沈阳东场66kv变电站设计及智能化改造

'，餐化女Ａ５半Ａ聲＂专靈古学位论义沈阳东场６６献变电站沒计及智能化改造ＤｅｓｉｎｏｆＳｈｅｎＹａｎＤｏｎＣｈａｎ６６ｋＶＳｕｂｓｔａｔｉｏｎｇｇｇｇａｎｄＩｎｔｅｌｌｉｅｎｃｅｅｆｏｎｎｇ巧ｔ、、！—ｉｗＫｌ＾＾ｍｍ喔—在丫＂＇：＇．哥巧＾？．＇、＇＾＇’．．２０：；奇：＾．占ｆ１５免６月：？．参市．乌．，＾＾＇＾Ｈ｜｜Ｈ－－＇：：Ｈ—？：Ｌ．．：＇＾．＞：誦禱画，：：ｍｍ＇■ｍ：／翊■ＨＩ 华北电力大学硕±学位论文原创性声明《６６ｋＶ本人郑重声明：此处所提交的硕±学位论文沈阳东场变电站设计及智能化改造》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕±学位期间独立进行研究工作所取得的成果，论文中除已注明部分外不包含他人已发。据本人所知表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中Ｗ明确方式注明。。本声明的法律结果将完全由本人承担作者签名：日期：＞／ｒ年《月户日华北电力大学硕±学位论文使用授权书《沈阳东场６６ｋＶ变电站设计及智能化改造》系本人在华北电为大学攻读硕±学位期间在导师指导下完成的硕±学位论文。本论文的研究成果归华北电为大学所有，本论文的研究内容不得Ｗ其它单位的名义发表。本人完全送了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部口交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华全北电力大学，可Ｗ采用影印、缩印或论其他复制手段保存论文，可Ｗ公布论文的部或部分内容。本学位□文属于（请在Ｗ上相应方框内打＂Ｖ＂）；保密，在年解密后适用本授权书不保密／ｇ作者签名：日期；年／＾月梦日导师签名：為日期：年月９日专Ｉ 国内图书分类号：F403.8学校代码：10079国际图书分类号：338.2密级：公开专业硕士学位论文沈阳东场66kV变电站设计及智能化改造硕士研究生：任捷导师：彭咏龙副教授企业导师：杜勇高级工程师申请学位：工程硕士专业领域：电气工程培养方式：在职所在学院：电气与电子工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：华北电力大学 ClassifiedIndex:F403.8U.D.C:338.2ThesisfortheMasterDegreeDesignofShenYangDongChang66kVSubstationandIntelligenceReformCandidate：JieRenSupervisor：Prof.YonglongPengSchool：SchoolofElectricalandElectronicEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：NorthChinaElectricPowerUniversity 华北电力大学硕士学位论文摘要为促进沈阳沈北新区浦河新城的发展，满足该地区新增负荷的供电需求，拟建沈阳东场变电站，提高该地区供电可靠性和供电质量。本文结合沈北新区负荷材料，从负荷预测，潮流计算，短路电流计算，主要电气设备的选择、计算、布置和通信，变电站智能化改造等方面考虑，以原始数据为依据，按照相关规定和规约，以变电站经济运行和智能化运行为目标设计了本站，主要设计内容和取得的成果如下：（1）鉴于沈阳雨润农副产品全球采购中心等重大项目在蒲河新城的开启，原先供电线路长，供电可靠性低等问题突出，拟建无人值班、全户内、占地小的东场66KV变电站，为相关变电站的建设提供了理论依据。（2）对电气一次、电气二次、继电保护、调度自动化、系统通信及远动信息做了详尽的论证，对相关的电气设备进行了严谨的配置。在此基础之上，阐述了相关输电、变电的措施，提出如何解决污染环境问题的方法，在技术层面、经济层面和环境保护层面验证了本方案的可行性。（3）在66kV变电站设计的基础上对其进行了智能化改造，包括变电站总体结构的改造和变电站一次设备的智能化改造。改造后的智能变电站结构更加紧凑、清晰、层次化，能够实现对一次设备的实时数据采集和在线监测等功能，而且各设备之间信息能够实现共享，能够实现算法比较复杂的继电保护功能。变电站的智能化改造为本地区电网的智能化发展奠定了基础。总之，经过严谨的设计后，变电站能够安全、经济、环保、智能化运行，减少检修维护次数和劳动强度，也方便远期扩建增容和简易二次接线。关键词：66kV变电站；供电可靠性；设计方案；智能化改造I 华北电力大学硕士学位论文AbstractTopromoteShenBeiUrawaShenyangMetrodevelopmenttomeettheneedsoftheregion"snewpowerload,theproposedShenyangEastCoursesubstationtoimprovepowersupplyreliabilityandqualityofpowersupplyintheregion.ThispaperShenBeiloadmaterialselectedfromthecalculationofloadforecasting,flowcalculation,short-circuitcurrentcalculation,themainelectricalequipment,layout,communicationsandotherconsiderations,totherawdataasthebasis,andinaccordancewiththerelevantprovisionsofthestatutetotheeconomicoperationofthesubstationtargetsitedesign,contentanddesignincludingthefollowingachievements:(1)InviewofthemajorprojectsinShenyangAgriculturalYURUNglobalprocurementcenteropeninginMetrooriginalpowerlineslong,lowreliabilityissuesoutstanding,theproposedunattended,thewholefamily,occupiesasmallEastCourse66KVsubstation,toprovidetherelevantbasisforconstruction-relatedsubstations.(2)Oncetheelectrical,secondaryelectrical,protection,SCADA,remotecommunicationsandinformationsystemstodoadetaileddemonstrationoftheassociatedelectricalequipmentforarigorousconfiguration.Onthisbasis,describestheenergy-savingmeasuresrelatedimpairmenttransmission,substation,construction,theproposedmethodofhowtosolvetheproblemofenvironmentalpollutioninthetechnicalaspects,economicaspectsandenvironmentallevelstoverifythefeasibilityofthescheme.(3)Onthebasisof66KVsubstationdesignwascarriedoutonintelligencereform,includingintelligencereformandtransformationoftheoverallstructureofasubstationsubstationequipment.Aftertransformation,intelligentsubstationstructureismorecompact,clear,hierarchical,canachieveareal-timedataacquisitionequipmentandon-linemonitoringandotherfunctions,andtheinformationcanbesharedbetweendevices,enablesmorecomplexalgorithmsrelayfunction.Intelligentsubstationintelligenttransformationoftheregiontodevelopgridfoundation.Anyway,afterarigorousdesign,substationsafe,economical,environmentallyfriendlyoperation,repairandmaintenancetoreducethefrequencyandintensityoflabor,butalsoconvenientandeasyfutureexpansionorsecondarywiringcapacityincrease.Keywords:66KVsubstation；Reliability；Designproposal；IntelligencereformII 华北电力大学硕士学位论文目录摘要.....................................................................................................................IAbstract......................................................................................................................II第1章绪论.............................................................................................................11.1课题研究的背景及意义...................................................................................11.2国内外研究现状...............................................................................................21.2.1变电站高压电器设备发展现状................................................................21.2.2变电站一次设备主接线发展现状.............................................................21.2.3变电站二次回路发展现状........................................................................21.2.4智能变电站的发展现状............................................................................21.3沈阳东场66KV变电站概况............................................................................31.3.1当地电网现状与存在的问题....................................................................31.3.2选题自然情况............................................................................................41.4设计方案研究的意义.......................................................................................41.5主要设计原则...................................................................................................51.6设计的主要内容...............................................................................................5第2章变电站基础情况分析....................................................................................72.1东场地区的负荷预测.......................................................................................72.1.1系统运行现况分析....................................................................................72.1.2变电站周边负荷统计................................................................................72.2东场变电站在电力系统中的作用....................................................................82.3无功补偿的计算...............................................................................................82.4本章小结...........................................................................................................9第3章变电站电气一次设计方案的研究..............................................................103.1电气主接线接入系统方案的研究..................................................................103.2短路电流的计算.............................................................................................11III 