220kV平面布置断面（2）110kV户外AIS布置110kV户外AIS配电装置通过取消线路侧隔离开关、消除跨线等方式，减少了配电装置占地面积，某断面如图4-6所示。图4-6110kV平面布置断面46 华北电力大学硕士学位论文（3）总平面布置10kV配电装置采用户内开关柜双列布置，与通用设计一致，此处不再详细22叙述。整个变电站占地面积由普通变电站的20560m降低到12728m，占地面积减少38.1%，施工工期有效缩短。配电装置总平面布置图如图4-7所示。图4-7配电装置总平面布置4.4电气设备选择新一代智能变电站电气设备主要体现为智能隔离断路器、智能变压器、二次系统网络等。本节结合变电站设计建设实际情况，对新一代智能变电站所用设备进行具体介绍与分析。4.4.1电气一次设备（1）智能变压器本站采用特变电动新疆变压器厂生产的集成式智能变压器，同时兼顾结构紧凑，损耗噪声低的要求。主变压器为三相三绕组有载调压变压器，其主要技术参数如表4-7。（2）220kV设备1、智能隔离断路器220kV选用北京ABB高压开关设备有限公司生产的智能隔离断路器，集合断路器、隔离开关、电子式电流互感器等功能，并融合在线监测及二次智能组件功能。主要参数如表4-8。47 华北电力大学硕士学位论文表4-7主变压器选择项目参数型号SSZ11-180000/220容量180/180/90MVA额定电压230±8×1.25%/121/10.5kV接线组别YN，yno，d11阻抗电压UkI-II=14%；UkI-III=54%；UkII-III=38%冷却方式自冷油色谱监测IED油中溶解气体监测和铁芯接地电流测量等工况测量IED变压器油位、油温、绕组温度等各类物理量的测量表4-8220kV智能隔离断路器选择项目参数额定电压252kV额定电流4000A断路器额定开断电流50kA热稳定电流50kA/3s关合电流峰值125kA额定电压252kV额定电流1200A电子式电流互感器准确级0.2S/0.2S/5TPE/5TPE额定一次扩大电流倍数200%分合闸线圈电流传感器、储能电机传感器、其他智能传感器位移传感器、SF6气体状态传感器多功能合一的监测主IED、气体密度监测IED以及机械状态监测IED状态监测IED等智能控制柜智能终端2套合并单位2套2、隔离开关本站220kV出线、主变和母联侧隔离开关、PT隔离开关选用单柱垂直伸缩式隔离开关，其他选用三柱水平旋转式隔离开关。具体参数如下。表4-9220kV隔离开关选择项目参数额定电压252kV额定电流3150A热稳定电流50kA/3s动稳定电流峰值125kA3、其他设备本站220kV电压互感器采用许继电气股份有限公司生产的电子式电压互感48 华北电力大学硕士学位论文220器，额定电压为252kV（母线额定电压为kV），准确级2×3P(0.2)。3避雷器采用宁波市镇海国创高压电器有限公司生产的氧化锌避雷器，额定电压为204kV，持续运行电压159kV，标称放电电流为10kA，最大雷电冲击电流下残压峰值532kV。同时配置状态检测设备，实现对泄露电流和动作次数的监测，全站共配置传感器18台，监测IED2台。（3）110kV设备1、智能隔离断路器110kV断路器选用河南平高电气股份有限公司生产的智能隔离断路器，主要参数如下。表4-10110kV智能隔离断路器选择项目参数额定电压126kV额定电流2500A断路器额定开断电流40kA热稳定电流40kA/3s关合电流峰值100kA额定电压126kV额定电流600A电子式电流互感器总路精度0.2S/0.2S/5TPE/5TPE分段、出线精度0.2S/5TPE额定一次扩大电流倍数200%分合闸线圈电流传感器、储能电机传感器、其他智能传感器位移传感器、SF6气体状态传感器多功能合一的监测主IED、气体密度监测IED以及机械状态监测IED状态监测IED等智能控制柜智能终端与合并单元合主变间隔2套，其他间隔1套一装置2、隔离开关本站110kV采用西安西电高压开关有限公司生产的封闭式管母线，内含各间隔母线侧隔离开关及电子式电流互感器，具体参数如下。