智能箱变的发展分析

智能箱变的发展分析

潘海洋

上海华为技术有限公司

摘要：预装式变电站（俗称“箱变”、“箱式变电站”，下文中统一称“箱变”）是一种预装的并经过型式试验的成套设备，它包括外壳、低压开关设备和控制设备、电力变压器、高压开关和控制设备、高压和低压内部连接线以及辅助设备和回路。在实际应用过程中具有环境适应性强、占地面积小、施工简便等优势。箱变因其自身具备易深入负荷中心的优点，使其应用场景及覆盖面逐步扩大，除了传统配电市场外，当前已逐渐使用到更多的新兴产业中，如光伏电站、风力电站等新能源市场。本文以箱变在地面光伏电站中的应用现状为切入点，分析地面光伏电站用箱变发展的现状，提出当前箱变发展中的一些问题，并给出箱变发展演进的几个要点，以供参考。

关键词：箱变；模块化；数字化；智能化；

前言：目前箱变已成为变电站的发展趋势，相较于传统变电站而言，箱变体积小、布局灵活、运维方便、操作简单、施工容易。箱变被广泛应用在复杂多样的环境中，如城市中对空间限制要求较高的负荷中心：商场、医院、地铁、航站楼、写字楼等，环境污染比较严重的工矿建设领域如建设工地临时用电、石油管线、矿山等，以及恶劣环境如海上平台、咸水湖、高海拔地区、高寒地区、高温地区等。受技术、成本、经济等因素影响，国内箱变在技术发展上尚有提升空间，在开发推广中依然存在较多难题亟待解决。

一、箱变发展背景

随着我国社会经济发展日益增加的用电需求，城乡电网负荷需求也逐年增加，不时有限电拉闸现象发生，同时绿色环保、节能减排已成为社会共识，为保障电力资源的合理分配和实现可持续发展的愿望，中国提出了“3060”计划，即要在2030年实现“碳达峰”，2060年实现“碳中和”，源侧坚定发展绿色能源、荷侧坚持节能减排。在这样的背景下，新能源行业发展迎来了有史以来最好的历史机遇，特别是光伏发电这种绿色能源，将逐步取代传统化石能源，成为社会主力电源。这些也为箱变在光伏电站的发展提供了很好的机会，同时光伏电站的特殊环境也给传统箱变带来了新的挑战。

当前自动化生产装备种类很多，但适用于制造箱变的却较少。这里既有箱变产品自身特性多，定制多有关。也与自动化生产装备企业在传统电力设备制造业上的关注不足有关。由于箱变行业没有一个标准尺寸、标准方案，导致各箱变生产企业的生产的箱变五花八门，难以形成一个标准化的自动化流水线。

二、箱变发展历史

箱变雏形始于20世纪六七十年代欧美等西方发达国家研发的一种户外成套变电站的新型变配电设备，由于它具有组合灵活，便于运输、迁址，安装方便，施工周期短，运行费用低，无污染免维护等优点，受到各国电力工作者重视，在发达国家的配电领域中占有较重要的地位，是变电站设计方向的重大改革。

国内箱式变电站主要由国外引进。现阶段我国市场上主要的箱变有美变、欧变、华变三种形式。这些箱变大部分采用油浸式变压器作为核心部件，以减小箱变体积，同等容量下，箱变体积仅相当于传统变电站体积的1/3左右。无论是哪一类箱变，均是由四大部分组成：变压器、低压开关、中压开关、壳体与辅助设备。三者中美式箱变体积最小，原因是美式箱变将中压开关集成在变压器油箱内，美变的中压侧一般采用负荷开关+熔断器进行保护，并将中压开关置于变压器油内，虽然这在一定程度上减小了箱变尺寸，但由于高压熔丝容量及体积的限制，目前美变的容量一般都比较小。这也限制了其在大型光伏地面电站的推广和使用。欧变由于其模块化的设计理念，将中压开关从变压器中独立出来，使得欧变在配置上更灵活更容易更换及维护，箱变容量更大，在大型地面光伏电站中已被广泛使用。华变是基于传统美变基础上优化而来，其将内置于变压器油箱内的高压负荷开关移出变压器，单独设置成空气绝缘型高压负荷开关+熔断器组合，提供对变压器的保护，虽然方便了维护，但华变的容量并没有得到太多的提升；改进型华变采用固封型真空断路器对变压器进行保护。但由于华变将中压开关暴露于空气中，导致其在环境适应性上大打折扣。当前用于光伏电站的箱变大多使用的是欧变，这与其优秀的可靠性密不可分。

