盘锦荣兴220kv智能变电站设计方案的研究

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华北电力大学硕±学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕±学位论文《盘锦荣兴２２０ｋＶ智能变电站设计方案的研究》，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。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果，均已。对本文的研究王作做出重要贡献的个人和集体在文中明确方式注明。。本声明的法律结果将完全由本人承担作者签名；曰期：《月２曰华北电力大学硕±学位论文使用授权书《盘锦荣兴２２０ｋＶ智能变电站设计方案的研究》系本人在华北电力大学攻读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力大学所有，本论文的研究内容不得。本人完全了解华北电（＾其它单位的名义发表力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部口或化构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅，学校可Ｗ为存在馆际合作关系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。本人授权华北电力大学，可Ｗ采用影印、、ｉ／公布论文的全部或部分内容缩印或扫描等复制手段保存可Ｕ。＂＂本学位论文属于１上Ｖ）；（请在１＾相应方框内打保密□，在年解密后适用本授权书不保密ｓｊ／作者签名日期：年月日：王寒导师签名：三曰期：ＪＵ年月曰ｙ主 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盘锦荣兴220kV智能变电站设计方案的研究硕士研究生：王超导师：梁志瑞教授企业导师：马文新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：338.2ThesisfortheMasterDegreeResearchontheSesignSchemeofRongxing220kVSmartSubstationinPanjinCandidate：WangChaoSupervisor：Prof.ZhiruiLiangSchool：SchoolofElectricalandElectronicEngineeringDateofDefence：June，2015Degree-Conferring-Institution：NorthChinaElectricPowerUniversity 华北电力大学硕士学位论文摘要智能电网是未来电网的发展方向，电网的智能化主要表现在输、变、配、用、调度几个方面的智能化。特别是变电环节，对智能电网的安全运行起着非常重要的作用。智能变电站能够实现信息采集的就地化、信息的共享化、信息应用智能化和设备的在线监测等功能，所以建设智能变电站对未来电网发展意义重大。本文设计的220kV智能变电站位于盘锦市荣兴乡，该地区经济发展迅速，电量缺口大，该变电站建成后将负责对盘锦市辽滨经济开发区供电，不仅能够解决盘锦辽滨地区电量不足，供电可靠性低，电压损耗严重等问题，而且正式投运之后，能够为该地区的经济发展发挥重要作用。在荣兴智能变电站设计过程中，电气主接线的设计严格遵循国家规程；在电气设备选型前进行了相关潮流和短路计算，在电气设备选择上采用智能化设备，智能化设备在传统一次设备基础上加装智能组件，从而实现对智能变电站的信息实时采集和监测功能，为智能化测控系统的设计提供比传统变电站更丰富的数据信息；荣兴智能变电站的测控系统能够将一次侧数据上传并进行处理，测控系统设计时重点是对测控系统的三层结构进行设计，并且在三层结构设计中采用同步时钟系统来保证数据的实时性和准确性。最后，本文对该工程的总投资进行了概算，得出相应的经济指标，并对具体设备进行了技术和经济上的分析，从经济角度论证了该工程的可行性。关键词：荣兴智能变电站；智能化一次设备；测控系统设计；投资概算I 华北电力大学硕士学位论文AbstractSmartGridisthefuturedirectionofthegrid,smartgridisintelligentmainlyinthegeneration,transmission,transformation,distribution,useandscheduling.Asanimportantpartoftransformingpartofthesmartgrid,thesafeoperationofsmartgridplaysanimportantsupportingrole.Intelligentsubstationcanbeachievedinsituoftheinformationcollectionandsharingofinformation,intelligenceandinformationapplicationequipmentonlinemonitoringandotherfunctions,sotheconstructionofsmartgridsubstationforthefuturedevelopmentisofgreatsignificance.Smart220kVsubstationlocatedinRongxingTownshipofPanjinCitywithrapideconomicdevelopment,largepowergapintheregionwillbebuilt,whichnotonlytosolvethelackofelectricityinPanjinLiaoningwaterfront,aseriousproblem,suchaselectricitylowreliability,voltagelosswillalsobesolved,oncebeingofficiallyputintooperation,itwillbringgoodtotheregion"seconomicandsocialbenefits.InRongxingsmartsubstationdesignprocess,thedesignofthemainelectricalwiringinstrictcompliancewithnationalregulations;beforeselectionfortherelevantelectricalcurrentandshort-circuitcalculations,theuseofintelligentdevicesinelectricalequipmentselection,installationofsmartdevicesbasedonthetraditionalfirstcomponentsinordertoachievereal-timeintelligentsubstationinformationcollectionandmonitoringfunctions,providingaricherdatathantraditionalsubstationmonitoringandcontrolinformationforthedesignofintelligentsystems;substationmonitoringandcontrolsystemcanmaketheprimarydataofRongxingbeuploadedandprocessed,monitoringandcontrolfocusonthethree-tierstructureandcontrolsystemwasdesignedtosystemdesign,andtheuseofsynchronousclocksysteminthethree-tierstructureisdesignedtoensuretimelinessandaccuracyofthedata.Finally,thetotalbudgetforinvestmentprojectsiscarriedout,andcorrespondingeconomicindicators,andthespecificequipmentforthetechnicalandeconomicanalysisisstudied,thefeasibilityoftheprojectaredemonstratedfromaneconomicpointofview.Keywords:Rongxingsmartsubstation；Intelligentprimaryequipment；Controlsystemdesign；InvestmentbudgetII 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智能变电站的发展.............................................................................................21.2.1智能变电站自动化技术..........................................................................21.2.2智能变电站数字化..................................................................................31.3国内外研究现状.................................................................................................31.3.1国外研究现状..........................................................................................31.3.2国内研究现状及发展动态分析..............................................................31.4荣兴变电站概述.................................................................................................41.4.1工程建设规模..........................................................................................41.4.2主要问题..................................................................................................51.4.3站址概况..................................................................................................51.5本文主要研究内容.............................................................................................6第2章智能变电站的总体设计目标及智能化的特点和要求........................................72.1智能变电站的特点.............................................................................................72.1.1信息采集就地化......................................................................................72.1.2信息共享网络化......................................................................................72.1.3信息应用智能化......................................................................................82.1.4设备检修状态化......................................................................................82.1.5事故处理智能化.......................................................................................92.1.6保护控制协同化......................................................................................92.1.