Intelligenter kastenförmiger Umspannwerk basierend auf 110 kV Hochspannungs-GIS-Schaltanlagen Designforschung

Auswahl und Einrichtung von Verteilungsgeräten basierend auf GIS

Derzeit umfasst die gängige Verteilungsausrüstung hauptsächlich Freiluft-Ausluftschaltanlagen, traditionelle Innenraum-GIS, stahlgebaute Innenraum-GIS und Freiluft-Hybrid-GIS. Diese Studie zielt darauf ab, in den Umspannwerken Indonesiens die Einrichtung der Verteilungsausrüstung für intelligente vorgefertigte Umspannwerke abzuschließen. Die meisten Umspannwerke in Indonesien befinden sich in Gebieten mit komplexem Gelände und niedriger Lastdichte. Gemäß dem aktuellen Plan ist die regionale Stromnetzentwicklungsstrategie darauf ausgerichtet, bestehende 110 kV-Leitungen zu nutzen, um kleinere Umspannwerke aufzubauen. Auf dieser Grundlage werden die Spannungsebenen schrittweise reduziert, um die Investitionseffizienz zu maximieren, die Nutzung der Ausrüstung zu erhöhen und die Rolle der 35 kV-Umspannwerke zu vermindern. Die Umspannwerke im indonesischen Stromnetz sind groß angelegt, mit hohen Investitions- und Gerätekosten sowie langen Bauzeiten, was eine weitere Optimierung bei der Auswahl und Einrichtung der Ausrüstung erfordert.

Das Freiluft-Hybrid-GIS integriert Schalter und Abschalter und verwendet herkömmliche Busleitungen. Diese Anordnung kann die Anzahl der Flansche und der Freilufterräteteile reduzieren, wodurch die Flächennutzungseffizienz im Zielgebiet erhöht wird. Darüber hinaus kann der Hybrid-GIS-Ansatz die Schwierigkeit der Installation und Erweiterung verringern und die Geräteinstallation und -wartung in bergigen und hügeligen Gebieten erleichtern.

Indonesien hat ein relativ feuchtes Klima mit vielen heißen Tagen, so dass intelligente Steuerung strenge Umweltanforderungen hat. In Indonesien erfordern intelligente Steuerungsschränke normalerweise einen relativen Luftfeuchtigkeitsbereich von 5% bis 95% und eine Umgebungstemperatur von -5 bis 55°C, ohne dass Frostbildung zulässig ist. Um Kühlung, Entfeuchtung und Verhinderung von Kondensation für Freiluftsteuerungsschränke zu erreichen, verwendet diese Studie die Methode, Klimageräte an der Seite der Schranktüren zu installieren.

Was die Hauptelektroverkabelung betrifft, ist es entscheidend, ihre Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit, Bedienbarkeit und Sicherheit während des Betriebs sicherzustellen. Für die Einbus-Schaltanlage von 110 kV wird häufig eine Sektionsverkabelung oder eine Brückenverkabelung verwendet. Die Brückenverkabelung hat weniger Schalter und niedrigere Investitionskosten, ihre Zuverlässigkeit ist jedoch geringer als die der Sektionsverkabelung, und die Schwierigkeit späterer Modifikationen und Erweiterungen ist höher. Daher verwendet diese Studie Schalter, um den Bus zu segmentieren. Mit dieser Sektionsverkabelungsmethode können, wenn ein Busabschnitt ausfällt, die übrigen Abschnitte weiterhin normal versorgt werden, wodurch ein zuverlässiger Dienst gewährleistet wird. Die Einbus-Sektionsverkabelung ist relativ einfach, hat weniger Gerätekomponenten und bietet hohe Zuverlässigkeit und Bedienbarkeit. Die Struktur des verbesserten intelligenten Umspannwerks ist in Abbildung 1 dargestellt.

