Inteligentna škatlasta podstanica na osnovi visokonapetostne GIS preklopnike za 110 kV Raziskava oblikovanja

Izbira in namestitev distribucijske opreme na osnovi GIS

Trenutno se pogosto uporabljajo naslednje vrste distribucijske opreme: odprta zunanja zračna izolacijska preklopna oprema, tradicionalna notranja GIS, stalenostna notranja GIS in hibridna zunanja GIS. Ta študija je namenjena podstanicam v Indoneziji za dokončanje namestitve distribucijske opreme za pametne predelane podstanice. Večina podstanic v Indoneziji se nahaja v območjih s kompleksnimi terenskimi pogoji in nizko porabo. V skladu z sedanjo strategijo razvoja regionalnih električnih omrežij je cilj izgradnja majhnih podstanic z uporabo obstoječih 110 kV linij. Na tej osnovi bodo stopnje napetosti postopoma zmanjšane, da bi se maksimizirala učinkovitost naložb, izboljšala izkoriščenost opreme in zmanjšana vloga 35 kV podstanic. Podstanice v indonezijskem električnem omrežju so velikih razsežnosti, z visokimi stroški naložb in opreme ter dolgimi časovnimi okviromi za gradnjo, kar zahteva nadaljnje optimiranje izbire in namestitve opreme.

Hibridna zunanja GIS združuje preklopnike in ločilnike, uporablja pa tudi konvencionalne busbarje. S tem postopkom se lahko zmanjša število flanž in zunanje opreme, s čimer se poveča učinkovitost rabe zemljišča v ciljnem območju. Poleg tega lahko pristop hibridne GIS zniža težavnost namestitve in razširitve, kar olajša namestitev in vzdrževanje opreme v gorskih in brdskih regijah.

Indonezija ima relativno vlago klimo z veliko dnevih s visokimi temperaturami, zato imajo pametne nadzorne ohišja stroge zahteve glede okolja. V Indoneziji običajno zahtevajo pametna nadzorna ohišja relativno vlažnost med 5% in 95% ter temperaturni obseg med -5 in 55°C, pri čemer ni dovoljeno nastajanje ledu. Za hladjenje, sušenje in preprečevanje kondenzacije zunanje nadzorne ohišja ta študija uporablja metodo namestitve hladilnikov na strani vrata ohišja.

Glede glavnega električnega vezanja je ključnega pomena, da se zagotovi njegova zanesljivost, ekonomičnost, delovanje in varnost med delovanjem. Za 110 kV električno vezanje enega busbara se pogosto uporablja vezanje po odsekih ali mostu. Vezanje po mostu ima manj preklopnikov in nižje naložbe, vendar je njegova zanesljivost slabša kot vezanje po odsekih, in težavnost kasnejše spremembe in razširitve je večja. Zato ta študija uporablja preklopnike za razdelitev busbara. S to metodo vezanja po odsekih, ko pride do odpada enega odseka busbara, ostali odseki lahko še vedno oskrbujejo z energijo, kar zagotavlja zanesljivo storitev. Vezanje po odsekih enega busbara je precej preprosto, z manjšim številom komponent opreme in ponuja visoko zanesljivost in delovanje. Struktura izboljšane pametne podstanice je prikazana na Sliki 1.

Transformatorji znotraj podstanice, kot ključna oprema, igrajo pomembno vlogo pri zaznavanju stanja. Ob upoštevanju naložbenih stroškov in uporabnih situacij, projektiranje v tej študiji uporablja napravo za spremljanje topilnih plinov v olju in napravo za merjenje tokov zemljenja žarnega jezgra. Prva, ceneh približno 200.000 RMB na komplet, se uporablja za zaznavanje notranje izolacije glavnega transformatorja, druga pa za trenutno zaznavanje tokov zemljenja žarnega jezgra. Oba tehnologija sta dovolj zreli in široko uporabljani.

Pametni glavni transformator združuje primarne in sekundarne naprave, kar mu omogoča zaznavanje stanja in ocenjevanje operativnega stanja. Za lažje vsakodnevno vzdrževanje in nadzor smen ter zmanjšanje obremenitve vzdrževanja je za hladilni sistem glavnega transformatorja izbran sistem naravne cirkulacije olja in zračnega hladjenja.

Hibridna GIS združuje preklopnike, ločilnike in tokometre v eno celoto, kar poenostavi proces rekonstrukcije z zmanjšanjem števila opreme. Poleg tega ima zunanja hibridna GIS manj opreme in flanž, kar poveča zanesljivost in odpornost na korozijo, kar ji omogoča dobro delovanje v ciljnem območju. Imenovana napetost opreme hibridne GIS je 126 kV, imenovani tok pa 2000 A. Vsaka oprema hibridne GIS vključuje senzorje, pametna nadzorna ohišja in naprave za zaznavanje stanja SF₆ plina. Te naprave lahko zaznajo stanje plina in delovanje opreme, omogočajo digitalno merjenje, informacijsko interakcijo in preverjanje stanja visokonapetostnih preklopnikov.