三、箱变发展现状

由于光伏电站中配套使用的箱变多数为欧变，下文以典型欧变为例，来说明当前箱变的发展现状。欧变一般按照“目”字形或者“品”字形进行布局，变压器居中，两侧分别是高低压开关，或者品字形的头部安装变压器，底部安装高低压开关柜，再在外部罩上外壳，形成一个整体。

箱变的壳体一般分为金属材质和非金属材质。金属材质壳体一般采用敷铝锌板、不锈钢板、冷轧钢板等常用板材，加工方便，尺寸灵活多样。加上有效的表面处理如静电环氧粉末喷涂、喷漆等措施，使得箱变具备较高的防腐能力，可靠地用于环境恶劣的户外场所。非金属材质壳体包括水泥、复合板、GRC、SMC等，这类箱变往往具有更强的耐腐蚀能力，外观与周边环境更协调，易做成景观式箱变。但水泥箱变、GRC箱变外壳重量大，不利于运输，SMC、复合板加工难度大，不利于大批量生产和自动化生产。上述箱变如考虑诸如高温高湿、高寒、海运等场景下将暴露出其更多的不足，如使用冷轧钢板外壳的箱变在诸如越南、马来西亚等高温高湿环境中，将很难保证有足够的防腐蚀能力。

箱变中的核心部件变压器，在容量较大且箱变体积受限的情况下优选油浸式变压器，配置上合适的保护装置如瓦斯继电器、压力释放阀、油位计、油温表、绕组温度计等，将使得变压器可靠安全运行，但在容量较小的箱变中，使用成本更低的干变不失为一种更好的选择，同时可以避免漏油、起火等风险。

箱变中的高压开关柜，如在尺寸受限时优选可靠性更高体积更小的充气式开关设备，一般情况下可用高压熔断器+负荷开关对变压器进行保护，或者采用断路器+继保方案实现对变压器的保护。一般情况下，光伏电站的中压线缆采用直埋电缆，方案成本相比架空线更低，且不会对光伏板造成影响。这种情况下如采用断路器，是无需使用自动重合功能的断路器的。箱变中的低压柜配置传统的方案为采用低压断路器方案，也有不少客户尝试使用熔断器方案来做低压保护。

箱变作为光伏电站中连接逆变器和中压电网的重要部件，容量也是越来越大，一旦箱变因自身故障而脱网，将会使用户损失较大的发电量，可靠性对光伏电站用箱变来说是一个重要需求。