Die Transformatoren innerhalb des Umspannwerks spielen als wesentliche Geräte eine wichtige Rolle bei der Zustandsüberwachung. Unter Berücksichtigung der Investitionskosten und Anwendungsszenarien verwendet das Designkonzept dieser Studie ein online-Lösungsgasüberwachungsgerät im Öl und ein online-Eisenkern-Erdstrom-Messgerät. Das erstere, das etwa 200.000 RMB pro Satz kostet, wird zur Überwachung der internen Isolierung des Hauptschalters verwendet, während das letztere zur Echtzeitmessung des Eisenkern-Erdstroms dient. Beide Technologien sind vergleichsweise reif und weit verbreitet.

Der intelligente Hauptschalter integriert Primär- und Sekundärgeräte, wodurch er Zustandsbewusstsein und Betriebszustandseinschätzung durchführen kann. Um den täglichen Wartungs- und Überwachungsaufwand zu erleichtern und zu reduzieren, wird für den Hauptschalter die natürliche Ölkreislauf-Luftkühlung als Kühlmethodik gewählt.

Das Hybrid-GIS integriert Schalter, Schalter und Stromwandler in einer einzigen Einheit, was den Rekonstruktionsprozess durch die Reduzierung der Anzahl der Geräte vereinfacht. Darüber hinaus weist das Freiluft-Hybrid-GIS weniger Geräte und Flansche auf, bietet höhere Zuverlässigkeit und Korrosionsbeständigkeit und leistet in dem Zielgebiet gute Leistung. Die Nennspannung des Hybrid-GIS-Bay-Geräts beträgt 126 kV, und der Nennstrom beträgt 2000 A. Jedes Hybrid-GIS-Bay-Gerät besteht aus Sensoren, intelligenten Steuerungsschränken und SF₆-Gas-Zustandsmessgeräten. Diese Geräte können den Gaszustand und den Betriebszustand der Ausrüstung messen und ermöglichen digitale Messung, Informationsaustausch und Statusabfragefunktionen für Hochspannungsschalter.

Optimierung der Verteilungsausrüstung und allgemeine Anordnung

Im ursprünglichen intelligenten Umspannwerkdesign folgte die Konfiguration der intelligenten Endgeräte-Schränke und der Hybrid-GIS-Steuerungssammelschränke der Anordnung, zwei Schränke pro Bay zu verteilen. Dieses Vorgehen führt jedoch zu zahlreichen Kabelkreuzungen, was für die tägliche Wartung ungünstig ist. Daher können die Sekundärschaltkreise der intelligenten Endgeräte und der Hybrid-GIS-Mechanismen integriert werden. Durch die Kombination von Steuerplatten, Verriegelungsschleifen, Anti-Trip-Schleifen und nicht-synchronen Schleifen in das intelligente Endgerät kann eine integrierte Gestaltung erreicht werden.

Die Optimierung der intelligenten Steuerungsschränke umfasst hauptsächlich drei Aspekte: (1) Vereinfachung des Schaltkreises durch den Austausch von Hard-Wiring-Logik durch lokale Endgerätesoftwarelogik; (2) Ermöglichen der Kommunikation zwischen Bays durch intelligente Endgeräte und ereignisorientierte Objekttechnologie im Umspannwerk; (3) Verwendung einer integrierten Gestaltung von intelligenten Endgeräten und Schaltkreisschaltern, um redundante Funktionen wie Druckverriegelungsschleifen zu reduzieren. Neben diesen Schaltkreisverbesserungen bleibt die Anordnung der intelligenten Endgeräte innerhalb der ursprünglichen Steuerungssammelschränke erhalten, und die Verbindungen zwischen den intelligenten Steuerungssammelschränken und den entsprechenden Geräten werden optimiert.

Das in dieser Studie vorgeschlagene Designkonzept verwendet das modulare vorgefertigte Kabinkonzept. Die Anordnung des Umspannwerks sollte auf den natürlichen Bedingungen und den Ingenieur-Anforderungen des Zielgebiets basieren und Vorteile wie Sicherheit, Zuverlässigkeit, Umweltfreundlichkeit, Brandschutz und einfache Bedienung und Wartung bieten. Im Zielgebiet werden 110 kV-Verteilungsausrüstungen und Hauptschalter von Norden nach Süden angeordnet. Um den Transportanforderungen gerecht zu werden, wird innerhalb des Umspannwerks ein kreisförmiger Feuerwehrweg eingerichtet, und die Ortsgeräteinstallation nutzt eine minimierte Anordnung. Durch diese Anordnung kann 18% der Fläche eingespart werden. Die allgemeine Anordnung der Verteilungsausrüstung im Designkonzept ist in Abbildung 2 dargestellt.

