基于全寿命周期管理的智能变电站应用方案研究

基于全寿命周期管理的智能变电站应用方案研究

方笑晶

（国网合肥供电公司）

摘要：本文主要阐述了与全寿命周期管理相关的理论，并探讨了基于全寿命周期管理的智能变电站应用方案，从网络化保护、中低压保护产品模拟小信号以及二次设备在线监测技术三个方面进行研究，为智能变电站的建设提供参考建议。

关键词：全寿命周期管理；智能；变电站

2004年国际电工委员会颁布了应用与变电站通信网络的IEC61850国际标准，该标准网络通信的可靠性、实时性较强，实现了状态检修功能，在提高系统集成度方面发挥了重要作用。该标准推动了变电站的自动化系统的应用，且国际上已经有成功应用IEC61850的变电站。这些情况均表明变电站的智能化已经步入实际应用阶段。而减少变电站全寿命周期成本（LCC）是我国电网建设工作的重要组成部分，且相关部门已经开始深入研究增强变电站全寿命周期效率、效益问题。因此，智能变电站全寿命周期管理的研究重点是怎样在提高系统集成度、强化智能功能的基础上降低过程层投入的成本。而本文主要设计并探讨基于全寿命周期管理智能变电站的设计方案，为变电站的建设提供参考建议。

一、与全寿命周期管理相关的理论

全寿命周期管理主要包括财务和工程管理的相关内容，财务管理内容主要包括变电站建设、运行以及维护过程中系统和设备的建设成本、设备成本、运行成本、维护成本、设备退役成本等，其中不同方案的设备投入成本比较与设备故障引起的损失也是财务管理内容的重要部分。工程管理的内容主要有系统与设备的寿命分析、可靠性分析、维修措施分析、设备故障或更新设备对系统的影响等。相关研究指出，约70%的设备全寿命周期在设计阶段决定，约95%的设备全寿命周期在试制阶段决定。由此可见，变电站管理者应在全寿命周期管理理论的基础上，充分实践该理论的内容，重视并加强变电站的设计，将设备的集成程度、可靠性和运行维修性能纳入设计考虑因素中，以尽可能地减小变电站的全寿命周期成本。

在实际操作过程中，变电站主管部门往往更重视变电站工程的建设成本，而忽视工程项目的运行费用、设备故障损失费用等内容。因此，系统与设备的可靠性是设计变电站应用方案过程中应当重视的问题。根据全寿命周期管理思想设计的智能变电站应用方案中，应在有效提高变电站系统集成度的基础上，尽可能地对类似于低压保护增加的费用等必须增加的成本进行控制，以最大限度地优化智能变电站的经济效益。

图1逻辑节点和连接关系

二、基于全寿命周期管理的智能变电站相关应用方案

（一）网络化保护方案

面向元件和间隔是设计变电站自动化系统的基础理念，变电站的智能电子设备较多，许多智能电子设备的功能相同且单一，占据的空间较多。而基于IEC61850国际标准，变电站的各项功能被具体划分为记录、监测、控制、保护，各个物理设备的功能可自由分布，降低了物理设备与功能的关联程度，如图1所示。智能变电站的间隔层面向通用对象的变电站事件（GOOSE）机制、过程层GOOSE机制使变电站自动化系统通过专用设备获得保和控制功能得以实现，且有助于实现变电站网络化二次系统各项功能。

通常情况下，变电站应用低频自动减载功能对由于功率缺额而引起系统频率变小的情况进行控制，由出线保护装置来实现此项功能。出线保护装置检测到系统频率比最低限定值小时，会在低电压闭锁、滑差闭锁的基础上切除该条出线，以降低系统承载的负荷，进而保证系统频率处于稳定状态。智能变电站的网络化功能优化了低频减载功能，测量频率和主逻辑的判断主要在母线PT测控装置中进行，并根据既定的程序发出跳闸指令，出线保护装置收到指令后切除该条出线，最终稳定系统频率，如图2所示。智能变电站中，由不同保护对象的间隔层装置来实现低频减载功能，低频逻辑的判别主要由母线测控单元来负责，而判断的结果主要以网络化的信息传递至出线保护装置，并由该装置根据指令来完成切除负荷、稳定系统频率的操作。网络化保护控制有效地优化了系统操作程序，如操作人员可直接在操作进程图形界面上进行相关操作。且网络化保护控制实现了网络化电表、网络化录波、网络化间隔层五防功能、网络化母线保护功能、网络化备自投功能等，且根据面向通用对象的变电站事件机制，网络化保护控制出口实现了跳合闸操作功能。总之，该方案减少了变电站的智能电子设备，降低了建设成本，且优化了操作程序，提高了系统的集成度，人工操作显著减少。