Optimizacija distribucijske opreme in splošne razporeditve

V prvotnem projektiranju pametne podstanice je bila konfiguracija pametnih končnic in nadzorno-zbirnih ohišij hibridne GIS sledila razporeditvi, pri kateri je bilo dodeljenih dva ohišja na vsako celico. Vendar ta pristop povzroča veliko krizanje kabelov, kar ni koristno za vsakodnevno vzdrževanje. Torej se lahko sekundarni krogi pametnih končnic in mehanizmov hibridne GIS združijo. S kombinacijo nadzornih plošč, zaklepajočih krogov, protipadajočih krogov in nezamenljivih krogov v pametno končnico se lahko doseže integrirano oblikovanje.

Optimizacija pametnih nadzornih ohišij vključuje tri vidike: (1) Poenostavitev kroga z nadomestitvijo logike trdne vezave s programsko logiko lokalnih končnic; (2) Omogočanje komunikacije med celicami preko pametnih končnic in tehnologije dogodkovno usmerjenih objektov v podstanici; (3) Uporaba integriranega oblikovanja pametnih končnic in nadzornih krogov preklopnikov za zmanjšanje presežnih funkcij, kot so zaklepajoči krogi tlaka. Poleg teh izboljšav krogov se ohranja razporeditev pametnih končnic znotraj prvotnih nadzorno-zbirnih ohišij, hkrati pa se optimizira povezava med pametnimi nadzorno-zbirnimi ohišji in ustreznimi napravami.

Predlagana shema oblikovanja v tej študiji uporablja modulski predelani model kabine. Razporeditev podstanice mora biti temeljita na naravnih pogoji in inženirskih zahtevah ciljnega območja, in mora imeti prednosti, kot so varnost, zanesljivost, prijaznost do okolja, zaščita pred požari in enostavno delovanje in vzdrževanje. V ciljnem območju so 110 kV distribucijska oprema in glavni transformatorji razpostavljeni od severa proti jugu. Za zagotavljanje prevoznih zahtev je v podstanici nameščen krožni požarni hodnik, pri čemer se namestitev opreme na mestu izvaja z minimalno razporeditvijo. S to razporeditvijo se lahko prihrani 18% površine zemljišča. Splošna razporeditev distribucijske opreme v predlagani shemi je prikazana na Sliki 2.

Glede optimizacije dimenzij distribucije

Predlagana shema v raziskavi razpostavlja opremo hibridne GIS v dva reda, 110 kV distribucijska oprema pa uporablja zunanje aluminij-magnezijevske nosilne cevi busbarje. Standardna razporeditev odsekov tipično vključuje linearno razporeditev mehkih cevi busbarjev na obeh koncih, ki zasede veliko višinskega prostora. Zaradi integracije opreme hibridne GIS je razporeditev bolj kompaktna. V raziskavi je višinska dimenzija odsekov postavljena na 8 m, kar je 2 m krajša od prej. Standardna dolžinska dolžina je 39 m. Za optimizacijo dolžinske dimenzije predlagana shema uporablja integrirano opremo, odstrani strukturo vhodnih linij in spremeni okvir busbarjev, s čimer zmanjša zaseden prostor v dolžinskem smeri. S temi dvema izboljšavama je dolžinska dimenzija v shemi 25,2 m, 13,8 m krajša od standardne dolžine, kar učinkovito zmanjša prostor, zaseden z opremo.

Analiza zmogljivosti in stroškov pametnih predelanih podstanic

Po dokončanju gradnje predelane podstanice je potrebno izvesti ustrezne postopke premikanja, da se zagotovi, da funkcije posameznih naprav ustrezajo zahtevam oblikovanja in omogočajo normalno komunikacijo med napravami in programskim opremo. Poskus beleži in analizira podatke, kot so tok, vrednosti napetosti, aktivna moč, temperatura transformatorja in faktor moči posameznih preklopnikov v predelani podstanici, da se zagotovi stabilno delovanje opreme podstanice. Med njimi so vrednosti temperature transformatorja v različnih časovnih obdobjih prikazane na Sliki 3.