表4-11110kV隔离开关选择项目参数额定电压126kV额定电流2000A热稳定电流40kA/3s动稳定电流峰值100kA49 华北电力大学硕士学位论文3、其他设备本站110kV电压互感器采用西安西电高压开关有限公司生产的电子式电压110互感器，额定电压为kV，准确级2×3P(0.2)。3避雷器采用温州益坤电器有限公司生产的氧化锌避雷器，额定电压为102kV，持续运行电压79.6kV，标称放电电流为10kA，最大雷电冲击电流下残压峰值266kV。（3）10kV设备1、高压开关柜本站选用上海天灵开关厂有限公司生产的小型化固定式开关柜，额定电压12kV，大电流柜(主变进线及分段)额定电流2500A，小电流柜(馈线、电容器及站用变)额定电流1250A，额定短路开断电流为31.5kA。2、电容器本站选用日新电机(无锡)有限公司生产的UPA-10-8000-3AKW型户外成套装置。每台主变压器10kV侧装设4组8000kvar并联电容器，其中3组配5%干式铁心电抗器，1组配12%干式铁心电抗器。3、站用变压器本站选用重庆望江变压器厂有限公司生产的干式站用变压器，安装于10kV开关柜集装箱内，额定容量为315kVA；额定电压为10.5±2×2.5%/0.4kV；阻抗电压为Uk%=4；接线组别为D，yn11。同时，带IP20外壳、温控装置、零序CT等。（4）导体选择根据系统资料，220kV母线采用铝镁硅系管母线6063G-∅150/136；出线采用2×（JL/G1A-400/35）型钢芯铝绞线；主变10kV侧进线总路回路选用绝缘屏蔽铜管母线、分支回路选用绝缘屏蔽铜管母线；10kV并联电容器组，选用YJV22-3×400型电缆、站用变压器选用YJV22-3×240型电缆，具体参数如表4-12。表4-12导体选择选用导体电压回路工作导体截面选择的控回路名称载流量（修（kV）电流（A）根数×型号制条件正）（A）母线30006063G-φ150/1363320长期允许电流控制主变压器500JL/G1A-500/45840经济电流密度控制220出线14002（JL/G1A-400/35）1462长期允许电流控制母联14002（JL/G1A-400/35）1462长期允许电流控制50 华北电力大学硕士学位论文母线2000GIS主母线2000载流量控制主变压器10002（JL/G1A-500/45）1680长期允许电流控制110出线10002（JL/G1A-300/25）1262长期允许电流控制母联10002（JL/G1A-500/45）1680长期允许电流控制母线2500开关柜厂家确定2500载流量控制主变压器5000绝缘屏蔽铜管母线5000载流量控制总路主变压器102500绝缘屏蔽铜管母线2500载流量控制分支分段2500开关柜厂家确定2500载流量控制电容器573YJV22-3×400614长期允许电流控制站用变20YJV22-3×240457长期允许电流控制（5）一次设备清单本新一代智能变电站采用的其他一次设备此处不再一一列述，具体见下表，部分设备如图4-8和图4-9所示。图4-8新一代智能变电站部分一次设备效果图图4-9新一代智能变电站变压器效果图51 华北电力大学硕士学位论文表4-13新一代智能变电站本期一次设备表序号设备名称型号规格单位数量(一)主变压器部分三相三线圈油SSZ11-K-180000/220230±8×1浸式自冷有载1.25%/121/10.5kV调压低损耗铜Uk1-2%=14Uk1-3%=54Uk2-3%=38芯智能电力变YN.yn0.d11220kV中性点套管CTLRB-110600/5A压器5P30/5P302只110kV中性点套管CTLRB-66600/5A5P30/5P302只容量比：180/180/90MVA配调压开关，档位显示器及远方测温装置，爬梯，主变油色谱及铁芯接地电流在线监测传感器及台1IED等。配智能组件柜（含本体智能终端1套，集成非电量保护）。实现有载调压功能。