四、光伏用箱变需求分析及发展对策

1.模块化设计

传统箱变体积较大，运输及安装不够便捷，在设备出现故障时，不能及时修复，严重影响客户正常生产。光伏电站用箱变在设计时应及早布局并做长远规划，版本演进时需要向前兼容，并融入模块化设计理念，保证新产品可无缝衔接老设备。一般情况下，箱变行业属性决定其定制多，很难进行归一化设计。但这并不影响我们对箱变发展方向的探讨。从系统层面来看，随着光伏电站容量越做越大，要求我们箱变的容量也越来越大，如何在原产品尺寸不变的情况下，进行容量提升，需要箱变开发者在路标规划和版本演进规划时，能有前瞻性的考量，确保箱变整机作为光伏电站的“模块化”一环，箱变整体布局应与前期版本一致、尺寸一致、重量不应超过常规道路运输限制、系统架构应保持至少2~3代不变、特性向前兼容。箱变下层物料的“模块化”设计要求，具体来说，变压器的容量提升不应影响整机布局，至少不能对整机有较大冲击，中低压开关设备应尽可能与前期版本保持一致。模块化的前提是定义接口及功能解耦。如前后两代箱变如何保证不因版本升级导致低压开关柜变化，可以在系统架构设计时，约定好变压器和低压柜的接口位置、尺寸、规格，低压柜侧在变压器容量提升的时候具备自身扩容的空间。同样中压柜也应在早期版本开发时预留足够的升级余量。模块化的另一前提是部件兼容性设计，同一功能部件应至少确保不少于2~3个品牌器件兼容性设计，实现部件级的模块化设计。此外客户现场箱变整机和下层物料做备件，将大大提供设备的可用度，降低客户的损失，而实现这些的前提就是箱变模块化、部件模块化。另外箱变定制需求多也是模块化设计的阻碍，这个需要我们的箱变开发者在定义产品时能充分考虑箱变的可选特性，提前进行功能解耦和模块化分割，实现同一平台模块化加装或卸载部件，实现客户定制化需求的落地。销售策略上也可以进行适当的套餐式销售，以减少市场点状且分散的定制需求对箱变整体规划的影响。

2.数字化设计

传统箱变设计生产还是以传统一二次设备作为部件进行功能整合，缺少升级优化的空间，这在一定程度上限制了箱变的发展，箱变发展受限于部件的功能迭代发展。比如，传统箱变中将箱变测控装置作为整个箱变的三遥核心器件，将各舱室各部件的信号汇总到箱变测控上，这种架构带来几个不利影响。一、分散在箱变各角落的传感器、动作器件均需要布很长的线缆到箱变测控装置，这里难免需要跨舱室，甚至跨越变压器区域，这导致部分弱电信号线缆和低电压控制回路受强磁环境干扰而出现信号漂移、开关误动等故障。二、分散的各器件缺少协同设计，部分器件在功能上存在重叠，如箱变低压室、中压室等多处内环境需要进行温湿度监控，此时需要在箱变系统层面进行布置温湿度控制器和传感器，进行相关信息的收集，但箱变的下层部件如环网柜、低压柜内因需要对加热板等器件进行控制也需要安装温湿度控制器及传感器，在一定程度上与箱变系统层级的温湿度控制器及传感器有功能重叠，器件浪费的现象。再举个例子，对低压母线电压电流的监控，一般箱变生产商会要求在低压柜内安装使用电压表、电流表或者多功能表，用于客户现场直接查看低压柜电气参数，然而目前来说箱变测控一般也会配置有各电气参量的监视功能。三、使用很多中间继电器。因分散布局的各器件缺少统一协调规划，导致部分设计双参数控制或一对多联动需求时，需要借助中间继电器进行功能实现，如箱变内需要同时检测低压室超温且温控系统故障时进行所有低压侧ACB跳闸，则必须借助多个中间继电器进行多输入信号的逻辑运算，且在执行端使用中间继电器将信号分发给不同执行器件。典型的传统箱变控
制架构见下图。

图1 典型的传统箱变控制架构

在分析了上述传统控制策略后，笔者认为箱变控制和辅助回路的架构中应尽快加入数字化、智能化思路，比如采用分布式测控方案，将不同舱室内模拟信息、状态信息就地接收并转化成数字信息，通过网线或者485线缆传递给主控制器，这样不但可以减少跨舱室线缆，还避免了信号线缆跨越高压区带来的信号干扰问题，同时使用下沉布局的分布式测控替代传统的箱变控制策略中的大量中间继电器，如下图所示。

图2
数字化箱变控制架构

相比于传统箱变大量使用电气元器件和线缆进行强电侧的逻辑运算，数字化后的箱变，大大减少了对硬件资源（线缆、中间继电器、端子等）的需求，根据案例测算，在采用数字化控制架构后，箱变的二次控制及辅助回路线缆使用量减少了60%左右。数字化硬件的加入使得箱变在实现智能控制方面有了必要的基础。