华北电力大学硕士学位论文3.2.1短路电流计算的目的与要求..................................................................113.2.2短路电流计算过程..................................................................................123.3变电站主要设备选择.....................................................................................143.3.1主变压器选择..........................................................................................143.3.2变压器相关选择计算..............................................................................143.3.366kV主要电气设备的选择.....................................................................153.3.410kV主要电气设备的选择.....................................................................173.3.5主要电气设备的校验..............................................................................203.3.6防止过电压及接地措施..........................................................................203.3.7站用电的选择..........................................................................................213.4电气布置的研究.............................................................................................213.4.1电气总平面布置......................................................................................213.4.2配电装置布置..........................................................................................223.5送电线路设计方案的研究.............................................................................233.5.1送电线路概况分析..................................................................................233.5.2送点线路设计方案..................................................................................233.5.3送电线路节能与环保..............................................................................253.6本章小结.........................................................................................................25第4章变电站电气二次设计方案研究..................................................................264.1变电站自动化系统设计.................................................................................264.1.1系统构成及配置......................................................................................274.1.2二次设备组柜及布置..............................................................................284.1.3其他二次系统的设计..............................................................................294.2变电站继电保护系统的研究.........................................................................304.3变电站调度自动化系统的设计......................................................................324.3.1远动系统的设计......................................................................................324.3.2调度组织关系..........................................................................................32IV 华北电力大学硕士学位论文4.3.3信息传输方式..........................................................................................324.3.4远动化范围..............................................................................................324.3.5调度端扩容..............................................................................................334.3.6调度数据网接入及安全防护..................................................................334.3.7远动方案的研究......................................................................................334.4变电站智能辅助控制系统的设计..................................................................334.5变电站通信系统的设计.................................................................................344.5.1现有通信系统存在的问题......................................................................344.5.2通信通道需求分析..................................................................................354.5.3系统通信方案的设计..............................................................................354.6本章小结.........................................................................................................36第5章变电站智能化改造的研究..........................................................................375.1变电站总体结构的改造研究.........................................................................375.1.1传统变电站总体结构的不足..................................................................375.1.2变电站总体结构的智能化改造..............................................................375.2变电站具体设备的智能化改造......................................................................405.2.1变压器的智能化改造..............................................................................415.2.2互感器的智能化改造..............................................................................425.2.3气体绝缘封闭式组合电器（GIS）的智能化改造.................................445.2.4变电站具体设备的智能化改造前后对比分析........................................465.3本章小结.........................................................................................................46第6章结论...........................................................................................................47参考文献...................................................................................................................48攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果............................................................50致谢...........................................................................................................................51作者简介...................................................................................................................52V 华北电力大学硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究的背景及意义智能电网是未来电网发展的方向，电网的智能化包括发、输、变、配、用几个环节的智能化，变电环节作为智能电网的一个关键环节，对智能电网的发展起着重要的支撑作用。