220kV中性点成BTK-220（包括GW13-126W/630A，40kA/3s，100kA，2套装置附CJTKB电操，控制电压～220V，电机电压～380V，1组；放电球间隙，φ150球间隙，1个；电流互感器LMZW-10，5P30/5P30，600/5A，40kA/3s，100kA，1台；氧化锌避雷器YH1.5W-144/320，附雷电在线监测套1器，1只。）110kV中性点接XK-ZJB-110（包括GW13-72.5W/630A，31.5kA/4s，3地保护装置80kA，附CJ6电操，控制电压～220V，电机电压～380V，1组；放电球间隙，φ80球间隙，1个；电流互感器LZZBJ9-10，5P30/5P30，600/5A，31.5kA/4s，80kA，1台；氧化锌避雷器Y1.5W-72/186，附雷电在线监测器，套11只。）220kV配电装置（二）部分主要设备参数：瓷柱式，单断口，分相操作；瓷1隔离断路器柱式，单断口，三相联动；252kV,4000A,50kA，台4125kA。附弹簧操作机构,控制回路直流电压220V,电机回路交流电压380V在线监测传感器及IED等。含智能汇控柜1面(含双套智能终端及双套合并单元)。集成断路器、单接地隔离开关、电子式电流互感器主要设备参数：单柱垂直伸缩式，不接地，主刀2隔离开关电动；单柱垂直伸缩式，单接地，主刀电动，地组10刀手动；三柱水平旋转式，单接地，主刀电动，52 华北电力大学硕士学位论文地刀手动；252kV,3150A,50kA/3s，3接地开关主要设备参数：252kV,50kA/3s，附手动操作机构组4220kV母线电子精度电压3P(0.2S)，每3台含智能控制柜1面(含4台4式电压互感器双套智能终端及合并单元合一装置)。5氧化锌避雷器Y10W5-204/532，配在线监测传感器及IED。台12铝镁硅系管母66063G-∅150/136米800线铝镁硅系管母76063G-∅130/116米100线110kV配电装置（三）部分主要设备参数：瓷柱式，单断口，1隔离断路器台5126kV,2500A,40kA，100kA，附弹簧操作机构,控制回路直流电压220V,电机回路交流电压380V在线监测传感器及IED等；智能汇控柜1面（含1套智能终端及合并单元合一装置）。集成断路器、单接地隔离开关、电子式电流互感器主要设备参数：瓷柱式，单断口，2隔离断路器台2126kV,2500A,40kA，100kA，附弹簧操作机构,控制回路直流电压220V,电机回路交流电压380V在线监测传感器及IED等；智能汇控柜1面（含2套智能终端及合并单元合一装置）。集成断路器、单接地隔离开关、电子式电流互感器3隔离开关主要设备参数：126kV2000A40kA/3s100kA个2电子式电压互4主要设备参数：110kV，3P(0.2)/3P(0.2)台6感器Y10W5-102/266，配雷电监测仪。防污型，爬电比5氧化锌避雷器台18距≥25mm/kV10kV配电装置（四）部分10kV开关柜集1个4装箱40英尺标准集装箱10kV气体绝缘断路器、三工位隔离开关、带电显示器、电压互2面32开关柜感器等10kV集成式电3UPA-10-8000-3AKW，配5%、12%串联电抗器套8容器10kV干式站用SCB11-315/10.5，10.5±2×2.5%/0.4kV，Uk%=4，4台2变D，yn11。零序电流互感5LMZ-0.5，600/5A只2器6氧化锌避雷器YH5WZ-17/45，附自动放电计数器台3（六）全站接地热镀锌角钢、扁钢、圆钢等53 华北电力大学硕士学位论文4.4.2电气二次设备1、自动化系统网络本站自动化系统采用“三层两网”的分层分布式网络结构，搭建了站控层一体化业务系统，梳理优化站内数据信息流，实现顺序控制、源端维护和智能告警等高级应用。自动化系统网络图见下图。图4-10新一代智能变电站自动化系统结构示意图（1）自动化网络全站采用高速以太网组成，通信规约采用DL/T860标准。同时，为保护网络的实时性、安全性，在现有的技术条件下，站控层网络应与过程层网络物理分开，并采用100M及以上高速以太网构建。