图2低频减载单元配置图

(二)中低压保护产品模拟小信号方案

变电站有较多的中低压智能电子设备，在全寿命周期成本中占据着重要地位。中低压智能电子设备主要放置于开关柜中，但与互感器相隔不远，且基于数字接口方式传输采样值的互感器将明显增加智能接口单元、交换机、合并单元等设备，使得变电站的建成成本增加。不仅如此，设备数量增加不利于变电站系统的稳定，可能会对系统故障维修的成本和带来的损失产生影响。而中低压保护产品模拟小信号方案应用的电流互感器主要根据Rogowski线圈原理设计，电压互感器基于电容分压或电阻分压，其测量线性范围显著增大，且节约空间。该互感器应用航空插头接口进行连接，并利用屏蔽电缆，使得传输距离增至20m，其电子回路可处理传感头微弱的信号，且将处理好的模拟信号输入到测控系统、保护装置和计量表计中，如图3所示。此模拟小信号方案有效的减少了智能接口单元、交换机和合并单元，如图4所示。

（三）二次设备在线监测技术

根据全寿命周期管理理论，有效提高变电站的管理效率和经济效益是变电站建设研究的重要项目。目前，变电站一次设备状态监测的项目较多。但是定期检验一次设备的方式存在较多的弊端，而引用一次设备状态检修方式来检测二次设备是目前设备状态监测的重要研究项目。

微机型二次设备的自检功能较强，然而二次设备的操作控制回路、直流回路、交流输入等主要由数量较多的继电器以及连接电缆等组成，分布较分散，利用在线监测技术来实时监测该设备存在较大的局限性，监测难度较大。而智能变电站并不存在该方面的问题，该变电站应用的电子式互感器可直接对二次设备的数字信号进行监视，若出现接收数据帧CRC错误、丢数据帧、接收中断等情况，该装置会直接发出警告。该变电站应用的智能开关可通过软件编程方式来实现二次控制系统的智能化操作，其在线监测功能较强，而光纤的应用实现了通电状态下监测的功能（除直流回路），且太网通信可保证检修网络稳定、可靠。二次设备状态检修系统能够实时监测二次设备的累计工作时间、逆变电源的负荷、工作环境、设备投停状态等情况，且可由监控中心对这些数据进行综合分析，以判断设备的运行状态，为检修决策提供科学依据。

结束语

变电站LCC的内容主要有工程建设投入成本、日常运行及维护投入成本资金、故障维修投入成本等，而智能变电站需要的各类设备比以往多，如过程层交换机、智能终端、合并单元等，这些增加的设备提高了变电站的投入成本。因此，设计智能变电站时，应尽量控制各项成本，并通过利用二次设备状态检修等技术来减少费用，以强化变电站的经济性。而本次研究方案主要应用了网络化保护方案、中低压模拟小信号方案和二次设备在线检修方案，在提高变电站系统集成度的基础上，最大限度地减少了变电站系统的全寿命周期成本，对扩大智能变电站的应用范围有促进作用。

参考文献：

[1]胡晓娟,柯方超.智能变电站全寿命周期管理应用方案[J].湖北电力,2012,11（04）:24-25+31.

[2]王勋.基于全寿命周期成本管理的变电工程决策研究[D].重庆交通大学,2011.

[3]冀栓梅.全寿命周期成本分析在变电站设计中的应用研究[D].华北电力大学,2013.