某110KV变电站设计论文.doc

'某110KV变电站设计论文毕业设计任务书题　目某110kv变电站设计学生姓名高会娟学号20083206班级0801-3专业电气工程及其自动化承担指导任务单位电气与电子工程学院导师姓名韩兵欣导师职称教授一、主要内容：110kv变电站设计，主要包括变电站的选址、变电站主要部分的电气设计。二、基本要求：1.了解变电站在电力系统中的作用；2.掌握变电站的基本设计流程；3.掌握变电站各个电气设备的工作原理及其在电力系统中的作用；4.会选择变电站的基本电气设备；5.掌握变电站的运行情况，会分析其基本刀闸操作过程。三、主要指标：根据变电站设计国家标准及各种工程规范进行设计。四、应收集的资料：变电站在电力网的地位；变电站的供电电源；变电站供应地区的负荷情况；变电站所在地区的天气情况及地质条件。五、课题进度计划：1~2周：查找资料，熟悉所做的课题，完成毕业设计任务书及开题报告。3~7周：完成变电站一次部分的设计。8~12周：完成变电站避雷及接地系统部分的设计。13~16周：绘制图纸，并撰写毕业设计说明书。教研室主任签字时　间　　年　月日 毕业设计开题报告题　目某110kv变电站设计学生姓名高会娟学号20083206班级0801-3专业电气工程及其自动化 一、研究背景经济发展，电力先行。电力是国民经济各个部门发展的主要动力，电力工业成为国民经济中的主要行业，完成为全国提供优质可靠的电能的任务。经济的发展表现在用电负荷的不断增长上，随着经济发展，我国电网不断延伸，电网结构不断完善，电网规模不断扩大。而电网的互联及完成向用户供电主要是通过变电站完成的。变电站是对电压进行变换以及对电能集中和分配的场所。变电站的主要电气设备为变压器，为了对变压器进行保护增设了各种开关电器。变电站设计就是要根据相关规程规范和国标要求并考虑负荷及其未来发展规划，选择各种电气设备并对其进行布置，做出平面图、断面图，使变电所的施工、运行、检修能够顺利进行。二、变电站发展现状随着经济的发展，人们对电能质量要求越来越高。提供安全、可靠、优质、经济的电能成为全世界电力人不断追求的目标。由于计算机技术的不断发展，目前电力变电站正在向数字变电站、智能变电站发展，利用现代传感技术和先进通信技术，通过变电站数据全息共享，实现变电站继电保护、故障录波、测量、控制、计量和监视等功能。并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能。随着经济技术的进一步发展，必将会出现可靠性、技术性、经济性更优的电力技术为社会提供更优质的电能。三、研究方法为了满足电力负荷的增长，根据具体电网条件可能采取两种措施：一是增加变电所数量，并按变电所分布情况确定网络结构，用网络优化法对各种方案进行技术经济比较，选取最优方案。二是不改变原有高压电网结构，而扩大原有变电所和配电线即所谓的增容方式。本地区南部电网薄弱，为坚强、完善本地区电网结构，并考虑未来经济发展规划，本地区采取新建变电所的方案为南部地区供电。四、应收集的资料当地地理情况，包括温度、湿度、降水、日照、地势、空气污染程度等以确定电气设备的型式。当地负荷情况、包括负荷类型、负荷分布、负荷用电历史等，以确定变电站的地址及容量。当地电网情况，电源情况、电网连接情况等以确定变电站接入系统的方式，考虑系统的稳定性。 该地区面积12439平方公里，人口710.4114万。现有220kv变电站9座，110kv变电站39座，变电总容量383万千伏安。近几年在政府招商引资，集中精力利用本地区优势发展特色经济的带领下，南部原先荒芜的地区被利用了起来，新建了太阳能、电动汽车等新型储能电池生产基地、生物技术医药及医疗器械制造、矿山工程装备制造等企业，逐步形成南部经济开发区，带动了当地经济的发展。当地经济的发展使当地的用电负荷迅速增长，而现有变压器容量已远远不能满足当地经济的发展，为满足当地的用电需求，要求供电公司解决当地供电问题。首先，查找了本地区的电网地理接线图，如下： 五、解决方案•根据当地的电网结构及电源情况，拟在本地建设110kv变电站为南部地区供电。•调查当地的负荷情况并考虑5-10年的发展规划，本变电站选择50MVA变压器两台。•110kv电源进线从220kv变电站取得，110kv侧采用内桥接线，户外配电装置。10kv侧采用单母线分段接线，户内配电装置，10kv侧出线6回。•其电气主接线概况如下：•其中110kv侧采用内桥接线，其特点是连接断路器接在线路断路器的内侧，线路的投切比较方便。当线路发生故障时，仅线路断路器断开，不影响其他回路运行，但当变压器发生故障时，与该台变压器相连的两台断路器都断开，从而影响了其他未发生故障线路的运行。但变压器故障较少，一般不经常切换，因此内桥接线在变电所中应用较多。•10kv侧采用单母线分段接线，当一段母线发生故障时，分段断路器将故障切除，保证正常母线不间断的供电，保证了供电的可靠性。指导教师签字时间　　年　月日 摘要在配电系统规划中,变电站的增容方式是解决负荷增长常采用的方法，它有助于利用现有电气设备完成供电任务，节省电力投资，缩短建设周期。但是由于受到电网结构、变压器容量等因素的限制，增容方式并不适用于所有的网络。本文提出了新建变电站解决负荷增长需求的方法。经过对当地实地情况的调查并考虑电力系统建设的要求，进行了变电站的选址、负荷预测及变电站接入系统方式和电气主接线的分析和讨论；建立了电力系统的数学模型进行了短路电流计算，并据此选择了变电站的一次设备；最后，绘制出了电气主接线图并列出了电气设备清单，为进一步进行施工图设计打好了基础。为保证电力系统安全运行，减少不必要的损失，需对变电站的防雷及接地进行设计。本变电站采用架构式避雷针进行直击雷防护，用避雷器进行过电压侵入波的防护。为满足工作安全和防雷保护的接地要求，变电站采用敷设接地网的形式进行接地设计，站内需要接地的电气设备均通过金属接地线与变电站的接地网连接，实现接地保护。关键词：负荷增长变电站电气主接线一次设备 AbstractDistributionsystemplanningisessentialtoassurethatthegrowingdemandforelectricitycanbesatisfiedbyincreasingthecapacityofthesubstationswhichcanbothreducethecapitalinvestmentoftheelectricpowersystemandshortentheconstructionperiods.Butthismethoddoesnotalwaysfitforallsortsofnetworksundertheconstrationsofnetworkconfigurationandthecapacityofthetransformer.Inthispaper,anewmethodisproposedtomeetthegrowingelectricitydemand,familiarlyknownasconstructinganewsubstation.Thelocationofthesubstationandtheforecastoftheloadmagnitudeandthewaythesubstationconnectedtothepowersystemarediscussedinthispaperundertheconsiderationoftherequirementsofthepowersystemandtheconditionsofthelocalareas.Amathematicmodalisestablishedwhicharetheaccordanceoftheshortcircuitcalculationandtheselectionoftheelectricpowerdevices.Finally,afigureshowedtheconnectionsbetweenthedevicesinthesubstationandalistofthedevicesaregiven,sothatthenextstageofthesubstationdesigncangoonsmoothly.Thesubatationusesframetypelightningarrestertoavoidthelightningstrikeandthelightningarrestertoavoidovervotageintrudedwaves.Inordertoensurethesafteyandsatisfythegroundingrequirmentsofthelightningprotection,thesubstationlaysthegroundinggridtomakethegroundingdesign.thedeviceneededgrounding,useametalwiretobeconnectedtothegroundinggrid.Keywords:growingloaddemandanewsubstationconnectionsofthedevicestheelectricpowerdevices 石家庄铁道大学毕业设计第1章绪论1.1课题研究的目的意义电能是国民经济发展的动力主要来源,也是人们日常生活不可或缺的能源,工业生产中机器的旋转是由电能驱动的电动机带动的,农业生产中灌溉是由电能带动水泵来实现的,医疗器械的很大部分是由电能驱动的,日常生活中的照明,电视娱乐,甚至饮食起居都与电能息息相关,可以说如果没有电,社会将无法正常运转.电能是由一次能源转化而来的,由发电机、升压变电站、输电线路、降压变电站、用电设备构成的电力系统完成了将电能传输到用户的任务，再在用户处通过用电设备将电能转换成机械能、热能、光能等其它形式的能量。由于受到电源结构及经济发展情况的限制，还考虑到交通运输的瓶颈，我国主要采用在资源丰富地区集中发电，然后远距离输送到用电地区的输电形式来满足经济发展对电能的需要。由于受到绝缘水平和制造工艺的限制，发电机端发出的电压仅为20-30kv，由s=ui可知当传输功率一定时，电压越低，电流越大，传输过程中的电能损耗就越大，这样到远距离的输电线路末端，电压将可能不能满足用户的要求，因此，为了降低电能损耗，提高末端电压，必须将电压升高，再进行电力传输。因此，在发电机发出电后，须经升压变电站将电压升高，再进行远距离传输。由于高压操作维护较困难，且考虑到用户安全，到达用电地区后再经降压变电站将电压降低到供用户使用的电压，因此，变电站在电能的传输过程中具有不可替代的作用。变电站的设计是电网规划的重要内容。变电站的位置、变电站与系统的连接方式、变电站的容量、变电站的主接线形式等因素将影响电网结构及电网建设经济性乃至影响电力系统运行的稳定性。因此变电站设计需综合考虑各方面的因素，慎重进行。1.2国内外研究现状1.2.1变电站规划设计研究现状变电站的规划设计主要包括变电站个数及容量的确定、变电站之间的连接方式及供电范围的确定等以建立优化的网络结构。随着计算机技术的发展相继出现了基于各种计算机算法的规划方法，例如基于启发式算法的电网规划、蚁群算法在电网规划中的应用等等，这些方法的出现使电网规划更加省时、有效。69 石家庄铁道大学毕业设计1.2.2变电站一次及二次设备的发展1.2.2.1变电站一次设备的发展由电力系统传输来的电能经隔离开关、断路器、然后经过变压器进行电压变换，将电能传输到汇流母线再进行电能的分配。这些对电能进行传输和变换的设备称为电力系统的一次设备。一次设备的主要特点是高电压，它的发展主要表现在绝缘水平和灭弧能力的提高，以提高电力系统的运行水平；以及在故障情况下切断故障的能力，以提高电能质量。以断路器为例，先后出现了磁吹断路器、空气断路器、油断路器、真空断路器、六氟化硫断路器。绝缘技术及断流技术的发展使变压器的容量也得以不断扩大，从而促进了大规模电力系统的形成。1.2.2.2变电站二次的发展电力系统的安全稳定运行，除了一次设备外，还需要对一次设备进行保护、监视、测量控制等的装置设备，以确保供电质量，减少停电带来的损失。这些对一次设备进行保护、监视、测量、控制的设备称为变电站的二次设备，由二次设备组成的系统称为继电保护系统。传统的变电站继电保护系统由互感器的二次侧通过控制电缆连接到控制室内，再引接到相应控制屏的继电器上，工作人员通过对控制屏的操作实现对开关设备的控制。目前，随着计算机技术的发展，变电站的二次系统正在向数字化、智能化发展。一次设备的信息通过互感器的二次侧经过模拟量输入通道(由电压变换器、滤波器、采样保持器、A/D转换器、多路转换开关组成)传到控制室内的计算机上，通过计算机对一次设备的状态进行监视、测量、控制，并且能通过计算机进行实现系统间的通信，使运行人员能够掌握整个电力系统的运行状态，使整个电力系统能经济运行。智能变电站通过加装智能元件，从而使一次与二次，变电站与变电站之间的通信更加智能化，是电力系统的运行的可控性进一步加强。1.3电力系统发展阶段的研究1.3.1电力工业的形成人类对电的认识是从自然界中的雷电开始的，从摩擦起电到富兰克林的风筝实验，人们认识到它们来自电荷、定义导体与69 石家庄铁道大学毕业设计绝缘体、发现同性相斥异性相吸、发明莱顿瓶、避雷针的提出等重要的发明相继出现，人们在电的世界里不断探索。磁在我国古代最早应用于指南针，从磁石到司南、指南鱼、指北龟，人们认识到地球的磁性，磁极是成对出现的、发现了地球的水平倾角、电流的磁效应等重要的现象陆续被人们发现，人们对磁的认识越来越深。1820年奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第在前人的基础上经过一系列的实验发现由电磁作用能产生不间断的机械运动，为电动机的发展开辟了道路。1831年法拉第在经过了多次的实验与观察思考后提出了著名的电磁感应定律：一个线圈中感生的感应电流，其大小与单位时间中线圈所切割的磁力线多少成正比，与线圈电阻成反比。定律中提出割切磁力线的概念，清楚的说明了不论移动磁铁或是移动线圈或是通断另一个线圈中的电流，只要磁力线与线圈有相对运动而造成割切磁力线，就能看到电磁感应现象。为发电机的发明做了理论铺垫。并于同一年由法拉第发明了世界上第一台直流发电机。在电磁感应原理基础上产生的交流电，1876年在电力照明领域得到广泛应用。乌萨根利用交流电的优点，利用感应线圈改变了供电电压，并于1882年在莫斯科全俄展览会上展出了升压变压器及降压变压器。电机的进步及交流电的应用，使工业生产的动力来源问题得到解决，只要有人集中建造发电厂，再用导线就可以将电能输送到各个工厂及千家万户，对每个用户来说只要具备电动机就成为动力来源了。这无疑为工业的迅速发展创造了条件，加速了电气化时代的到来。1875年，法国巴黎建成世界上第一座火力发电厂，标志着世界电力时代的到来。与世界有电的历史几乎同步，1879年，中国上海公共租界点亮了第一盏电灯，随后1882年在上海创办了中国第一家公用电业公司——上海电气公司。从此中国翻开了电力工业的第一页。1891年，德国劳芬电厂建设世界上第一台三相交流发电机，并通过第一条13.8kv输电线将电力输送到远方用电地区，使电力既用于照明又用于电力拖动，开创了大功率远距离输电的历史。电力的广泛应用，电力需求的不断增加，推动电力技术不断发展。1.3.1.1发电厂的建设与电力传输美国在1879年在旧金山建成实验电厂向用户出售电能，我国也在这一年于上海建成了一台7.5kw电机的电厂，主要是供用户照明使用，英国霍尔本电厂、俄国彼得堡电厂先后建成。从发电厂向用户输送电能的问题，早在1873年法国佛泰因在维也纳国际博览会上用燃气发动机带动发电机，输电到一千米以外的电动机，成功的驱动了一台水泵。187469 石家庄铁道大学毕业设计年俄国的皮罗茨基进行了直流输电的实验，并申请了专利。1876年俄国雅布罗契柯夫用交流向路灯输电并采用开磁路的最早的变压器。1880年在俄国《电》杂志中拉契诺夫提出：当输电距离加长或传输的电能增加时必须升高电压。1882年他在法国建造了57千米的输电线，将密士巴赫水电站的电能输送到巴黎博览会，功率约为3马力，始端电压为1413v，终端电压为850v，所用导线粗达4.5mm，线路损失高达总能量的78%。1885年他又建成自瓦利尔到巴黎的输电线，距离为56km，这次将始端电压提高到6000v，线路损失降低到总能量的55%，因为采用的是直流电继续提高电压是很困难的，现在看来这个输电效率是太低了，但是能够远距离传输电能在当时已经是一个突破了。由于交流电可以用变压器很方便的提高或降低电压，同时交流电机制造方便、成本低廉，不会产生换向故障等优点，交流电得到广泛应用。1886年美国开始建造交流发电厂，功率为6kw，用单相供电，欧洲又陆续建成一些发电厂。1888年多里沃—多布罗夫斯基创立三相制，在1991年建成由法国劳芬水电厂至德国法兰克福的三相交流高压输电线路。在始端采用390/15200v的升压变压器，在终端建有两座变电所将电压降低。输电效率已达到80%以上，经济效益比较显著，此后的交流输电大都采用三相制了。美国1882年仅有发电厂3座，至1902年电厂数目已达3621座，发展十分迅速。欧洲各国兴办电厂数目也迅速增加，电力工业已经成为重要的产业部门了。随着发电厂的建立，需要有通断大电流、耐受高电压的开关电器，20年代最简单的开关是金属棒与盛有水银的容器。接通时就将金属棒插入水银中，断开时将棒提起。这种开关比较笨重，价钱也很贵，使用时要操作几次才能保证接触良好，这迫使人们寻求更好的开关。除了在接通后开关触点要接触良好外，随着功率和电流的增大，开关断开时产生的火花就成为电弧了。电弧的高温可以使触点烧坏，甚至熔化，造成伤人或火灾。因此必须设法使电弧及早熄灭，使电路的分断成功。1893年多里沃—多布罗夫斯基设计成自动开关，这个开关具有过载时自动切断保护发电机的作用。1897年英国工程师布朗取得羊角形出头的断路器专利。1895年英国费朗梯取得油断路器专利。电力传输技术的发展，表现在电压等级的不断提高。因为输电线传送电能的容量、距离和效率都与电压的等级有密切的关系。1906年发明了悬链式绝缘子，它比针柱式绝缘子耐受的电压可以提高很多倍，而且机械强度也大为增加，可以承受更粗重的导线。