模块化变电站智能化
方案研究
模块化变电站智能化方案研究
舒彬1，苏宁1，林一凡 1
（1．北京电力经济技术研究院，北京市西城区 100055）
Research on Technology Solution of Intelligent Modular Substation
Shu Bin1, SuNing2, Lin Yi Fan1
(1. Beijing Power Economic Research Institute, Beijing, 100055, China;)
ABSTRACT: Relative to traditional substation, the modular substation can be assembled and constructed quickly. However, the intelligent solutions are not considered in the existing modular substations. The paper designs a technology scheme which achieves goals of measurement, protection, state monitoring of primary equipments, and other functions such as viedo and security, in the shape of o
utdoor integrated intelligent components cabinets, multi-functional devices and auxiliary system. With the proposed intelligent modular substation program in the paper, the substation can give full play to the technology advantages of the prefabricated modular substation and the intelligent high-voltage devices, what makes up the deficiency of the both, riching the design patterns of smart substations.
KEY WORD:modular substation, intelligent, integrated intelligent components
摘要：相对于传统变电站而言，模块化变电站建
设、安装快速方便，但现有的模块化变电站建设中
未考虑智能化问题。本文设计了一种模块化变电站
智能化的技术方案，以户外智能组件柜及多功能装
置、辅助系统形式，实现一次设备的测控、保护、
状态监测等功能及变电站的视频、安防等辅助功
能。通过采用本文提出的模块化变电站智能化方
案，能够充分发挥预制模块型变电站和高压设备智
能化的技术优势，弥补两者的不足，丰富智能变电
站的建设设计模式。关键词：模块化变电站智能化智能组件
1  引言
上世纪90年代变电站开始采用模块化技术，集成设计变电站设备，模块化变电站在电力系统中得到了广泛应用。模块化设计主要应用于110kV及以下电压等级的变电站，它根据功能集成设计在工厂内进行模块化生产，将各个功能模块集成至密封的箱体内，安装时仅将各功能模块进行简便地电气安装和联调，即可投入使用。因此，模块化站安装方便、建设快速，且占地少，全绝缘，整洁美观[1-2]。同时，整个变电站均密封于箱体之中，防尘好，减少盐碱等工业污染影响，安全稳定，维护量少，可靠性高[3]。现有的模块化变电站设计制造过程中，将变电站分割成进线模块、变压器模块、出线模块、综合自动化模块和中压配套模块等各个部分，根据功能进行集成，但未考虑变电站的智能化问题，对变电站的运行维护及技术升级带来不便[4-5]。本文基于DL/T 860标准研究了各模块对应的智能化模块功能及其设计方式，以智能组件及多功能装置、辅助系统形式，实现一次设备的测控、保护、状态监测等功能及变电站的视频、安防等辅助功能，实现模块化变电站的智能化。
2.智能预制模块
2.1智能化线路进站模块设计
进线模块的进出线一般由插拔式电缆
插接头连接气体绝缘封闭式组合电器
（GIS）。GIS内集成了互感器、断路器、
隔离开关、避雷器等众多一次设备，进出
线模块智能化可以认为是GIS的智能化，
所以进线模块智能化采用“智能组件+合并
单元+智能终端+进线模块”的形式来实现[6-
8]。智能组件包括局部放电IED及监测主
IED，完成GIS开关状态监测的功能，合
并单元及智能终端完成互感器采样数据的
数字化及断路器的控制、开关量采集、模
拟量采集（变送器形式）、GOOSE报文接
收及发送功能。以上各智能化装置采用户
外柜形式就地安装于进线模块旁，形成进
线智能化模块，图1是线路进站模块智能
化示意图。
图1 线路进站模块智能化示意图
Fig 1 Schematic version of the intelligent incoming modular
相较于普通的进线模块，进线智能化
模块除实现常规的进线模块功能外，还实
现了以下功能：
1）合并单元接收互感器的电流量，将
处理完的电流量送至本间隔的保护测控装
置，同时预留数据输出接口供跨间隔的保
护、自动化设备及计量装置使用。
2）智能终端接收断路器、隔离开关等
模块化电源机构发出的断路器、隔离开关位置信号、
设备的状态信号，并能够向其发出跳闸指
令，支持联锁功能等；支持保护的分相跳
闸、三相跳闸、重合闸等GOOSE命令；
支持遥控分、合等GOOSE命令。
3）断路器控制回路一体化设计，简化
智能终端回路。智能终端与过程层网络的
GOOSE信息的多播机制减少断路器、刀闸
辅助接点、辅助继电器、本体端子排数
量，利用站控层GOOSE横向联闭锁功能
取消就地横向电气联闭锁接线。断路器控
制二次回路和断路器操作箱两者一体化设
计，取消防跳、三相不一致、压力低闭锁
等冗余二次接线，简化断路器控制回路。
4）各式传感器内置或外置于GIS本
体，一次厂家按设计单位提出的要求，在
一次设备设计制造时统一考虑在线监测传
感器选型、安装，使开关本体和传感器寿
命匹配，布线合理，与高压设备内部绝缘
介质相通的外置传感器密封性能、机械性
能、杂质含量等符合或高于一次设备的相应要求。
对于110kV模块化变电站，可监测高压组合电器的SF6气体密度和局部放电。预埋在设备内部的传感器，其设计寿命不少于被监测设备的使用寿命。SF6气体密度传感器以气室为单位进行配置，GIS/HGIS局部放电以断路器单位进行配置，在保证传感器监测灵敏度与覆盖面的前提下尽量减少传感器配置数量。
2.2智能化线路出站模块
低压侧10kV出线模块包括10kV开关、10kV线路保护装置、站用变压器、母线PT装置、计量装置、中压配套模块等组成，满足10kV各种接线要求，并提供10kV出线及电容器保护、测控、计量功能。采用测控、保护、计量多合一装置，按间隔单元单套配置，采用就地下放方式直接安装在开关柜上。电压、电流通过对常规互感器直接采样的方式完成，断路器、刀闸位置等开关量通过硬接点直接采集，并通过DL/T860 MMS服务上送至站控层。同时，装置接收站控层的控制指令，断路器的跳合闸直接通过电缆硬节点控制完成。跨间隔开关量信息交换采用站控层GOOSE网络传输方式。
中压配套模块主要由10kV并联成套补偿装置和消弧线圈组成，通过一次电缆与10kV出线模块相连接，其中的10kV并联成套补偿装置投切由监控主机通过10kV 电容器保护测控计量一体化装置进行控制，采用一定的优化算法完善电网无功补偿功能。
2.3变压器模块智能化设计
对变压器模块的智能化主要采用户外柜的方式将主变各侧合并单元和智能终端就地安装置在变压器旁，实现对变压器信息的数字化采样及智能控制。主变本体智能终端同时具备非电量保护信息和变压器本体信息的采集和传输，便于冷却系统智能控制、变压器状态分析等高级应用的实现。
由于单独存在综合自动化模块，为优化资源配置，变压器合并单元与智能终端就地下放，保护及测控装置置于综合自动化模块中。变压器户外智能柜具体实现以下功能：
（1）数据采集功能：主变各侧分别配置合并单元，实时采集主变各侧的电压、电流以及功率等交流量信息并上送至保护、测控装置，中性点电流互感器接入高压侧合并单元；主变各侧配置智能终端，完成对各侧开关的开关量采集及控制功能，并支持GOOSE命令的接收与传送；
（2）主变本体信息的采集及非电量保护：本体智能终端采集主油箱及分接开关的油温遥测信息，分接开关位置、气体继电器节点信息、压力释放器状态等开关量信息，并根据本体重瓦斯、有载重瓦斯、压力释放、超温等非电量开入信号启动判断逻辑通过电缆直接跳闸出口；能根据顶层油温、环境温度以及出线侧负荷等参数形成控制策略自动控制冷却器的投退，并将冷却器的运行状态返回给后台系统；本体智能终端可接受后台调压命令或者在当地通过手动调压命令实现有载调压操作。
主变各类信息的测量、控制等内容均按照DL/T860体系要求建模并完成与间隔层、站控层设备之间的信息交互。
3.辅助系统模块
模块化变电站是无人值班（少人值守）变电站的重要组成部分，辅助系统将是变电站自动化系统中不可或缺的重要组成部分。辅助系统模块集成了视频监控系统、安防消防系统和交直流一体化电源，承担维护变电站日常安全、可靠运维的责任。
视频监控系统与监控主机相连，将视频信息传送至监控主机，并接受监控主机的控制。监控主机根据遥信变位，遥测越限、安防消防报警信息，联动切换视频或
调整摄像头，利用图像识别技术，判断刀闸的位置状态，向站控层反馈结果，辅助主站的倒闸操作和设备检修。
安防系统将各传感器检测到的温湿度信息、入侵信息、水浸信息、烟雾信息、损坏信息等报警信息通过智能接口机送入监控主机，并联动报警装置，必要时联动启动照明和辅助调节设备。
消防系统也通过智能接口机将火警信号送到监控主机，联动报警，启动自动灭火装置或火灾隔离措施，监控主机可根据报警信息切换视频画面。
交直流一体化电源含交流系统、直流系统、逆变电源系统、通信电源系统、UPS五项分系统组成，各子系统相互联系，互不干扰。其运行工况和信息数据能够上传至监控主机及远方控制中心，能够实现就地
、远方控制功能及站用电源设备的系统联动。
4.自动化模块
自动化模块包括对时模块、110kV进线及主变保护装置、测控装置、计量装置、网络交换设备、远动网关机、监控主机、微机五防设备等，将上述各模块组柜安装在母模块箱体内，并通过光纤以太网与过程层设备及出线模块连接。
站控层设备配置监控主机及远动网关机。为节省空间，监控主机采用机架式安装，单独组柜，其主要功能是为变电站内提供运行、管理、工程配置的界面，记录相关信息，并提供顺序控制、故障分析及智能告警等高级应用功能。远动网关机按照一定的规约将有关数据信息送向调度或控制中心，接收调度或控制中心的有关命令转间隔层、过程层执行，同时提供远程浏览、图模传输等功能，支持调控一体化运行模式。间隔层设备配置110kV进线及主变保护、测控装置及备自投装置等安稳设备，完成保护、测控及自动控制功能，并接入站控层网络，通过MMS报文上送相关信息。过程层的SV及GOOSE采用共网方式，过程层网络交换机配置在自动化模块中组柜安装，就地下放安装的合并单元及智能终端通过光纤以太网接入过程层交换机；保护装置采用直采直跳方式，通过光纤直接连接对应的合并单元及智能终端。全站自动化系统的网络结构图如下图所示：
图2 全站自动化系统网络结构图
Fig 2 Network topological structure of the whole-substation automation system

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