7实现互动..................................................................................................92.2智能变电站要求...............................................................................................102.3智能变电站总体设计目标................................................................................112.4本章小结............................................................................................................11第3章荣兴变电站电气主接线设计及设备一次选型..................................................133.1荣兴220kV智能变电站电气主接线选择......................................................133.1.1电气主接线的基本要求........................................................................133.1.2电气主接线的基本形式.........................................................................143.1.3电气主接线设计准则.............................................................................153.1.4荣兴220kV变电站电气主接线设计...................................................163.2荣兴220kV智能变电站一次设备选型..........................................................193.2.1智能变电站一次选型与传统变电站一次选型的区别........................193.2.2电气设备选型计算.................................................................................203.2.3智能一次设备的选型............................................................................243.3本章小结...........................................................................................................33第4章荣兴智能变电站测控系统的设计......................................................................35III 华北电力大学硕士学位论文4.1荣兴智能变电站智能化测控系统构成及配置...............................................354.1.1智能化测控系统构成............................................................................354.1.2智能化测控系统配置............................................................................354.2荣兴智能变电站智能化测控系统设计...........................................................364.2.1过程层设计............................................................................................374.2.2间隔层设计............................................................................................394.2.3站控层设计............................................................................................404.2.4智能辅助控制系统设计........................................................................404.2.5时钟同步系统........................................................................................424.3本章小结...........................................................................................................43第5章智能变电站投资概算及设备分析......................................................................455.1投资概算分析...................................................................................................455.1.1分析原则.................................................................................................455.1.2工程投资................................................................................................455.1.3财务评价.................................