分裂导线的发明使高压导线上的电晕损失减少。高压断路器出现多种类型，特别是灭弧技术不断改进。早期的自然熄弧发展为磁吹、油吹、高压空气吹弧等多种方法，增强了断路器的分断能力，人们又研制了六氟化硫气体密封式高压电器及输电管道。69 石家庄铁道大学毕业设计这些技术使高压及超高压的大功率远程输电线路陆续实现[1]。1908年美国开始出现110kv输电线路，到1922年又建成150kv线路，1923年再将输电电压提高到220kv，随后欧洲许多国家也都建成220kv线路。1936年美国建成287kv输电线。1959年苏联建成500kv输电线。我国在70年代建成了西北的330kv线路，80年代建成了东北、华中、华北的500kv输电线，并形成了近十个大型电力系统[2]。1.3.1.2电力系统的形成早期向电力负荷供电采用单台发电机供电的方式，从发电厂发出的电力直接经过架设输送和分配电力的线路到用户。如果用户离发电厂较远，就需要通过升压变电站的升压变压器才能输送过去。到了用户附近时在经过降压变电站的降压变压器把电压降到用户合适的电压供用户使用。这种由单台发电机供电的方式，由于用户的用电随着季节、日月、昼夜而不同。高峰时的负荷与平均数相差很大，发电机大了成本太高，轻载时效率又太低。另外，雷电的发生、设备故障以及开关操作引起的过电压都会引起用户用电的中断。为了克服上述缺点，我们把发电厂通过电力线路连接起来(如果各个发电厂机组发出的电压等级不同，则还需要通过变压器变成同一电压等级才能连接)，从而组成电力系统。目前，全国出现区域电网互联的趋势，可以产生更显著的经济效益：(1)更经济合理的开发一次能源，优化电能资源配置，实现水、火电资源的优势互补。电网互联可在煤炭丰富的矿区建立超临界、超超临界汽轮机组，高效率、低成本的大型水电厂，充分发挥水电和火电在电力系统中的互补作用。(2)降低互联的各电网总的高峰用电负荷，提高提高发电机组的利用率。减少总的装机容量。由于各区域电网的用电构成、负荷特性、电力消费习惯存在一定差异，各电网的年负荷曲线、周负荷曲线和日负荷曲线将不同，使得各电网高峰用电负荷可能不出现在同一时间，相互错开。这样互联电网总的日高峰负荷、周高峰负荷和年高峰负荷不是各电网高峰负荷的线性相加，使得互联电网总的高峰负荷比各电网高峰负荷之和低，互联电网总的日负荷曲线、周负荷曲线、年负荷曲线与各被互联电网的相应负荷曲线相比，峰谷差减少。因此，在整个电网同样运行容量的条件下，可向用户提供更多的电力，从而提高发电机组的利用率。换句话说，在满足同样负荷水平条件下，整个电网可减少装机容量，因此，电网互联可产生较好的错峰效益。检修和紧急事故备用互助支援，减少备用发电容量。(3)69 石家庄铁道大学毕业设计为了确保电力系统的安全运行和向用户连续不间断的供电，电力系统无论大小都必须既有运行备用、检修备用又有事故备用。电网互联以后，满足同样容量负荷水平的发电容量水平将减少，整个系统备用容量一般按期望的尖峰负荷的一定百分比安排，另外，整个系统内单一元件故障的容量不会因联网而增加，这样，整个系统的备用容量可相应减少。对各被联电网来说它可享受到整个系统的备用容量，因而减少了本身的备用容量。由于各区域电网可分享备用容量，在出现事故时最有效的利用现有发电容量，进行紧急事故的相互支援，从而减少用于备用的安装容量。(4)提高电网运行的可靠性和供电质量。(5)安装高效率、低成本大容量机组和建设更大容量规模电厂，产生更大规模经济效益，为了电力系统的安全运行，确保连续、可靠供电，单台机组和但各电厂的容量占系统容量的比例应保持在一定范围内，具体比例由各国电力系统安全导则按照停电造成的社会影响确定，一般应保持在10%的范围内。由于电网互联后。整个系统容量增加，单台机组和电厂规模可加大，更多的投入大型、特大型高效率机组，从而是整个系统火电厂的供电煤耗率和供电成本以及电厂运行、维护和管理的成本降低[2]。1.3.1.3电力系统的发展电力系统中为了减小事故造成的损失，保护人身及设备安全，必须有保护的设施。最早的保护设备只是简单的熔断器、避雷器、自动断路器等。随着机组的加大和电压的提高，陆续研制出各种继电器及量测设备，组成保护电路。继电保护已经发展成为电厂中的一种专门技术了。除了事故处理外，在系统的正常运行中仍然需要进行一些调度工作，以适应用户负荷的变化和机组的情况，使系统的总体效率提高。这方面已经进行了很多研究：例如电能的潮流分布、短路电流的计算、静态及动态稳定性判定、过电压分布等，又如励磁调节技术、无功功率的补偿、水电火电的配合、抽水蓄能方法、调峰技术等等，积累了很多经验。但是，因为电力系统中牵涉的环节太多，出现的情况千变万化，直到现在人们的技术水平还不能完全适应需要，包括欧美很先进的国家也一再出现电力系统失控，造成大面积停电。因此对电力系统的研究正在进一步的发展中。1.3.2变电站的基本知识我们所使用的交流电主要是由交流发电机提供的，由于受绝缘水平的限制，发电机输出端发出的电压一般低于30kv，用这样低的电压将电能进行远距离输送事实上是不可能的，为此需要利用升压变压器将电压升高后，然后再将电能进行远距离输送，到用电负荷所在地区后，由于用电设备多是低压设备，所以用高压将电能输送到用电地区后，还必须利用降压变压器降低电压，才能供给用户使用。因此，电压变换在电力生产过程中是一个重要环节。进行电压变换就需要相应的电气设备及其控制装置和保护装置，将这些变电设备按其功能和规定要求组合起来就成为变电站。69 石家庄铁道大学毕业设计变电站的主要电气设备有电力变压器、断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线及各种无功补偿装置。1.3.2.1变电站的作用在电力系统中，变电站主要担负着电压变换这一重要任务，其作用概括如下：(1)提高输电电压，减少电能损失。电能在输送过程中由于电流的热效应，就要产生电能损失，且电能转化为热能的损失数量和电流的平方成正比。因此，当输送功率一定时，提高输电电压就可减小电流，电网就会相应减少电能损失。(2)降低电压，分配电能。电能经过升压分配到用电地区后，用户很难使用高电压的电气设备，因为高电压的电气设备从制造到运行维护都很困难，而且使用也不安全。因此，须经降压变电站把电压降低再分配到用户。(3)集中电能，控制电力流向。一个电网多数由多个电源点提供电能，这些电能的集中必须通过枢纽升压变电站来实现。在用电地区，根据负荷情况，再由降压变电站来控制电力的流向。(4)调整电压，提高电压质量，满足用户的要求。通过变电站的变压器调压装置和无功补偿装置，既可以使用户得到稳定的电压，也可以提高线路的输电功率[2]。1.3.2.2变电站的分类(1)枢纽变电站。枢纽变电站位于电力系统的枢纽点，汇集着电力系统中多个大电源和多回大容量的联络线，连接着电力系统的多个大电厂和大区域，这类变电站的电压一般为330—500kv。(2)中间变电站。中间变电站的电压等级多为220—330kv，高压侧与枢纽变电站连接，以穿越功率为主，在系统中起交换功率的作用或使高压长距离输电线路分段，它一般汇集2—3个电源，其中压侧一般是110—220kv，供给所在的多个地区用电并接入一些中小型电厂。这样的变电站主要起中间环节作用。(3)地区变电站。地区变电站高压侧一般为110—220kv，低压侧一般为10—110kv，主要对地区用户供电，所以这类变电站是一个地区或城市的主要变电站。(4)企业变电站。企业变电站是大中型企业的专用变电站，电压等级为35—220kv，1—2回进线。(5)终端变电站。终端变电站位于配电线路的终端，接近负荷处，高压侧10—110kv引入线，经降压后向用户供电[3]。1.3.2.3变电站的结构形式(1)69 石家庄铁道大学毕业设计室外变电站。室外变电站除控制、直流电源等设备放在室内外，变压器、隔离开关、断路器等主要设备均布置在室外。这种变电站建筑面积小，建设费用低，电压较高的电站一般采用室外布置。(2)室内变电站。室内变电站的主要设备均放置在室内，减少了总占地面积，但建筑费用较高，适宜市区居民密集地区，或位于海岸、盐湖、化工厂及其它空气污秽等级较高的地区。(3)地下变电站。在人口和工业高度密集的大城市，由于城市用电量大，建筑物密集，将变电站设置在城市大建筑物、道路、公园的地下，可减少占地，随着城市电网改造的发展，位于城区的变电站将更多地采取地下变电站。(4)箱式变电站。箱式变电站又称预装式变电站，是将变压器、高压开关、低压电器设备及其相互连接和辅助设备紧凑组合，按主接线和元器件不同，以一定方式布置在一个或几个密闭箱壳内。箱式变电站是由工厂设计和制造的，结构紧凑、占地少、可靠性高、安装方便，广泛应用于居民小区和公园等场所。箱式变电站一般容量不大，电压等级一般为3—35kv。箱式变电站按装设位置不同又可分为户内和户外两种类型。(5)移动变电站。将变电设备装在车辆上，以供临时或短期用电场所的需要[3]。1.3.2.4变电站的发展趋势随着社会经济的发展，对电能质量的要求的不断提高，电网正在向智能化发展。作为其中的变电环节，智能变电站必将成为其发展的主要方向。智能变电站采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。与常规站项目比起，智能变电站具有如下特点：(1)一次设备的数字化、智能化。传统的电磁式互感器由电子式互感器取代，经合并单元后由光纤介质向外提供经数字化的一次电量信息；传统的变压器、断路器等一次设备加装智能组件，实现信号的数字式转换与状态监测，控制命令的数字化接收与发送，达到一次设备智能化的要求。(2)二次设备的网络化、数字化。由以太网通过GOOSE协议标准实现间隔层与过程层设备之间以及间隔层设备之间的信息共享与传递。如测量控制装置、继电保护装置、故障录波装置、防误闭锁装置、以及在线状态检测装置等都是都采用高速网络通信连接，并具备对外光纤网络通信接口。与传统变电站信息传输以电缆为媒介不同，智能化变电站二次信号传输是基于光纤以太网实现的，除直流电源之外，传统的二次电缆全部由光纤或屏蔽网络代替，通过网络真正实现数据共享与资源共享。69 石家庄铁道大学毕业设计(3)变电站通信网络和系统实现IEC61850标准统一化。因1EC61850标准的完整性、系统性、开放性，保证了数字化变电站内设备间具备互操作性的特征。(4)运行管理系统的自动化。在传统综自站已有的较大程度自动化特征的基础上，数字化变电站在站内设备的互操作性，信号的光纤传输，基于IEC61850传输协议的网络通信平台信息共享等方面进一步体现了运行管理自动化的特点。综合以上特点分析，智能变电站的建设与常规变电站不尽相同，一是新增了智能组件，在智能组件的配合下，传统的一次设备具有了智能作用；二是智能变电站新型设备的应用，安装形式将产生变化，如新型保护测控装置之间的链接，由电缆链接转为光纤连接，安装时需加强对光纤的保护；三是变电站二次设备的调试形式发生大的变化，保护测控等二次设备输入量采用数字化形式，相应的，数字继电保护测试仪等新型测试仪器将大量采用[4]。69 石家庄铁道大学毕业设计第2章负荷调查2.1负荷基本情况调研2.1.1现场勘查某县所在地区位于河北南部，地区面积12439平方公里，人口710.4114万，年平均气温13℃，年极端最高气温42.7℃(1968年)，极端最低气温-23℃(1981年)。日照年平均767.4小时，无霜期年平均为197天，平均年降水量520毫米，多集中在7-8月份。该地区地势较为平坦，海拔25.5-31米，中南部最高点31米，北部最低处25.5米。其经济开发区位于县城西部，规划占地面积23.78km2，发展环境条件比较优越，京广、京九、京珠、青银四大高速东西环抱，省级邢德路穿区而过，定魏、巨广线在此交汇，交通便利。远离市中心和其他县市重化工产业区，村庄分布相对稀疏，最大限度的满足开发区发展对建设用地的需要2.1.2负荷基本情况该地区过去经济发展以农业为主,生产各种农副产品和干鲜果品，经济发展比较落后，用电负荷小，主要靠110kv线路供电，供电距离较远。近年来，随着地方经济的发展，该地区的工业得到迅速发展：钢铁制造工业、冶金工业、新能源、新型建材等相继建立，形成了该县经济开发区，有力带动了当地经济的发展。用电负荷迅速增长，原有的供配电网存在的主变已呈现严重过负荷情况，供电能力和可靠性已不能满足负荷对电能质量日益提高的要求，限制了电力市场及当地经济的发展。由于当地负荷增长较快，发展潜力较大，且电网结构比较薄弱，所以为了满足当地经济发展的需求，并考虑当地电网的发展，决定在此地建设新变电站。该经济开发区规划如下：新能源产业，占地100公顷，以神龙巨电、申通LED节能灯为骨干，重点发展太阳能、电动汽车等新型储能电池领域；新医药产业，占地710公顷，以燕南、三丰银杞公司为骨干，重点发展金银花、枸杞生物技术药物及医疗器械；特色纺织服装产业，占地247公顷，以三昌、昌盛为骨干，重点发展新型材料、高档面料、品牌牛仔服装；机械装备制造产业，占地396公顷，以天成机械、汇工机械为主，重点发展运输装备制造、矿山工程装备制造。69 石家庄铁道大学毕业设计2.2电网基本情况河北南网是华北电网的重要组成部分，其供电区域包括河北省南部的保定、石家庄、邢台、邯郸、衡水、沧州6个地区。河北南网以500千伏和220千伏电网构成主网架，东联山东、西通山西、南承华中、北接京津唐，是“西电东送、南北互供、全国联网”的重要通道。截至2011年底，全网拥有500千伏变电站13座，容量2100万千伏安，线路4538公里；220千伏变电站142座，容量4489万千伏安，线路8818公里。全网发电装机容量2410.68万千瓦，其中统调电厂装机容量2202.97万千瓦。邢台电网作为河北南网的重要组成部分，以220kv和110kv为主网架，在承担着邢台地区的电力供应的同时，还肩负着电网向东、向北输送的任务。邢台电网由500kv彭村和广元变电站、邢台电厂和邯邢4条220kv联络线为电源支撑。全网现有500kv变电站2座，220kv变电站20座，容量591万千伏安，线路1217.6公里；110kv变电站79座，容量566.3万千伏安，线路1921.7公里；35kv变电站181座，容量245万千伏安，线路2560.1公里。该县目前有220kv变电站一座，110kv变电站两座，35kv变电站四座。110kv电网存在的问题：一、单电源情况较多，不满足供电可靠性要求。网络基础比较薄弱，单线单变情况较多，有些县只有一路110kv电源，当线路停电时，造成大面积停电。二、缺乏统一规划，网络结构既复杂又薄弱。由于过去110kv电网由地方集资建设，缺乏统一规划，各地方为节省投资，不注意加强主网架建设，新建变电站往往只是就近破口或T接，一条线路串接或T接多个变电站的情况非常普遍。110kv网络既薄弱又复杂，不但供电可靠性差、网损高，而且难以满足日益增长的负荷需求[5]。2.3负荷预测2.3.1负荷预测的意义现代的电力系统十分庞大，有无数个电气元件组成，发电机组有千台，用户分布在整个供电区，要使电能能达到“产”“销”的动态平衡，必须对用电量进行预测，按用户需求来编制发电机机组的开停计划，只有这样才能保证可靠的供电，也只有这样才能达到电力系统的经济运行。负荷预测也是电力系统建设的依据，每年新装多少容量的发电机组，造多少容量的变电所、增建多少公里的输电线路以及如何分布等，都必须与该地区的经济、社会发展和人民生活水平的提高相适应，不然就可能产生电力不足而制约该地区的经济文化发展。69 石家庄铁道大学毕业设计电力建设投资过早，会使过剩的电力设备不能发挥作用、不能产生经济效益，对一个发展中国家来说应该避免这样的情况出现，编制电力系统规划的目的也就在于此。电网规划的目标是编制一个安全可靠。适应能力强，结构合理，能满足城市和农村经济、社会发展和生活用电需要的电网网架，实现这个目标的第一步就是要做好负荷预测。2.3.2负荷预测的内容电力系统负荷一般可以分为城市民用负荷、商业负荷、农村负荷、工业负荷以及其他负荷等，不同类型的负荷具有不同的特点和规律。电力系统负荷预测包括最大负荷功率、负荷电量及负荷曲线的预测。最大负荷功率预测对于确定电力系统发电设备及输变电设备的容量是非常重要的。为了选择适当的机组类型和合理的电源结构以及确定燃料计划等，还必须预测负荷及电量。负荷曲线的预测可为研究电力系统的峰值、抽水蓄能电站的容量以及发输电设备的协调运行提供数据支持。负荷预测的内容取决于电网规划的目标和内容，为了确定规划年的输配电系统所需要的设备容量，必须先对供电区与规划年相应的负荷总量进行预测；为了确定变电所设备的合理分布，要求对供电区内进行分块负荷预测，每块的面积大小和电网电压等级有关，电压高的面积大，如110—35kv电网的分块为1—3km2，10—0.4kv电网必须规划的更小，而且还和供电区的负荷密度相关。2.3.3负荷预测的分类(1)超短期负荷预测是指未来1h以内的负荷预测，在安全监视状态下，需要5～10s或1～5min的预测值，预防性控制和紧急状态处理需要10min至1h的预测值。(2)短期负荷预测是指日负荷预测和周负荷预测，分别用于安排日调度计划和周调度计划，包括确定机组起停、水火电协调、联络线交换功率、负荷经济分配、水库调度和设备检修等，对短期预测，需充分研究电网负荷变化规律，分析负荷变化相关因子，特别是天气因素、负荷类型等和短期负荷变化的关系。(3)中期负荷预测是指月至年的负荷预测，主要是确定机组运行方式和设备大修计划等。(4)长期负荷预测是指未来3～5年甚至更长时间段内的负荷预测，主要是电网规划部门根据国民经济的发展和对电力负荷的需求，所作的电网改造和扩建工作的远景规划。对中、长期负荷预测，要特别研究国民经济发展、国家政策等的影响。69 石家庄铁道大学毕业设计2.3.4负荷预测的方法目前能用于工程的预测方法很多，大体可分为两类：一类是确定性预测方法，把电量和电力负荷预测用一个或一组方程来描述，他与变量之间有明确的对应关系，如经济计量预测法、时间序列法、相关法和最小二乘法等等。另一类称为非确定性预测法，这种方法基于这样的认识：认为电力负荷的变化受多种因素影响，不可能用简单的显式数学方程来描述它的变化规律，而应把尽可能多的相关因素反映在预测模型中。