本站站控层网络选用双重化星型以太网结构，与站控层其他设备和间隔层网络连接，可传输MMS报文和GOOSE报文。其中，主变110kV及10kV侧的A套保护、110kV线路保护测控及其智能终端合并单元、110kV分段智能终端、站域保护控制装置、110kV故障录波装置等接入A网；主变110kV及10kV侧的B套保护、110kV分段智能终端接入B网。10kV不独立设过程层网络，主变10kV及10kV分段接入110kVGOOSE＋SV双星型网络。间隔层保护测控装置、故障录波、微机五防及交直流一体化监控装置均采用DL/T860-8-1标准接入自动化系统站控层网络。过程层采用GOOSE和SV合一网络。开关量信息交换均采用组网GOOSE和点对点GOOSE方式。其中，本间隔保护跳/合闸、主变保护跳其三侧断路器及母线保护跳闸采用点对点GOOSE，其他采用GOOSE网络方式。过程层SV信息交换采用点对点方式或组网方式，除母线电压合并单元至各间隔合并单元SV通信采用IEC60044-8（FT3）标准，其他均采用DL/T860-9-2通信标准。54 华北电力大学硕士学位论文（2）系统设备站控层设备包括监控主机2台、数据服务器1台、综合应用服务器1台、数据通信网关机4台、网络通信记录分析系统1套以及其它智能接口设备等。通过站控层设备向站内运行人员提供人机联系界面，实现管理控制间隔层、过程层设备等功能，同时与远方调度中心通信。间隔层设备包括多功能测控装置、保护装置、故障录波装置及其他智能接口设备等。由各种功能和智能组件完成全站的保护、测量、控制、计量、状态监测等功能。过程层设备包括电子式互感器、合并单元和智能终端，完成与一次设备相关的功能，完成实时运行电气量采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行等。（3）通信设备站控层网络交换机配置6台，其中，2台为16百兆电口+8百兆光口，用于站控层I区交换机；4台为6百兆电口+16百兆光口交换机，用于站控层II区交换机。安装于站控层网络交换机屏。间隔层网络交换机配置12台，均为24百兆光口+2百兆光口交换机。其中，主变间隔层配置2台，A网、B网各1台，安装于主变及110kV间隔层交换机柜；220kV间隔层配置4台交换机，A网、B网各2台，安装于220kV间隔层交换机柜；110kV间隔层配置2台，A网、B网各1台，安装于主变及110kV间隔层交换机柜；10kV开关室间隔层配置4台交换机，安装于10kV集装箱内二次线集成柜。间隔层网络交换机配置29台。其中，220kV过程层中心交换机4台，为16百兆光口+2千兆光口交换机，布置于220kV过程层中心交换机柜；220kV过程层分交换机10台，2台为16百兆光口，安装于220kV母联保护测控柜内，8台为8百兆光口，安装220kV线路保护柜内；主变220kV过程层分交换机4台，为12百兆光口，安装于主变保护测控柜内；主变110/10kV过程层分交换机4台，为12百兆光口，安装于主变保护测控柜内；110kV过程层分交换机3台为，8百兆光口，安装于110kV分段、线路保护测控柜内。自动化系统交换机配置方案如表4-14：2、继电保护与自动装置（1）保护配置主变保护配置双套同一厂家不同原理保护；220kV线路、220kV母联、220kV母线及主变保护均配置两套不同厂家保护装置；110kV线路配置单套光差保护装置（专用光纤芯通道），110kV母联配置单套母联充电过流保护，110kV配置单套母线保护装置。