Na Sliki 3(a) se lahko opazi, da so vrednosti temperature faza A, B in C v relativno stabilnem stanju. Temperatura faze B je najvišja, doseže 43,6 °C med 8:31 in 8:32; temperatura faze A se giblje med 42,0 in 43,2 °C; temperatura faze C pa ostaja okoli 42,5 °C. Na Sliki 3(b) je tudi variabilnost vrednosti temperature transformatorja, zbranih popoldne, relativno majhna. Zaradi sprememb v okolju so vrednosti temperature faze A, B in C višje kot jutranje meritve, a še vedno znotraj normalnega temperaturnega obsega. Ob 14:32 je vrednost temperature faze B 44,1 °C, pri čemer so vrednosti temperature faze A in C 42,9 °C in 42,6 °C. Skozi celoten obdobje meritve je najnižja temperatura faze C 42,2 °C, najvišja pa 43,7 °C, medtem ko se temperatura faze A giblje med 42,6 in 43,8 °C.

Analiza podatkov s kraja kaže, da podatki predelane podstanice ustrezajo zahtevam oblikovanja in so v skladu z relevantnimi standardi sprejemanja. Glede gospodarske uporabnosti, na osnovi teorije življenjskega ciklua, poskus analizira in izračuna različne stroške 110 kV distribucijske opreme, ter izbere shemo zračno izoliranih preklopnikov za primerjavo. Rezultati primerjave so prikazani na Sliki 4.

Na Sliki 4 je predhodni investicijski strošek za optimizirano shemo hibridne GIS 2,413 milijona RMB, kar je 0,133 milijona RMB višje od sheme zračno izoliranih preklopnikov. To je predvsem zaradi tega, ker je strošek nabave opreme za shemo hibridne GIS višji od sheme zračno izoliranih preklopnikov, in strošek namestitvenih del je tudi malo višji.

Med fazo delovanja in vzdrževanja je potreben ud delež stroškov relativno majhen. Ker je optimizirana shema hibridne GIS brezoperativna podstanica, je potrebno samo malo rednih ročnih pregledov, kar zmanjša dnevne stroške vzdrževanja. Torej so stroški delovanja in vzdrževanja zelo nižji od sheme zračno izoliranih preklopnikov.

Letni verjetnost odpada za optimizirano shemo hibridne GIS je značilno znižana, kar je povzročilo značilno zmanjšanje stroškov vzdrževanja. Poleg tega je njegov strošek demontaže le 89% stroška sheme zračno izoliranih preklopnikov. Ob upoštevanju vseh dejavnikov je sedanjostna vrednost življenjskega ciklua optimizirane sheme hibridne GIS 0,549 milijona RMB nižja od sheme zračno izoliranih preklopnikov. Dodatno, shema 110 kV GIS pametne podstanice je boljša od tradicionalne sheme zračno izoliranih preklopnikov.

Zaključek

Za ohranjanje urbanih zemljišč, skrajšanje časa gradnje in izboljšanje gospodarske učinkovitosti in zanesljivosti predelanih podstanic, ta raziskava predlaga shemo zunanje hibridne GIS, ki združuje preklopnike in ločilnike. S poenostavitvijo kroga in uporabo vezanja po odsekih enega busbara ter optimizacijo splošne razporeditve se zmanjša število odpadov in stroški vzdrževanja.

Rezultati testov kažejo, da med zbiranjem temperature transformatorja so vrednosti temperature faze A, B in C v relativno stabilnem stanju. Jutro so vrednosti temperature faze A med 42,0 in 43,2 °C, medtem ko temperatura faze C ostaja okoli 42,5 °C. Popoldne pa je temperatura faze C med najnižjo vrednostjo 42,2 °C in najvišjo vrednostjo 43,7 °C, medtem ko se temperatura faze A giblje med 42,6 in 43,8 °C. Podatki predelane podstanice ustrezajo zahtevam oblikovanja in so v skladu z relevantnimi standardi sprejemanja.

V analizi življenjskega ciklua je, čeprav predhodni investicijski strošek optimizirane sheme hibridne GIS 2,413 milijona RMB, 0,133 milijona RMB višji od sheme zračno izoliranih preklopnikov, optimizirana shema hibridne GIS zahteva le majhno količino rednih ročnih pregledov. To zmanjša dnevne stroške vzdrževanja, kar pomeni, da so stroški delovanja in vzdrževanja zelo nižji od sheme zračno izoliranih preklopnikov, in značilno zmanjša stroške vzdrževanja. Izračuni kažejo, da je sedanjostna vrednost življenjskega ciklua optimizirane sheme hibridne GIS 0,549 milijona RMB nižja od sheme zračno izoliranih preklopnikov, kar kaže, da je optimizirana shema 110 kV GIS pametne podstanice boljša od tradicionalne sheme zračno izoliranih preklopnikov.

Vendar ta raziskava analizira in optimizira le osnovno oblikovanje podstanic. V prihodnosti bo potrebno izvesti bolj celovito pametno oblikovanje sekundarnih podstanic, ki bo upoštevalo komunikacijo in gradnjo zemljišč.