2.3.5负荷预测的过程负荷预测工作的关键在于收集大量的历史数据，建立科学有效的预测模型，采用有效的算法，以历史数据为基础，进行大量试验性研究，总结经验，不断修正模型和算法，以真正反映负荷变化规律。其基本过程如下。(1)调查和选择历史负荷数据资料多方面调查收集资料，包括电力企业内部资料和外部资料，从众多的资料中挑选出有用的一小部分，即把资料浓缩到最小量。挑选资料时的标准要直接、可靠并且是最新的资料。如果资料的收集和选择得不好，会直接影响负荷预测的质量。(2)历史资料的整理一般来说，由于预测的质量不会超过所用资料的质量，所以要对所收集的与负荷有关的统计资料进行审核和必要的加工整理，来保证资料的质量，从而为保证预测质量打下基础，即要注意资料的完整无缺，数字准确无误，反映的都是正常状态下的水平，资料中没有异常的"分离项"，还要注意资料的补缺，并对不可靠的资料加以核实调整。(3)对负荷数据的预处理在经过初步整理之后，还要对所用资料进行数据分析预处理，即对历史资料中的异常值的平稳化以及缺失数据的补遗，针对异常数据，主要采用水平处理、垂直处理方法。数据的水平处理即在进行分析数据时，将前后两个时间的负荷数据作为基准，设定待处理数据的最大变动范围，当待处理数据超过这个范围，就视为不良数据，采用平均值的方法平稳其变化；数据的垂直处理即在负荷数据预处理时考虑其24h69 石家庄铁道大学毕业设计的小周期，即认为不同日期的同一时刻的负荷应该具有相似性，同时刻的负荷值应维持在一定的范围内，对于超出范围的不良数据修正，为待处理数据的最近几天该时刻的负荷平均值。(4)建立负荷预测模型负荷预测模型是统计资料轨迹的概括，预测模型是多种多样的，因此，对于具体资料要选择恰当的预测模型，这是负荷预测过程中至关重要的一步。当由于模型选择不当而造成预测误差过大时，就需要改换模型，必要时，还可同时采用几种数学模型进行运算，以便对比选择。在选择适当的预测技术后，建立负荷预测数学模型，进行预测工作。由于从已掌握的发展变化规律，并不能代表将来的变化规律，所以要对影响预测对象的新因素进行分析，对预测模型进行恰当的修正后确定预测值2.3.6本设计负荷预测解决方案根据以上方法，按单位用地的电量预测，把城市用地分为工业、住宅、宾馆、商业和仓储等，按这些用地的单位面积用电进行预测。建筑面积和用地性质是分类预测的关键数据，对老城市要收集这些资料不难，而对于一个发展中城市或开发区，则难度很大，因为有了远景规划不一定就能实现。眼前还是一片农田或旧房，即使造了厂房也还不知道办什么厂。这给负荷预测工作带来了极大的困难。对于这种情况按城市的发展目标和未来定位，在国内外找到相当的参考城市或地区来测定待测城市的用电水平，是解决问题的可取方法。所以本变电所参考了其他地区相应规模的经济开发区的发展及建设情况，并考虑未来的发展规划，现预测该经济开发区负荷密度为4000kw/km2，功率因数为0.95。69 石家庄铁道大学毕业设计第3章变电站的设计方案3.1变电站建设流程变电站建设一般要经过以下流程：(1)地质勘探；(2)变电站的科学研究；(3)变电站的立项确认；(4)变电站的初步设计；(5)申报材料准备；(6)制作申请函；(7)向供电部门递交申请函；(8)提交申报材料；(9)申报材料审批；(10)变电站初步设计；(11)初步设计审批；(12)变电站施工设计；(13)施工设计审批；(14)土建施工；(15)设备安装；(16)工程验收；(17)整改；(18)送电。3.2变电站建设在电网中的地位变电站站址优化和主变容量选择是影响电网网架结构和电网建设投资等方面的一个重要因素。电网结构是指它的电压等级组合、各级变电所的供电范围、各级变压器的容量配置和网络布局等。电网结构对电网技术经济性具有决定性作用。结构不合理将直接导致网损增加、电压合格率降低、供电可靠性差、运行及建设费用增加等一系列不良后果。在设计变电站时应坚持“小容量、密布点、线路半径宜短不宜长”的原则，将高压线路深入负荷中心，合理确定变电站的布点、位置，以缩短中低压配电线路的供电半径，保证在优化供电半径的范围内。同时，当电网投入运行后，由于负荷发展或其他外部因素可能导致线路末端随意延伸，走径迂回曲折，使线路供电半径或末端地区负荷密度超出经济合理范围。此时，同样应采取新增变电站或将变电站移至负荷中心的办法，以保证经济合理的供电半径，减少线损。3.3变电站设计的内容变电站设计就是要确定这个站的主变容量、接线方式、设备选型等进行计算确定。变电站设计一般要经过可行性研究、初步设计、施工图设计三个阶段。3.3.1初步设计的内容初步设计的主要任务：确定方案，并为订货提供数据。(1)说明书69 石家庄铁道大学毕业设计要用简明的文字说明设计的依据，建设的必要性及规模，占地面积和建筑面积的大小，主接线方案的特点、短路电流大小及选用设备情况、所用电、直流系统配电装置、系统通信及保护方面的新技术等。(2)计算书一般包括以下几部分①短路电流计算及设备选择②配电装置尺寸的确定和校验③构架受力的计算④直流设备及通信系统的选择(3)图纸①主接线图。这是最重要的一张图纸，是所有其他图纸的依据。表明各种电器设备的相互联系，设备规范、防侵入波及感应雷的措施，中性点接地方式、电压互感器及电流互感器的配置等。主接线应反映本期工程和远景的区别，一般用实线表示本期工程，用虚线表示远景工程。②总平面布置图。③断面图。根据主接线和总平面布置方式的不同，应有相应的断面图，一般包括进线间隔、母联间隔、分段间隔、电压互感器及避雷器间隔、所用电间隔等。④主控制室及10kv配电装置平面布置图。⑤主要材料设备汇总表(4)工程概算3.3.2施工设计施工设计应对初步设计做局部的方案修改，使设计更加合理和完善。施工设计是施工的依据，重点要表达施工情况，达到施工设计的要求，详细注明尺寸和所用设备材料[6-8]。3.4变电站设计方案确定(1)根据当地的电网结构及电源情况，拟在本地建设110kv变电站为南部地区供电。(2)调查当地的负荷情况并考虑5-10年的发展规划，本变电所选择50MVA变压器两台。(3)110kv电源进线从69 石家庄铁道大学毕业设计220kv变电站取得，110kv侧采用内桥接线，户外配电装置。10kv侧采用单母线分段接线，户内配电装置，10kv侧出线6回。(4)其电气主接线概况如下：(5)其中110kv侧采用内桥接线，其特点是连接断路器接在线路断路器的内侧，线路的投切比较方便。当线路发生故障时，仅线路断路器断开，不影响其他回路运行，但当变压器发生故障时，与该台变压器相连的两台断路器都断开，从而影响了其他未发生故障线路的运行。但变压器故障较少，一般不经常切换，因此内桥接线在变电所中应用较多。(6)10kv侧采用单母线分段接线，当一段母线发生故障时，分段断路器将故障切除，保证正常母线不间断的供电，保证了供电的可靠性。图3-1电气主接线图绘制69 石家庄铁道大学毕业设计第4章变电站设计4.1变电站选址4.1.1变电站选址的重要意义变电站规划是电网规划的重要组成部分，要确定合理的电网结构，必须首先确定变电站的位置，使变电站规模和供电范围最佳。变电站站址的布局直接影响着网架结构的优劣，确定变电站的位置是城市电网规划中介于电力负荷预测和网络结构优化之间的关键环节，其结果直接影响未来电力系统的走线、网络结构、电网投资、运行经济性、供电可靠性及电能质量等。4.1.2变电站选址原则(1)靠近负荷中心，以减少线路投资和电能损失。(2)靠近道路，方便大型设备的运输和线路进出。(3)避开易燃易爆和严重污染地区，注意对周围环境和邻近军事设施、飞机场、导航台等的影响。(4)尽可能远离通信设施，避免发生接地故障时变电所电位升高，对邻近通信设施产生危险影响。(5)符合防洪防震等有关要求。4.1.3变电站选址方法传统的规划方法是以方案比较为基础，由专家指定若干可行方案，通过技术经济比较进行决策。近三十年来，随着计算机技术和优化理论的迅速发展，许多电力系统专家致力于应用计算机技术来解决电网规划问题，从而大大提高了规划速度和质量，给传统的电网规划注入了新的活力。4.1.4变电站选址的基本思路(1)紧密结合城市发展和地区规划属性，确定规划供电区域。(2)以变电站建设和运行费用最小为目标，确定变电站经济供电半径，变电站经济容69 石家庄铁道大学毕业设计量，变电站个数。(3)以变电站经济供电半径和变电站个数为基础，以变电站覆盖圆覆盖供电区域内所有负荷为目标，确定变电站站址。(4)综合城市发展规划及站址选择原则，对站址进行适当修改。变电站站址一经确定就要做好变电站的总体规划。总体规划是建站的总的安排，既在拟建变电站的场地上，对变电站的站区、生活区、水源地、进出线走廊、道路、供排水管线、防排洪措施、施工、扩建等项目工程用地进行安排、布置。按照工艺要求、安全运行、经济合理、有利管理、方便生活的原则，在技术经济论证的基础上，进行合理布局与全面规划。变电站的总体规划是总布置设计的首要环节，只有在正确的总体规划指导下，才能设计出好的总布置，总体规划一般采用以下方法和步骤：第一:在已取得的建站地形图、地质资料、进出线路径规划、城镇及工业区规划图的基础上进行规划。第二：先标出站区位置及范围，再依次标出各级电压进出线方位，并与站内相对应的配电装置方位一致，表明进出线回路及走廊宽度；进站道路接引点和路径；站区主要的出入口位置；水源地及供水管线走径、取水设施及建筑物；排水设施、排放点位置及排水管走径；生活区位置等。4.1.5变电站选址考虑当地的交通状况及供电范围，决定将变电站建在本区省道324的交界处的东北方向。图4-1变电站的选址此地位于县郊，村庄分布稀疏、交通便利，110kv变电站经济供电半径为120公里69 石家庄铁道大学毕业设计，能满足当地经济发展的需要。4.2变压器的选择4.2.1变压器容量和台数的选择4.2.1.1变压器容量的选择原则(1)按电网发展规划选择主变容量主变容量一般按变电所建成后5—10年的发展规划负荷选择，并适当考虑到远期10—20年的负荷发展。对于城市郊区变电所应与城市发展规划相结合。一般采取负荷平衡法选择变电所主变容量。(2)按电压等级选择主变容量变电所主变容量选择的一般原则为电压等级越高，变电所密度低，主变容量就选择的越大。电压等级低、变电所密度高，一般变电所容量可选择的小些。(3)根据变电所所带负荷的性质和电网结构选择主变容量对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台主变压器停运时，其余变压器在计及过负荷能力时，在允许时间内应保证用户的一级及二级负荷；对于一般性变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部负荷的70%——80%。(4)同级电压的单台变压器容量的级别同级电压的单台变压器容量的级别不宜太多，应从全网出发，推行主变容量的系列化、标准化。在一个地区的电网中，同一级电压的主变单台容量不宜超过三种。一般在同一变电所中同一级电压的主变压器宜采用相同容量规格。否则将会给变电所的运行检修带来麻烦。35kv变电所单台主变容量一般选用3.15MVA、4.00MVA、6.3MVA及8.00MVA。110kv变电所单台主变容量一般选用31.5MVA40MVA50MVA三种。220kv变电站单台主变容量一般选用120MVA180MVA两种规格。(5)按容载比确定主变的容量在选择变电所单台主变容量及变电所主变总容量时，应考虑变电容载比，即电网变电所主变压器容量，在满足供电可靠性的基础上与对应的网供最大负荷之比值，容载比是宏观控制变电总容量的指标，也是合理选择变电所主变容量的主要依据之一。国家《城市电力规划设计导则》中规定，电网容载比一般为220kv电网：1.6—1.9；35—110kv电网：1.8—2.1。69 石家庄铁道大学毕业设计(6)按负荷密度选择变电所主变压器的容量供用电负荷密度高的经济开发区，一般应建设大中型变电所，电压等级为110kv、220kv。变电所容量一般较大。近年来，由于城市建设的迅速发展和经济的繁荣，电力负荷大幅度增长，有的城市负荷密度已达几十万kw/km2。可按以下公式选择：P=PdSjS=P/COSΦ(4-1)式中，S——主变容量(KVA)；Pd——负荷密度(kw/km2)；Sj——经济开发区用电面积(km2)；cosΦ——功率因数。4.2.1.2变压器台数的确定变电所变压器台数的确定，应根据地区供电条件、负荷性质、供电负荷大小、运行方式、供电可靠性等条件进行综合考虑。变电所当一台变压器退运时，其余变压器必须保证向下一级配电网供电，即满足N-1准则，满足变电所供电的可靠性。35—220kv变电所一般应配置两台或以上变压器，当一台变压器退运时，其负荷自动转移至正常运行的变压器，此时变压器的负荷不应超过其短时允许的过载容量，以及通过电网操作将变压器的过载部分转移至冲压电网。符合这种要求的变压器运行率计算如下：T=KP(N-1)/NP*100%(4-2)式中，T——变压器运行率；K——变压器短时允许过载率；N——变压器台数；P——单台变压器额定容量。变电所中变压器越多，其利用率越高，供电可靠性也越高。变电所主变台数不宜少于两台，最多不宜多于四台。4.2.1.3本站变压器容量和台数的确定由负荷预测的结果知，本经济开发区面积23.78平方公里，负荷密度为4000kw/km2，由公式(4-1)按负荷密度选择变压器容量和台数如下：P=PdSj=4000*23.78=95120kw2，S=P/COSφ=100126.32KVA所以由以上计算结果，选择两台50MVA的变压器即可。69 石家庄铁道大学毕业设计4.2.2变压器型式的确定(1)相数的确定电力变压器的相数可分为单相变压器和三相变压器两类，主要考虑变压器制造水平、可靠性要求和运输条件等因素。对于330kv及以下电力系统，当不受运输条件限制时一般都选用三相变压器，因为单相变压器相对而言投资大、占地多、运行损耗也较大，同时配电装置结构复杂，增加了运行维护量。对于500kv及以上电力系统中主变压器的选择，除按容量、制造水平、运输条件确定外，更重要的是考虑负荷和系统情况、保证供电可靠性，进行综合分析，在满足技术经济的条件下来确定选择单相变压器还是三相变压器。本站为110kv变电站，选择三相变压器。(2)绕组数的确定变压器按绕组数分为双绕组普通式、三绕组式、自耦式以及低压绕组分裂式等型式。本站选择双绕组普通式变压器。(3)绕组连接方式的确定变压器绕组的连接组别必须与系统电压相位一致，否则就不能并列运行。电力系统采用的绕组连接方式只有星形Y和三角形D两种，因此变压器三相绕组的连接方式应根据具体工程来确定。主变压器连接组别一般选用YN，d11或Y，d11常规接线。110kv及以上的变压器高压侧三相绕组采用YN连接方式，低压侧三相绕组采用D连接方式；35kv及以下的变压器，高压侧三相绕组采用Y连接方式，低压侧三相绕组采用D连接方式。本站为110kv变压器，高压侧采用YN连接方式，低压侧采用d11连接方式。(4)调压方式的确定为了保证供电质量，电压必须维持在允许范围内。通过切换变压器的分接头改变变压器高压绕组的匝数，从而改变其变比，实现电压调整。切换方式有两种：一种是不带电压切换，称为无励磁调压，调整范围通常在±2*2.5%以内；另一种是带负荷切换，称为有载调压，调整范围可达30%，其结构复杂，价格昂贵。变电站在以下情况时宜选用有载调压变压器：①地方变电所，工厂、企业自用变电所经常出现日负荷变化幅度很大的情况时又要求满足电能质量往往需要装设有载调压变压器；②330kv及以上变电站，为了维持中低压电压水平需要装设有载调压变压器；③110kv及以下的无人值班变电站，为了满足遥调的需要应装设有载调压变压器。本变电站为110kv无人值班变电站，所以选用有载调压变压器。69 石家庄铁道大学毕业设计4.2.3变压器冷却方式的确定变压器运行时，铁芯及绕组中均有能量损耗。这些损耗转变为热量，引起变压器发热。变压器的温升对其寿命有很大影响，因为过高的运行温度将使绝缘材料加速破坏，从而缩短它的使用寿命，所以需要限制变压器在额定负载时各部分的温升不超过一定的数值。变压器的温升除了和其输出功率有关外，还和变压器的散热能力有关。变压器的热量通过传导、对流和辐射三种方式散发出去。为了保证变压器散热良好，必须采用一定的冷却方式将变压器中产生的热量带走。变压器的冷却方式和其额定值有关。通常有干式、油浸自冷、油浸风冷以及强迫油循环冷却等多种。干式变压器以空气作为冷却介质，其它则以变压器油作为冷却介质。油浸自冷式变压器主要依靠油的自然对流带走热量，没有其它冷却设备，油浸风冷式变压器则在油浸自冷的基础上，另加风扇给油箱壁和散热管吹风，以加强冷却作用，大容量变压器有的采用强迫油循环冷却，它是利用油泵将变压器内的热油抽到箱外专用的冷却器，经过风冷或水冷后，再把它送回油箱。本站变压器选择油浸风冷式变压器。4.2.4变压器的选择结果综上所述，选择SFZ9—50000/110型变压器。其基本参数如下：表4-1主变参数型号额定容量(KVA)额定电压(KV)连接组标号空载损耗(KW)负载损耗(kw)空载电流(%)短路阻抗(%)SFZ9-50000/11050000高压110±8*1.25%低压10.5YNd1136.3194.40.3510.54.3变电所接入系统的方式的确定方案一：本变电站采用从220kv变电站和110kv变电站各引入一条电源进线的方案，如图所示69 石家庄铁道大学毕业设计方案二：从220kv变电站引两路电源进线，如图所示：经反复论证，决定选择方案二，即从220kv变电站引入两路电源进线。这样新建110kv变电站以终端变电站的形式接入系统。方案一中变电所b和c均为非终端变电站，保护配置较复杂，运行操作也很复杂，并且供电不可靠，b到c间的线路利用率低。若采用方案二，则变电站b和c均为终端变电站，这样可是线路保护简化，去掉b到c的线路保护。另外，方案一中变电站b和c要考虑相互备用，两个变电站都要装设备用电源自动投入装置，这样使保护配置更加复杂图图4-2方案一示意图图4-3方案二示意图所以经以上分析，新建110kv变电站以终端变电站的形式接入系统较好，接线简单，运行可靠，检修维护工作量小[10]。4.4变电站电气主接线的选择4.4.1变电站电气主接线的基本要求变电站的电气主接线表明了各种一次设备的数量、作用和相互之间的连接方式，以及与电力系统的连接状况。