55 华北电力大学硕士学位论文表4-14交换机配置方案交换机网络安装地点功能交换机端口规格数量站控站控层I区交换机2台16百兆电口、8百兆光口站控层网络交换机柜层站控层II区交换机4台6百兆电口、16百兆光口主变及110kV间隔层A网、B网各1台2台24百兆光口、2百兆光口交换机柜A网、B网各1台2台24百兆光口、2百兆光口间隔220kV间隔层交换机A网、B网各2台4台24百兆光口、2百兆光口层柜10kV集装箱内二次线集装箱1和箱2各24台24百兆光口、2百兆光口集成柜台220kV过程层中心交4台16百兆光口、2千兆光口换机柜110kV过程层中心交4台16百兆光口、2千兆光口换机柜220kV母联保护测控220kV过程层分交换2台16百兆光口柜内过程机220kV线路保护柜8台8百兆光口层主变220kV过程层4台12百兆光口分交换机主变保护测控柜主变110/10kV过程4台12百兆光口层分交换机110kV分段、线路保护110kV过程层分交换3台8百兆光口测控柜机主变、220kV及110kV保护装置均组柜安装于相应的集装箱内，10kV保护测控装置（含10kV分段保护测控备自投装置和10kV电压并列装置）下放至10kV集装箱开关柜内布置。本站配置站域保护装置两台，两台装置软件功能配置，一套装置实现110kV系统的冗余后备保护功能；一套装置实现10kV母线差动保护、10kV分段备用电源自投、10kV低周减载、过负荷保护等功能。如表4-15和表4-16所示。（2）智能终端配置220kV线路及母联、主变220kV侧的合并单元和智能终端分开且双套配置，每间隔配1面智能控制柜，安装智能终端、合并单元及状态监测IED。主变110kV及10kV侧采用智能终端、合并单元合一双套配置，110kV线路及分段采用智能终端合并单元合一单套配置，每间隔配1面智能控制柜。220kV及110kV母线PT按母线段配置单套配置智能终端、合并单元合一装置。主变本体配置单套本体智能终端，集成非电量保护功能，并安装本体智能控制柜（和主变状态监测设备共柜）。主变中性点及间隙配常规电流互感器，220kV及110kV侧均双重化配置中性点及间隙CT合并单元。56 华北电力大学硕士学位论文（3）保护跳闸方式间隔层保护装置下放安装于预置集成舱内，采用“直采网跳”方式；站域保护采用“网采网跳”；主变跳母联或分段采用“网跳”方式。表4-15站域级保护控制装置1功能配置序号软件模块一次间隔01ZYJ-811G公共模块————02ZYJ-811L线路保护110kV线路1Y03ZYJ-811L线路保护110kV线路2Y04ZYJ-811L线路保护110kV线路3Y05ZYJ-811L线路保护110kV线路4Y06ZYJ-811L线路保护110kV线路5Y07ZYJ-811L线路保护110kV线路6Y08ZYJ-811L线路保护110kV线路7Y09ZYJ-811L线路保护110kV线路8Y10ZYJ-811L线路保护110kV线路9Y11ZYJ-811L线路保护110kV线路10Y12ZYJ-811L线路保护110kV线路11Y13ZYJ-811L线路保护110kV线路12Y14ZYJ-811TL分段备自投10kV分段（备用）表4-16站域级保护控制装置2功能配置序号软件模块一次间隔01ZYJ-811G公共模块————02ZYJ-811D失灵保护110kVI母03ZYJ-811D失灵保护110kVII母04ZYJ-811D失灵保护110kVIII母05ZYJ-811H分段1保护110kV分段106ZYJ-811H分段2保护110kV分段207ZYJ-811S加速保护1#主变08ZYJ-811S加速保护2#主变09ZYJ-811S加速保护3#主变10ZYJ-811Q过负荷联切1#主变11ZYJ-811Q过负荷联切2#主变22ZYJ-811Q过负荷联切3#主变13ZYJ-811M母线保护10kVI母14ZYJ-811M母线保护10kVII母15ZYJ-811M母线保护10kVIII母16ZYJ-811M母线保护10kVⅣ母17ZYJ-811M母线保护10kVⅤ母18ZYJ-811J集中式减载接入220kVI母电压19ZYJ-811J集中式减载接入220kVII母电压20ZYJ-811TL分段备自投10kV分段57 华北电力大学硕士学位论文3、预制舱布置二次设备全部组屏布置于预制集成舱内，采用双列布置，柜体采用前接线装置，屏柜背部紧靠舱壁，二次设备安装于柜体门板上。如下图所示。图4-11二次屏柜前接线装置图按照终期规模，本站共配置7个二次设备预制舱，具体尺寸如表4-17所示。