智能变电站是指利用先进和可靠的智能装置，并以整个变电站信息数字化、信息共享标准化、通信平台网络化作为基本要求，自主完成有关信息的采集、计量、控制、测量、保护和监测等基本功能，并能依据系统需求，支持电网实时的智能调节、自动控制、协同互动、在线分析等高级功能的变电站。智能变电站的建设能够实现运行维护策略、装置信息以及电力调度的互相协调，完成基于运行状态的全寿命周期的优化管理，完成对电力系统运行各类数据的采集和实时共享，实现对电网的智能调节、实时控制以及高级应用等，保障各级电网安全稳定运行[1]。沈阳市沈北新区蒲河新城位于沈阳市区北部，沈阳三环绕城高速公路以北，沈北新区的南端，规划占地面积约349.82km2。目前蒲河新城地区基本形成以道义、虎石台、农高区“金三角”为支撑的核心经济带，机械加工、汽车制造零部件、医药、农产品深加工、新型建材等产业成为全区经济快速发展的主导力量。其发展战略是建设成为“创新之城”、“生态之城”、“文化之城”和“宜居之城”，建设成为以农产品深加工和科技创新为主导的产业新城，建设成为沈阳北部的生态宜居新城。其中作为最大用电负荷的沈阳雨润农副产品全球采购中心将基地建设、批发采购、冷链物流、商品集散、加工配送等农产品生产、流通环节集一体，被辽宁省政府、沈阳市政府列为“十二五”重点建设项目，省部级农业重大项目。这些重点项目的运作带来当地用电负荷与日俱增，现有的电网已经远远不能满足当地的用电需求，经过严谨分析与研究，建议建设东场66kV变电站。在电网智能化发展的大趋势下，智能变电站的研究越来越受到各国的关注。本文在充分研究沈阳市沈北新区的主网架结构以及该地区负荷、气象、地理等详细情况的前提下，为满足沈北新区负荷发展，优化该地区网络结构，将开展沈阳东场66kV变电站设计方案的研究。设计方案先按照传统变电站进行一次和二次方案的设计，设计完成后对其进行智能化改造。智能化改造过程是以智能电网的规划目标为基础，实现电力系统运行数据的采集和实时共享，实现电网的智能调节、实时控制以及各种高级应用等，实现变电装置信息与维护策略和电力调度的协调互动，并以实现全站信息数字化与共享标准化、通信平台的网络化及高级应1 华北电力大学硕士学位论文用的互动化作为目标，改造后的智能变电站可自主完成信息的釆集、计量、控制、测量、保护与监测等基本功能，能够实现电力系统的自动控制、实时智能调节、协同互动、在线分析决策等高级功能。1.2国内外研究现状1.2.1变电站高压电器设备发展现状随着我国电网系统的快速发展，高压设备进几年得到了很大程度的提高，其体积逐渐减小，维护量逐渐降低，耗能大的设备逐渐被淘汰。国内外各大著名电气公司都在精心研制超高压GIS组合电器。其中美国的ABB公司、德国的西门子公司、法国的阿尔斯通公司、日本的三菱公司都为研制小型、简单、可靠的高压电器做出了贡献[42]。1.2.2变电站一次设备主接线发展现状现有变电站的主要接线方式有：单母线、单母线分段、单母线分段带旁路、双母线、双母线分段带旁路、线路变压器组接线及1个半断路器接线等。变电站的主接线经历了从简单到复杂再到简单的发展历程，变电电气主接线应该综合经济性、可靠性、灵活性进行设计。近几年，在应用GIS的情况下，单母线分段接线得到了广泛的应用。1.2.3变电站二次回路发展现状传统变电站二次回路是一个复杂系统，包含了测量控制系统、信号监测系统、调节系统、继电保护等系统。回路中，各个系统因为靠硬件进行连接，每个系统都需要自身单独的测量控制，因此造成了二次系统接线的复杂情况。综合自动化站打破这个复杂的情况，可以实现通过数字通信系统进行联系，二次回路的接线得到大幅度简化。1.2.4智能变电站的发展现状为了满足发展清洁能源，应对日益恶劣的环境问题，欧美等发达国家相继提出了发展智能电网的理念。我们同样面临着与发达国家类似的问题，电力行业需要满足建设资源节约型和环境友好型社会的要求，积极推行低碳环保的理念。智能电网正是在这种大环境下提出来的，顺应时代的发展。智能变电站作为智能电网的主要部分，研究智能变电站技术，能有效的推动智能电网的建设发展。智能2 华北电力大学硕士学位论文变电站以IEC61850标准[28-41]为基础，包含了智能变电站建设的各个方面。1.3沈阳东场66kV变电站概况1.3.1当地电网现状与存在的问题目前，沈北新区东南部有1座220kV虎石台变电站，该变电站安装2台180MVA主变，220kV进线11回，66kV出线23回（其中有2回预留）。2012年最大供电负荷为354.82MW，容载比1.01。东场66kV变电站供电区域图如图1-1所示。该地区西部有1座孝信66kV变电站，东北部有1座虎镇66kV变电站。拟建的东场66kV变电站附近现有2回66kV送电线路：虎一线、虎阳线，该地区即将将建设的220KV变电所如下：（1）辉山220kV输变电的工程项目，投产的时间为2015年，本期的变电容量2×180MVA，远期2×240MVA；（2）进步220kV输变电的工程项目，投产的时间为2015年，本期的变电容量2×120MVA，远期2×240MVA。通过对该地区电网现状的调查，结合相关标准对供电可靠性、电力电量平衡等进行严谨分析之后，沈北新区供电可靠性不高，用户端电压低于180V，严重影响了生产，具体问题如下：1）输电线路截面较小，不能满足新增负荷的要求。2）供电可靠性不高，线路末端电压较低。3）当地网架薄弱，且变化趋势较大。4）输电容量较小，达不到经济运行的要求。5）变电站出口间隔紧缺。6）需要双电源的用户多，无法满足其需要。7）66kV电源点较少。3 华北电力大学硕士学位论文图1-1东场66kV变电站供电区域图1.3.2选题自然情况沈北新区长居居民密集、企业聚集，给变电站的建设带来很大的难度，具体体现在如下几个方面：（1）土地资源较为紧张，站址难以确立，对变电站的要求高与变电站占地大小难以协调。（2）工程投资较高，沈北新区作为商业区、土地商业价值较高；征地拆迁费用昂贵；安排不合理会造成土地的极大浪费。（3）对与周围环境的协调性要求较高。（4）不能影响当地居民正常的生活，在变电站防爆、防火、防电磁辐射方面要做充足的考虑，满足当地环保的要求。（5）道路与通信线路复杂。依据这些因素，选择在本址处建设66kV终端变电站比较适合沈北新区的实际情况。本方案站址初定沈阳市沈北新区蒲昌路和客专西街交叉口的西北角，变电站南侧为蒲昌路，已建成，蒲昌路能够满足建筑施工和设备运输的要求。1.4设计方案研究的意义（1）满足沈北新区蒲河新城新增负荷的需要。随着沈北新区蒲河新城建设的日益完善，雨润物流集团、华晨专用车、天普4 华北电力大学硕士学位论文太阳能、美的电器等二十余家知名企业进驻该地区，特别是雨润中心，占地面积2135.4亩，总投资150亿元，将建蔬菜、果品交易区，SOHO公寓，冷库，新肉交易区等大型建筑。目前该地区只有1座孝信66kV变电站供电，预计2014年该地区新增负荷将达到59.8MW，仅靠孝信66kV变电站无法为该地区供电，新建东场66kV变电站对满足新增负荷的需求具有很大意义。（2）提高供电可靠性。现阶段该地区仅靠1座孝信66kV变电站供电，供电线路较长，供电可靠性较低，而新进驻雨润、天普、华晨都是一级用户，需要更高的电力保障，尤其是雨润全球采购中心现已开工建设，需要更高的电力保障。新建东场66kV变电站将提高该地区供电可靠性。（3）本站设计为无人值班变电站，在促进沈北新区经济发展，缓解电力资源紧张的同时，采用电气设备紧凑式布置，力求设备小型化、无油化来节省占地；提出来一种新的思路，结合沈阳供电公司已经建成的各66kV无人值班变电站的设计方案，认真比较、分析之后，确立了本方案，为以后该地区66kV变电站的设计，建设提供了理论依据和借鉴意义。（4）本设计在传统变电站设计的基础上对其进行了智能化改造，改造后的66kV智能变电站较传统的变电站可靠性更高，可实现远程在线监测和控制等功能，并最终减少了工作人员的工作量，同时对沈北新区未来智能电网的发展起着重要的支撑作用。1.5主要设计原则提出的沈阳东场66kV变电站设计应遵循以下原则：（1）遵照执行《辽宁电网建设与改造技术导则》（试行）。（2）考虑近期电网建设与长远期电网发展规划相结合。（3）引入新设备，严谨合理规划站址，保护环境，节省土地资源。（4）国网公司“两型一化”方针和原则。（5）在考虑可行性时，兼顾经济型，减少资金的浪费。（6）对电网进行智能化改造时，遵照执行《智能变电站技术导则》。1.6设计的主要内容基于变电站及周围负荷等基础情况分析，本文提出沈阳东场66kV变电站的设计方案，并进一步提出智能化改造方案，具体内容如下：（1）变电站基本情况分析。分析沈阳东场66kV变电站周边变电站及负荷5 华北电力大学硕士学位论文运行情况；（2）研究沈阳东场66kV变电站电气一次设计方案。设计变电站主接线、选取主变和各侧主要电气设备、并进行校验；（3）研究沈阳东场66kV变电站电气二次设计方案。设计变电站自动化控制系统、继电保护系统、调度系统、通信系统及辅助控制系统；（4）66kV变电站的智能化改造。提出变电站总体结构的智能化改造方案，并研究主变、互感器和GIS等主要设备的改造方案。6 华北电力大学硕士学位论文第2章变电站基础情况分析2.1东场地区的负荷预测2.1.1系统运行现况分析东场66kV变电站附近66kV变电站容量及2014年最大负荷见表2-1。表2-1变电站容量表(单位：MVA；MW)变电站名称容量2012年最大负荷容载率负载比孝信66kV变电2×50190.195.26站虎镇66kV变电20+40320.551.88站输电线路在正常运行方式下，所接变电站的负荷情况及线路参数如表2-2。表2-2变电站容量负荷表(单位：km；A；MW；MVA)线路导线型号/长度长期允长期允所接所接变电名称许电流许功率变电站最大负站容荷量虎一2×LGJ-240/9.961220139.463223YJLW2线O3-50/66kV-1×1200mm/1049119.91.359虎阳2×LGJ-240/9.6961220139.4612.612YJLW2/1049119.9线O3-50/66kV-1×1200mm1.3592.1.2变电站周边负荷统计雨润，华晨，美的等大型企业报装容量逐年上升，见下表2-3。7 华北电力大学硕士学位论文表2-3东场66kV周边用电负荷表(单位：亩、MVA、MW)序号项目单位占地面积报装容量投产日期达产日期1雨润2256302014年2016年2医大2058.6402014年2016年3先锋7761.52014年2015年4天普太阳能13542014年2015年5消防车3522014年2015年6华晨专用车36312014年2016年7美的943.612014年2016年8晨讯2007.22014年2016年9格微软件41852014年2015年10新邮通226.782014年2016年合计99.7计算负荷需用系数取0.659.8根据沈北新区近几年用电情况进行计算，该地区年平均用电负荷增长率在10%左右，预测2015年东场变负荷将达到29MW，2020年将达到60MW，具体结果见下表2-4。表2-4东场66kV变电站分年度负荷预测表(单位：MW)年份2015年2016年2017年2018年2019年2020年负荷预测2935425055602.2东场变电站在电力系统中的作用66kV沈阳东场变电站专为蒲河新城地区供电，解决该地区负荷发展的需求问题，带动当地经济发展；与其他2座66kV变电站以节点形式形成环网，提高当地供电可靠性和灵活性，满足企业用电需求；浦河新城南部66kV变电站不易于接网，建设东场站有利于进一步优化环网结构。本站作为终端变电站，接于输电线路末端，靠近负荷点，进一步提高供电可靠性。2.3无功补偿的计算潮流计算采用中国电力科学研究院的程序，计算正常运行方式、N-1方式、N-1故障下的潮流计算。用户用电设备大多是电感性的或电机等旋转类的，从电网吸收无功功率，降低线路功率因数，降低用户端的工作电压，功率因数降低之后，主要给电网带来以下危害：（1）输电线路损耗增加；（2）绝大多数用电设备不能合理经济运行；（3）线路末端电压很低，容易缩短设备寿命，损坏用电设备。8 华北电力大学硕士学位论文解决方法：在低压侧安装电容器组，每段母线均安装接地变和消弧线圈、接地变可以二次容量输出，补偿无功功率，提高功率因数。设补偿功率因数到0.9，则补偿容量为QP(tg1tg2)=11800kVar(2-1)Cpj按照电网功率因数定到0.8时，变压器66KV侧功率因数最小为0.9的条件进行校验，变压器的无功损耗2UN2QCOS/100SU%S/100S()=2702kVar(2-2)TNsNU高压侧的无功功率：2702+11800=14502KVar，忽略变压器的损耗，由变压器的有功功率和无功功率计算得到功率因数为0.83>0.8，满足要求。依据《电力系统电压和无功电力技术导则》（SD325-89）中的内容要求，应该按主变容量的10~30％选择无功补偿容量，本期给每台变压器配置1组智能电容器组，采用自动分组投切方式，每组容量为6000（2000+4000）kVar。2.4本章小结本章分析了沈阳东场66kV变电站附近各个变电站的运行状态，对周边负荷的情况进行了统计和预测，得出了建立了66kV东场变电站能提高当地供电可靠性，推动当地经济发展。对沈阳东场当地的系统运行潮流情况进行了计算分析，计算得出所需要的无功补偿量，为变电站建设电容器的选取提供理论依据。9 华北电力大学硕士学位论文第3章变电站电气一次设计方案的研究3.1电气主接线接入系统方案的研究电气主接线的选择应遵循运行可靠，方便二次扩建，节约土地资源，操作简单，降低工程投资的原则，一般在66kV侧，有线路变压器和外桥接线两种方式，在10kV侧有单母线分段、单母线分段带旁路、双母线分段3中方式，本站为终端负荷变电站，主要为简化系统接线，便于维护检修，参照国网公司《2011年版通用设计》的A2-2（电缆进线）方案设计，比较以上几种接线方式的经济型、可靠性、简易性后，本站采用如下方式：（1）66kV电气主接线：线路变压器组接线是最简单的接线方式，外桥是在它的基础上将一连桥安装在线路断路器的外侧，当线路或变压器发生故障时，线路变压器组在该线路停止运行外桥接线；当线路发生故障时，与之相连的两个断路器断开，从而达到影响一回未发生故障的线路；当变压器发生故障时，只有线路变压器断开，不影响其它回路的运行状态，线路变压器组接线可靠性不如桥式接线高，但比桥形接线更经济，倒闸操作更简单，故本设计66kV侧本（远）期采用线路-变压器组接线方式。