电气主接线的选择正确与否对电力系统的安全、经济运行，对电力系统的稳定和调度的灵活性，以及对电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护及控制方式的拟定等都有重大影响。在选择电气主接线时，应注意发电厂或变电所在电力系统中的地位、进出线回路数、电压等级、设备特点及负荷性质等条件，并应满足下列要求：(1)保证必要的供电可靠性和供电质量主接线的可靠性主要指当电路发生故障或电气设备检修时，主接线在结构上能够将故障或检修所带来的不利影响限制在一定范围内，以提高供电的能力和电能的质量。(2)具有一定的运行灵活性69 石家庄铁道大学毕业设计电气主接线不仅在正常运行情况下能根据调度的要求，灵活的改变运行方式，实现安全、可靠、经济的供电；而且在系统故障或电气设备检修及故障时，能尽快地退出设备、切除故障，使停电时间最短、影响范围最小，并且在检修设备时能保证检修人员的安全。(3)操作应尽可能简单、方便电气主接线应该简单、清晰、明了、操作方便。复杂的电气主接线不仅不利于操作，还容易造成误操作而发生事故。但接线过于简单，又可能给运行带来不便，或造成不必要的停电。(4)应具有发展和扩建的可能性(5)技术上先进，经济上合理在确定主接线时，应采用先进的技术和新型的设备。同时，在保证安全可靠、运行灵活、操作方便的基础上，尽可能减少占地面积，以节省基础建设投资和减少年运行费用，让变电所尽快发挥最佳的社会效益和经济效益。4.4.2电气主接线的基本类型电气主接线一般按有无母线分类，即分为有母线和无母线两大类。有母线的主接线形式包括单母线和双母线。单母线又分为单母线不分母线分段、单母线分段带旁路等形式；双母线又分为双母线不分段、双母线分段、3/2断路器接线、双母线带旁路母线等形式。无母线的主接线形式主要有单元接线、桥形接线和角形接线等[11]。4.4.3本变电站主接线的确定由于本变电站有两路电源进线、两台主变，所以高压侧选用内桥形接线，低压侧采用单母线分段接线。(1)高压侧接线：桥形接线，适用于只有两台变压器和两条线路时，内桥接线桥壁置于线路断路器的内侧，如图4-4所示内桥接线的特点如下：线路发生故障时，进故障线路的断路器跳闸，其余三条支路可继续工作，并保持相互间的联系。变压器故障时，联络断路器及与故障变压器同侧的线路断路器均自动跳闸，使未故障线路的供电受到影响，须经倒闸操作后，方可恢复对线路的供电。正常运行时变压器操作复杂。如需切除变压器T1，应首先断开断路器QF1和联络断路器QFL，再拉开变压器侧的隔离开关，使变压器停电，然后重新合上断路器QF1和联络断路器QFL，69 石家庄铁道大学毕业设计图4-4内桥接线示意图QF1QF2QFL1T2T恢复线路WL1的供电。内桥接线适用于变压器不需要经常改变运行方式、输电线路较长、线路故障几率较高、穿越功率较小的场合。(2)二次侧接线：二次侧采用单母线分段接线，其特点如下：母线分段后，可提高供电可靠性和灵活性。在正常运行时，可以接通也可以断开运行。当分段断路器QFd接通运行时，任意一段母线发生故障时，在继电保护作用下，分段断路器QFd和接在故障段上的电源回路断路器便自动断开。这是非故障段母线可以继续运行，缩小了母线故障的停电范围。当分段断路器断开运行时，分段断路器除装有继电保护装置外，还应装有备用电源自动投入装置，分段断路器断开运行有利于限制短路电流。对于重要用户，可以采用双回路供电，即从不同段上分别引出馈电线路，由两个电源供电，以保证供电可靠性。单母线分段的缺点是：①当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，必须断开接在该分段上的全部电源和出线，这样就减少了系统的发电量，并使该段单回路供电的用户停电。②任意出线断路器检修时，该回路必须停止工作。综上，本站的电气主接线绘制如下：69 石家庄铁道大学毕业设计图4-5主接线示意图4.5电气设备的选择4.5.1电气设备的特性4.5.1.1电气设备的发热效应(1)发热对电器设备的影响①机械强度下降。金属材料温度升高，会使材料退火软化，机械强度下降。例如，铝导体在长期发热时，温度超过100℃其抗拉强度便急剧降低。②接触电阻增加。导体的接触处，如果温度过高接触表面会强烈氧化，使得接触电阻增加，温度便随着增加，因而可能导致接触处松动或烧熔。③绝缘性能降低。有机绝缘材料长期受到高温作用，将逐渐变脆和老化，以至绝缘材料失去弹性、绝缘性能下降、使用寿命大为缩短。(2)电气设备发热的两种情况①正常情况下通过工作电流产生的长期发热，其发热温度较低但连续持久②因短路电流通过产生的短时发热，其发热温度高但持续时间极短。电气设备绝缘的老化和金属机械强度的降低除与温度有关外，还决定于发热的时间。因此，我国规定了电器载流部分长期发热的允许温度和短时发热的允许温度，以及载流导体长期发热允许温度和短时发热允许温度。(3)正常情况下均匀导体的长期发热69 石家庄铁道大学毕业设计均匀导体就是沿全长有相同截面和材料的导体。导体内不通过电流时，其温度与周围实际环境温度θ0相等；当电流流过导体时，导体内发出热量。使其温度升高；若导体通过其额定电流Ie则温度将稳定上升到导体的长期发热允许温度θe；若导体通过的电流为某一值Ig，则其升高的稳定温度θg可用下式计算：θg=θ0+(θe–θ0e)(Ig/Ie)2(4-3)式中，θ0e——基准环境温度。我国目前采用的基准环境温度如下：①电力变压器和电器(如断路器、隔离开关、互感器等)为40℃；②发电机(利用空气冷却时，进入机内的空气温度)为35—40℃；③裸导体、绝缘线、母线和电力电缆(放在空气中)为25℃；④埋在地下的电力电缆为15℃。(4)短路情况下均匀导体的短时发热短路时，短路电流流过导体的时间，一般为零点几秒到几秒，这是一种短时发热的状况。短路后，导体温度急剧升高，θd时短路后导体的最高发热温度，短路被切除，导体温度逐渐下降，最后与环境温度相同。由于短路电流超出正常许多倍，虽然通流的时间很短但温度却上升到很高的数值，以至超出短时发热允许温度，使气设备的有关部分受到损坏。因此，把电气设备具有承受短路电流的热效应而不至于因短时过热而损坏的能力，称为电气设备的热稳定。如果导体在短路电流作用下，t时间内产生热效应θd不超过它所允许的热效应Qre，则θd不会超过θde，就认为该导体满足热稳定要求。短路电流热效应θd的计算查阅相关手册进行。4.5.1.2电器和载流导体的电动力效应载流导体位于磁场中，要受到磁场力的作用，这种力称为电动力。在正常情况下，工作电流不大，电动力也不大；而在短路的情况下，其电动力可达到很大的数值，以致导体的载流部分产生变形或损坏。因此，把导体和电器承受短路电流电动力效应的能力，称为电动力稳定，简称动稳定。(1)两根平行导体之间电动力的计算。当无限长的两根平行导体通过电流，并假定电流集中在各导体的轴线上时，根据《电工基础》的有关知识，导体间的相互作用力可用下式计算：F=0.2i1i2(l/a)(4-4)式中,F——作用于导体中的瞬时合力(实际作用力沿导体长度均匀分布)(N)；L——平行导体长度(m)；A——两根导体轴线间的距离(m)；69 石家庄铁道大学毕业设计i1i2——分别通过两根导体的瞬时电流(KA)。两根平行导体间作用力的方向是：电流同方向是相吸，反之相斥。(2)三相短路时导体之间电动力的计算实际工作中，常见的是三相系统母线水平敷设，三相母线的相互位置以及各相瞬时电流对承受电动力作用的大小和方向有重要影响。计算中，通常只选择可能出现的最大电动力瞬时值作为计算的依据。三相短路时，瞬时出现的最大电流为短路冲击电流ich（3）。它在一相中发生时，中间的B相将受到最大作用力F(3)：F(3)=0.173ich(3)2(l/a)(4-5)式中,ich(3)——三相短路时冲击短路电流(KA)；L——支持绝缘子之间的长度或跨距(cm)；A——母线相间距离(cm)。由于三相短路和两相短路的冲击电流的关系是ich(2)=(2/)ich(3)，所以经过计算的两相短路时两故障平行母线间的最大电动力小于三相短路时的最大点动力即F(2)35m/s的地区，可在屋外配电装置的布置中采取措施，如加强基础固定或降低安装高度等措施。④冰雪。在积雪和覆冰严重的地区，应采取措施防止冰串引起瓷件绝缘对地闪络，重冰区应选破冰厚度大的隔离开关。⑤湿度。一般高压电器可在温度为+20℃，相对湿度为90%的环境中使用。⑥污秽。工厂排出的含有二氧化硫、硫化氢、氨等成分的烟气、粉尘等对电气设备危害较大。在此地区可采用防污型绝缘子或选高一级电压的产品，以及采用屋内配电装置来解决。⑦海拔。电器的一般使用条件为海拔≤1000m。对安装在海拔>1000m地区的电器，外绝缘一般应予加强，可选用高原型产品或选用外绝缘提高一级的产品。⑧地震。选择电器时，应根据当地的地震裂度，选择能够满足地震要求的产品。4.5.2.2按正常运行条件选择(1)按环境条件选择选择电气设备时，应在当地环境条件满足要求的条件下，尽量选择普通型产品。电气设备的安装地点也影响所选设备的型式。(2)按工作电压选择电气设备的额定电压就是铭牌或技术数据标出的线电压。电气设备的绝缘均有一定的裕度，可长期在超过额定电压10%—15%的电压下工作，此时称为最高允许工作电压。正常情况下，选择电气设备的最高允许工作电压不得小于该回路的最高运行电压。由于回路的最高运行电压通常在线路首端，它比电网额定电压只高5%—10%，因此按工作电压选择的条件为：Ue≥Uwe(4-6)69 石家庄铁道大学毕业设计式中，Ue——电气设备额定电压(KV)；Uwe——电气设备所在电网额定电压(KV)。(3)按工作电流选择电气设备的额定电流是指在基准环境温度θ0e下，发热温度不超过长期发热允许温度时所允许长期通过的最大电流。开关电器没有明确的过载能力规定，为安全起见，选择电器时一律按其没有过载能力计算，如有裕度，留给运行单位需要时使用。因此，按工作电流选择的条件为：Iy≥Igmax式中，Iy——导体和电器长期允许通过电流，AIgmax——各种可能运行方式下回路最大持续工作电流，A，一般认为连续运行超过4min即为持续工作电流。Iy的确定：Iy=Ie=KθIe(4-7)式中，Kθ——环境温度修正系数；Ie——载流导体的额定载流量；θ0e——载流导体的基准环境温度；θ0——实际环境温度。Igmax的确定：①由于发电机、变压器和调相机在电压降低5%时，出力不变，故其相应回路的Igmax=1.05Ie(Ie为电机额定电流)②母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变压器的Igmax③母线分段电抗器的Igmax应为母线上最大一台发电机跳闸时，保证该段母线负荷所需电流；④出线回路的Igmax除考虑线路正常负荷外，还应考虑事故时其它回路转移过来的负荷。4.5.2.3按短路条件进行校验(1)短路计算条件按短路条件校验电气设备的动、热稳定以及电器开断能力时，必须采用流过设备最大可能的短路电流，为此作验算用的短路电流应按下列条件确定：①容量和接线。按本工程设计最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划，其接线应按采用可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不考虑在切换过程中可能并列运行的接线方式。②短路的种类。一般按三相短路验算。69 石家庄铁道大学毕业设计③短路计算点。校验电器和载流导体时，必须在计算电路图上确定电器和载流导体处于最严重情况的短路地点，这些地点称为短路计算点。(2)短路计算时间选择电气设备时，除考虑上述计算条件外，还必须正确估计短路计算时间：断路器的实际开断时间tk，短路热稳定计算时间td。具体计算参照手册进行。(3)短路热稳定校验短路电流通过电气设备产生了热效应，满足短路热稳定的一般条件是：Qre≥Qd或Ire2tre≥Qd(4-8)式中，Qre——电气设备额定热效应(KA2·S)；Qd——在短路热稳定计算时间内，短路电流产生的热效应(KA2·S)。(4)短路动稳定校验短路时，电气设备承受的电动力效应决定于冲击短路电流，为了校验方便，制造部门通常用额定动稳定电流，即通过的极限电流峰值来表示电器承受电动效应的能力，因此，满足开关电器动稳定的一般条件是ide≥ich(3)(4-9)式中，ide——电气设备的额定动稳定电流(KA)；ich(3)——三相短路冲击电流(KA)。高压电气设备选择即校验项目如下表所示[11]：表4-3高压电气设备选择及校验项目设备名称电压(KV)电流(A)开断电流(KA)短路电流稳定其他校验项目选择性准确度及二次负荷热稳定动稳定断路器隔离开关负荷开关熔断器电压互感器电流互感器支持绝缘子套管绝缘子母线电力电缆√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√69 石家庄铁道大学毕业设计4.5.3短路电流计算4.5.3.1标幺制的运用电力系统的运行参数一般用电流、电压、功率、阻抗来表示。在进行电力系统计算时如计算某节点的电压、某短路点的短路电流、某负荷点的功率等，因为电力系统的复杂性即往往由多个电力变压器连接而组成电力系统，而不同电压等级的电路是不能一同进行计算的，必须进行折算将不同电压等级折算到统一电压等级下再进行相关计算。如果运用有名值(其参数一般均用有名值表示)进行计算，当电力网络较庞大时，会使计算很繁琐。因此，人们采用标幺值：标幺值是有名值除以选定的基准值(如基准电压，基准功率，以及通过基准电压和功率算出的基准电流和基准阻抗)。电力系统计算时，先选基准值，再把不同电压等级的有名值换成标幺值，以标幺值画等值电路进行计算，再把计算出的标幺值折算到相应电压等级的有名值。这样做的好处是：由于不同电压等级的有名值无法一同计算，需要先折算到同一电压等级下，以标幺值为中间量可以减少折算的次数。4.5.3.2电力系统短路计算的假设条件在含有多台同步发电机的电力系统中，三相短路的电磁暂态过程比单台电机要复杂得多，各个电机供出的短路电流不仅与本机的参数有关，还与其他电机的参数以及电力网的结构有关，要准确计算是十分困难和复杂的。因此电力系统短路电流的使用计算必须采用简化的方法。在满足工程计算准确度要求的前提下，力求计算简便，因此，在短路电流计算时做如下假定和简化：(1)电力系统是对称的三相系统。(2)电力系统中所有发电机电势的相角在短路过程中都相同，频率与正常工作时相同。(3)电力系统中各元件的磁路不饱和。即各元件的参数不随电流而变化，计算中可以应用叠加定理。(4)变压器的励磁支路略去不计。(5)电压等级为330kv及以下的输电线路的电容略去不计。(6)电力系统中各元件的电阻略去不计。只在计算非周期分量的衰减时间常数时才计电阻的作用。4.5.3.3电力系统短路电流计算的方法电网互联带来诸多优势的同时，也使电力系统的潮流计算、短路电流计算及保护的配置越来越复杂。69 石家庄铁道大学毕业设计为了解决上述问题，人们采用电力系统建模的方法，将电力系统抽象模型转换为数学问题来进行分析。其中发电机用电势源和电抗的串联或电流源和电导的并联表示，变压器、输电线路、负荷军用阻抗表示；然后根据电力系统实际接线图绘制电力系统模型(由电源、阻抗组成的网络图)，根据网络图可列出该网络的节点导纳(阻抗)矩阵。一般根据具体计算要求采用不同的计算方法：(1)起始次暂态电流的计算。对简单的电力系统，只需将不同的发电机和调相机分别用电势E〃、内电抗为Xd〃的电压源表示，就可用交流电路稳态计算方法，求得各发电机和短路点的I〃。对于负荷做如下处理：对于接近短路点的大容量同步和异步电动机，要作为提供起始次暂态电流的电源处理，异步电动机用E〃和X〃等值。对于接在短路点的综合负荷可近似地作为一台等值异步电动机，用E〃和X〃等值，取X〃=0.35标幺值。短路点以外的综合负荷，可近似用阻抗支路等值，阻抗值用正常时的电压和功率计算。更简略些的可用纯阻抗支路等值，电抗标幺值取1.2。远离短路点的负荷甚至可以忽略不计。用叠加定理进行计算，在短路点与地之间串接如两个理想的电压源，一个为故障前的电压UD(0),另一个为ΔUD=-UD(0)，因而确保短路点对地电压为零，正常运行时的电路，各节点的电流和电压可按潮流计算求得，故障情况的电路为一无源一端口网络，仅端口有电压ΔUD=-UD(0)，可很容易计算各节点电流和电压。从而将相应的正常分量和故障分量向量相加即为任一支路的实际电流或电压。不同电压等级的参数或基准值都是用变压器实际变比进行归算的。对于具有多种电压等级、元件数很多的大规模电力系统，参数标幺值的计算量很大，短路电流实用计算方法本身具有近似性，所以参数计算不需要如此准确。为了简化计算，假设①接在同一电压等级的电气设备的额定电压相等，其数值取这些设备额定电压的平均值，称为平均额定电压。②各变压器的变比用它各侧电力网平均额定电压之比代替。还有一种简易计算方法，它假定故障前电力网各节点电压等于平均额定电压，相位都相同，各支路起始次暂态电流只计及故障分量，这样则短路电流周期分量的标幺值为Ip*=1/Xff*。(2)起始次暂态电流的计算机算法。复杂电力系统的三相短路起始次暂态电流计算普遍应用计算机进行计算。通常应用叠加定理进行计算，先作潮流计算，得到各节点的正常电压，然后对故障分量等值网络进行求解，得到各节点电压的故障分量，最后根据各节点实际电压计算各支路的起始次暂态电流[12]。4.5.3.4短路电流计算(1)各元件参数的计算①系统参数的计算69 石家庄铁道大学毕业设计由于本变电所以外系统的参数未知，所以本变电站考虑成从无限大容量系统取得电能，即系统参数为S=∞,X=0。②电源进线参数的计算本站110kv电源进线为15km，采用架空形式。