3米（宽）×12米（长）×3.5米（高）预制舱可布置24面柜，3米（宽）×6米（长）×3.5米（高）可布置12面柜，布置示意图和效果图见图4-12和图4-13。表4-17二次设备预制舱尺寸序号名称尺寸1公用设备预制舱2220kV预制舱3米（宽）×12米（长）×3.5米（高）3主变及110kV预制舱4交直流电源系统预制舱5蓄电池预制舱I3米（宽）×6米（长）×3.5米（高）6蓄电池预制舱II7通信设备预制舱图4-123米（宽）×12米（长）×3.5米（高）预制舱布置示意图58 华北电力大学硕士学位论文图4-13预制舱布置实际效果图4、二次设备清单本站采用的其他二次设备此处不再一一列述，具体见下表。表4-18新一代智能变电站二次设备配置表序号设备名称型号规格单位数量(一)计算机监控、远动及监测许继电气,含两台HPDL560G8服务器，具备全套1监控主机柜监控软件、状态可视化等高级应用软件，保护及套2故障信息子站等功能数据及综合应用2许继电气,含两台HPDL560G8服务器面1服务器柜数据通信网关机许继电气,含4台许继电气的MCE-811数据通信网3面1柜关机（采用微机嵌入装置实现）山东科汇,含1台T-GPS-B-A和1台T-GPS-BIB主4同步时钟柜面1时钟装置5网络交换机柜站控层、间隔层、过程层、主变等网络交换机柜面16间隔层交换机柜许继电气,含4台24百兆光口+2百兆光口交换机面26主变、220kV线路、220kV母线及公用测控柜、7测控装置台15110kV母线及公用测控柜等许继电气，含2许继电气台24百兆电口2百兆光口间隔层交换机，1台山东科汇T-GPS-F5A，1套10kV集装箱二次8许继电气的智能辅助系统子单元（含环境数据处面2线集成柜理装置和综合控制器各台）,1台上海天灵的GBX-19-3U-72-ST-M光纤配线箱系统保护及智能(二)控制柜220kV线路光纤电流差动保护、线路光纤距离保1220kV保护柜护、线路保护通信接口柜、母线保护柜、母联保面12护测控柜等110kV保护测控110kV线路保护测控柜、分段保护测控柜、母线2面4柜保护柜等许继电气,含2台许继电气的BDH-811型站域保护3站域保护柜面1控制装置59 华北电力大学硕士学位论文4故障录波柜220kV、主变、110kV故障录波柜面3220kV智能控制5220kV线路、母联、母线EPT智能控制柜面7柜110kV智能控制6110kV线路、分段、母线EPT智能控制柜面7柜(三)元件保护许继电气，A面含许继电气的WBH-803B/G型主变主变压器保护柜1保护装置;B面含南瑞继保的PCS-978型主变保护面4A、B装置主变220kV侧、110kV侧、本体智能控制柜和10kV2智能控制柜面14智能终端合并单元集成装置10kV保护测控装10kV线路、电容器、站用变、分段保护测控集成3台28置装置、PT二次电压并列装置、母线测控装置智能一体化电源深圳金宏威,含直流充电柜、蓄电池组、不间断电(四)系统源等设备。(五)二次线缆及其他6芯、12芯、24芯预制光缆；电力电缆等4.5小结以某220kV新一代智能变电站工程实际为例，本章概述了新一代智能变电站优化设计的原则、实施方案等内容。同时，结合智能隔离断路器设备集成化的优势，详细分析了新一代智能变电站在电气主接线、总平面布置等方面的改进优化措施，以及新一代智能变电站的电气设备。60 华北电力大学硕士学位论文第5章结论与展望为适应智能电网发展建设的新需求，针对现有智能变电站分专业设计、一次设备集成不到位、设备功能独立、二次设备分散配置、维护工作量大等不足，本文系统梳理、总结了新一代智能变电站设计优化的关键技术。主要结论如下：（1）针对现有变电站一次设备集成不到位的不足，提出了智能隔离断路器技术，一体化集成断路器、隔离开关、互感器、智能组件等。本文详细分析了智能隔离断路器的系统结构、工作原理、工作状态、状态检修、工作特点等内容，并在此基础上研究了基于智能隔离断路器的电气主接线优化设计与总平面布置等。