................................................................465.2智能变电站设备分析.......................................................................................485.2.1智能变压器分析.....................................................................................485.2.2智能断路器分析....................................................................................485.2.3智能隔离开关分析.................................................................................495.2.4电子式互感器分析.................................................................................495.2.5其他设备分析.........................................................................................495.3本章小结............................................................................................................49第6章结论与展望..........................................................................................................506.1本文工作与总结................................................................................................506.2未来工作与展望................................................................................................50参考文献..........................................................................................................................52攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果..................................................................55致谢..................................................................................................................................56作者简介..........................................................................................................................57IV 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变电站是指用智能化设备，自动完成信息的收集、测量、控制、保护、计量和监测等任务，并且可以根据要求实现电网实时自动控制和调整、在线分析决策、全面互动等功能的变电站[1]。智能化变电站能够使设备之间的信息相互分享，而且能够实现对电网调度方案进行实时调整和互动，实现对整个变电站的寿命进行分析管理，实现数据网络操作的实时性，支持实时控制电网，以确保电力网络能够稳定运行。盘锦地区电网位于辽宁省电网西南部，处在辽西电网的东南部，是连接辽中电网和辽西电网的枢纽点。目前电网最高电压等级220kV，其西部和北部经电曙线、凌曙线、北双#1线、北双#2线、北田线、北天#1线、北天#2线与锦州电网相连，东北部通过双新线与鞍山电网相连；南部通过兴营线、田营线与营口电网相连，将兴营线和田营线在营口变侧短接形成兴田线路；过境线路220kV青新线。盘锦地区电网现无500kV变电站，地区所需电力主要通过位于锦州境内的500kV北宁变及与其他地区间的220kV联络线受入。截止到2011年底，盘锦地区电网共有220kV变电站6座，分别为盘山、曙光、田庄台、兴隆台、双台子和天河，主要变压器12台，所有变电站的总容量2040MVA。全区220kV变电站容载比2.56。截止到2011年底，盘锦地区共有220kV线路19条，总长度为392km。盘锦地区220kV线路应用的导线型号主要为：LGJ-300×2、LGJ-240×2、LGJ-400、LGJ-185×2，导线截面均较小，用户端电压比较低。盘锦辽滨沿海经济区（简称辽滨地区）位于盘锦市大洼县南端，规划区道路系统、供水、供电等基础设施正处于逐步建设与完善之中，区内现无发电机组，区内最高电压等级66kV。辽滨地区北部现有220kV变电站1座，即田庄台变电站，辽滨地区电力现主要靠220kV田庄台变供给。2014年、2015年和2020年辽滨地区预计最大缺电分别为289MW、372MW和768MW。因此，建设荣兴220kV变电站来满足辽滨地区负荷发展的需要十分必要，同时为了满足本地区智能电网建设的要求以及能够实现分布式能源的很好接入，考虑在该地区建设智能变电站。在电网智能化发展的总体趋势下，智能变电站的研究得到国内外学者的重视，本文在充分研究盘锦地区的主网架结构，站址的地理环境及当地负荷的前提下，为满足辽滨地区负荷发展，构建盘锦南部220kV主网架，优化辽滨地区66kV网1 华北电力大学硕士学位论文架结构，开展了盘锦220kV荣兴智能变电站的设计方案研究。1.2智能变电站的发展随着智能电网的快速发展，智能变电站技术在电力行业已经得到很大的重视，尤其是最近几年，由于微电子技术，通信技术和计算机技术的不断成熟，变电站的自动化技术也不断成熟，并在国外的许多国家得到了大量应用。