手册中查的单位电抗为0.4Ω/km所以得XL=0.4*15=6Ω③变压器参数的计算由表格1的主变参数可得ΔPk=194.4kw，ΔUk%=10.5%，ΔP0=36.3kw，ΔI0%=0.35,参数计算如下RT=ΔPk/3IN2=ΔPk(UN2/SN2)*103=194.4*(1102/500002)*103=0.941ΩXT=ΔUk%/100*(UNIN)=ΔUk%/100*(UN2/SN)*103=10.5/100*(1102/50000)*103=25.41Ω由于短路计算时需用标幺值，现将有名值转换成标幺值：选定UB=UavSB=100MVAXL*=XL*(SB/UB2)=6*(100/1152)=0.045XT*=XT*(SB/UB2)=25.41*(100/1152)=0.192(2)绘制等值电路图如图：(3)短路电流计算d1点短路时有Id1B=SB/UB1=100MVA/(*115KV)=0.502KA①总的电抗标幺值X∑d1*=X1=XL*=0.045②三相短路电流周期分量Id1*(3)=1/X∑d1*=1/0.045=22.22其有名值为Id1(3)=Id1*(3)*Id1B=22.22*0.502=11016KA③短路冲击电流ich1(3)=2.55Id1(3)=2.55*11.16=28046KAIch1(3)=1.51Id1(3)=1.51*11.16=16.85KA④三相短路容量Sd1(3)=UavId1(3)=*115*11.16=2222MVAd2点短路时有Id2B=SB/UB1=100MVA/(*115KV)=0.502KA①总的电抗标幺值X∑d2*=XL*/2=0.045/2=0.023②三相短路电流周期分量Id2*(3)=1/X∑d2*=1/0.023=44.44其有名值为Id2=(3)Id2*(3)*Id2B=44.44*0.502=22.31KA③短路冲击电流ich2(3)=2.55Id2(3)=2.55*22.31=56.89KAIch2(3)=1.51*Id2=(3)1.51*22.31=33.69KA69 石家庄铁道大学毕业设计④三相短路容量Sd2(3)=SB/X∑d2*=100MVA/0.023=4444MVAd3点短路时有Id3B=SB/UB2=100MVA/(*10.5)=5.5KA①总的电抗标幺值X∑d3*=XL*/2+XT*=0.0225+0.192=0.2145②三相短路电流周期分量Id3*(3)=1/X∑d3*=1/0.2145=4.66其有名值为Id3(3)=Id3*(3)*Id3B=4.66*5.5=25.64KA③短路冲击电流ich3(3)=2.55*Id3(3)=2.55*25.64=65.382KAIch3(3)=1.51*Id3(3)=1.51*25.64=38.72KA④三相短路容量Sd3(3)=SB/X∑d3*=100MVA/0.2145=466.2MVA则短路电流计算结果列表如下：表4-4短路计算结果列表短路电流计算点Id(KA)ich(KA)Ich(KA)Sd(MVA)d111.1628.4616.852222d222.3156.8933.694444d325.6465.3838.72466.24.5.4电气设备的选择(1)110kv进线侧隔离开关和断路器的选择①最大持续工作电流Igmax的计算Igmax=1.05Ie=1.05(SN/IN)=1.05(50000//110)=275.6A②根据UN=110kv和Igmax=275.6A及安装于室外的条件，查阅相关手册，选用GW4—110D和LW6—110Ⅰ型断路器。由手册可知此断路器的固有分闸时间tgf≤30ms，全开断时间tkd≤50ms③根据表格4中d1点的计算结果进行选择。④短路计算时间的确定断路器QF1实际开断时间tk=tb+tgf=0.05+0.03=0.08s热稳定计算时间td=tb+tkd=3.5+0.05=3.55≈4s⑤短路热稳定的计算69 石家庄铁道大学毕业设计用等值时间法计算Qd。当短路电流切除时间td≥1s时，导体发热多少主要由周期分量来决定，在此情况下，可不计算非周期分量的影响，此时Qd=I∞2tz，其中tz可由短路电流周期分量等值时间曲线查得，当td=4s时tz≈3.5s，则Qd=I∞2tz=11.162*3.5=435.91KA2·S⑥计算结果列表比较如下：表4-5技术数据比较计算数据技术数据计算参数UN(KV)Igmax(A)I∞(KA)ich(KA)Qd(KA2·S)计算值110275.611.1628.46435.91额定参数Ue(KV)Ie(A)Ike(KA)ide(KA)Ire2tde(KA2·S)GW4—11D11063050202*4=1608LW6—11Ⅰ110315040100402*4=6400经比较，技术参数大于计算数据，所选设备满足要求。(2)110kv侧电流互感器的选择①型式的选择根据安装场所和使用条件，选择电流互感器的绝缘结构(浇注式、瓷绝缘式、油浸式等)、安装方式(户内、户外、装入式、穿墙式等)、结构型式(多匝式、单匝式、母线式等)、测量特性(测量用、保护用等)。一般常用型式为：低压配电屏和配电装置中，采用LQ线圈式和LM母线式；6—20kv户内配电装置和高压开关柜中，常用LD单匝贯穿式和复匝贯穿式；发电机回路或2000A以上的回路，可采用LMC、LMZ、LAJ、LRD、LRZD型；35kv及以上的电流互感器多采用油浸式结构。本设计为110kv变电站，所以选用油浸式绝缘结构，户外安装。②按额定电压选择电流互感器的额定电压不小于装设电流互感器回路所在电网的额定电压。所以本例选用额定电压为110kv的电流互感器。③按额定电流选择电流互感器的一次额定电流不小于装设回路的最大持续工作电流。经上述分析，查相关手册选择LCWB—110(w)型电流互感器。④按准确度等级选择⑤校验二次负荷容量⑥校验热稳定69 石家庄铁道大学毕业设计电流互感器的热稳定能力用热稳定倍数kr表示，热稳定倍数kr等于互感器1s热稳定电流与一次额定电流IN1之比，故热稳定条件为(krIN1)2≥Qd(4-10)本例中kr=31.5/1.2=26.25；(26.25*1.2)2=992.25≥Qd=435.91所以满足要求。⑦校验动稳定电流互感器的内部动稳定能力用动稳定倍数kd表示，动稳定倍数Kd等于互感器内部允许通过的极限电流与一次额定电流IN1之比，故电流互感器动稳定条件为(kd*IN1)≥ich(4-11)查手册得kd=80/1.2=66.666.6**1.2=113>ich=28.46所以动稳定满足要求。经校验所选设备满足要求，选用LCWB—110(w)型电流互感器(3)110kv侧电压互感器的选择①型式的选择根据电压互感器的安装场所和使用条件，选择电压互感器的绝缘结构和安装方式。一般6—20kv户内配电装置多采用油浸或树脂浇注绝缘的电磁式电压互感器，35kv配电装置宜选用电磁式电压互感器；110kv及以上配电装置中尽可能选用电容式电压互感器。在型式选择时，还应根据接线和用途的不同，确定单相式、三相式、三相五柱式、一个或多个副绕组等不同型式的电压互感器。本例选用电容式电压互感器。②根据额定电压选择为保证测量准确性，电压互感器一次额定电压应在所安装电网额定电压的90%—110%之间。电压互感器二次额定电压应满足测量、继电保护和自动装置的要求，通常，一次绕组接于电网线电压时，二次绕组额定电压选为100v；一次绕组接于电网相电压时，二次绕组额定电压选为100/v；当电网为中性点非直接接地系统时，互感器辅助副绕组额定电压选为100/3v。本例中二次额定电压选为100/v。经上述分析，选用TYD110/—0.015型电压互感器。(4)110kv进线侧避雷器的选择目前我国生产和使用的避雷器主要有阀式避雷器、管型避雷器及保护间隙，其中阀式避雷器有以电工碳化硅阀片为基本元件的避雷器和以氧化锌阀片为主体的金属氧化物避雷器。69 石家庄铁道大学毕业设计以电工碳化硅阀片为基本原件的阀式避雷器，正常运行时靠间隙将其同电源隔开，出现过电压时间隙被击穿，阀片放电泄流。以氧化锌阀片为主体的金属氧化物避雷器，在正常工频电压下呈高阻状态，从而限制了正常运行工况的泄漏电流；在大的放电电流下呈低阻，从而限制加在避雷器上的电压。因氧化锌避雷器无间隙、无续流、残压低、动作速度快、体积小、质量轻、结构简单、运行维护方便、使用寿命长等优点，所以已被广泛使用，并逐步取代碳化硅阀片避雷器。由上本站选用Y10W1—96/238型避雷器。(5)110kv进线侧导线的选择①导线型式的选择。母线有软硬之分，软母线一般采用钢芯铝绞线，用悬式绝缘子将其两端拉紧固定。由于软导线施工方便，主要适用于架空电力线路及各型户外配电装置。硬母线采用矩形、槽型或管型截面的导体，用支柱绝缘子固定。由于硬母线机械强度高，载流量大，布置上要求相间距离小，故主要作为发电机至变压器的引接线及屋内配电装置。母线材料有铜、铝、钢三种。铜的电阻率低，机械强度高，防腐性能好。便于接触连接，是优良的导电材料，但我国铜储量不多，比较贵重。因此有选择的用于重要的、有大电流接触连接或有防腐性气体场所的母线装置。铝的比重只有铜的30%，导电率为铜的62%，而铝的价格比铜低廉，且储量大，故以铝代铜有很大的经济意义，但铝机械强度和耐腐蚀性能较低，接触连接性能较差。钢母线价廉，机械强度高，焊接简便，但电阻率为铜的7倍，且趋肤效应严重，若常载工作电流则损耗大，常用于电压互感器、避雷器回路引接以及接地网的连接等。经上述分析，本例选用钢芯铝合金软导线。②导线截面的选择选择导线截面的实用方法当为35kv及以上电压等级的送电线路。这类线路首先应按经济电流密度选择导线截面，再按电晕条件、允许载流量条件和机械强度等校验。当为10kv及以下电压等级的送电线路。这类线路往往是按允许电压损耗选择导线截面，再按允许载流量、机械强度等进行校验。当为低压配电线路。这类线路由于线路较短,电压损耗较小,导线截面主要按允许载流量选取。•按经济电流密度法进行选择Igmax=275.6A，根据当地负荷性质得Tmax=6000h，J=0.9Sj=Igmax/J=275.6/0.9=306.2mm2.69 石家庄铁道大学毕业设计经手册查得对应的标称截面积为300mm2.•按电晕条件进行校验110kv及以上线路，避免电晕产生往往是限制导线截面不能过小的主要原因,通常所选导线产生电晕的临界电压应大于其最高工作电压。当海拔不超过1000m时，在常用的相间距离下，如导线截面积不小于下表，则可不进行电晕校验。表4-6不必校验电晕的导线最小型号及外径额定电压(KV)110220330500软导线型号LGJ—70LGJ—300LGJ—630LGJ—500LGJ—2*300LG—4*300管型导线外径φ20φ30φ40本例为110kv线路，所选导线型号为300mm2.不必校验导线电晕条件。③按允许载流量校验Iy=Ie=*486=428.6>Igmax=275.6满足要求④按机械强度进行校验为保证架空线路具有必要的机械强度，对于跨越铁路、通航河流、公路、通信线路以及居民区的电力线路，其导线截面积不得小于35mm2，通过其他地区的允许最小截面积为：35kv及以上线路25mm2，35kv及以下线路16mm2.软母线是钢芯铝绞线，因其机械强度决定于支撑悬挂的绝缘子，所以不必校验其机械强度。综上分析，选用LHBGJ—300型导线符合要求。(6)10kv母线的选择①母线型式的确定硬母线采用矩形、槽型或管型截面的导体，用支柱绝缘子固定。由于硬母线机械强度高。载流量大，布置上要求相间距离小，故主要作为发电机至变压器的引接线及屋内配电装置。69 石家庄铁道大学毕业设计圆形截面母线的曲率半径均匀，无电场集中现象，不易产生电晕。但散热面积小，曲率半径不够大，作为硬母线抗弯性差，故圆形母线主要是作为软母线的钢芯铝绞线。管型母线曲率半径大，材料利用率、散热、抗弯强度和刚度都较圆形截面好。常用于220kv及以上屋外配电装置做长跨距硬母线，也做特种母线。矩形母线，散热面积大，趋肤效应小，材料利用率高，承受立弯时的抗弯强度好，但周围的电场不均匀，易产生电晕，故只用于35kv及以下硬母线。根据上述分析，本站选用矩形铝母线。②母线截面的选择•最大持续工作电流计算按变压器回路的最大持续工作电流计算Igmax=1.05Ie=1.05*(SN/UN2)=1.05*(50/(*10))=3.03KA•按满足长期允许发热条件选择导线由Igmax=3.03KA，查手册选用S=125*10三条平放矩形铝母线，其Ie=3275A。Iy=Ie=*3725=3285AIy>Igmax•按短路热稳定进行校验短路计算点为d3Id=25.64KA,ich=65.38KAθw=θ0+(θe-θ0)(Igmax/Iy)2=35+(70-35)*(3.03/3.285)2=64.78查表得C值为77.43又Qd=Id2tz=25.642*3.5=2300KA2·S则Smin=(/C)*103=619.5mm2.S=125*10mm2>619.5mm2所以选用的母线满足要求。•短路动稳定校验综上，选用125*10矩形铝母线。(7)10kv高压开关柜的选择①高压开关柜型式的确定屋内配电装置主要有装配式和成套式两种。为了将设备的故障影响限制在最小范围内使故障的电路不致影响到相邻的电路,在检修一个电路中的电器时，避免检修人员与邻近电路的电器接触，在屋内配电装置中将一个电路内的电器与相邻电路的电器用防火墙隔开形成一个间隔。同一个电路的电器和导体应布置在一个间隔内，并在现场组装，这样的结构型式称为装配式屋内配电装置，由厂家统一按照一定要求生产并运到现场直接安装应用的称为成套式配电装置。近年来高压开关柜的开发和制造，发展的步伐较快，额定电压有3、6、10、35kv等多种，额定电流可达3150A，开断电流可达50KA，接线方式从单母线发展到单母线带旁路母线和双母线，结构形式从金属铠装式发展到间隔式，从固定式发展到移开式，柜内断路器从少油式发展到SF6断路器和真空断路器等，适用范围广泛。69 石家庄铁道大学毕业设计高压开关柜应实现电气和机械的“五防闭锁”，防止误操作，提高安全可靠性。“五防”的具体要求是：•防止误分、误合断路器；•防止带负荷分合隔离开关；•防止带电挂接地线；•防止挂接地线合闸；•防止误入带电间隔。高压开关柜有固定式和手车式(移开式)两大类型。二者区别在于移开式高压开关柜的高压断路器等主要设备是装在可以拉出和推入开关柜的手车上。高压断路器等设备出现故障需要检修时，可随时将其手车拉出，然后推入同类备用小车，即可恢复供电。与固定式相比，手车式具有检修方便、供电可靠性高的优点，但其价格较贵。经上述分析，选择JYN2—10型高压开关柜。②隔离开关及断路器的选择•10kv母线进线及母联隔离开关和断路器的选择由Igmax=3.03KA，UN=10KV，初步选用GN10T/4000隔离开关与ZN—10/3150—40断路器。该断路器固有分闸时间为0.08s，熄弧时间为0.3s。热稳定计算时间为td=tb+tkd=3.5+0.08+0.3=3.88≈4s。表4-710kv母线进线及母联断路器与隔离开关数据比较计算数据额定数据ZN—10/3150—40GN10T/4000UN(KV)10UN(KV)10UN(KV)10Igmax(A)3030Ie(A)3150Ie(A)4000ich(KA)25.64ide(KA)100ide(KA)160Qd(KA2·S)2300Qre(KA2·S)6400Qre(KA2·S)32000经比较，所选设备满足要求。•10kv出线回路隔离开关及断路器的选择取Igmax=1500A，又UN=10KV，初步选用GN10T/3000隔离开关，及ZN—10/2000—40断路器。表4-8技术数据比较计算数据额定数据ZN—10/2000—40GN10T/3000UN(KV)10UN(KV)10UN(KV)1069 石家庄铁道大学毕业设计Igmax(A)1500Ie(A)2000Ie(A)3000ich(KA)65.38ide(KA)100ide(KA)160Qd(KA2·S)2300Qre(KA2·S)3200Qre(KA2·S)28125经比较，所选设备合格。③电流互感器的选择•10kv母线进线及母联电流互感器的选择由安装于户内，Igmax=3.03KA，UN=10KV等条件选择LAJ—10型电流互感器。选额定一次电流为4000A。查手册知其热稳定倍数Kr=50，动稳定倍数Kd=90。热稳定校验：由式(5-12)(KrIN1)2≥Qd有(50*4)2=40000>Qd=2300所以热稳定满足要求。动稳定校验：由式(5-13)(Kd*IN1)≥ich有(90**4)=509.12>ich=65.38动稳定满足要求。所以所选电流互感器合格。•10kv出线回路电流互感器的选择Igmax=1500A，又UN=10KV，初选LAJ—10型额定一次电流为2000A的电流互感器。其Kr=50，动稳定倍数Kd=90。热稳定校验：(KrIN1)2≥Qd(50*4)2=40000>Qd=2300所以热稳定满足要求。动稳定校验：(Kd*IN1)≥ich(90**4)=509.12>ich=65.38动稳定满足要求。所以所选电流互感器合格。④互感器的配置原则电压互感器的配置原则：69 石家庄铁道大学毕业设计•电压互感器的数量和配置与主接线方式有关，并应满足监视、测量、保护、同期和自动装置的要求。电压互感器的配置应能保证在主接线的运行方式改变时，保护装置不得失压，同期点的两侧都能提取到电压。•6—220kv电压等级的每组主接线的三相上应装设电压互感器。旁路母线上是否需要装设电压互感器，应视各回路出线外侧装设电压互感器的情况和需要确定。•但需要监视和检测线路侧有无电压时，出线侧的一相上应装设电压互感器。•发电机出口一般装设两组电压互感器，供测量、保护和自动电压调整装置需要。电流互感器的配置原则：•凡有断路器的回路均应装设电流互感器，其数量应满足测量仪表、保护和自动装置的要求。•在未设断路器的下列地点也应装设电流互感器，如发电机和变压器的中性点、发电机和变压器的出口、桥形接线的跨条上。•对直接接地系统一般按三相配置。对非直接接地系统。依据具体技术要求按两相或三相配置，为了监视三相电流的平衡和差动保护的需要。该处的电流互感器必须采用三相配置[13]。