3.智能化设计

传统箱变中一般使用的智能化装置包括箱变测控、DTU，这些装置可以一般可以实现保护测控一体化，部分设备还可以兼容通讯功能。但这些传统的测控手段距离智能化还有很大差距，原因在于箱变供应商与测控供应商在系统设计层面缺乏深入的合作和融合。比如目前市场上绝大部分测控装置都是只能进行简单的单故障源或信号源进行采样计算并给出相应的响应，而从智能化箱变设计角度来看，箱变内同时发生多故障源信号输入时，应执行什么样的动作是需要箱变厂商和测控厂商进行深度融合才能开发出来的。举个例子，传统箱变对低压柜的温控系统一般是，使用风扇连接到温湿度控制上，根据温湿度传感器采集到的信号进行风扇的启停控制，此时温湿度控制器故障可以发告警信号给测控，但风扇故障却不能将故障告警信号上传给测控。而解决上述问题的智能化设计思路是，将温湿度传感器信号直接上传至测控，并由测控装置对风扇进行控制、调速、监控，将传感器、执行器件直接与测控对接，减少中间器件（如温湿度控制器、数显电流表、数显电压表等），将传统测控架构进行优化，扁平管理下层设备，在此基础上进行逻辑设计，即可以对单点故障进行响应，也可以对多点故障进行逻辑判断后响应。且扁平化的拓扑架构，在硬件成本上更低，在功能上可以做到更智能，笔者认为如下这些功能皆是可以直接被测控装置功能替代并进行智能化控制的：1.测控直接连接电流互感器，进行电流测量和保护，功能上替代数显电流表；2.测控直接采集低压柜母线电压，取消传统箱变低压柜内的电压互感器和数显电压表；3.采集到的电气参数，在测控内部运算，输出各种计算参数，如功率、功率因数、频率、谐波，利用采集到的相关电气参量进行过流、短路、过欠压、过欠频等故障的检测、保护、告警；4.接入温度传感器信号或PT100/PT1000信号并连接可调速风扇，实现对箱变内部温度进行合理控制，并结合输入信息和执行期间反馈信息进行多源故障场景识别和告警，并且可以在后台给客户提供准确的故障定位及修复意见，以实现智能化运维。5.由于测控直连执行器件而没有中间器件（如中间继电器），在硬件成本上会更优，响应上会更灵活。6.将更多的电力电子器件引入箱变中，取代传统电气元器件，如传统箱变中多是使用辅助干变对箱变控制和辅助回路进行供电，辅以CT、数显多功能表，实现对二次回路如电压、电流、功率、电度等电气参数的采集，针对这些所有的器件完全可以使用具有测量显示功能的电源模块来实现，硬件零部件数量减少，成本更低，同时由于减少了电气元器件数量，使箱变整体可靠性得以提高。上述这些仅是智能化设计思路在箱变优化设计上优势的冰山一角，箱变智能化设计思路也可以渗透到光伏电站系统层面，比如变压器油面超温后通过测控进行输入源（一般为逆变器）降功率运行，从而保证系统的正常运行而不是直接跳闸，以减少客户的发电损失。

总结：当前我国箱变在智能化、数字化方面，经验积累不足，相应的配套设备也不完善。随着客户对箱变要求越来越严格，降本增效提高竞争力将是所有箱变设计厂商的必然发展趋势，如何在减少硬件的同时还能发挥更大的作用，势必要求我们重新审视箱变当前简单粗暴的堆料模式和偏重硬件的观念，目前箱变行业从业者存在的惯性思维是：可靠性方面机械>电气>软件。这个错误的观念在芯片技术快速发展至现如今非常成熟的情况下，国家大力提供电气化的背景下，应尽早纠正过来。因此为充分发挥出智能化箱变的应用优势，还需要加大智能化箱变的研发投入力度，积极引进更为先进的设计理念，确保开发设计出的箱式变电站产品更智能，成本更低，运维更方便。

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