智能变电站的出现是由于智能电网的发展对变电站提出了新的要求，需要新的变电站来支撑智能电网的发展，同时变电站自动化技术越来越成熟，也为智能变电站的产生创造了条件。智能变电站能够减轻劳动力成本，因为自动化程度高，只需要较少的工作人员就可以实现对整个变电站的管理；智能变电站对信息的处理更加灵活，能够处理更复杂的设备信息，给工作人员更直接的展示，而且为电力调度、系统的扩展提供了便利。在智能变电站提出之前，研究最多的是数字化变电站，因此要清楚智能变电站的概念，必须对数字化变电站有清楚的认识。数字化变电站的主要特点为：变电站内的电气设备之间的通信采用数字化通信；变电站有单独的数据处理平台，借助于此平台，设备之间的数据能够实现互动。数字化变电站的所有数据是基于IEC61850标准进行建模的。IEC61850标准的技术优势在于：（1）标准的一致性，IEC61850标准适用于电力系统的基础上建立的ACSI的MMS通信接口，与各厂商的IEC61850标准的产品可以很容易地实现互联互通；（2）规约的设计采用了面向对象的设计方法，层次化的数据结构使数据的维护简单明了，克服了以往采用点表罗列方式带来的困难；（3）规约调试的工作量减少。由于IEC61850标准规范的一致性，各个生产厂商生产的设备与智能变电站的数据系统能够无缝连接，信息能够实现双向互动。智能变电站是借鉴变电站的数字化技术，同时考虑电力网络智能化的需求而提出来的[2]。1.2.1智能变电站自动化技术21世纪初期，伴随着电脑技术、信息技术以及芯片技术的不断进步，变电站自动化技术也有了很大发展并不断成熟。其重要特点是：将变电站分层，规划时不再把完整的变电站当成规划的对象，而是把间隔和元件作为单元来进行规划，对于中低压网络，采用结构和性能独立，集测量控制和继电保护功能于一体的综合单元，对于电压较高的网络，需要在其间隔层中设置单独的测量和控制装置；利用现场总线技术以及光纤通信，为变电站的自动化提供通信保障；以太网技术2 华北电力大学硕士学位论文得到大量推广；功能更加完善的电子设备（IED）被安装在变电站中；与各方交换数据过程所使用的规约逐渐达到了与国际接轨[3]。1.2.2智能变电站数字化以前的变电站在向数字化方向发展时面临着诸多困难，主要表现在：通信规约不统一、不成熟；通信安全无法保障；智能一次设备的制造上还存在一定问题。然而自从国网支持的IEC61850互操作实验成功并应用于变电站后，有力促进了变电站的数字化发展。IEC61850技术目前已经基本成熟，已经在智变电站的各层结构中得到了应用。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状自20世纪80年代起，国外就着手探索变电站的新技术，特别是变电站的自动运行技术，德国西门子公司研制的变电站自动化系统在1985就已经正式在变电站中得到应用，截至1993年，已经有成百套系统运用到西方国家的变电站中。美国、欧盟、加拿大、日本等发达国家已加快对智能电网的研究和建设，在智能电网的运行、控制、保护、能量管理以及对电力系统的影响等方面进行了大量研究工作，在近几年取得了诸多新的研究成果，建立了一批智能电网研究所和研究院。美国能源部制定了“Grid2030”发展战略，旨在加快完善智能电网的基础建设，实现智能电网的快速发展。虽然国外没有具体的智能变电站的概念，但是其变电站的建设越来越趋向智能化。在变电站智能发展理念上，因为国外生产电气设备的公司认识不一样，所以各个公司研究的方向也不太一样。西门子公司侧重于减轻工作人员的工作量，所以该公司的研究重点在变电站的自动恢复能力，此外还可以提高电网运行的安全性；ABB公司认为智能变电站的主要性能参数之一是自愈能力，其关注的重心为系统运行状态数据的采集[4]，现在该公司正在研究如何实现网络数据和电气设备数据的整合，但对环境因素还未做具体考虑。1.3.2国内研究现状及发展动态分析我国也开始了智能电网及智能变电站的建设和研究工作，2009年国家电网公司开始智能电网试点工程建设工作，共安排74座智能变电站试点工程建设，覆盖电压等级从66kV到750kV。到2012年底，新建、改造智能变电站约60座。3 华北电力大学硕士学位论文智能变电站的成功投运，基本实现信息采集数字化、信息共享标准化，智能告警、顺序控制等高级功能得到初步应用。在对变电站的研究工作中，中国的一个重点研究方向就是提高220kV及以下电压等级的变电站的自动化水平，并且使整个变电站的管理水平和技术水平不断完善。总的来说，变电站综合自动化可以提高电能质量，使电网运行更加可靠和安全，能够实现无人值班[5]。智能变电站对促进将来电网的快速进步起着至关重要的作用，智能变电站的研究有力推动了智能电网的发展。智能变电站的主要优势：（1）信息通信采用标准规约，模型统一，便于信息之间的相互传递。（2）可视性好，对变电站的控制能力增强，功能更多。（3）用通信网络代替传统的信息输入输出回路使得变电站的二次系统大大简化。变电站设备的状态检测技术还不是很成熟，对于目前技术发展状况提出以下建议：（1）在变电站的一次设备中使用状态检测技术，实现对一次设备的在线检测。在变电站中使用智能一次设备是未来发展的方向，智能一次设备技术成熟与否对智能变电站的建设起着关键作用，必须加强智能一次设备技术的研究。（2）将智能一次设备的状态监测技术和传统二次技术的结合起来，实现测量、控制等功能的整合，保证信息流畅、运行操作可靠[6]。（3）针对智能一次设备，开发新的多功能的软件分析系统，该系统应该能够对设备的寿命做出评估，能够分析出设备的故障情况，而且可以实现比较复杂的算法。（4）做好对接入网络中的智能设备的检修工作。智能设备的研究还不太完善，存在较多的问题，必须健全检修机制，使智能设备的检修工作经常化、标准化，真正地提升一次设备智能化水平[7]。1.4荣兴变电站概述1.4.1工程建设规模盘锦荣兴220kV变电站新建工程建设规模如下：（1）主变规模远景规模4台240MVA变压器，电压等级为220±2x2.5%/69kV，本期建设2台240MVA变压器（由天河220kV变电站搬迁）。4 华北电力大学硕士学位论文（2）出线规模本期出线为4回：至辽河220kV变电站2回、至鹤乡500kV变电站2回，220kV远期将实现出线8回。本期出线为13回：至二界沟2回，至田庄台2回，至工业2回，至用户7回，远期实现出线24回。（3）无功补偿装置66kV侧远期安装8组20MVar电容器组，本期4组20MVar电容器组。（4）其它设备本期按远景规模装设两台站用工作变压器。1台接于66kV母线，另1台站用备用变压器接于66kV工业线路。1.4.2主要问题盘锦辽滨地区开发商业区云集，主要向这些企业供电的总体趋势，造成变电站设计难度越来越大，主要有以下几点：（1）用地较紧张，站址难以确立。（2）辽滨地区主要为商业用地，土地资源具有较高的商业价值，对变电站的要求与占地大小得不到合理的搭配。