4.5.5电气设备选择结果列表表4-9电气设备选择结果列表110kv侧10kv侧设备名称型号设备名称型号电源进线LHBGJ—300母线LMY125*10断路器LW6—110Ⅰ高压开关柜JYN2—10隔离开关GW4—110D母联隔离开关GN10T/4000电流互感器LCWB—110(w)母联断路器ZN—10/3150—40电压互感器TYD110/—0.015母联电流互感器LAJ—10/4000出线隔离开关GN10T/3000避雷器Y10W1—96/238出线断路器ZN—10/2000—40出线电流互感器LAJ—10/200069 石家庄铁道大学毕业设计69 石家庄铁道大学毕业设计图4-6电气主接线图69 石家庄铁道大学毕业设计第5章变电站的防雷与接地5.1变电站防雷5.1.1变电站防雷的必要性绝缘材料是电力系统的重要组成部分，通过绝缘材料可将不同电位导体间的电压保持住。如绝缘子和空气完成了架空输电线与大地及各相导线间的绝缘，变压器油完成了一次绕组与二次绕组的绝缘等等。当作用与绝缘材料上的电压达到某个临界值时，流过绝缘材料的电流会急剧增加，绝缘材料就会失去绝缘性能而成为导体，从而使电力系统的正常运行受到影响，影响供电可靠性，严重时还可能危及电力系统的稳定性。电力系统过电压分为内部过电压和雷电过电压，它们所产生的过电压均可能会击穿绝缘材料，从而引发电力系统故障，因此，采取措施限制过电压是电网建设必不可少的项目。5.1.2变电站的防雷5.1.2.1变电站高压配电装置的直击雷防护根据我国110-500kv变电站的运行经验，由于110kv及以上电压等级的电气设备绝缘水平较高，如果电站采用敞开式高压配电装置、敞开式电气设备时，可直接在变电站构架上安装避雷针或避雷线作为直击雷防护装置。5.1.2.2变电站电气设备的雷电侵入波过电压防护对雷电侵入波过电压保护的根本措施在于在变电站内适当位置安装金属氧化物避雷器。5.2变电站的接地5.2.1接地的必要性接地技术历史悠久，大约230年前，因雷电试验而有名的富兰克林在进行试验时，在大地上安装了接线端子，即实施了接地，从那以后，接地作为基本的电气安全技术相传至今。69 石家庄铁道大学毕业设计大地是个导电体，当中没有电流通过时是等电位的，通常人们认为大地具有零电位。所谓接地就是在大地上设置电气接线端子。为了防止因高压与低压接触而发生的2次绕组侧电路的灾害，2次绕组侧需要进行接地；电气设备绝缘恶化，由内部的带电部分向外部露出的非带电金属部分发生异常电压，会造成触电危险，因此将设备外露非带电金属部分接到大地；雷电流流入电气设备，会造成其电位异常升高，必须将避雷设备进行接地，将雷电流安全导入大地；由于摩擦产生的静电会引起许多障碍，为了防止静电积蓄引发其他事故，须将静电快速导入大地；为了使卧床的患者能够接触到所有金属设备(床架、床头灯等)不发生危险的电位差，须将这些金属部分互相连接并接地，做到等电位连接。接地技术已成为一门不可或缺的安全技术。5.2.2变电站接地设计接地主要是通过在大地中埋入接地体，并通过金属连接线将电气设备需接地部分与接地体进行连接实现的。接地体可以是兼作接地体而埋入地下的金属管道、金属结构、钢筋混凝土地基等自然接地体，也可以是采用钢管、角钢、扁钢、圆钢等钢材料特意制作而埋入地下的人工接地体。变电站有大量的高压设备及二次控制设备，为了保证电力系统运行安全及二次系统稳定运行，必须对变电站的接地进行可靠设计。变电站的接地一般是根据安全和工作接地要求敷设一个统一的接地网，然后再在避雷针和避雷器安装处增加接地体以满足防雷接地的要求。接地网由扁钢水平连接。埋入地下0.6-0.8m处，其面积大体与变电所面积相同。69 石家庄铁道大学毕业设计第6章结论与展望6.1毕业设计总结进入大四下半年，我们的主要任务有两个：生产实习和毕业设计，旨在强化专业课的学习，提高我们的专业素养。为日后走向工作岗位做必要的准备。毕业设计从三月份开始进行：查找资料、撰写毕业设计任务书、撰写开题报告、进行初步设计、撰写毕业设计说明书。在老师的指导下，我的毕业设计顺利进行着。通过两个多月的毕业设计，虽然时间不长，但我感觉学会了很多东西。经过毕业设计，我明白了变电站设计的基本流程，了解了变电站设计的研究方法及国内外发展情况，从而是我的知识体系更加完善。在设计过程中，对所学电力系统知识进行了综合运用：电力系统建模、短路电流计算等，在实际设计中体会到了书本知识的实用性。知道了规划设计调研的重要性。做任何一项工作前，都应有前期的准备工作，通过毕业设计任务书及开题报告，我明白里基本设计思路。是我的毕业设计工作得以顺利进行。在设计过程中，我深刻体会到了知识其实就是在实践的基础上的不断积累，尤其是在电力系统方面，前人在电力系统发展及运行实践中不断发现问题、解决问题，逐渐形成了电力系统学科，为我们学习电力系统带来了方便。所以在设计中要注重查阅手册、参考文献、参考已有研究结果及结论的重要性。随着经济发展，各学科的综合性不断提高，各学科的相互渗透不但加强，除了学好本专业知识外，还应注重知识面的广博性，全面提高驾驭知识的技能。6.2变电站的发展展望在当今数学和计算机技术迅速发展的时代，变电站也在经历着前所未有的发展。在电力系统形成初期，只是单一的发电机供电回路：发电机—升压变压器—输电线路—降压变压器—用户。后来随着电能质量的不断提高及经济的发展逐渐形成电力系统，系统容量不断扩大，为了保证系统运行的稳定性，确保供电质量，就要求有能通断大电流的开关设备及相应的保护电器出现。69 石家庄铁道大学毕业设计电力系统一次设备的发展，主要体现在容量的不断扩大及绝缘水平的不断提高：水银开关、自动空气开关、羊角形断路器、磁吹断路器、油断路器、真空断路器、六氟化硫断路器。大容量开关设备不断出现，适应了电力系统的发展。另外，发电机也出现了超临界、超超临界机组，发电容量日益扩大。电力系统二次系统的发展，主要表现在继电保护技术的不断进步。传统的变电站二次系统主要由继电保护、就地监控、远动装置、录波装置等组成，在实际应用中是按继电保护、远动、就地监控、测量、录波等功能组织的，相应的就有保护屏、控制屏、录波屏、中央信号屏等。每个一次设备例如一台变压器、一组电容器等，都与这些屏有关，因而每个设备的电流互感器二次侧都需引到这些屏上，同样断路器的跳合闸回路也需连到保护屏、远动屏及其他自动装置屏上。变电站的电缆错综复杂随着计算机技术的不断发展，后来出现了变电站综合自动化系统。它利用多台微机子系统组成自动化系统，代替常规的测量和监视仪表，代替常规的控制屏、中央信号屏和远动屏，由微机保护代替常规的继电保护，改变常规继电保护装置不能与外界通信的缺点。近来又出现了智能变电站，在综合自动化基础上加装了智能元件。传统的电磁式互感器由电子式互感器取代，经合并单元后由光纤向外提供经数字化的一次电量信息。传统的变压器、断路器等一次设备加装智能元件，实现信号的数字转换与状态监测。采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等功能。并根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能变电站。随着大规模联网的实现，电网容量不断扩大，电网结构越来越复杂，使得潮流计算、稳定性分析、继电保护配合等越来越复杂，直至当今还有电网运行故障不时出现，为了保证电网稳定可靠运行，对电力系统的研究仍在进一步发展中。69 石家庄铁道大学毕业设计参考文献[1]王先冲.电工科技简史[M].高等教育出版社,1995.[2]刘振亚.特高压电网[M].中国经济出版社,2005.[3]天津大学电力及自动化工程系发电教研室.农村电力网[M].科学出版社,1978.[4]陈章潮，唐德光.城市电网规划与改造[M].中国电力出版社,1998.[5]陈志永，杨俊峰.河北南部电网运行方式初探[J],2001.[6]杨书敏，刘正波.电网结构优化及变压器的选择.农村电工[J],2012.[7]余中树.提高我县供电质量.农村电工[J],1997.[8]罗云霞，李燕.电力系统基础[M].黄河水利出版社,2009.[9]狄富清.变电设备合理选择与运行检修[M].机械工业出版社,2006.[10]谢珍贵，汪永华.发电厂电气设备[M].黄河水利出版社,2009.[11]何仰赞，温增银.电力系统分析[M].华中科技大学出版社,2002.[12]电力工业部西北电力设计院.电力工程电气设备手册—电气一次部分[M],中国电力出版社1998.[13]G.J.CHENG,Q.TANGK,K.LI,T.S.CHUNG.ANovelHeuristicMethodforDistributionSystemPlanning.ElectricMachinesandPowerSystems[J].Vol.29No.1-6.Taylor&Francis,2001.[14]R.W.FERRERO,S.M.SHAHIDEHPOUR.OptimalPowerTransactionswithNetworkConstraintsinDeregulatedSystems.ElectricMachinesandPowerSystems[J].Vol.25No.1-6.Taylor&Francis,1997.69 石家庄铁道大学毕业设计致谢毕业设计是几年来专业知识学习的结晶，作为电气工程及其自动化专业的学生，从接触这个专业到渐渐熟悉再到对它十分感兴趣，经过两年的学习，我对电力系统专业有了基本了解，培养了专业方向。毕业设计的顺利展开，首先要感谢几年来任课老师的悉心教导，将这个专业的知识从电路基础、电机学等专业基础课到电力系统分析、电力系统继电保护、工厂供电等专业课一一进行传授讲解，把电的世界的大门向我打开。再到微机原理、单片机、现代控制等扩展课程，使我看到了专业发展的前沿，为我在这条路上走的更远打下基础。毕业设计的顺利进行还必须感谢毕业设计指导老师韩老师的引领与帮助，在韩老师的指导下，我的毕业设计有了一个良好的开端，使我确立了清晰的毕业设计思路，为日后毕业设计其它工作的进行做了良好的铺垫。对毕业设计过程中遇到的问题韩老师皆给予了指导与帮助，使我的毕业设计有了比较满意的结果。最后，还要感谢学校图书馆为我们提供了丰富的参考资料，使我们的每一步设计、每一个疑难问题都能够的到解答，最后完成一个比较满意的毕业设计。69 石家庄铁道大学毕业设计附录A外文参考文献A1英文原文ElectricPowerComponentsandSystems,29:491-502,2001Copyright2001，Taylor&Francis1532-5008/01$12·00+·00ANovelHeuristicMethodforDistributionSystemPlanningG·J·CHENG·Q·TANGDepatementofElectricalEngineeringSoutheastUniversityNanjing,ChinaK·K·LIT·S·CHUNGDepartmentofElectricalEngineeringTheHongKongPolytechnicUniversityHungHom,Kowloon,HongKongNumberousmathematicaloptimizationmethodshavebeenusedtoobtaintheoptimalsolutiontotheproblemofdistributionsystemplanning,whichofenaretimeconsumingandonlyrestrictedtosmallsizedistributionsystems.Inthispaper,anovelheuristicmethodisdevelopedtosolvetheproblemofdistributionsystemplanning.Themethodiscomposedofthreesteps.Firstofall,aninitialredundantnetworkisformedbycombiningtheexistingnetworkandtheprobablenewadditions.Anewefficienttwo-stageloadflowmethodsispresentedandintegratedintoarecursiveprocesstodeterminetheoptimalcombinationof69 石家庄铁道大学毕业设计substationsandderivetheirserviceareas.Secondly,aheuristicapproachisusedtoobtaintheradialnetworkconfigurationofeachsubstation.Finally,analgorithmbasedonbranchexchangetechniqueisimplementedbetweenelementsofadjacentdistributionzonestoobtainthefinalplanningscheme.Adistributionsystemwith6substationsand98feedersisstudied,whichdemonstratesthefeasibilityandefficiencyoftheproposedmethod.Keywords：distributionsystemplanningheuristicmethodloadflow.branchexchangeⅠIntroductionSincethecapitalinvestmentofthenetworkexpansionindistributionsystemisverylarge,plannershavebeentryingtheirbesttoseekmoreefficientmethodsfordistributionsystemplanning.Theplanningofdistributionsysteminvolvesoptimizingtheselectionofinstallationtime,location,andsizeofnewsubstationsandfeederstomeettherequirementofloaddemandsundertheconstraintsofsubstationcapacity,feederthermalcapacity,voltagedrop,radialnetworkconfiguration,andreliability.Becausemanyvariablesandconstraintsareconcerned,itisaverycomplex,large-scalecombinationoptimaizationproblem.Numerousmethmaticaloptimizationmethodshavebeendevelopedtosolvethiscomplicatedproblem[14];mostofthemhavemadesomeapproximationseitherontheobjectiveorontheconstraints,Evenifamethodhasarelativelycompletemodel,itofenistimeconsumingandrestrictedtosmallsizesystems[4-6].Amongthesemethods,heuristicmethods,althoughapproximate,havebeendemonstratedtobequickerandmoreeffective[7-11].Animportanttechniquecalledbranch-exchangehasbeenadoptedintheseheuristicmethodstogetanapproximateoptimalsolution;however,whenthepossibleadditionsofthenetworkarelarge,theyneedmoreiterationtocompletethebranchexchange,whichinfluncesthespeedofthesealgorithms.Inthispaper,anovelheuristicmethodbasedonthebranchexchangetechniqueisproposedtosolvetheproblemofoptimaldistributionsystemplanning.Throughtheapplicationofdecompositiontechniqueandtwoeffectivenessratioindexes,theproposedalgorithmneedsonlyafewiterationstocompletethebranchexchange,whichmakesitveryquickandeffective.Themethodiscomposedofthreesteps.Firstofall,aninitialredundantdistributionnetworkisformedbycombiningtheexistingnetworkandtheprobablenewadditions.Arecursiveprocessrecurringtotheloadflowanalysisiscarriedouttodeterminetheoptimalcombinationofsubstationsandderivetheirserviceareas.Tocalculatetheloadflowofredundantdistributionsystem,a69 石家庄铁道大学毕业设计new,effective,two-stageloadmethod,whichiscapableofsolvingtheloadflowproblemofmesheddistributionsystemsispresented.Secondly,aheuristicapproachisusedtoobtaintheradialnetworkconfigurationofeachsubstation.Aneffectivenessratioindexisdefinedforfeedersintheredundantnetworktodeterminewhichfeedersshouldbediscarded.Finally,analgorithmbasedonbranchexchangetechniqueisimplementedbetweenelementsofadjacentdistributionzonestoobtainthefinalplanningscheme,Themethodhasbeentestedonadistributionsystemwith6substationsand98feedersforthefeasibilityandefficiency.Resultsarealsogivenanddiscussedinthispaper.