（2）10kV电气主接线：与双母线及单母线分段带旁路相比，单母线分段更加的简单、经济，但其供电的灵活性和可靠性相对而言较差。通过分析待设变电所的负荷情况，知道其所连接的重要负荷都是两回线。对于重要负荷，本文可以从不同线路引出两个回路，应用两个电源进行供电，保证供电的可靠性得到提高，从而使得单母线分段的供电可靠性较低这一缺陷得以弥补。因此本设计10kV侧本（远）期采用单母线分段接线方式。系统主接线图如图3-1所示。10 华北电力大学硕士学位论文图3-1系统主接线图3.2短路电流的计算3.2.1短路电流计算的目的与要求为选择主要电气设备提供基础数据，使设备安全稳定运行，降低故障次数，提供电气主接线数据依据，为变电工程继电保护提供参考，在接地装置的设计时，也需要短路电流数据作为依据。根据辽宁电网公司对可研阶段短路电流计算深度的要求，短路计算应按设备投运后10年左右的时间，计算出最大运行方式三相和单相短路电流，以此衡量原先断路器的适应性，选择合适折断容量的断路器，采取适当的措施把短路电流限制在50/40/30A以下。在计算的过程中可以假定：（1）处于系统中的所有电源都在额定负荷下运行；（2）短路情况发生在短路电流是最大值的刹那；（3）系统中所有电源电动势具有相同的相位角；（4）只考虑会对短路电流值产生影响的元件，但可以忽略短路点的电弧电阻；（5）三相系统在对称情况下运行；11 华北电力大学硕士学位论文（6）不考虑输电线路对地电容。根据最大短路电流的正常接线方式(即最大运行方式)计算短路电流的接线方式，而不是仅在切换过程中有可能并列运行的接线方式。计算容量：按照本工程设计与规划的容量进行计算，并且将电网的远景设计与规划考虑在内。短路种类：按三相短路计算。本站原始数据：本变电所终期两台变压器，容量均为40000kVA，变压器的短路电压百分比为9%，虎石台变电所系统阻抗由系统专业提供。3.2.2短路电流计算过程计算线路各元件阻抗标幺值，画出等值阻抗图，设置基准容量和电压，选择短路故障点，计算出最大运行方式下三相短路电流值和短路容量，过程如下：选取基准容量：S100MVA，基准电压定为：U66kV，U11kV。jij短路电流有名值为""""III(3-1)*B短路容量定义为""S3II(3-2)FB进一步得到*1""SI(3-3)F""*XX——变压器的阻抗，U9%，S为40MVA。所以TKUSKiX=0.225(3-4)T100Se最大方式XXX=0.103(3-5)1ihXXX=0.283(3-6)2lj最小方式"XXX(3-7)1ih"XXX(3-8)2lj短路电流标幺值为12 华北电力大学硕士学位论文*1I=9.59(3-9)k1X1*1I=3.53(3-10)k2X2短路电流有效值为*1001II=8.50(3-11)k1k13240*100II=19.43(3-12)k2k22403短路电流周期分量的有效值*I1/X(3-13)ki短路电流冲击电流峰值为""I2KI=21.63(3-14)ch1chk1""I2KI=49.46(3-15)ch2chk2短路电流冲击电流的有效值为""2II12(K1)=12.83(3-16)ch1k1ch""2II12(K1)=29.34(3-17)ch2k2ch短路容量为100S(3-18)k1X1100S(3-19)k2X2按2018年沈阳地区系统进行规划，东场66kV变电站短路电流的计算结果如下：表3-1短路电流计算结果表(单位：MVA、kA)10kV母线侧短路位置66kV主变一次侧两台主变分列运行虎石台系统运行方式最大最大短路容量S(MVA)971353短路电流有效值I(kA)8.5019.43短路冲击电流峰值ich(kA)21.6349.46短路冲击电流有效值Ich(kA)12.8329.3413 华北电力大学硕士学位论文3.3变电站主要设备选择3.3.1主变压器选择主变选择原则：按变电站建成后5~10年后的预测负荷选择，兼顾远期的负荷发展。依据负荷的预测结果，预计2014年东场变供电区域的供电负荷为25MW，2018年东场变负荷将增至50MW。建议东场66kV变电站本期安装2台40MVA变压器，满足《城市电力网规划设计导则》中容载比1.8～2.1的要求。东场66kV变电站远期安装2台50MVA变压器。根据沈北地区负荷预测和经济发展带动的用电量需求结合负荷的同时系数和电网容载比的要求，计算如下：S0.9(15%)P/cos=118MVA(3-20)由相关规程得S=70%S=82MVA(3-21)e为了保证每台变压器供电负荷在所有负荷的90%以下，需考虑两台50MVA容量变压器并列运行。另外，为降低噪音，考虑系统调压的要求，选择三相有载调压变压器，变压器主体与散热器分体布置的自冷式变压器，本站为终端变电站，考虑选择双绕组变压器，具体参数如下：型号：SZ11-40000/66；容量：40MVA；阻抗电压：阻抗电压9％；有载调压方式：66±8×1.25%/10.5kV；连接组别：YN，d11；冷却方式：ONAN（油浸自冷式）；低噪音标准：在55dB以下；结构形式：主变本体与散热器一体。3.3.2变压器相关选择计算变电工程中电气设备的选择关系到整个配电装置，电气设备是否能安全稳定运行的基础，在选择电气设备时，选择小型化、无油化、噪音小、寿命长、维护量小的组合成套设备，此外，注意引进新设备，新技术，降低工程投资，还要考虑设备和载流导体对环境的适应能力，除了能在正常运行条件下遵循这些原则选择的设备必须在短路故障时也能正常工作。（1）选择的依据：14 华北电力大学硕士学位论文1）按额定电压选择：电气设备或载流体的额定电压应大于或等于装设地点的电网额定电压，即UU；NNS2）按额定电流选择：电气设备的额定电流或载流体的最大长期允许电流大于或等于装设回路的最大持续工作电流，即I，II，载流体的额定电流随Nrmax温度变化而变化，计算在变化范围内的最值；3）按类型和环境选择：根据装设地点，是否无人值班，确定为室内还是室外；4）按短路状态进行校验：当选定一个电气设备之后，只能确保其在正常运行时可靠运行，此外，当回路发生短路故障时，会有很大的短路电流流过电气设备或载流体，产生电动力，并使其升温，破坏其绝缘；为此必须对短路电流的电动力和发热量进行计算来验证设备的动稳定性和热稳定性。（2）短路时间的确定：做电气设备的热稳定和动稳定校验时，需确定短路电流时间t，Kttt，即短路电流时间是断路器全开断的时间与继电保护动作的时间之Kprab和。（3）热稳定校验方法：2电气设备或载流体的热效应不能超过其允许值，即满足ItQQ。rkyK（4）动稳定校验方法：电气设备或载流体流过可能最大的短路电流时，不使设备变形，应满足短路冲击电流的幅值小于或等于设备或载流体允许的最大动稳定电流的幅值。总之，电气设备的选择因设备而异同，主要有满足额定电压额定电流的要求，环境的要求，短路故障时热稳定性和动稳定性的要求，精确度和是否频繁操作有关。3.3.366kV主要电气设备的选择根据沈阳供电公司提供的污区分布图，变电站的污秽等级为IV级，由于为全户内布置，设备选择按照II级污秽区考虑。（1）66kV侧高压断路器选择计算1）按照线路工作电压，最大长期工作电流选取，线路电压66kV，有I1.05S/366=367A(3-22)gmax2）热稳定校验22热稳定校验公式：ItIt，等式左边为断路器的额定周期分量散热，右rrdz15 华北电力大学硕士学位论文边为短路发热量，稳态三相短路电流：I∞=6.56kA；短路电流发热等值时间：tdz=3.5s；断路器t秒热稳定电流，计算得到的I10.431.5kA。r3）动稳定校验极限动稳定电流ies=80kA，短路冲击电流ich=21.63kA，ies>ich，满足要求。4）按额定开断电流选择断路器额定开断电流31.5kA大于短路电流8.5kA。5）按额定短路耐受电流校验31.5kA/3s6.56kA/3s。结论：考虑本站负荷重要性及站址地理位置，66kV电气设备采用户内布置，主一次设备采用72.5kV全封闭组合电器2组，型号为三相共箱，额定电压为72.5kV；额定电流为2000A，额定开断电流为31.5kA，额定短路关合电流为80kA，额定短路耐受电流为31.5kA/3s，三相联动弹簧机构，内置常规电磁式电流互感器（400-600/5A，0.5/5P30/5P30，30VA/30VA/30VA），每组GIS组合电器配置1面智能控制柜。电流互感器的选择计算：1）根据电流互感器的工作电压和最大允许工作电流选择：工作电压为66kV，最大允许工作电流为I1.05S/366=367A(3-23)gmax因此，可选600/5A电流互感器。2）电压电流校验：72.5kV大于66kV，600A大于367A。3）动稳定和热稳定校验同上。（2）主变压器中性点处配置绝缘氧化锌避雷器，型号为：HY1.5WZ2-60/144。（3）单相隔离开关（中性点）型号为HGW5A-66II，630A，31.5kA（附电动刀闸，实现远方遥控）。隔离开关的选择，除了不校验开断能力外，其余与断路器的选择相同，因为隔离开关与断路器串联在回路中，电网出现短路故障时，对隔离开关的影响完全取决于断路器的开断时间，故计算数据与断路器选择时的计算数据完全相同。（4）依据变电站消弧线圈，这里应用过补偿方式，结合沈阳当地电力系统运行管理方式，66kV消弧线圈补偿设备都应该分散安装在各66kV变电站内，并同时考虑东场66kV变电站接网方案。结论：66kV消弧线圈采用1组：XDZ1-1900/66（带自动跟踪补偿装置）。16 华北电力大学硕士学位论文3.3.410kV主要电气设备的选择（1）10kV手车开关柜采用KYN28A-12型金属铠装中置式开关柜，本期安装开关柜34面。（2）10kV主二次及分段间隔开关柜内12赫兹真空开关额定电流为3150A，额定开断电流31.5kA，配弹簧操作机构。（3）接地变的断路器选择计算1）按持续允许电流选择线路最大持续工作电流Imax=2308A，所以依此可选VB2-12/1250A-31.5kV型真空断路器。2）动稳定校验动稳定电流ies=80kA，短路冲击电流ish=29.34kA，ies>ish，满足要求。3）热稳定校验因11.96KA小于31.5kA，满足要求。10kV馈出线、电容器及接地变间隔开关柜内12赫兹真空开关额定电流为1250A，额定开断电流31.5kA，配弹簧操作机构。（4）10kV隔离柜内配隔离开关额定电流为3150A，额定开断电流31.5kA，配带电显示器。（5）10kV主二次及分段间隔开关柜内选用LZZBJ18-104000/5A型电流互感器；配出线间隔开关柜内选用LZZBJ18-10600/5A型电流互感器；电容器间隔开关柜内选用LZZBJ18-10400/5A型电流互感器；接地变间隔开关柜内选用LZZBJ18-1075/5A型电流互感器。（6）电压互感器的选择计算1）按一次回路电压选择：1.1UU0.9Ue11e12）按精确度选择：用于测量精确度不低于1级，用于计量精确度在0.5内，用于继电保护精确度在3级。10kV电压互感器2组，型号为3×JDZX18-10BG全绝缘型及1×JDZX18-10全绝缘型。（7）10kV侧电流互感器的选择同66kV侧I1.05S/1032308A(3-24)gmax因此，10kV零序电流互感器选用LXK-Φ120型电流互感器。（8）接地刀闸选择计算1）按持续允许电流选择：根据UNS=10kV，Imax=2308A，可选JN5-10型号的接地刀。17 华北电力大学硕士学位论文2）动稳定校验动稳定电流ies=80kA；短路冲击电流ish=29.34kA，ies>ish，满足要求。3）热稳定校验tdzII(3-25)ttI∞—稳态三相短路电流，I∞=19.43kA；tdz—短路电流发热等值时间，tdz=1.56s；It—接地刀t秒热稳定电流；11.96kA小于40kA，满足要求。10kV接地刀闸选用JN15-10型隔离开关。（9）10kV母线的选择计算应满足电流分布良好、散热良好、有利于提高电晕起始电压、安装维护检修方便，连接简单的条件，在此基础上有：1）按经济电流密度计算经济截面为SIg/J；（J为依据最大负荷利用时查表得到的经济电流密emaxee度），计算得到为S4000/1.15=3478；e2）按最大长期工作电流计算环境温度为40度时，TMY-2（125×10）允许电流>4000A；3）热稳定校验θ222k=I∞t=15×1.56=243.1[(kA)·s](3-26)经查表得C=87，满足短路时发热的最小导体截面为：SI/CtKS，应满足SS满足热稳定要求。minqdzfmin4）动稳定校验母线自振动频率NET116f3.561.4101.610F706Hz(3-27)122Lm1.05.6911PE：导体的弹性模，1.4×10a；Nf=3.56；m=5.69；706Hz在35～155Hz以内，则β=1，导体最大相间计算应力220.173i0.17349.46ch2f2730N/m(3-28)a0.155母线的截面系数2253Wb0.333h0.3330.0080.081.710m(3-29)22fL27301.061610Pa(3-30)510W101.71018 华北电力大学硕士学位论文6小于导体允许应力7010Pa，满足要求。10kV开关柜内母线，按允许电流满足4000A考虑，选择TMY-2（125×10），动热稳定均满足要求。主变二次与10kV主变进线柜之间及10kV开关柜之间，均采用封闭母线桥，按允许电流满足4000A考虑，选择TMY-2（125×10），动热稳定均满足要求。（10）10kV接地变选用DKSC-700/10.5-100/0.4型干式接地变，10kV消弧线圈选用XH01-630/10.5型干式消弧线圈（调节范围30～100A），接地变及消弧线圈为户内柜式成套设备。