（2）针对二次设备分散配置、联调工作量大、工期长等问题，论述了预制场式二次设备、即插即用的预制光缆/电缆技术和“就地级、站域级、广域级”的层次化保护系统，深入分析预制舱与预制光缆/电缆的组成、类型、尺寸、布置方式、工作特点等内容，详细分析了层次化保护系统实现方式、保护配置、信息交互、三维协调等内容，明晰了新一代智能变电站缩短工程周期、提高工作效率、提高系统层面的故障识别和处理能力等突出优势。（3）以某220kV实际工程为例，完成了新一代智能变电站的设计流程，包括新一代智能变电站的设计方案、各电压等级电气主接线、总平面布置、一二次设备选择等内容。本文对新一代智能变电站设计优化的关键技术进行了系统研究和论述，但受水平限制，尚无法涵盖新一代智能变电站的所有研究内容，在一体化业务平台、高级应用、通信网络等方面尚有待深入的研究。此外，目前新一代智能变电站的变压器仍沿用了“变压器+智能组件”的方式，尚未完全一体化集成，有必要引导厂家研发、生产一体化集成的智能变压器，进一步提高变电站的自动化、智能化水平。61 华北电力大学硕士学位论文参考文献[1]GridsS.Europeantechnologyplatformfortheelectricitynetworksofthefuture[M].2010.[2]FarhangiH.Thepathofthesmartgrid[J].IEEEPower&EnergyMagazine,2010,8(1):18-28.[3]DoeU.Grid2030‖ANationalVisionForElectricity"sSecond100Years[R].Washington:UnitedStatesDepartmentofEnergyOfficeofElectricTransmissionandDistribution.2003.[4]PeterFairley."ASupergridforEurope".TechnologyReview.Retrieved.2008-01-20.[5]张卫平.德国智能电网的发展现状[J].全球科技经济瞭望,2011,26(11):18-25。[6]张文亮，刘壮志，王明俊等.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术，2009，33（13）：1-11.[7]U.S.DepartmentofEnergy.Smartgridsystemreport[R/OL].[2009-12-01].http://www.oe.energy.gov/DocumentsandMedia/SGSR.Main_090707_lowres.pdf.[8]范松丽,苑仁峰,艾芊,等.欧洲超级电网计划及其对中国电网建设启示[J].电力系统自动化,2015(10)：6-15.[9]姚美齐,李乃湖.欧洲超级电网的发展及其解决方案[J].电网技术,2014(3):549-555.[10]GCzisch，JSchmid.Lowcostbuttotallyrenewableelectricitysupplyforahugesupplyarea-aEuropean/trans-Europeanexample[R/OL].[2013-12-01].http://maeresearch.ucsd.edu/courses/MAE119/WI_2015/PDF-PublishedDocuments/WideArrayCollection_and_Distribution_for100%25_IntermittentRenewables.pdf[11]EuropeanCommission.SmartgridprojectsinEurope:lessonslearnedandcurrentdevelopment[R/OL].2011.http://ses,jrc.ec.europa.cu/.