ⅡFormulationofDistributionSystemPlanningTheodjectiveofdistributionsystemplanningistheminimizationofthepresentworthofthefixedcostofthedistributionsystemexpansionandthepresentworthofthevariablecostsassociatedwiththepowerlossesundertheconstrainesofsubstationcapacity,feederthermalcapacity,voltagedrop,radialconfiguration,andreliability.Suchaproblemisalarge-scale,dynamic,nonlinear,mixed-integerprogrammingproblem,whichcanbeformulatedasfollows:Minimize:Z=WhereTisthelenthoftheplanninghorizonSEisthesetofnodesassociatedwithexistingsubstationsSPisthesetofnodesassociatedwithproposedlocationsforbuildingnewsubstationsFEisthesetofexistingfeedersFPisthesetofproposedfeederstobebuiltintheplanistheenergeylosscostcoefficientofexistingsubstationiattimetistheenergeylosscostcoefficientofproposedsubstationiattimetistheenergeylosscostcoefficientofexistingfeedersiattimetistheenergeylosscostcoefficientofproposedfeedersiattimet=1ifsubstationiistobebuiltattimet,otherwise=069 石家庄铁道大学毕业设计=1iffeederiistobebuiltattimet,otherwise=0isthepresentworthoffixedcostofconstructingsubstationiattimetisthepresentworthoffixedcostofconstructingfeederiattimetisthepowerflowsuppliedbyexistingsubstationiattimetisthepowerflowsuppliedbyproposedsubstationiattimetisthepowerflowofexistingfeederiattimetisthepowerflowofproposedfeederiattimetSubjectto:1.Conservationofpowerflow:AtPt=Dt(t=1,2,…T)(2)WhereAtisthenode-arcincidencematrixattimetPtisthevectoroffeederpowerflowattimetDtisthevectorofloaddemandattimet2.Powercapacityconstraints:Pit≤PiMax(3)fori∈SU∪SP∪PE∪FP,t=1,...T.3.Voltagedropconstraints:Vit≥Vmin(4)fori=1,…N(Nisthenombetofnodes),t=1,…T4.Radialconfigurationconstraints;5.Logicalconstraints.IfT=1,theaboveproblemisasingle-stagedistributionsystemplanningproblem.Inthispaper,onlysingle-stageplanningproblemisconsidered,anditcanbeextendedtothemultistagedistributionsystemplanning.ⅢProposedHeuristicMethodforDistristributionSystemPlanningTheproposedmethodiscomposedofthreesteps.Inthefirststep,arecursiveprocessispresentedtodeterminetheoptimalcombinationofsubstationsandderivetheirserviceareas.Inthesecondstep,aheuristicmethodispresentedtoobtaintheradialsolutionofeachsubstation.Finally,analgorithmbasedonbranchexchangetechniqueisimplementedtoobtainthefinalplanningschemeofthedistributionsystem.3.1DeterminetheOptimalCombinationofSubstationsand69 石家庄铁道大学毕业设计DeriveTheirServiceAreasThealgorithmofdeterminingtheoptimalcombinationofsubstationsandderivingtheirserviceareasisoutlinedasfollows:(1)Forminganinitialredundantnetworkbycombiningtheexistingnetworkandthenewprobableadditions(includingsubstationsandfeeders)(2)Caculatepowerflowofthisredundantnetworkusingatwo-stageloadflowmethod(3)Checktheoptimalityofsubstationsaccordingtotheresultsofpowerflow(4)Iftheoptimalityofsubstationsisreached,gotostep(7)(5)Caculatetheeffectivenessratioindexforeachnewsubstationsintheredundantnetwork(6)Discardthesubstationwithminimumeffectivenessratioindexandrepeatstepds(1)-(5)(7)Determinetheserviceareaforeachnewsubstation3.1.1Loadflow.Itcanbeseenthatacompleteloadflowisrequiredintheprocessoftheabovealgorithm.Becausetheredundantnetworkisameshednetwork,theloadflowmethodmustbecapableofdealingwiththeloadflowproblemofdistributionnetworkswithmeshedconfiguration.Inthispaper,anewefficienttwo-stageloadflowmethodisproposed.Inthefirststage,ameshednetworkisconvertedtoaradialnetworkbybreakingtheloops.Theloadflowofthisradialnetworkiscalculatedbyapplyingtheforward/backwardsweepmethod[12];Breakpointcurrentsarethenworkedout.Inthesecondstage,theinjectioncurrentsofbreakpointsaremodifiedandtheloadflowoftheradialnetworkiscalculatedagain,whichisjusttheloadflowoftheoriginalmeshednetwork.3.1.2Stageone1.Themeshednetworkisconvertedtoaradialnetworkbybreakingtheloops.Theequivalentprocedureofasingle-loopnetworkisdepictedinFigure1.InFigure1,thecurrentpassingthroughnodejisequivalenttotwoinjectioncurrentswiththesamemagnitudeandoppositedirections.ThecurrentsareIj=-Jj,Ij’=Jj.Formultiloopnetworks,amultiportcompensationtheoryisintroduced[16]to69 石家庄铁道大学毕业设计convertameshnetworktoaradialnetwork.Figure2isthemultiportequiverlentloadflowofamultiloopnetwork.2.Caculateloadflowoftheequiverlentradialnetworkusingtheforward/backwardsweepmethod.Thebreakpointcurrentsaresettobe0atfirst.ThepurposeofthisprocessistoobtaintheTheveninequiverlentvoltagedifferencevector(p*1.pisthenumberofloops)oropencircuitbreakpointvoltageofthemultiportnetwork.3.Calculatethebreakpointimpedancematrixasdescribedin[12]4.Calculatethebreapointcurrents.ThebreakpointcurrentsaresolvedthroughtheequationResultofthenetworkmnnodejJj(a)beforebreakingtheloopResultofthenetworkmnJj-Jj(b)afterbreakingtheloopFigur1Equivalentprocessofsingleloopnetwork(6)3.1.3Stagetwo.ThebreakpointcurrentsobtainedinstageonearetheEquivalentcurrentinjectionafterthemeshednetworkisconvertedintotheRadialnetwork.injectioncurrentsofbreakpointsaremodifiedandtheloadflowOftheradialnetworkiscalculatedagain.TheresultsofthiscalculationareTheflowresultsoforiginalnetwork.Thewholeprocedureofproposedmethodrequirescalculatingtheloadflowofradialdistributionnetworktwice.Althoughtheircomputationprocessesareverysimilar,thepurposefortwocalculationsarediffereft.Instageone,thecalculationistogettheopen-circuitbreakpointvoltageofthemultiportnetwork.Whileinstagetwo,thecalculationistocalculatethepowerflowoftheequivalentradialnetwork.69 石家庄铁道大学毕业设计3.1.4Effectivenessratioindexofsubstations.TodeterminewhichprobablenewSubstationswillbediscardedintheaboveprocess,aneffectivenessratioindexOfsubstationsisdefinedasfollows:EI=(7)WhereSiisthetotalKVAloadofsubstationiCiisthecostofsubstationI,includingthecapitalcostandtheenergyLosscostResultofnetwork12PFigure2MultiportequivalentnetworkofthemultiloopnetworkEachtime,thesubstationwiththeminimumeffectivenessratioindexisDiscarded.Theprocessrepeatsuntiltheoptimalityofsubstationisreached.TheCombinationofrestsubstationsistheoptimalcombinationofsubstations.3.1.5Deriveserviceareas.ServiceareasofsubstationsmustbedeterminedtoReducethetotalcostofdistributionnetwork,improvethevoltageprofile,andBalancethedistributionofloaddemands.Tosatisfytheserequirements,theNetworkmustarriveatanoptimalflowpattern.Figure3isasingleloopnetworkwithsubstationAandB.Whenarrivingatanoptimalflowpattern,thedistributionofpowerflowisDecidedbyresistanceofthenetwork.Forexample:Sa=69 石家庄铁道大学毕业设计OptimalflowpatterncanbeestablishedbyopeningthebranchhavingminimunFlow[10]Basedontheaboveprinciple,aprocedureisusedtoderivetheserviceareaForeachsubstationasfollows:(1)Selectoneboundarynodefromtheredundantnetwork,whereboundarynodeReferstonodethatisfedbymorethanonesubstation(2)Comparethepowerflowsoffeedingfeedersfromdifferentsubstations.Thefeederisassignedtothesubstationwithmaximumpowersupply,andfeederswithpowerflowfromothersourceareopened.