（11）10kV电容器组选用框架式并联补偿成套装置，即每台变压器本期配置1组6000（2000+4000）kVar，远期每台主变在增设1组2000kVar电容器，分两组采用自动投切方式，投切控制装置同真空断路器的配置。（12）电容电流计算：1）按下式计算电缆线路的单相接地电容电流：Ic1＝0.1UeL(A)(3-31)2）计算结果Ic1＝0.1×66×0.515×2=6.204(A)(3-32)计入变电站配电装置的电容电流再增加12％Ic＝Ic1×112％＝6.204×112％＝6.95(A)(3-33)3）消弧线圈的选择在电力系统装备消弧线圈后，发生单相接地短路，由于消弧线圈具有消弧作用，线路在接地故障环境下继续运行2小时。应考虑电网在未来5年的发展情况，并按过补偿原则进行选择消弧线圈的容量计算，计算如下S×=1.35×Ic×Ub/1.732(kVA)(3-34)式中：Ic—电网接地电流(A），Ub—电网相电压(kV）。S×＝1.35×Ic×Ub＝1.35×2.08×66/1.732＝357.5(kVA)(3-35)目前220kV虎石台变系统I母电容电流为66.53A，运行的消弧线圈容量为3800kVA（道义变1组950kVA、詹屯变1组950kVA、农高变1组1900kVA）；II母电容电流为39.53A，运行的消弧线圈容量为1900kVA（新城子变），根据沈阳地区电网“十二五”规划，待规划的天乾、六和、吉隆、通用66kV变电站接入系统以及辉山、进步220kV变电站66kV联网工程实施后，220kV虎石台变I母电容电流为51.45A，需补偿容量为2646.76kVA，运行的消弧线圈容量3800kVA>2646.76kVA（道义变1组950kVA、詹屯变1组950kVA、农高变1组1900kVA）；II母电容电流为48.49A，需补偿容量为2494.49kVA，运行的消弧线圈容量1900kVA<2494.49kVA（天乾变1组1900kVA）。因此，本期东场变66kV19 华北电力大学硕士学位论文侧安装1组1900kVA消弧线圈。10kV侧：变电站10kV侧全部应用电缆作为配出线，本期变电站配出线共有24回，无特殊情况东场变电站10kV侧的电容电流不大于97.2A（24回×1.5倍×1.5km×1.8A/km＝97.2A），从而10kV安装两组接地变及消弧线圈，消弧线圈容量为630kVA(调节范围30～100A)。调压：沈北新区最小负荷率为60%，为使东场变电站66kV侧电压维持在66KV~69kV，10kV侧电压维持在10kV~11kV，在冬季最大负荷时，东场变电站站内2组电容器全部投入，冬季小负荷时，全部切除。3.3.5主要电气设备的校验各主要电气设备的校验情况总结如表3-2、3-3、3-4所示。表3-266kV侧断路器计算数据与技术数据对比计算数据GIS组合电器热效应Q103热稳定Q=1900k电网电压66kV额定电压72.5kV长期最大工作电流367A额定电流2000A次暂态短路电流I=8.50(kA)额定开断电流31.5kA短路冲击电流Ich=12.83(kA)额定短路关合电流80kA短路冲击电流Ich=12.83(kA)动稳定电流80kA表3-366KV侧隔离开关计算数据与技术数据对比计算数据HGW5A-66II长期最大工作电流367A额定电流630A电网电压66kV额定开断电流66kV短路冲击电流Ich=12.83(kA)动稳定电流31.5kA热效应Q103热稳定Q=1600k表3-466kV侧电流互感器计算数据与技术数据对比计算数据内置常规电磁式电流互感器长期最大工作电流367A额定电流400A电网电压66kV额定开断电流66kV短路冲击电流Ich=12.83(kA)动稳定电流31.5kA热效应Q103热稳定Q=800k3.3.6防止过电压及接地措施为保证人员安全、设备的正常运行、变电站应装设防雷及接地装置，为防20 华北电力大学硕士学位论文止接地处高电位引向站内、外低电位处对接地装置严谨布置，具体如下：（1）在主变压器中性点处配置氧化锌避雷器，型号为：HY1.5WZ2-60/144；10kV母线配置氧化锌避雷器，型号为HY5WZ2-17/45，以限制雷电波侵入过电压；（2）10kV主变二次进线柜、10kV接地变柜、10kV电压互感器柜内配置氧化锌避雷器，型号为：HY5WZ2-17/45，10kV电容器柜内配置氧化锌避雷器，型号为：HY5WR2-17/45，来限制操作过电压损害线路及负荷侧绝缘；（3）10kV电压互感器2组，采用4PT接线形式；（4）由于设备全部设在室内，所以不设避雷针，只在建筑屋顶做避雷线；（5）变电站接地网接地电阻要求小于4欧姆（具体数值应满足GIS设备要求），接地装置拟采用铜棒接地极，采用深埋接地极的方式，并将地下部分的接地网埋设好。接地带主网应采用TMY-40×5铜排，加强防腐作用，接地引线采用TMY-40×4铜排；户内部分采用-50×5镀锌扁钢接地引线，明敷与暗敷相结合的方式，在高、低压配电室适当位置处留出试验接头位置，电缆隧道及控制电缆沟内的电缆支架均应接地，接地线的敷设方式采用沿墙明敷或者沿地面暗敷。适当考虑采用集中接地极，在此降低接地电阻。另根据“继电保护专业重点实施要求二次回路与抗干扰”的要求，由接地主网经一点，采用TMY-40×4铜排单独引至独立的微机保护二次等电位接地网。3.3.7站用电的选择所用电选用700/10.5-100/0.4型干式接地变2台；两路接地变二次侧400V电源引至交流柜进线端子，两路电源互为备用，提供全所动力和照明电源。变电站为全户内设计，不考虑站外照明。带电设备室采用防水防尘灯，壁挂与吊杆相结合的方式，二次设备室采用带电子镇流器的双管荧光灯吊杆式布置，安全工具间、卫生间，泵房及值班室采用吸顶灯。整个照明系统采用三相五线制的接线方式，电源采用交流屏；设置交直事故照明屏一面，保障故障时正常照明。3.4电气布置的研究3.4.1电气总平面布置变电站按户内无人值班方式设计，主体为二层建筑；主变压器室和66kVGIS室为一层封闭式结构。为减少噪音，将变压器散热器与本体分离布置，散热器以平行于变压器长轴的方向布置在户外。10kV配电装置室、66kV消弧线圈室、泵房、机动房间设在一层，10kV接地变及消弧线圈室、10kV电容器室、二次设备21 华北电力大学硕士学位论文室设在二层。这样设计使得布置更紧凑，各配电装置间通过油气套管对接，对施工要求较严格，为了保证远期扩建安装预留间隔时，本期10kV侧间隔处采用隔离开关和接地开关的方式。电气设备全户内布置，需注意各电气设备间的安全间距（66kV设备间的间隔为1.5米）。电气总平面布置如下图所示：图3-2电气总平面布置图3.4.2配电装置布置配电装置是变电站的重要组成部分，为了保证电力系统在安全稳定的状态下运行，配电装置需要满足一定要求。安装、二次接线方便；占地小，工程造价低，做到最经济；便于检修、维护、操作、降低劳动程度；满足安全净距的要求，保证人员安全和设备正常运行；保证系统可以安全稳定运行；配电装置必须按照国家基本建设方针和技术经济政策进行设计，具体如下：（1）66kV配电装置应采用SF6全封闭组合电器。66kVGIS室长10.2m，宽8.1m，采用电缆与变压器连接。66kV全部采用电缆进线，66kV电缆线路经电缆隧道由所外引入。22 华北电力大学硕士学位论文（2）10kV配电装置采用金属铠装中置式开关柜。10kV配电装置室长26m，宽8.8m，采用封闭母线桥与变压器连接，过墙时加装穿墙套管。10kV全部采用电缆出线，为方便电缆引出，10kV电缆线路经电缆隧道引出所外。10kV微机保护及测控装置下放到10kV开关柜上，主变保护及测控柜、无功电压自动调节柜、综合测控柜等，公用设施在主控室组屏。10kV配电装置室如下图所示：图3-310kV配电装置室图3.5送电线路设计方案的研究3.5.1送电线路概况分析东场66kV变电站本期系统容量为2×40MVA，远期系统容量为2×50MVA。变电站本期两回进线，由66kV虎一虎阳线18+1#双T至东场变电站。根据正常运行方式及N-1运行方式下的最大输送容量，结合线路形式与导线截面的计算，本设计方案的电缆采用导线型号为YJLW2，长期允许载流量02-50/66kV-1×500mm分别为694A，最大传输容量为79MVA。由于东场变电站处于沈北新区规划区域内，结合该地区的总体规划，变电站66kV进线的线路没有可以选择的架空路径，因此需采用电缆路径。3.5.2送点线路设计方案线路方案确定的依据如下。（1）不通过果树、经济作物、集中林区、城市灌木丛。23 华北电力大学硕士学位论文（2）拆迁费用降到最低，本案需要经过现有的蒲昌公路，因此需要破坏现有路面，路径地势比较平坦，线路下方也没有房屋、厂房等建筑物，因此也没有拆迁工作量。（3）对周边环境无影响。（4）对电信线路、电信子站、无线电台站无影响。（5）结合东场变远期10kV电缆出线规划，变电站10kV共计12回出线，全部需要走经蒲昌路两侧，经过与沈北新区规划部门沟通，未来10kV路径规划主要分布在蒲昌路北侧。因此本工程66kV进线电缆线路考虑与10kV同路径建设（即同沟敷设），10kV线路也全部采用电缆出线。（6）距离沈阳东场66kV变电站最近的电源点为虎石台220kV变电站，本工程取虎石台变电站的两组分裂运行的66kV出线，即虎一线、虎阳线作为本站的电源，线路采用双回路电缆进线，保证充足容量的供电线路为本变电站供电。220kV虎石台变电站66kV出线间隔一、二次设备满足要求，本站不考虑更换。沈阳市沈北新区规划部门结合当地远期规划给定，由于蒲昌路规划线路走廊已经排满，本工程的线路必须为电缆线路。线路全部位于沈阳市沈北新区，线路由66kV虎一虎阳线18+1#T接双回电缆后向北，钻过66kV虎韩甲乙线和66kV虎一线后过现有蒲昌路至蒲昌路北侧转向东进入东场变。线路全长515m，沿线海拔高度在60m～69m之间，线路90%为东西走向，平地，地下水位不高，周边没有地上河流，根据调查线路沿线没有微气象条件，未处于雷电活跃地带。根据初步勘测情况，沿线地质条件较好，为普通粘性土。线路全部位于道路规划绿化带内，无矿产分布，无重要民用、军用设施，无自然保护区。线路下钻66kV线路2条，分别是66kV虎韩甲线和66kV虎义线。线路路径位于现有的蒲昌路北侧，交通十分便利。24 华北电力大学硕士学位论文63.469.267.966.263.867.161.168.862.560.660.661.667.768.766.264.967.068.968.761.464.060.460.560.461.062.065.466.467.268.068.468.468.463.461.4然60.560.160.5昌67.968.167.568.265.566.267.868.067.862.664.967.4然60.867.360.167.860.259.767.667.8蒲66.765.665.865.264.962.661.1然64.667.667.167.167.260.160.166.759.766.162.965.4路61.16060.159.767.366.760.060.163.465.264.166.366.659.966.161.160.0昌59.262.966.360.666.466.066.066.259.265.864.960.463.862.664.959.365.961.265.765.758.965.764.3施工区65.865.362.362.865.160.359.265.565.364.265.365.361.865.062.863.659.865.061.36564.6图3-4线路路径平面图3.5.3送电线路节能与环保本设计接入220kV虎石台变电站的虎一、虎阳66kV出线，线路短、损耗小、靠近电源点，潮流分布合理，进一步减小电量的损失。输电线路采用电缆线路，导线截面经过结合本期及远期潮流计算要求、调相调压和无功补偿装置的计算后合理布置，降低全网电能损耗，优化调度。采用节能型铝合金线夹、直角杆塔1基，转角杆塔1基。导线型号选择合理，可有效降低电晕和无线电干扰。线路杆塔和基础设计在满足当地环境要求的同时留有一定裕度，以防突发情况的发生。3.6本章小结变电站的一次设备选取合理与否直接关系变电站的顺利建成。本章首先通过比较选取了66kV电气主接线和10kV电气主接线。其次通过短路电流计算为变压器的选取提供理论依据，进而选取符合实际要求的变压器。再次通过计算选取符合实际要求的66kV主要电气设备和10kV主要电气设备，并对选取的设备是否满足要求进行了理论校验，经校验选取的设备满足各项指标要求。针对现场的实际情况，提出了合理的配电室和配电装置的布置方案，保证了变电站建设空间利用的合理化，保障施工顺利进行。最后针对当地的实际情况，提出了送电线路的设计方案，并对方案在经济和环保方面进行了分析，得出的设计方案满足要求。25 华北电力大学硕士学位论文第4章变电站电气二次设计方案研究4.1变电站自动化系统设计随着科技的不断进步，微机综合自动化系统在电力系统的应用越来越广泛，与传统的设备相比，在信息传送速度和容量、动作稳准快且无误动作、维护检修方便、价格适中等优势，考虑到本站的无人值班的设计，为实现对当地的监控和远程操作，本站二次部分采用微机综合自动化系统。本系统具备运动功能，具备完善的运行监视控制功能，先进可靠的硬件设备。监控系统应具备实时的数据采集、运行监视和报警、运行记录、程控操作制、画面显示和制表打印、通信功能，并具备自诊断、自恢复功能，并对微机防误闭锁可以进行预演操作。微机监控系统构成如下图：图4-1监控系统图变电站自动化系统采用开放式分层分布式系统，系统设备配置和功能满足无人值班技术要求，据此，总平面布置应遵循以下原则：（1）交通便利，方便维护检修；26 华北电力大学硕士学位论文（2）布局要合理紧凑，节省土地资源；（3）满足电器生产工艺要求；（4）与环境相适应，无污染；（5）符合防水、防火、防爆相关规定。本站66kV侧采用室外布置，采用线路变压器组接线从虎一、虎阳线引出，经刀闸，隔离开关，电流互感器，断路器到主变压器，主变压器中性点接的避雷器也布置在室外，出线经过穿墙套管引至室内。