35kV预制舱式变电站技术创新与应用综述

  摘 要：随着电力工业发展，电力电子、网络通信及人工智能技术等高新技术在电力系统中的应用越来越深入，在智能变电站的发展建设中起着重要的作用，近来国内外在智能电站建设理论与实践方面做了大量尝试，为建立更为先进的变电站打下了基础。本文就35kV预制舱式变电站技术创新与应用方面做阐述，所述诸类技术创新与应用体现了人性化、标准化、模块化设计以及智慧、高效、绿色的电网建设理念。

  关键词：35kV预制舱式变电站；云监护平台；专家诊断；人工智能；故障预判；在线；技术改进；创新；应用

  35kV预制舱式智能变电站典型设计由35kV预制舱、变压器预制舱、10kV预制舱和综合控制预制舱构成，35kV线kV线kV开关柜构成，柜内集35kV万能断路器、35kV万能隔离开关、PT、CT、氧化锌避雷器以及综保装置等设备于一体；主变压舱体内由智能变压器和排热装置等装置组成；10kV预制舱内由无功补偿装置、10kV开关柜以及直流屏等系统构成；综合控制预制舱由远动、综自、通信等构成。

  预制舱式智能变电站是在不降低稳定运行可靠性的条件下利用先进的技术将智能一、二次设备、配套设施与基建进行智能化、小型化、紧凑化及经济化的有机一体设计，预装于几个舱体内，它是传统箱变的发展趋势，同时也是传统配网电站的改进方向。箱式变电站大多分布在在10kV及以下的配电网，预制舱式智能变电站主要是35kV及以上电网，与常规站比，具有投运时间快、占地少、免维护程度高、外观与环境协调、可深入负荷中心等特点，但是就目前个别地区已研制投运的预装站来看都存在诸多的不足与技术提升空间，如：占地面积20%左右缩减效果不够显著；舱体空间小、扩建时电气距离等问题导致增加设备时舱体需停电进行；舱体正下方半地下电缆层配套的基础设施投资增较大；舱体为全封闭无开窗采光设计无论白昼或夜晚均需单独照明；舱内环境温湿度控制耗能管理粗犷，辅助系配置不够完善，尤其在运维人员对电站的监护工作方面的技术支撑有待逐步提升。[1-2]

  取消常规预制舱式变电站舱体正下方2m高半地下电缆层与舱体底板人孔，取而代之在舱体两边外侧设电缆沟，节省建筑投资同时避免运行人员在半地下电缆层内不易逃生的安全风险隐患；在舱体本体底座内设200mm高电缆夹层，舱内二次电缆在本体夹层内敷设，各柜体间联络电缆从柜底座电缆层进入电缆沟；使舱体内二次电缆可提前在工厂内敷设完成，大幅度减少了现场工作量，逐步提升变电站建设效率。

  预制舱体内为满足温湿度、消防等环境要求，加上预制舱墙体结构材料的特殊性及厚度较薄，在制作的完整过程中制作工艺没办法实现在舱体上开窗，因此即使是白天，舱体内也是一片漆黑，运行人员进入舱体时，只能启动交流照明系统来解决舱内照明问题。对此不足提出了新的解决方案，采用新型光导照明技术，系统主要由采光器件、导光柱、导光片、漫射器件等几部分所组成，系统直接利用太阳光照，不同于太阳能热水器、光伏发电等光电-电光转换再使用，只要是白天既可通过安置在预制舱舱顶的光导照明系统解决自然采光的问题，舱外自然光导入舱体内使舱体内外一样明亮。相较于常规照明系统O计更加节能环保，符合电网建设绿色发展趋势，在预制舱式变电站中具有广阔的推广前景。

  预制舱式变电站舱体内空间狭窄封闭，自然通风降温困难，常规的通风降温设计采用大功率风机及大功率制冷空调实现，无法智能精确控制运行环境且耗能大。因此在预制舱内设置智能新风节能装置及机房用精密空调进行通风降温，新风和空调构成联动联控系统：当舱体外温、湿度满足设定条件，同时舱内温、湿度达到新风开启阈值时，新风装置启动高效排热操作；当新风排热效率较低的时候即舱内温度持续上升并升至空调开启点，则投入外部空调运行，新风装置停止运行。机房精密空调系统在炎夏温度比较高时连续工作，根据设定的阈值，可以将舱体内温湿度控制在1℃上下浮动以内，实现舱体内恒定温湿度，保证了所有电气设备的工作环境正常。本动力环境系统智能高效率节约能源逻辑，通常能节能25～80%。[3-4]

  为进一步减少预制舱式智能变电站的接线施工量、降低整体成本及其占用面积，适当引入无线传感网络技术。节点采用采用低功耗无线传感器结合领先领先企业国电光宇自主研发的监护云平台系统，借助云平台超低功耗神经网络算法，使无线传感器平均工作电流降低到4.5mA超低功耗水平，根据变电站现场运行管理要求，经分析比较测算，可达到预期10年寿命的技术指标。无线传感网络的传输方式为无线，信号在传输方面存在不稳定性，传输质量比光纤传输要差很多，同时由于无线传感网络在时延方面包括空间数据传输的时延、编解码以及modem的时延，同等传输距离下要比网线或光纤传输时间长，因此用于保护方面的测量控制量目前不适于无线网络方式传输，但是在智能变电站辅助监控系统方面，绝大多数设备的状态检验测试的数据都可以放在无线传感网络上完成传输。网络构建及应用数据可以直接建立在该协议之上，不增加网络传输层，这样做才能够减少控制的环节、增大数据吞吐量减少无线kV预制舱式智能变电站舱体的长度一般不大于20m，对无线传感网络来说该通信距离很短，网络拓扑设计不需太复杂，一般两层即可，无需进行无线路由的中继，第一层只设网络节点，即中心节点，完成网络的建立、维护以及与远方通信管理机的通信，第二层设有多个终端单元，每个终端单元完成一个或多个传感数据的采集与传输。协议数据采用2.4GHz免许可频段作为无线通信信道。中心单元布置在综控舱内，终端单元紧靠需要采集数据信息的设备布置。[5-7]