In Bezug auf die Optimierung der Verteilungsdimensionen

Das in der Studie vorgeschlagene Designkonzept ordnet die Hybrid-GIS-Ausrüstung in zwei Reihen an, und die 110 kV-Verteilungsausrüstung verwendet Freiluft-Aluminium-Magnesium-Legierung-Unterstützungsröhrenbussleitungen. Die standardmäßige Sektionsbay-Anordnung weist normalerweise eine lineare Anordnung von Weichleitungsbussleitungen an beiden Enden auf, was viel Platz in Querrichtung einnimmt. Dank der Integration der Hybrid-GIS-Ausrüstung ist ihre Anordnung kompakter. Die Studie setzt die Querdimension der Sektionsbay auf 8 m, was 2 m kürzer als zuvor ist. Die Standardlänge in Längsrichtung beträgt 39 m. Um die Längsdimension zu optimieren, verwendet das vorgeschlagene Konzept integrierte Ausrüstung, entfernt die Eingangsleitungstruktur und ändert das Bussleitungsgerüst, wodurch der Raumbedarf in Längsrichtung reduziert wird. Durch diese beiden Verbesserungen beträgt die Längsdimension im Konzept 25,2 m, was 13,8 m kürzer als die Standardlänge ist und den Raumbedarf der Ausrüstung effektiv reduziert.

Leistungs- und Kostenanalyse intelligenter vorgefertigter Umspannwerke

Nach Fertigstellung des vorgefertigten Umspannwerks müssen relevante Inbetriebnahmeschritte durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Funktionen jedes Geräts den Designanforderungen entsprechen und eine normale Kommunikation zwischen den Geräten und Software ermöglicht wird. Das Experiment protokolliert und analysiert Daten wie Strom-, Spannungswerte, Wirkleistung, Transformator-Temperaturen und Leistungsfaktor jeder Schaltstelle im vorgefertigten Umspannwerk, um den stabilen Betrieb der Umspannwerksausrüstung sicherzustellen. Dabei sind die Temperaturwerte des Transformators in verschiedenen Zeitperioden in Abbildung 3 dargestellt.

Durch die Beobachtung von Abbildung 3(a) kann festgestellt werden, dass die Temperaturwerte von Phase A, Phase B und Phase C alle in einem relativ stabilen Zustand bleiben. Die Temperatur von Phase B ist die höchste und erreicht 43,6 °C von 8:31 bis 8:32; die Temperatur von Phase A variiert zwischen 42,0 und 43,2 °C; und die Temperatur von Phase C bleibt bei etwa 42,5 °C. In Abbildung 3(b) ist auch die Variation der gesammelten Transformator-Temperaturen am Nachmittag relativ gering. Aufgrund von Umweltänderungen sind die Gesamttemperaturwerte von Phase A, Phase B und Phase C höher als die Morgenmesswerte, aber immer noch im normalen Temperaturbereich. Um 14:32 beträgt der Temperaturwert von Phase B 44,1 °C, und zu diesem Zeitpunkt betragen die Temperaturwerte von Phase A und Phase C 42,9 °C und 42,6 °C. Während der gesamten Messperiode beträgt die niedrigste Temperatur von Phase C 42,2 °C und die höchste 43,7 °C, während die Temperatur von Phase A im Bereich von 42,6 bis 43,8 °C schwankt.

Die Analyse der Feldtestdaten zeigt, dass die Daten des vorgefertigten Umspannwerks allen Designanforderungen entsprechen und den relevanten Akzeptanzstandards genügen. Was die wirtschaftliche Nutzbarkeit betrifft, so analysiert und berechnet das Experiment basierend auf der Lebenszykluskosten-Theorie die verschiedenen Kosten der 110 kV-Verteilungsausrüstung und wählt das Luftisolierschaltgerät-Konzept zum Vergleich. Die Vergleichsergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt.