室内配置的一般原则：容易扩建、简易二次接线；布置力求对称性，方便操作；母线分段处母线间用建筑墙隔开，以防母线事故的蔓延并保障检修人员的安全；同回路的导体和电器布置在同一小间内，而各回路的间隔则相互隔离以保障间歇人员安全及限制故障范围，方便查询故障；既考虑设备的重量，把重设备放在底层，有需要按照主接线图的顺序来考虑设备的连接，做到进出线方便。本站10kV侧室外布置两组电容器和避雷器。室外配电配置和室内一样，必须注意合理布置，并保证安全净距。4.1.1系统构成及配置变电站自动化系统主要由站控层、间隔层、过程层组成。（1）站控层设备站控层设备包括操作员工作站、远动工作站、信息子站、网络通信设备、五防工作站、卫星同步对时系统、打印机、事故音响报警设备以及其它智能接口设备等。对于操作员工作站、远动工作站、网络通信设备等应采取冗余配置，一般为两台（或两套），从而确保设备运行的连续可靠；计算机及监控系统在运行周期内应满足配件可更换等可维护要求，存储容量应保证重要历史数据保存3年。远动装置的配置必须满足调度、集控中心对站内运行监视控制的需求，传送各级调度的通信模块应独立配置，且宜支持热插拔，不应该存在单点故障导致系统全部失效的隐患；采用基于工业控制的32位及以上多处理器通信装置，硬件采用模块化结构，便于维护和扩展；支持网络通信、数字接口通信和四线模拟接口通信功能，模拟通信接口应支持FSK四线模拟接口，配置的电力专用的MODEM应满足ITU/V.23标准；收发信阻抗：平衡600ohm；发送电平：0～-21dB可调；接收电平：+3～-43dB可调；中心频率可为1700至4000Hz的任意值，频偏为100至600Hz的任意值，精度为1Hz；数字通信接口应支持RS-232，速率600~9600bit/s。本站配置主机兼操作员站2套，I区远动通信装置2套，II区远动通信装置2套，配置综合服务器1套，数据服务器1套，图形网关机2套。27 华北电力大学硕士学位论文（2）间隔层设备变电站计算机监控系统的间隔层设备包括：测控单元、网络通信接口设备等。完成变电站数据采集、控制、监测、同步及本间隔防误操作闭锁等功能。测控装置应为32位及以上CPU或16位及以上DSP硬件平台，采用可靠性高、抗干扰强的嵌入式实时操作系统；模块化、标准化的结构，易维护和更换方便，且模块宜允许带电插拔；任何一个模块发生故障（MCU和电源除外），不影响其它模块的正常运行；额定交流输入：电流5A(1A)、电压100V（线电压）、100/3（相电压）、频率50Hz；14位及以上高精度模数转换器，采样速度32点/周波；输入回路应有电气隔离；电压互感器回路应有快速小开关保护；满量程应有200%的裕度，满量程后数据不能归零；交流采样测量误差0.2％（U，I）；0.5％（P，Q）；模拟量死区整定值0.2％；遥测响应时间0.5s[30-32]。主变压器电量保护及非电量保护均按照单套配置，主变高、低压侧后备保护、测控装置独立配置；10kV各间隔保护均采用保护测控一体化配置；备自投独立配置、故障录波装置。（3）过程层设备主要完成电气参数的检测、设备运行状态的监控和一次设备的遥控。66kVGIS组合电器采用常规互感器，配置独立的合并单元及智能终端；由于10kV系统采用常规式互感器且10kV保护一体化装置下放至开关柜内，因此除主变间隔外，不设置独立的合并单元，不设置独立的智能终端，10kV各间隔保护测控装置集成智能终端功能，主变本体智能终端单套配置，完成主变非电量保护及温度采集功能，主变的非电量跳闸采用直采直跳方式。（3）网络结构及网络通信设备网络应采用双网结构，网络设备应冗余配置，冗余配置的网络设备采用不同直流母线段的直流电源供电。以太网交换机应能满足如下技术要求：基于VLAN(802.1q)的网络隔离和安全；支持IEEE802.1p优先级协议；支持实时数据流；支持组播过滤；支持端口速率限制和广播风暴限制；支持端口配置、状态、统计、镜像、安全管理、SNMP；支持光纤口链路故障管理；支持基于端口的网络访问控制；交换机能在温度介于－40℃～＋70℃之间、湿度介于10%～95%之间的工作环境长期稳定运行。10kV及66kV均不设计独立的GOOSE网络，GOOSE信息直上MMS网方式，网络采用双星型网络。4.1.2二次设备组柜及布置变电站二次设备柜体外型、结构和颜色统一。柜体外形尺寸：2260×800×600mm，前玻璃门，后双开门，静电喷涂。二次设备室布置主变保护测控柜2面，操作主机柜2面，远动通信柜2面，28 华北电力大学硕士学位论文综合服务器柜1面，数据服务器柜1面，图形网关机柜1面，公用柜1面，调度数据网络柜1面，交直流一体化电源柜8面，智能辅助控制系统柜2面等共计32面设备柜。10kV保护及电能表计布置在10kV开关柜内，综合备自投装置放置在10kV分段开关柜内，主变压器电量保护集中组屏安装于二次设备室内，主变本体保护及智能终端布置在变压器本体附近。图4-2二次设备室平面图4.1.3其他二次系统的设计（1）电能计量系统关口点设置在主变高压侧（66KV侧），关口点的电度量和考核点的电度量传送到智能辅助控制系统。变电站主变10kV进线，10kV线路，10kV电容器设计量点，计量全部采用全电子复合电能表，就地安装于10kV开关柜内，电量信息经电量采集装置上传至集控中心。计量用电流互感器和电压互感器用专用二次回路，电流互感器使用准确级为0.2、主变二次侧及10kV馈线设有有功及无功电度计量、电容器设有无功电度计量、在交流柜内设有所内及所外电度计量。（2）全站时间同步系统配置一套时间同步系统，供全站公用。主时钟采用单套配置，支持北斗系统GPS的标准授时信号，优先考虑采用北斗系统，并满足站内所有设备对时钟同步29 华北电力大学硕士学位论文精度与守时精度的要求。站控层设备可应用SNTP的对时方式，间隔层与过程层设备可以应用IRIG-B的对时方式。（3）交直流一体化电源系统本工程采用交直流一体化电源系统，变电站用直流电源采用220V，单母线接线方式。设置一组阀控式密封铅酸蓄电池，蓄电池容量按2h事故放电时间考虑，根据本站的规模、直流负荷情况以及直流系统的运行方式，本站蓄电池容量选择200Ah，蓄电池104只。充电装置采用一套高频开关充电装置，模块按50A配置。变电站内直流网络采用辐射状供电方式，设直流馈电柜1面。通信电源整合于一体化电源系统内，经DC/DC变换模块提供-48V电源。交流不停电电源（UPS）整合于一体化电源系统内，容量为5kVA。一体化电源统一监视控制，经IEC61850规约将信息统一上传至变电站自动化系统。（4）二次系统防雷、接地和抗干扰变电站内敷设二次等电位接地网，屏柜内安装等电位接地铜排，满足国网公司要求。避雷针的装设注意以下几点：1）尽量利用照明灯具、杆塔，并在其上装设避雷装置；2）避雷针的保护范围；3）在变电站的4脚分别装设避雷针。4.2变电站继电保护系统的研究继电保护应满足可靠性、灵敏性、速动性，即稳准快的要求，继电保护的配置应满足：（1）短路电流计算结果、电力设备特性对比选择；（2）故障的频繁程度及造成危害的程度；（3）电网近期规划和是否增容；（4）经济上的合理性；（5）考虑电网的特性。东场66kV变电站本期1回进线T于220kV虎石台变电站66kV虎一线；1回进线T于220kV虎石台变电站66kV虎阳线。本变电站为终端变电站，66kV进线故障由电源侧保护切除，东场变电站站内不设计66kV线路保护。元件保护按《继电保护和安全自动装置技术规程》(GB14285-93)及《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》的规定执行。继电保护装置的配置方案应满足以下要求。（1）主变保护主要有反映变压器内部短路故障或油面太低的重瓦斯、轻瓦斯保护；反应相30 华北电力大学硕士学位论文间短路的纵联差动保护和电流速断保护；零序电流保护作为变压器主保护的后备保护；过负荷保护。本站的方案中主保护为纵联差动保护、非电量保护；后备保护为高压侧后备保护，过负荷保护，低压侧后备保护。测控装置配置为模拟量数据采集、遥控量、开关量、主二次断路器控制信号、主变保护信号、测控装置信号、分接头位置信号。（2）10kV线路保护10KV侧需迅速切断故障线路，以保证安全稳定运行，可靠供电；一般取两段保护，第一段采用电流速断保护，旨在快速性，当达不到要求时采用过电流保护或重合闸作为第二段保护，降低保护的启动电流。本站的方案中第一段保护采用电流速断保护和过电流保护，第二段保护采用重合闸和低周减载。（3）10kV电容器保护对电容器的保护应按照故障的类型选择合理的保护方式，具体故障类型如下。1）电容器和断路器之间的线路发生短路；2）电容器内部故障或其引出线发生短路；3）电容器组中某个故障电容器被切除以后，产生的过电压；4）电容器组由于单相接地发生的故障；5）电容器组过电压；6）所连接的母线失压。本站的方案为：电流速断保护，过电流保护，过压保护、欠压保护，不平衡保护。（4）10kV接地变保护方案：电流速断保护、定时限过流保护、断路器防跳、录波功能。（5）10kV分段保护方案：本站方案设置为定时限电流速断、三相一次重合闸、断路器防跳、录波功能。（6）备自投：详细技术原则严格执行《辽宁电网备用电源自动投入装置技术导则》（试行），采用主变及10kV分段综合备自投。本站主要为各大企业提供电能，企业对电能质量有更高的要求，为了不使线路故障造成用户端停电的现象发生，在本站设计中备用电源和备自投装置就必不可少，备自投装置应该满足以下几点要求：1）正常工作电源断开以后，备用电源立即投入运行；2）线路上电压较低时，备自投立即投入运行；3）备用电源自动投入装置只允许将备用电源投入一次，严防误动作；4）当备用电源投入到故障线路上时加速保护装置动作，以防造成更大的危害；31 华北电力大学硕士学位论文本站设计中，为了确保用户端不停电，建议站内电源均装设备自投装置；5）故障录波器：主变、66kV系统、10kV系统都配置故障录波器，配置一套继电保护及故障录波信息管理系统。4.3变电站调度自动化系统的设计4.3.1远动系统的设计本变电站采用基于IEC61850通信标准的自动化系统，远动功能并入该系统，自动化系统统一组网，站内信息具有共享性，远动信息不重复采集，远动功能由远动通信装置完成。4.3.2调度组织关系66kV东场变电站建成后由沈阳地调进行调度指挥管理，其远动信息和计量信息上传至沈阳集控中心和沈阳地调，进而转发给辽宁省调。4.3.3信息传输方式采用网络方式接入电力调度数据网，采用TCP/IP传送协议，采用IEC60870-5-104应用层协议。同时组织一路专线通道至集控中心，传输规约采用IEC60870-5-101。4.3.4远动化范围远动信息内容应满足DL/T5003-2005《电力系统调度自动化设计技术规程》、DL/T5002-2005《地区电网调度自动化设计技术规程》和调度、集控中心对变电站的监控要求。具体如下。（1）遥测量主变高、低压侧和所有输电线路所有有功功率、无功功率、电流、有功电量、无功电量；220kV、66kV母线的线电压、相电压；66kV电容器的无功功率、电流；66kV站用电380V的电压；主变温度；直流蓄电池电压。（2）遥信量主变高、低压侧所有断路器、刀闸、接地刀的位置信号及本体信号；线路断路器、刀闸、接地刀的信号；线路保护信号；保护动作信号，保护装置故障信号；66kV站用电380V的开关位置信号；事故信号。（3）遥控量32 华北电力大学硕士学位论文主变高压、低压侧所有断路器；所有线路断路器；所有电动隔离开关；接地刀闸。（4）电能量220kV线路电量；主变高、中压侧电量；66kV线路电量。4.3.5调度端扩容66kV变电站远动信息和计量信息接入集控中心（地调），需对集控中心（地调）进行相应的软件扩容。4.3.6调度数据网接入及安全防护（1）调度数据网接入配置1套调度数据网接入设备，包括路由器、交换机等。（2）系统安全防护根据《电力二次系统安全防护总体方案》中的有关要求，66kV变电站内自动化系统与集控中心通过MPLS-VPN1进行通信。66kV变电站内电能量计量系统与集控中心电能量计量系统通过MPLS-VPN2进行通信。4.3.7远动方案的研究远动信息通过站内自动化系统的远动功能分别送往沈阳地调和虎石台集控中心，通信规约包括各级调度现行各种规约。远动信息采集原则如下。（1）根据《电力系统调度自动化设计技术规程》及《地区电网调度自动化设计技术规程》采集远动信息。（2）采集的远动信息应全面反映电网运行工况，保证电网监控信息的实时性和整体性。（3）采集的远动信息应满足电网统一调度、分级管理的运行管理要求。（4）能保证各级调度自动化系统高级应用功能的实现。（5）远动信息不重复采集，采集远动信息应具有冗余性。4.4变电站智能辅助控制系统的设计本站按无人值班变电站设计，因此必须实现遥控、遥视、遥测、遥调、遥信五遥功能，考虑配置1套微机综合自动化装置。33 华北电力大学硕士学位论文配置一套具有实时监控功能的智能化辅助控制系统，完成照明、火灾报警、图像监控及环境监测等一系列的智能化控制，进而简化系统的配置。（1）智能辅助控制系统主要由火灾自动报警装置、智能化辅助系统平台、图像监视及安全警卫装置及环境监控装置等组成；（2）智能辅助系统平台可以应用DL/T860标准进行通信，实时的接收站端视频、人员出入、环境数据等各终端设备上传的信息，对各类信息进行分类存储各，对存储的信息进行分析和判断，实现辅助系统的管理与监视控制功能。（3）图像监控装置与安全警卫、环境监测、消防等相有关装置实现联动控制；能够依据环境监测数据对采暖通风装置进行自动启停；（4）能够通过智能辅助控制系统对变电站内的照明灯光进行远程控制，并能够使智能辅助控制系统与图像监控设备进行联动操作；（5）智能辅助控制系统可以对空调、给排水等系统进行远程控制，使其实现启停等功能；（6）与其它系统接口要求（7）可通过一体化的信息平台实现与变电站的自动化系统对接；（8）应预留出和远方主站端系统的通信接口；（9）在与其它系统通信时，必须严格遵守《电力二次系统安全防护总体方案》的要求，通过MPLS-VPN实现网络、业务以及不同安全分区之间的隔离，保证系统功能的安全。