(3)Repeatsteps(1)-(2)untilallboundarynodesareselected.Theresultantnetworkiscomposedofseveralredundantsubnetworks,eachwithonesubstation.3.2DeterminetheRadialNetworkConfigurationofEachSubstationTodeterminetheradialnetworkconfigurationofeachsubstation,aheuristicalgorithmisproposed,whichisdecribedasfollows:(1)Calculatetheloadflowofredundantnetworkusingthetwo-stageloadflowmethodasdescribedinSection3.1(2)Calculatetheeffectivenessratioindexforeachproposednewfeeder(3)Discardthefeederwithminimumeffectivenessratioindex(4)Repeatsteps(1)-(3)untilaradialnetworkconfigurationofthesubstationisobtained.Theeffectivenessratioindexforfeederiisdefinedasfollows:ABSaaZ1Z2Z3Z4S1S2S3Fi=SbFigure3Asingleloopnetwork69 石家庄铁道大学毕业设计WherePiistheactivepowerflowoffeederiCiisthecostoffeederiIntheaboveprocess,ifoneofthefollowingsituationsappearafterdiscardingafeeder.thefeedershouldbereservedandthefeederwithsecondminimumeffectivenessratioindexisdiscarded:(1)Someisolatednodesappear(2)LinecapacitylimitviolationsappearWhileifsubstationcapacitylimitviolationsappearinthisprocess,theyAreignored,fortheycanberemovedbybranchexchangeinthenextstep.Ifanyvoltagelimitviolationsappear,theyarealsoignored.fortheycanberemovedbyeitherbranchexchangeorchangingthefeedertype.3.3BranchExchangeSincetheserviceareaofeachsubstationisderivedbyaheuristicprocessinSection3.2,itmaynotalwaysbeoptimalpartitionofserviceareas.Toobtaintheoptimalserviceareaofeachsubstation,abranchexchangeprocessisimplemented.Thebranchexchangetechniquestartsfromaradialnetworkconfiguration.Byaddinganewtielinebetweensubstations,aloopisformed.Anotherbranchofthisloopisthenremovedtominimizetheobjectivefunctions.Theprocessisrepeateduntiltheobjectivefunctionscannotbefurtherreducedbyanybranchexchange.Theprocessisdescribedasfollows:(1)Takeanewtielinebetweensubstationsfromthesetofproposedfeeders(2)Addthetielinetothedistributionnetworkwithradialconfigurationtoformaloopl(3)Calculatepowerflowofmodifiednetworkwithoneloopusingatwo-stageloadflowmethod.Becausethepowerflowofradialnetworkhasbeencalculatedbeforetheloopisformed,onlysteps(3)and(4)areneededinstageone(4)Determinethebranchtobeopenedintheloopsoastominimizetheobjectivefunctions(5)Ifbranchexchangeissuccessful,calculatepowerflowsoftwodistributionnetworks69 石家庄铁道大学毕业设计usingforward/backwardsweepmethod(1)Repeatsteps(1)-(4),untiltheobjectivefunctionscannotbefurtherreducedbyanybranchexchange.Threeobjectivefunctionsasminimizingsubstationcapacitylimitviolations,minimizingvoltagelimitviolationsandminimizingthetotalcostaredefinedintheprocessofbranchexchange.Amongthem,minimizingsubstationlimitviolationshasthehighestpriority,followedbyminimizingvoltagelimitviolationsandminimizingthetotalcost.ThesubstationlimitviolationscanberemovedbyredistributionloadDemandsintheglobalnetwork.Thevoltagelimitviolationscanberemovedbyestablishingtheoptimalflowpatterninthenetworkasdiscussedinsection3.1.Thecostreductioncanbeachivedintwowaysbyreducingtheinstallationcostandtheenergylosscost[10].Thatis,(1)ThebranchwiththemaximumcostintheloopisopenedtorestoretheRadialconfiguration(2)EnergylossreductionisachievedbyestablishingtheoptimalflowpatterninthenetworkAfterimplementingthebranchexchange,theresultantnetworkisregardedAsthefinalplanningschemeofthedistributionsystem.ⅣApplicationExampleⅤConclusionsAnewheuristicmethodfordistributionsystemplanningisproposedinthispaper.Twoeffedtivenessratioindexesaredefinedforsubstationsandfeeders,respectively,whichdecidetheoptimalcombinationofsubstationsandtheradialnetworkconfigurationofeachsubstation.Thebranchexchangeisthenimplementedbetweenelementsofadjacentdistributionzonestogetthefinaloptimalplanningscheme.Intheproposedmethod,anewefficienttwo-stageloadmethodhasalsobeendevelopedwhichisparticularlysuitableforthesolutiontothepowerflowproblemofmesheddistributionnerworks.Theproposedmethodhasbeentestedonadistributionsystemwith6substationsand98feedersanddemonstratedtobefeasibleandefficient.69 石家庄铁道大学毕业设计A2译文基于启发式算法的配电系统规划研究对于配电系统的规划问题，人们已采用大量的数学优化方法以寻求最优的解决方案，但这些方案往往是很耗时，而且只适用于小规模的配电系统规划。这篇论文中提出了一种新颖的启发式方法来解决配电网规划问题。这种方法由三个步骤组成，第一步，首先根据现有网络和可能出现的新的负荷点或供电点形成一个较原始的较冗赘的网络。在这个网络中运用在现有技术上得到改进的两阶段电力潮流计法，以得到变电站的优化组合，得到它们的供电范围。第二步，运用启发式方法来得到每个变电站的放射式网络结构。最后，在相邻供电系统的元件之间应用一种基于分支交换技术的算法，以得到最终的规划方案。这种方法已应用与研究有6个变电站，98条馈电线的配电系统中，并且证明了这种方法的灵活性和有效性。Ⅰ介绍由于配电系统网络扩展的投资巨大，规划者一直都在寻找更有效的规划方案。配电系统的规划包括优化设备安装的时段、选址、新建变电站和馈电线的规模。以便在变电站容量、馈电线热稳定和承受能力、电压降落、放射状网络结构、供电可靠性等的限制下，满足负荷对电能的需要。由于要考虑许多变动量和限制因素。使得配电网规划成为一个复杂的、大规模优化组合问题。针对这个复杂的问题，人们研究出大量的数学优化组合方法，其中大部分只是对目标函数或限制性因素做出了近似估计，即使某一个方法提出了一个完整的模型，往往也是耗时很长且只适用于小规模的供电系统。这些方法中，启发式规划方法，虽然也是做的近似规划，但与其它方法相比已被实践证明更快、更有效。在启发式规划方法中，人们采用了分支交换技术来获得近似的优化组合方案，但是，当网络可能的附加负荷点或供电点容量很大时，我们需要做很多的重复计算工作，而这些影响了程序执行的速度。本篇论文中，提出了一种全新的基于分支交换技术的启发式方法来解决最优配电系统规划问题，通过运用分解技术和引入两个有效比率指标，所提出的程序只需几个重复过程就能完成分支交换。这种方法由三步组成：第一步，根据现有网络和可能出现的附加点形成原始的较冗赘的网络。然后通过一个可重复的程序重复计算潮流的分布，来确定变电站的优化组合，得到它们的最优供电范围。在计算原始网络的电力潮流分布时，引入了一种全新、有效的两阶段潮流计算方法，这种方法能够解决网状配电系统的潮流计算问题。69 石家庄铁道大学毕业设计第二步，运用启发式方法来得到每个变电站的辐射状网络结构。对于原始较冗赘网络的馈电线的分析，我们引入有效比率指标来决定应去掉那个馈电线。最后，在相邻供电区域的元件中执行一种基于分支交换技术的程序，以得到最终的规划方案。这种方法已应用于一个有6个变电站、98条馈电线的配电系统中，来测试它的灵活性和有效性。本篇论文也对该测试结果进行了讨论。Ⅱ配电系统规划方程式配电系统规划的目标是是配电系统扩展的固定成本和可变成本最小。其中可变成本受一下因素影响：现有供电能力下的电能损耗、馈电线的载流能力、电压降落、放射状网络结构和供电可靠性。这是一个大规模的、动态的、非线性的规划问题，可以用以下方程式描述：Z=式中，T——规划区域的长度SE——现有变电站构成的节点集合SP——规划变电站构成的节点集合FE——现有馈电线的集合FP——规划馈电线构成的集合——现有变电站i在时间t的电能损耗成本系数——规划变电站i在时间t的电能损耗成本系数——现有馈电线i在时间t的电能损耗成本系数——规划馈电线i在时间t的电能损耗成本系数——若变电站i将在时间t建立则=1，否则=0——若馈电线i将在时间t建立则=1，否则=0——在时间t建设变电站i的固定成本——在时间t建设馈电线i的固定成本——由现有变电站i在时间t提供的功率——由规划变电站i在时间t提供的功率——由现有馈电线i在时间t提供的功率——由规划馈电线i在时间t提供的功率制约条件：69 石家庄铁道大学毕业设计Ⅲ配电系统的启发式规划方法该方法由三步组成：第一步，进行重复计算来得到变电站的优化组合方案，得到每个变电站的供电范围。第二步，运用启发式规划方法得到每个变电站的放射式网络结构。最后，通过运用一种基于分支交换技术的算法得到最终的规划方案。3.1确定变电站的优化组合及供电范围用于确定变电站的优化组合方案及供电范围的算法描述如下：(1)通过将现有网络和可能出现的附加负荷点或供电点的组合，形成原始的较冗赘的网络；(2)用两阶段潮流计算方法计算这个较冗赘网络的潮流分布；(3)根据潮流分布计算结果校验变电站的优化性；(4)如果变电站的优化性达到了要求，跳到第七步；(5)计算较冗赘网络中每个新建变电站的有效比率指标；(6)去掉有效比率指标最小的变电站，然后重复进行(1)-(5)；(7)确定每个新建变电站的供电范围。3.1.1电力潮流计算上述算法过程需要一个完整的潮流分布。由于较冗赘网络是一个网状结构，潮流计算方法必须能够处理网状结构的配电网络的潮流分布。本篇论文中引入了一种新的有效的两阶段潮流计算方法。第一阶段，通过打开环路将网状网络变换成放射式网络，通过前推回代法计算放射状网络的潮流分布，然后计算出断开点的电流。第二阶段，修改断开点的注入电流，再次进行放射状网络的潮流计算。此次计算结果即为原始网状网络的潮流分布结果。3.1.2阶段一1.通过断开环路将网状网络变换成放射状网络。图1中描述了一个等效的单闭环网络，在图中流过节点j的电流被等效为两个大小相同，方向相反的电流。其表示如下：Ij=-Jj,Ij’=Jj对于多环路系统的网络，通过引入多端口补偿理论，将网状网络变换成放射式网络。图2是一个有多个环路网络的多端口等效网络。2.用前推回代法计算等效放射状网络的潮流分布。起初设置断开点的电流为0，目的是得到戴维难等效电压矢量差或得到有多个环路网络的开路断开点的电压。3.计算断开点的阻抗矩阵69 石家庄铁道大学毕业设计等效网络mnjJj(a)断开环路前等效网络mnJj-Jj(b)断开环路后图1单环路网络的等效过程4.计算断开点的电流。该电流通过下式计算：等效网络12P图2多环路网络的等效多端口网络3.1.3阶段二在第一阶段得到的电流就是网状结构变换成放射状网络后注入断点的电流。修改注入断点的电流，再次计算放射状网络的潮流分布。此次计算的结果即为原始网络的潮流分布。69 石家庄铁道大学毕业设计此方法整个计算过程中要求两次计算放射状网络的潮流分布，尽管它们的计算步骤很相似，但两次计算的目的是不同的，在第一阶段中，是为了得到多端口网络的端口电压，在第二阶段中是为了得到等效网状网络的潮流分布3.1.4变电站的有效比率指标在上述过程中为了决定去掉哪个规划中的变电站，我们定义了下述有效比率指标：EI=式中，Si——变电站i的负荷容量Ci——变电站i的建设成本，包括建设资金成本和能量损耗成本每次计算中去掉有效比率指标最低的变电站，一直重复计算直到变电站达到最优组合及供电范围，所剩余的变电站的组合即为所要求的变电站优化组合。3.1.5计算供电范围根据减少整个配电网成本、提高供电点电压质量、平衡负荷分布的原则，来确定变电站的供电范围，为了满足上述要求，变电站必须达到优化的潮流分布模型。图3是一个由变电站A和B组成的单环路网络符合最优潮流分布的模型的网络，潮流分布是由网络的阻抗决定的。例如：Sa=我们可通过断开具有最小潮流分布的支路来建立最优潮流模型根据上述原则，我们用以下步骤来计算每个变电站的供电范围：(1)在原始网络中选择一个边界节点。所谓边界节点是指不只从一个变电站获取电能的节点。(2)比较来自不同变电站的馈电线上的潮流。将馈电线分配到具有最大供电能力的变电站，然后断开其从它电源获取电能的馈电线，(3)重复步骤(1)-(2)直到所有的边界节点都被选择过。冗赘网络由几个子冗赘网络构成。每个子冗赘网络包含一个变电站。3.2确定每个变电站的放射状网络结构为了确定每个变电站的放射状网络结构，我们引入启发式算法，现将其描述如下：(1)像在3.1中介绍的那样用两阶段潮流计算法计算冗赘网络的潮流分布(2)计算每个规划馈电线的有效比率指标(3)去掉有效比率指标最低的馈电线(4)重复(1)-(3)直到得到变电站的放射状网络结构馈电线i的有效比率指标如下：Fi=69 石家庄铁道大学毕业设计式中，Pi——馈电线i上流过的功率Ci——馈电线i的成本在上述计算过程中，去掉某条馈电线后出现下列情形之一的，该馈电线应保留，去掉与其相邻的具有最小比率指标的馈电线(1)出现一些孤立的节点(2)超过了线路的最大输送能力限制当在计算过程中出现超过变电站最大容许容量的情况时，可以忽略不考虑，因为这种隐患可通过下步的交换分支发移除。如果出现超过电压变动允许范围的情况，也可忽略，因为这可通过交换分支或改变馈电线的类型来消除。3.3交换分支法在3.2节中我们已通过启发式算法得到了每个变电站的供电范围，这计算结果可能不是最优的供电范围，为了得到每个变电站的最优供电范围，我们采用交换分支技术进行计算。交换分支技术的应用从一个放射状网络结构开始，通过在两个变电站之间连接一个新的连接线形成一个环路，然后移除移除这个环路中的另一个支路使目标函数最小化，重复上述过程，直到不能再通过交换分支法减小目标函数。现将其过程描述如下：(1)从规划馈电线的集合中选择变电站之间的连接线(2)将该线路附加到放射状结构的配电网络中，从而形成环路(3)运用两阶段潮流计算方法计算已经修改了的拥有一个环路的网络潮流分布。由于已经计算出环路形成之前的放射状网络的潮流分布，所以再第一阶段中只需计算(3)(4)步即可。(4)确定打开环路中的哪条支路，以使目标函数最小化(5)如果分支交换成功，用前推回代法计算两个配电网络的潮流分布(6)重复(1)-(4)直到不能再运用交换分支的方法减小目标函数在交换分支法中我们定义了三个目标函数：最小范围的超过变电站的容量极限；最小范围的超过电压极限；总成本最小。三者中应优先考虑使变电站容量越限最小，然后是电压越限最小和总成本最低。如果变电站容量和电压均在允许的偏移范围内，那么目标函数就是使配电系统的规划成本最低，其中包括设备安装成本和能量损耗成本。在球状网络结构中，变电站容量越限可通过重新分配负荷来移除。如在3.1节中介绍的，电压偏移越限可通过建立网络的优化潮流模型来解决，而总成本的降低可通过减少设备安装成本和能量损耗成本来实现。(1)打开环路中成本最高的分支，重新形成放射状网络结构(2)通过建立网络的最优潮流模型来减少能量损耗69 石家庄铁道大学毕业设计运用分支交换法进行补充计算后，所得到的网络即为配电系统的最终规划方案Ⅳ应用实例Ⅴ结束语本篇论文提出了基于启发式算法的配电系统规划方法，分别定义了变电站和馈电线的有效比率指标，从而决定变电站的最优组合和每个变电站的放射状网络结构，然后相邻供电区域的元件之间运用分支交换技术进行补充得到优化规划方案。在该方法中形成了一种适合于网状配电网络潮流计算的全新两阶段潮流计算方法。该方法已经在有6个变电站，98条馈电线的配电系统中试运行，并且证明该方法是灵活有效的。69'