  预制式35KV智能变电站监控系统依照变电站无人值守要求设计，优化网络拓扑结构，通信标准统一采用变电站通信网络和系统IEC61850国际标准，与站内综保系统和远动系统统一规划建模、统一组网、数据高度复用，实现站控层、间隔层和过程层三层两网设备互操作。变电站内数据具有共享和唯一性，保护动作信息、远动数据不重复采集。实现对变电站可靠、完善、合理的检测控制、四遥信号的远动和SNTP GPS对时能力及与远方调度中心信息交换的能力。[8]

  根据《国家电网公司变电站管理规定》、《无人值守电站管理规范（试行）》的意见和要求，各网省公司制定了运维站巡视管理规定，但无人值班站人工巡检及时性、可靠性差，巡视与记录效率低下，部分地区试投放机器人巡检，但运用在露天作业实际运行效果并不理想，出错概率大，技术不够成熟。针对预制舱式变电站，提出基于物联网技术的就地自动智能巡检系统，该系统对多种类型的信息进行广泛、深入融合，通过电子围栏、墙体震动传感器、视频监控信息的感知与融合，实现高可信的无虚警、无漏警安防报警；通过感知与融合视频监控信息、红外热成像信息和烟感信息，实现高可信的消防报警；通过感知与融合比对同一设备不一样相位、同类设备之间的温度差异，以及环境温湿度信息，实现准确、快速的设备故障告警；通过感知与融合水浸、水位、环境温湿度和视频监控信息，实现高可信的变电站环境状态告警。

  该系统将常规变电站各自独立的辅助生产系统，通过IEC61850通信规约转变为综合智能化管理平台，与设备在线监测系统一起构成了变电站智能巡检系统，具有自由扩展性，可以自由覆盖任意厂家的任意类型智能设备，可免去人工或机器人的常规巡检任务，远方的监控中心可利用云监护平台实时掌控站内设备和辅助系统的运转状态，弥补了现有综自系统与动力环境监控系统功能覆盖的不足和对一线运维人员需求的针对性不强等问题。同时该系统具备专家诊断AI算法，能够对现场数据做深入学习与诊断，做到系统运作状况的预判，并会自动把定位的异常点以短信等方式发送给相关运维及管理人员移动终端上。这是在目前以状态检修为主的运维模式下的一次质的提升。

  目前无论是常规变电站还自动化变电站亦或是无人值守智能预制舱式变电站目前都未解决的一个问题是蓄电池组的日常自动维护，虽然蓄电池普遍采用的是免维护型，但这里的免维护并不是指的完全意义上的不维护，国网最新相关规定：新安装的阀控式蓄电池组在验收时应进行核对性放电，以后每两年进行一次核对性放电，运行了四年以后的阀控式蓄电池组，应每年进行一次核对性放电。但是该政策的执行也存在着很大的难度，如：（1）蓄电池组核对性充放电试验耗费大量人力资源，现在普遍采用人工操作，运维成本较大。（2）蓄电池内阻及运行工况不能实时监控撑握，日常巡检中缺乏有效检验测试手段，易造成直流电源故障。（3）根据DL/T724-2000及大部分地方政策均规定，对于只有一组蓄电池组的变电站，不能退出运行，也不能做全核对性放电，只能用I10恒流放出额定容量的50%，但规程并没有对50%容量测试的操作作出具体说明。导致大部分放电操作人员要么大量接线外加一组蓄电池放电，要么按0.1C10电流放5小时。对此一些电源企业研制了具备内阻测的全在线自动核对充放电系统，该系统摒弃了常规人工利用离线放电仪经放电电阻以热能的方式将能量泄放到周围环境中做法，而是采用有源逆技术，放电过程中电池组不脱离系统同时泄放的能量回馈给电网，实现节能环保的同时避免了散发热量影响到周围设备的正常运行。目前该技术较为成熟领先的企业国电光宇已将该系统投用到塔拉等750kV超高压级电站，同时该技术也获得了开普实验室认证、国家知识产权局颁发的证书以及北京市科委高新成果转化上榜产品并且该技术已在除电站之外的通信基站、服务器机房等领域也进入快速推广应用阶段。[9-10]

  以上综述了预制舱式变电站现有设计的具体方案现状，以及提供了在现有基础上进行技术改进与新技术应用提升预制舱式变电站智能化水平的思路，除此之外，从互联网+智慧能源的方面出发，还有很多的创新点可以去思考，大量新技术的应用必将推动我们国家电网建设向着更加智慧、高效、绿色方向迈进。

  [1]赵和平.智能变电站二次预制舱设备布置与应用分析[J].自动化应用，2015，（12）：146.

  [2]张万菊.尖扎滩 35kV 预制舱式变电站特点[J].青海电力，2012，（10）：31.

  [9]国家电网公司十八项电网重大反事故措施，国家电网公司防止变电站全停十六项措施[s].2010.