4.5变电站通信系统的设计4.5.1现有通信系统存在的问题（1）传输网络现状沈阳地区目前已实现囊括220kV变电站的2个2.5G骨干光环网，且周边的66kV变电站按照点状、链状以及环网三种方式就近接入220kV变电站。新建66kV东场变电站位于沈阳市沈北新区蒲昌路和客专西街交叉口西北角。目前，该地区通过建设已形成虎石台-松陵变-北陵变-韩屯变-方溪变-孝信变-虎石台变及虎石台变-劳动变-东窑变-陵东变-崇山变-怒江变-长江变-韩屯变的622M光环网，其中在本工程路段架设有1条24芯OPGW光缆，承载着虎石台-松陵变-北陵变的通信电路。（2）调度程控交换网现状现目前沈阳地区已经实现囊括地调、集中控制中心、有人值班的变电站及各个220kV、66kV无人值守变电站的交换网络。浑河变现设置一台具有VoIP功能34 华北电力大学硕士学位论文的调度交换机。该调度机和地调的调度交换机都应用2M的组网，向本地区操作队延伸IP电话与IP调度台，和本地区有调度机的变电站应用2M的中继互联，对本地区没有调度机的变电站应用延伸IP调度台的方式。经过建设，沈阳地区已实现包含各个地调、66kV和220kV变电站以及集中控制中心的数据网络。沈阳地调装置的设备为思科6509-S720，集中控制中心以及部分汇聚层的一次变装置的设备为思科6509-S32，其它的一次变装置的设备为中兴ZXR108905型的交换机，各现有的二次变装置的设备为中兴ZXR105952型交换机。在本工程路段架设了一条24芯OPGW光缆，承载着虎石台-松陵变-北陵变的通信电路，本站接入该622M光环网，再以点状、链状、环网三种方式的一种就近接入220KV变电站。浑河变设置的1台VoIP功能的调度交换机兼做集控中心的行政交换机。4.5.2通信通道需求分析东场变为虎石台集中控制中心所管辖的子站，需向该中心传输各类数据，本期共为东场变配置了相应带宽及通道，具体功能如下表；并为东场变远期业务发展预留了通道，通道需求统计如表4-1。表4-1通道需求统计序号通信通道起止点带宽数量承载业务1东场变－沈阳地调IP2调度及行政电话2东场变－虎石台集控中心2M1自动化信息传输调度数据网3东场变－虎石台集控中心2M2（含电量采集）信息4东场变－虎石台集控中心IP1综合数据网4.5.3系统通信方案的设计本工程拟利用新建电力管道及现有电力资源，从东场变起新建1根24芯ADSS光缆“T”接至虎一虎阳线。在东场变配置1台622M光设备，利用北陵变和虎石台新增光接口板，将东场变接入系统通信网。（1）通信设备配置东场变电站配置1台622M光设备，2块光接口板对应北陵变及虎石台光方向；配置1套综合数据网接入设备，采取光纤直驱方式接入虎石台原有思科交换机；配置3台IP电话；配置1架综合配线架；配置1台通信电源屏，通信设备所需电源由变电站所内电源系统提供。北陵变配置1块622M单光口光板，对应东场变光方向。35 华北电力大学硕士学位论文虎石台变配置1块622M四光口光板，对应东场变光方向。（2）通信线路设计本工程拟利用新建电力管道及现有电力资源，建设东场变-虎一虎阳线T接点的24芯光缆，使东场变就近接入沈阳电力通信网。本工程全程采用符合G.-652标准的24芯光缆。东场变-虎一虎阳线18+1#T接点：从东场变利用新建电力管道敷设24芯ADSS光缆至虎一虎阳线18+1#，光缆全长1公里，使东场变通过虎石台变及北陵变接入沈阳电力通信网。恢复虎一虎阳线，既有光缆架设24芯OPGW光缆，长度为0.3公里。（3）通道组织东场变为66kV无人值班变电站，为虎石台集控中心子站。本工程利用新建、原有光缆及设备形成东场变接入系统的两条独立的通信通道，使东场变通过虎石台变及北陵变接入沈阳地区光环网。（4）综合数据网配置根据沈阳地区综合数据的总体规划方案及东场变的光缆建设情况，在东场变新增1台接入交换机，将东场变作为边缘接入层就近接入虎石台集控中心。东场变利用SDH传输平台上传综合数据网数据至上层平台。（5）调度、行政交换电话配置方案东场变应配置2部IP调度电话和1部IP行政电话。配置1部公网电话。4.6本章小结变电站二次系统对一次系统起着测量、控制、调节及保护的作用。本章首先设计了自动化系统，系统由站控制层、间隔层、过程层组成，分别对各层的装置进行了选取，满足合理配置和布局。其次为了保证变电站可靠的运行，对变电站二次系统中各项保护进行了选取，满足实际运行要求。再次对调度自动化系统进行设置，满足实际测量控制要求。最后分析了现有通信系统存在的问题，对通信系统进行了优化设计，满足实际通信要求。36 华北电力大学硕士学位论文第5章变电站智能化改造的研究前面几个章节已经详细论述了66kV变电站的设计过程，包括一次设备的选型，电气二次方案设计等。但是随着智能电网的发展，变电站越来越要求智能化，传统变电站的不足制约着智能变电站的发展，智能变电站与常规变电站相比，智能变电站的采集的信息量更大、测控范围更广、处理技术更加智能化，而且智能变电站的设备具有信息数字化、结构紧凑、功能集成化、状态可视等特点，符合易扩展、易升级、易维护的工业化应用[22]。因此，要对智能变电站进行智能化改造。智能变电站的改造包括变电站总体结构的改造和变电站具体设备的智能化改造。5.1变电站总体结构的改造研究变电站具体设备的改造，对变电站的整体结构提出了新的要求，需要新的结构来适应智能设备的接入，因此需要对变电站的总体结构进行改造。对变电站整体结构改造一方面为了满足智能一次设备的接入，另一方面是也为了满足智能变电站的总体要求。5.1.1传统变电站总体结构的不足在对66kV变电站进行智能化改造之前，首先要清楚传统变电站存在的问题，传统变电站的主要问题如下：（1）传统变电站采用的结构不能充分发挥智能一次设备的优势，不能为一次智能设备提供高效、迅速、合理的传统通道。（2）传统变电站在结构上是按照间隔划分的“点对点”结构，该结构实现简单，但也有很多缺点，它不能实现信息共享，母差保护等复杂的功能实现困难，全站故障录波等自动化功能也得不到很好地解决。（3）基于传统过程层设备的变电站方案采用传统的互感器和高压电器设备，电气量采集采用模拟方式；模拟量采集是通过测控装置实现A/D转换，直接从电压、电流信号采样得到数值；开关量采集和输出全部通过硬接线的方式实现的，过程层不能满足IEC61580标准智能变电站的要求。5.1.2变电站总体结构的智能化改造为了解决设备间的互操作和信息共享等问题，需要对66kV变电站的结构进37 华北电力大学硕士学位论文行改造，新的变电站结构将采用基于网络交换机的分布式结构，该结构相对于传统变电站的“点对点”的方式，它能够实现过程层的信息共享，而且大大简化了光纤接线，为过程层数据的共享奠定了基础，在此基础上，实现母线保护等功能将会变得十分容易。改造后的66kV智能变电站结构如图5-1所示，该结构包括三层：过程层、间隔层和站控层。下面将对每个层的改造情况进行分析。图5-1改造后的66kV智能变电站结构5.1.2.1过程层的改造传统变电站过程层和间隔层是一个整体，没有具体划分，而智能变电站分为过程层和间隔层，结构更为清晰。过程层的改造过程是先将过程层与间隔层进行分离，然后再将智能终端和合并单元安装在过程层中，合并单元能够对电子式电流或电压互感器传输过来的信号进行处理，转换成符合IEC61580规约的信号；而智能终端负责对断路器、隔离开关、和变压器等一次设备数据的实时采集和处理，而且可以和其他IED实时交换数据。最后取消过程层二次设备的直接电气采集部分，用过程总线发布数据的接受处理，这样处理可以方便实现信息共享，为变电站的高级应用功能的实现奠定了基础。对变电站的改造重点是对过程层的改造，对过程层的改造如下：66kV变电站的所有互感器均采用电子式互感器，66kV侧和10kV侧都配备电子式电压互感器和电子式电流互感器。该站的保护测控设备采用完全支持数字化的微机保护测控装置。66kV线路、主变压器、母联断路器间隔分别配备一组电子式电压/电流互感器，其中66kV线路、主变压器的电子式电压/电流互感器安装在开关和3个隔离开关之间，66kV母联断路器的电子式互感器安装在母联断路器和隔离开关之间，通过远端模块、合并单元将电压、电流量传送到智能控制装置、保护装置等。38 华北电力大学硕士学位论文66kV主变中性点的TA采用基于激光供电的独立型的ECT。电子式互感器的数据同步方式采用插值同步，信息传输规约采用国际通用的IEC61850规约。过程层的网络交换机配置如图5-2所示。图5-266kV过程层交换机配置图5.1.2.2间隔层的改造对间隔层的改造，就是将传统变电站中具有保护、测量、控制等逻辑功能的装置进行优化组合，整合后设置专门间隔层设备负责整个智能变电站的保护、测控和计量等工作。过程层的智能化改造已经为IEC61850通信标准一体化平台的功能优化奠定了基础，所以可以将监控、测距、电能计量、录波和电能质量监测等功能优化成一体化的测控IED单元。66kV变电站间隔层的改造如下：每个66kV开关间隔配备一台GIS智能控制柜，每台柜上配备一台智能控制设备作为GIS开关和本间隔测量的控制。66kV线路保护采用就地化保护，这样可以缩短并较少用于传统一次开关设备到传统二次设备间的电缆。GIS室内的线路间隔保护屏采用三面：一面智能化控制屏，二39 华北电力大学硕士学位论文面双重化配置的保护屏（每面屏都包含一套独立的保护装置和一个独立的合并单元）。改造后的间隔层相比传统变电站，主要有以下区别：（1）通过通信完成模拟量和状态量的采样。（2）通过通信来实现对一次设备的控制。（3）间隔层设备的功能得到进一步的整合和重构。（4）间隔层设备和站控层、相邻站的设备、控制中心以及其他间隔层设备之间的联系方式发生了变化，通信的内容和信息也随之发生变化。（5）由于采样方式和控制方式的变化，采集到的信息内容更加丰富，控制策略更加灵活[22]。5.1.2.3站控层的改造对站控层的改造，就是在站控层设置服务器、操作员站、五防工作站、远动主机、工程师工作站以及打印机和GPS同步时钟装置等设备来实现站控层的相关功能。对站控层的具体改造如下：微机监控系统使用分层分布式的结构，包括了站级监控层与间隔级监控层。站级监控层使用100M得以太网，间隔层与站控层保护测控装置使用符合IEC61850规约的通信要求；站控层设置2台同时并列工作且互为热备用的主机兼人机工作站，配置1台“五防”工作站与2套和调度中心进行通信的远端数据处理和通信装置，1台公用信息工作站和1台保护信息工作站。5.1.2.4总体结构改造后对比分析经过对66kv变电站总体结构的智能化改造后，过程层将一次系统和二次系统连接起来，为其它层提供真实可靠的最原始的基础数据。过程层的设计采用统一网络模式，这样间隔层的设备就只需要一个通信接口，简化了变电站的网络结构，降低变电站的工程成本，站内信息可以很方便的充分共享，很好的满足了对过程层通信网络可靠性、开放性、实时性的要求。站控层是智能变电站的最顶层，为智能变电站的运行、维护、监视和控制提供可视化界面，方便值班人员了解站内的运行情况，并通过通信与远方的调度中心实现双向交互。文章所设计的站控层一是大大减少了设备的数量，对全站的数据流向进行了优化，提高了全站的管理以及智能化监视水平，第二方面根据未来智能变电站的发展趋势，具有很强的维护便利性与可开发性。5.2变电站具体设备的智能化改造变电站的具体设备包括变压器、互感器、开关、避雷器等，前面已经对变电40 华北电力大学硕士学位论文站的具体设备选好了型，为了实现变电站的智能化运行以及信息的实时和准确采集，需要按照设计对这些设备进行智能化改造。5.2.1变压器的智能化改造第三章已经选出了变压器的型号，型号为SZ11-40000/66，结构形式为主变本体与散热器一体。为了实现智能化的要求，需要在变压器主体基础上加装智能组件。未加改造的SZ11-40000/66传统型变压器不仅效率低，信息采集不准确、不及时，而且送出来的信息不能满足智能电网的通信规约，这些缺点的存在不能满足智能变电站的运行要求，所以要对变压器进行改造，主要体现在在传统变压器的基础上加装智能组件。未经改造的变压器也配置有许多传统组件，主要有油位表、气体继电器、压力释放阀、速动油压继电器和电流互感器等。但是智能变压器对这些组件的要求比传统变压器要求更高。对变压器的改造主要体现在智能组件的改造上。（1）油位表的改造对油位表的改造，主要是用智能组件的智能油位表代替传统组件的油位表，经过这样改造后，不仅能实现传统油位表的上下限报警功能，而且能都将油位信号变成4mA~20mA的信号送出去，供远方监测使用。（2）气体继电器的改造传统气体继电器只有轻瓦斯报警、重瓦斯跳闸两种信号的输出，不能满足智能化需求，去除传统继电器，用智能气体继电器代替后，不仅能够实现这两种信号的输出，而且智能组件结构及通信网络能够将轻瓦斯气体聚集量的信号输出，供远方监测使用。（3）压力释放阀的改造传统的压力释放阀有跳闸(或报警)触点，但智能变压器需要将油箱内的压力值转变成能够识别的电信号输出，目前，具备这种功能的压力释放阀还不存在，为了满足智能化的需求，改造时在传统压力释放阀的基础上增加压力传感器来实现此功能。（4）套管上电流互感器的改造对套管上电流互感器的改造，就是将套管上的传统电流互感器用电子式互感器代替，同时接入到智能组件柜的合并单元中。综上所述，对66kV主变压器的改造应包括：在变压器本体上安装新型霍尔电流互感器、新型位移传感器、气体压力传感器和气体密度传感器。在智能组件柜中配置智能主变的IED，包括：测量IED、OLTC控制IED、监测功能组主IED、41 华北电力大学硕士学位论文局部放电监测IED、油中溶解气体IED，同时配备测控装置和合并单元。经过以上的改造，66kV智能主变就能够实现对变压器必要信号的采集，这些采集的信号最终会传输到相应的智能组件IED中，在线监测装置根据这些信号就能够实现对变压器的智能化管理。改造后的66kV智能变压器信号流示意图如图5-3所示，首先，传感器将变压器的信息传送到测量IED上，测量IED将这些信息统一发送到过程层网络。