[12]GiordanoVincenzo,AlexisMeletiou,CatalinFelixCovrig,etal.SmartgridprojectsinEurope:lessonslearnedandcurrentdevelopments-2013update[R].PublicationsOfficeoftheEuropeanUnion,Luxembourg,2013.[13]王益民.中国智能电网发展与展望[J].中国电力企业管理,2013,(12):62-64.[14]崔荣梅,韩晓红,陈建文等.变电站综合自动化发展历程及应用[J].中国科技博览,2010,35(35):297-297.[15]赖向平,吴彬,常涛,等.新一代智能变电站特征分析[J].电气应用,2013,(S1)：451-453.[16]李孟超,王允平,李献伟,等.智能变电站及技术特点分析[J].电力系统保护与控制,2010,38(18):59-62.[17]中国电器工业协会智能电网设备工作委员会.智能变电站发展的现状与形势分析[J].电器工业,2012,9(9):16-17.[18]苗文静.220kV智能变电站设计方案及应用[D].华北电力大学(北京)华北电力大学,2013.[19]杨卫星.智能变电站技术方案研究[D].浙江大学,2011.[20]张航.智能变电站二次系统的设计及其工程应用研究[D].山东大学,2013.62 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华北电力大学硕士学位论文[43]ThePhonixForum.2ndannualconferenceexhibition&networkingforum[EB/OL].[2014-12-31].http://www.iec61850-europe.com/index.html.[44]ChristoPHBrunner.ThelatestevolutionofIEC61850Version2[J].P.A.CWbrld,2010,3(4):24-25.[45]史京楠,胡君慧,黄宝莹,等.新一代智能变电站平面布置优化设计[J].电力建设,2014,35(4):31-37.64 华北电力大学硕士学位论文攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果（一）申请及已获得的专利1.2014.03.05授权：变电站施工工程临时电源箱智能监控监护装置（实用新型），第1/7作者2.2014.02.19授权：工程安装试验智能安全监护装置（实用新型）第3/6作者（二）获得的科技奖励2016.03.01：所参与的科技项目“河北南网35千伏及以下配网工程设计标准研究”获得国网河北省电力公司科技成果三等奖。65 华北电力大学硕士学位论文致谢首先，衷心感谢我的导师梁贵书教授。本论文的研究工作是在导师的精心指导和悉心关怀下完成的。梁老师渊博的理论知识、丰富的工程实践经验、严谨的治学态度、忘我的科研精神、废寝忘食的工作态度、诲人不倦的精神使我受益匪浅。在此，向梁老师致以我衷心的感谢。论文的写作过程中，华北电力大学荆永明博士很多方面也都给予热情的关心、帮助和支持，并与我交流写作思路、方法，在此致以深深的谢意。66 华北电力大学硕士学位论文作者简介1984年10月15日出于河北邢台。2004年9月考入华中科技大学电气与电子工程学院电气工程及其自动化专业，2008年6月本科毕业并获得工学学士学位。获奖情况：2014年1月，获得国家优质工程突出贡献者。所负责的500kV邢东变电站获得国家优质工程奖。2013年1月，所负责建设管理的顺德500kV变电站工程获得鲁班奖。2012年，获得国网河北省电力公司先进生产者、优秀共产党员。2011年与2012年，连续两年获得河北超高压分公司建功立业标兵。工作经历：2015.11-今：在国网河北经研院计划经营部工作。2014.3-2015.10：在国网河北经研院人力资源部工作。2012.5-2014.3：在国网河北经研院建设管理中心工作。2012.3-2012.5：在河北超高压分公司基建部工作。2008.7-2012.3：在河北超高压分公司修试工区高压班工作。67'