In Abbildung 4 beträgt der vorläufige Investitionsaufwand für das optimierte Hybrid-GIS-Designkonzept 2,413 Millionen RMB, was 0,133 Millionen RMB höher ist als beim Luftisolierschaltgerät-Konzept. Dies liegt hauptsächlich daran, dass der Geräteankaufspreis des Hybrid-GIS-Designkonzepts höher ist als beim Luftisolierschaltgerät-Konzept, und die Installationskosten sind ebenfalls leicht höher.

Während der Betriebs- und Wartungsphase ist der erforderliche Kostenaufwand relativ gering. Da das Umspannwerk des optimierten Hybrid-GIS-Designkonzepts ein unbemanntes Umspannwerk ist, sind nur wenige regelmäßige manuelle Inspektionen erforderlich, was die täglichen Betriebs- und Wartungskosten reduziert. Daher sind die Betriebs- und Wartungskosten viel geringer als beim Luftisolierschaltgerät-Konzept.

Die jährliche Ausfallwahrscheinlichkeit des optimierten Hybrid-GIS-Designkonzepts wurde signifikant reduziert, was zu einem deutlichen Rückgang der Wartungskosten führt. Darüber hinaus beträgt der Abrisskostenanteil nur 89% des Luftisolierschaltgerät-Konzepts. Wenn alle Faktoren berücksichtigt werden, beträgt der Barwert der Lebenszykluskosten des optimierten Hybrid-GIS-Designkonzepts 0,549 Millionen RMB weniger als beim Luftisolierschaltgerät-Konzept. Zudem ist das 110 kV GIS-intelligente Umspannwerk-Konzept überlegen gegenüber dem konventionellen Luftisolierschaltgerät-Konzept.

Fazit

Um städtische Flächenressourcen zu sparen, den Bauzeitraum zu verkürzen und die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit vorgefertigter Umspannwerke zu erhöhen, schlägt diese Studie ein Freiluft-Hybrid-GIS-Designkonzept vor, das Schalter und Abschalter integriert. Durch die Optimierung des Schaltkreises und die Verwendung der Einbus-Sektionsverkabelung sowie die Optimierung der Gesamtanordnung werden die Anzahl der Ausfälle reduziert und die Wartungskosten gesenkt.

Die Testergebnisse zeigen, dass bei der Erfassung der Transformator-Temperaturen die Temperaturwerte von Phase A, Phase B und Phase C relativ stabil bleiben. Am Morgen variieren die Temperaturen von Phase A zwischen 42,0 und 43,2 °C, während die von Phase C bei etwa 42,5 °C liegen. Am Nachmittag liegen die Temperaturen von Phase C zwischen 42,2 und 43,7 °C, und die von Phase A schwanken zwischen 42,6 und 43,8 °C. Die Daten des vorgefertigten Umspannwerks entsprechen den Designanforderungen und den relevanten Akzeptanzstandards.

In der Lebenszykluskostenanalyse beträgt der vorläufige Investitionsaufwand des optimierten Hybrid-GIS-Designkonzepts zwar 2,413 Millionen RMB, was 0,133 Millionen RMB höher ist als beim Luftisolierschaltgerät-Konzept, aber das optimierte Hybrid-GIS-Designkonzept erfordert nur wenige regelmäßige manuelle Inspektionen. Dies reduziert die täglichen Betriebs- und Wartungskosten, wodurch die Betriebs- und Wartungskosten viel geringer sind als beim Luftisolierschaltgerät-Konzept, und die Wartungskosten werden signifikant reduziert. Berechnungen zeigen, dass der Barwert der Lebenszykluskosten des optimierten Hybrid-GIS-Designkonzepts 0,549 Millionen RMB geringer ist als beim Luftisolierschaltgerät-Konzept, was beweist, dass das optimierte 110 kV GIS-intelligente Umspannwerk-Konzept überlegen gegenüber dem konventionellen Luftisolierschaltgerät-Konzept ist.

Allerdings analysiert und optimiert diese Studie nur das primäre Umspannwerkdesign. In Zukunft muss ein umfassenderes intelligentes Design für sekundäre Umspannwerke unter Berücksichtigung der Kommunikation und des Flächenbaus durchgeführt werden.