然后，测控装置、检测功能组主IED、冷却装置控制IED就能通过过程层网络得到变压器的相关数据，完成检测和控制功能。测控装置还可以把这些数据发送到站控层网络，通过站控层的远动机和站控主机就可以实现远方监测和远方控制的功能。图5-3改造后66kV智能变压器信号流示意图5.2.2互感器的智能化改造66kV侧互感器，经计算后选600/5A电流互感器，但是传统的600/5A互感器存在以下缺点：质量大、结构复杂，给安装和运输带来很大不便；对动态信号响应特性差，限制了基于动态信号的装置的应用；在实际运行中还存在很大的安全隐患；使设备之间无法实现互操作，信息难以共享。这些缺陷限制其在智能变电站的应用，所以要对互感器进行改造。1、互感器的智能化改造为了满足智能化的需求，本工程用电子式电流互感器代替传统的600/5A电流互感器。电子式电流互感器有有源型和无源型两种类型。每种类型的分类及优缺点如表5-1所示。42 华北电力大学硕士学位论文表5-1电子式电流互感器类型及优缺点电子式电流互感器类型优缺点测量精度温漂问题；小电流测量精度问题；磁光玻璃型振动对测量精度影响等；受光波长影响巨大；受温度影响，稳定度差。无源型测量精度温漂问题；小电流测量精度问题；全光纤型受光波长影响巨大；受温度影响，稳定度差。低功率线圈——有源型罗氏线圈频率响应快，线性度好，暂态特性好对比无源型电子式电流互感器和有源型电子式电流互感器的优缺点，可以看出有源型电子式电流互感器性能更好。所以推荐采用有源型电子式电流互感器，用有源型低功率铁芯线圈电子式电流互感器传感测量电流，用有源型罗氏线圈电子式电流互感器传感保护电流[24]。在对互感器改造时，除了将传统600/5A互感器更换成电子式互感器外，还要对互感器的接口进行改造，来提高电子式互感器的应用兼容性，即通过加装扩展仪用传感器单元（ITU)，来接受电子式互感器和传统互感器发送过来的信号。电子式互感器设计时，保留了模拟量输出接口，目的是为了与传统变电站自动化系统兼容。模拟量输出是指把一次侧采集器传送到二次侧的数字信号通过数模转换器还原成模拟信号，然后对还原后的信号进行放大、滤波、移相后，就可以按照传统互感器的二次输出标准与电能表、控制保护等二次设备连接[20]，这时二次设备不需要改动，原先的数模转换器也可以保留。2、扩展仪用传感器单元（ITU）功能扩展仪用互感器单元的采用，一方面是为了提高电子式互感器的兼容性，以适应智能变电站的不同层次的自动化系统。另一方面，ITU的采用还能满足个别旧变电站在进行技术改造时的升级要求。同时ITU还具有合并单元的功能，既能对电子式互感器传送过来的数字量和模拟量进行接收，还能对传统互感器传送过来的数字量和模拟量进行接收，这样可以实现和不同系统的有效对接。扩展仪用传感器单元结构功能图如图5-4所示。43 华北电力大学硕士学位论文图5-4ITU装置结构功能图10kV侧电流互感器的智能化改造同66kV侧。5.2.3气体绝缘封闭式组合电器（GIS）的智能化改造66kV侧GIS选型结果为：电气设备采用户内布置，主一次设备采用72.5kV全封闭组合电器2组，型号：三相共箱；额定电压：72.5kV；额定电流：2000A；额定开断电流：31.5kA；额定短路关合电流：80kA；额定短路耐受电流：31.5kA/3s；三相联动弹簧机构；内置常规电磁式电流互感器（400-600/5A，0.5/5P30/5P30，30VA/30VA/30VA），每组GIS组合电器配置1面智能控制柜。对66kV侧GIS进行智能化改造，就是将微电子技术、计算机技术、传感技术及数字处理技术同电气控制技术结合在一起，应用于GIS的一次和二次部分，并将测量、监控、保护、控制、通信和录波等功能集成一体。用电子式电流互感器代替常规电磁式电流互感器，智能电子操纵机构代替三相联动弹簧机构。图5-5智能GIS组成架构示意图44 华北电力大学硕士学位论文具体改造还包括在GIS中安装新型传感器，加装微处理系统以及采用IED装置和光纤传递信息。（1）安装新型传感器传统传感器精度不高、功能少，不能满足断路器智能化的要求，因此需要安装新型传感器来克服这些不足。安装霍尔电流传感器来实现分/合闸线圈的电流检测，并判断断路器的运行状态；安装气体密度传感器，来实现断路器状态的连续检测，确定气体密度趋势及气体密度极限值，实现对SF6气体的锁定和报警功能；安装行程传感器，来实现对断路器机构的状态检测。这些新型传感器的安装能够使断路器的气体状态、操纵机构状态、断路器的开/合状态准备清楚的记录下来，供分析与控制环节使用。（2）加装微处理器系统微处理器系统负责对传感器传出来的模拟信号进行处理，使之成为容易读懂的，易辨识的数据，即将复杂信息精简化，条理化。（3）采用IED装置及信息传递用的光纤配置机械特性IED，负责显示断路器的操纵机构状态信息，同时配置SF6气体IED和触头温升IED，负责显示SF6气体的具体状态信息及触头温度信息，这些装置都安装在断路器的智能组件柜中。信息采集完成后需要向信息一体化平台传输，为了保证传输的快速性与准确性，采用光纤传输。66kV侧的GIS改造后的工作系统构成如图5-5所示，用新型传感器获取断路器、开关等的有关信息，并用微处理器处理获取的信息，信息传递采用光纤传递。改造后的GIS不用像以前那样需要定期对部件进行更换和大修，提高了各设备的可靠性[25]。图5-6改造后66kV侧智能GIS的系统构成45 华北电力大学硕士学位论文5.2.4变电站具体设备的智能化改造前后对比分析通过对沈阳东厂66kv变电站具体设备的智能化改造，虽然会增加成本，但对变压器的经济运行特别重要，而且变压器的安全性大大提高，能够在重大发生前及时切除，综合考虑安全性和经济性，以及对未来智能电网的支撑性，安装智能变压器利大于弊。电子式电流互感器不仅克服了传统互感器对人身的潜在隐患，即二次侧开路时会有很高电压，能够造成人身伤害，而且能够提高计量的准确性，能够发现该地区不正当的窃电行为。对气体绝缘封闭式组合电器（GIS）的智能化改造，使得操作更加简单，提高传感器精度，增加功能，能清楚的将供分析与控制环节所使用数据记录下来，将复杂信息精简化、条理化，保证数据传输的快速性与准确性。5.3本章小结本章根据前面66kV变电站设计，对实际中的66kV传统变电站进行了智能化改造，包括变电站总体结构的改造和变电站具体设备的智能化改造。首先，论述了对变电站的整体结构进行改造的原因和改造过程。原因之一是传统变电站结构已经不能满足智能变电站的要求；原因之二是智能变电站一次设备改造完成后，为了发挥智能一次设备的作用和优势，同时为了实现一次设备数据的共享和交互，需要对智能变电站的整体结构进行改造。在整体论述的基础上，又分别研究了过程层、间隔层、站控层的具体改造过程，并最终完成了66kV变电站的智能化改造。其次，根据第三章变电站的一次设备选型设计，对实际中变电站的一次设备进行智能化改造。本章节详细论述了变压器、互感器和断路器的智能化改造过程，并分析了进行智能化改造的原因。46 华北电力大学硕士学位论文第6章结论拟建的本工程可以很好的解决沈北新城新增负荷的需求，对提高当地供电可靠性，提供更高的电力保障具有很重要的意义，同时也为未来智能电网的发展起着重要的支撑作用，正式投运后，必定会带来更大的经济效益和社会效益；在设计的过程中，本人借鉴了相关电气资料，对变电工程的研究设计得到了一定的认识和得到了一些的经验，现总结如下：（1）变电工程66kV侧3种电气主接线各具特点，在衡量可靠性，简易型，经济型之后，扩建简易性之后，本文选取线路变压器组接线方式；10kV侧电气主接线的选择考虑到远期的扩建采用单母线分段接线方式。（2）根据原始资料计算对当地负荷进行预测，供电范围的计算，负荷的分布情况决定所投主变容量，通过踏勘当地地质、水文、气象等条件来选择变电站站址。（3）为了节省土地资源，减少工程投资，注重环境保护，降低对电信线路的影响，对居民的噪音污染，电气设备力求污染小，占地少，方便检修维护等，特定情况考虑新技术的引进。（4）短路电流的计算力求严谨，依据各电气设备的特点分别作对比，选择合适的电气设备，此外考虑是否实现“五遥”。（5）根据潮流计算结果，结合用户电力设备的用电要求合理选择无功补偿装置，旨在满足用户需求的同时，降低电网损耗，提高功率因数。（6）合理选择各设备的保护措施，各保护合理配合，使工程投运后能正常安全稳定运行的同时，在短路故障时，也能密切配合，不致出现误动作或不动作。（7）避雷器和避雷线的保护范围必须准确计算，严格防止雷电波的入侵。（8）对66kV智能变电站进行智能化改造时，智能变电站的结构要合理、紧凑、层次清晰；变电站的一次智能设备要具有数据实时采集、在线监测和控制等功能；智能变电站的设备之间要能够实现信息共享。由于作者水平有限，本课题在接地，对降低过电压的危害，电缆沟等方面做得研究还不够深入，在积累了更多经验后应做深入研究。47 华北电力大学硕士学位论文参考文献[1]卢文鹏，吴佩雄．发电厂变电所电气设备[M]．北京：中国电力出版社，2005[2]周泽存．高电压技术[M]．北京：中国电力出版社，2003[3]SDGJ60-88，电力系统通信设计内容深度规定[S]．能源部电力规划设计管理局，1988[4]DL/T5003-2005，电力系统调度自动化设计技术规程[S]．中国电力企业联合会，2005[5]吴华斌，王军．10KV低功耗光电电流互感器的研究[J]．西华大学，2009（9）：40[6]DL/T5216-2005，35kV～220kV城市地下变电所设计规定[S]．中国电力出版社[7]陈跃，电力系统分册[M]．北京：中国水利水电出版社，2008[8]朴在林，变电所电气部分[M]．北京：中国水利水电出版社，2002[9]迟艳．浅谈变电站综合自动化改造[J]．中国新技术新产品，2008，(1)：117[10]汤会祥．马桥220KV输变电工程可行性设计[D]．辽宁：大连理工大学，2013[11]张宏阳．浅谈220kV变电站设计思路及实践[J]．科技资讯，2008，(18)：128[12]GB/T17468-2008，电力变压器选用导则[S]．国家标准化管理委员会，2008[13]卢静．220KV输变电工程项目可行性研究[J]．广西电力，2006，(2)：42[14]梁洪．220KV变电所综合自动化改造的一些经验[J]．红水河，2007(26)：109[15]陈勇．继电保护在综合自动化变电站的应用与探讨[J]．科技信息，2006(5)：56[16]孙希．66KV变电站部分电气一次设计浅析[J]．科技专论，2013：275[17]纪越峰．现代通信技术(第2版)[M]．北京，北京邮电大学出版社，2004[18]辽宁省电力有限公司．输变电工程用地规划设计导则(试行)[Z]．2012[19]国家电网公司．国家电网公司2011年新建变电站设计补充规定[Z]．2010[20]裴印玎．浅谈无人值班变电站的设计方案[J]．价值工程，2011(9)：27[21]沈阳电力勘测设计院．沈阳东场66KV输变电工程可行性研究报告[Z]．2013[22]张剑，张浩斌．110KV永坪变电站综合自动化系统的总体设计[J]．西北电力技术，2004(6)：146[23]刘丹霓．66KV变电所新建工程的设计[D]．沈阳：沈阳农业大学，2013[24]王俊，丹东边境经济开发区66KV二次变电所设计[D]．北京：北方工业大学，2008[25]丁梳山．变电所设计[M]．辽宁科学技术出版社，1993[26]东北电力设计院．电力工程设计手册[M]．上海人民出版社，1993[27]陈勇．继电保护在综合自动化变电中的应用与研究[J]．2006(5)：56[28]IEC61850-3，Communicationnetworksandsystemsinsubstations-Part3:generalrequirements[S]．Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission，2003[29]IEC61850-1，Communicationnetworksandsystemsinsubstations-Part1:48 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华北电力大学硕士学位论文攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果[1]任捷，王超．基于模糊自适应的热风炉燃烧控制系统研究[J]．农业科技与装备，201450 华北电力大学硕士学位论文致谢时光飞逝，岁月荏苒。转眼间，我的在职研究生时光即将跟随时光逝去，再次谨向我的导师彭永龙教授以及所有关心、支持和帮助过我的老师、同学们和同事们表示深深的感激之情！回顾过去，在在职读研期间以及论文的开题、搜集资料和撰写论文过程中始终得到他们的指导和无微不至的热心帮助。从在职论文的起始准备，到论文所需素材和资料的分析和整理、论文的书写，其中的每个阶段，彭永龙教授和李亚彬老师都能给我很多灵感，如果没有他们的指导，那么我的读研生活和论文写作都将举步维艰。在这个美好的光华中，衷心的感谢老师们为所我付出的所有辛勤劳动！与此同时，感谢华北电力大学电气与电子工程学院的各位老师们的努力付出，感谢研究生院各位领导们的殷切叮嘱和谆谆教诲！感谢国网辽宁省电力有限公司沈阳供电公司实验所的领导和同事们的热情帮助和支持！感谢含辛茹苦的父母，感谢他们给予我世界上最为无私的爱，教会我如何做人做事；感谢爱人在我在职读研的这段时光里，一直紧紧地和我同呼吸、共命运；感谢人生中所有给予我关怀、支持和帮助的师长们、同事们和朋友们！最后，感谢评阅论文的各位老师、专家和教授，感谢你们所给予的宝贵意见！51 华北电力大学硕士学位论文作者简介1982年10月28日生于辽宁省沈阳市。2001年9月考入东北大学信息科学与工程学院测控技术与仪器专业，2005年7月本科毕业并获得工学学士学位。工作经历：2005年8月至2012年7月沈阳供电有限公司电能计量中心仪表工2012年7月至今沈阳供电有限公司变电检修室仪表技术员52'