（3）辽滨地区居住人口较多，又属于新开发区，对变电站与周围环境，人类和谐、协调的要求较高。（4）站内要防火、防爆、降低噪音等，新设备的引进要兼顾这些因素，造成设备选择困难。同时考虑到以下因素，将荣兴变电站设计成智能变电站。（1）该地区未来进行电力市场化改革时，要能够为电力市场提供必要的可靠信息。（2）该地区未来将有大量分布式能源的接入，建设智能变电站也是为了更好的吸纳分布式能源。（3）为了该地区供电更加可靠以及调度更加智能，考虑建设智能变电站。考虑到这些因素，结合系统规划和主要供电负荷的趋势，初定变电站于盘锦市荣兴乡西大井子村南市东南约1.5km处。1.4.3站址概况场区现状为养鱼池，地面起伏较大，高程为2.21m～5.98m，高差约为4m，地貌属于辽河三角洲冲积平原海陆交互相沉积。5 华北电力大学硕士学位论文站址区内没有重要文物遗产，也没有重要的基础设施，本站址不会占用大量的农田，经盘锦市辽滨经济区规划管理办公室确认符合城乡发展规划。1.5本文主要研究内容本设计的设计思路是根据国内外变电站最新发展情况，淘汰落后技术，采用最新研究成果，确定合理的变电站结构，采用最新的设备，并严格遵循国家相关的章程规范。所以，本文借鉴了国内外的先进技术，并考虑盘锦荣兴变电站的实际情况，完成以下设计内容：（1）首先，对盘锦荣兴地区的电网做详细的潮流及短路计算，并分析该地区所带负荷情况，完成智能变电站主接线设计和一次设备的选型。（2）根据所完成的电气主接线设计和一次设备的选型，完成二次系统智能变电站的设计以及智能变电站测控系统三层结构的设计，三层结构包括过程层、间隔层和站控层，过程层设计是重点，这是由于过程层将一次系统和二次系统连接了起来。（3）建立智能变电站投资概算模型，分析智能变电站的工程投资，并进行财务评价。6 华北电力大学硕士学位论文第2章智能变电站的总体设计目标及智能化的特点和要求未来电网的发展趋向于网络智能化，且电网的智能化发展已经受到国家的重视，电网的智能化主要从输、变、配、用、调度几个方面的智能来体现的。智能电网规划目标中，对变电环节的要求分为三点：（1）能够实现全网信息采集的全面性和实时性，同时能够支持电网络的实时控制、自动化调节等高级功能；（2）整个变电站所有设备的采集数据和维护政策要和电力调度相协调；（3）实现信息的数字化、信息通信规约的标准化以及信息间的高级互动[8]。在变电站智能发展理念上，因为国内外认识不一样，所以对智能电网研究的重点也不太一样。国外方面，西门子公司侧重于减轻工作人员的工作量，所以该公司的研究重点在变电站的自动恢复能力，此外还可以提高电网运行的安全性；ABB公司重视的是电网的自动恢复能力，其主要关注的是电网运行状态信息的采集[9]；国内方面，在国网提出坚强智能电网的建设构想之始，智能变电站的建设成为电网智能化建设的重要环节，并投资科研项目推进智能变电站的建设。目前，智能变电站的一些重要技术如下：在过程层安装电子式互感器、在线检测装置、智能断路器和开关、合并单元等；软件方面要实现远方控制、在线检测、在线分析、智能化决策等功能；变电站的智能化运行还依赖于状态监测和状态检修系统、多态遥试/安防/消防、数字化装置调试实验装置、逻辑控制、自动报警和决策系统、故障信息的分析决策系统等[10]。2.1智能变电站的特点2.1.1信息采集就地化《智能变电站技术导则》中明确了对智能组件的解释，过程层的智能组件对变电站能够实现自动化起着关键的作用。由于技术的不断发展，过程层的智能组件被整合在了一次设备中，智能变电站建设初期，过程层智能组件靠近一次设备安装，“缩短电缆，延长光缆”体现了过程层的信息采集就地化，目前智能组件主要以户外柜的形式使用。2.1.2信息共享网络化7 华北电力大学硕士学位论文智能变电站的相关技术规范中对继电保护也有相关要求，规定其要满足基本的“四性”要求，即快速性、可靠性、灵敏性、选择性。由于科技的进步，继电保护“四性”也得到显著的提升。在信息网络同步技术应用不成熟的背景下，必须把继电保护“四性”放在首要位置。不同于一般变电站，智能变电站的信息共享为设备之间的交互提供技术支持，信息共享技术体系依据IEC61850标准，设备间的交互可实现不同IED装置的数据交流。借助信息网络共享可建成面向对象的故障录波分析平台以及整个变电站的数据中心，有效地分析故障原因。2.1.3信息应用智能化智能变电站的站控层的数据具有全站性、同步性、标准性、唯一性的高质量的特点。其中“全站性”是变电站具有完整全面的数据信息；同步性指网络时间同步后的数据信息满足同步性；标准性是指数据信息满足标准化特征；唯一性是单个设备只采集一组数据信息。满足IEC61850标准的信息可实现对自身信息进行说明的功能，同时智能变电站中的数据源持续井然，不会出现一般变电站中信息被孤立的情况。智能变电站可有效处理各种数据信息，提升功能的信息化程度。2.1.4设备检修状态化设备的状态监测技术能够使得变电站实现对其整个寿命长短的管理。电力系统设备状态监视的问题由来已久，设备状态监视技术由于诸多因素的影响使得其在实际应用中并不理想。目前电力系统表现为纵向的体系架构，其具有以下几种特点：（1）状态监测技术不是一个开放的结构系统，信息的模型不统一，通信规约不能有效转换。（2）难以实现自动化系统和状态监视系统之间信息共享。由上述设备状态监视技术的特点，可知设备监测面临如下挑战：（1）只能由单一设备完成信息采集，需要监测的电气设备不能有效地覆盖全站，不能够完成对整个系统的监测；（2）对于状态信息处理存在一定的问题，不能完成对电气量、非电气量、环境变量等的合理运用，实现多种信息的整合；（3）信息不能单独的进行储存，重复率较高，不能实现对变电站自动化系统中的存储系统的充分使用；（4）由于在线状态监视技术监测到的信息不能够和别的系统分享，因此实施状态检修比较艰难，无法实时监测设备的状态信息。8 华北电力大学硕士学位论文智能变电站可以很好的处理上述挑战，其中实施状态检修技术表现为：（1）高压设备状态技术。该技术监测的主要设备为变压器和断路器，状态监测设备将慢慢的会用内嵌式互感技术代替外挂式互感器。又因为过程层设备离智能变电站中的一次设备比较近，可以借助光缆来传递一次设备的状态信息，这将实现对一次设备中变化极小的数据量进行精确的传递，使检测到的数据信息更加完善。（2）二次系统状态监视。IED设备具有自检功能，所以二次系统状态检测的困难之处是整个回路中不能有检测不到的地方，过去由于使用的电缆较多，对设备的状态检测不够彻底。目前智能变电站监视功能将完成对于整个系统的监视，更加注重电力系统的可靠性，通过加强与调度系统的联系，向其发送设备的相关数据信息。2.1.5事故处理智能化（1）智能告警：对故障信息进行报警，同时能够分析报警信息，确定故障类型，并给出相关解决方案。（2）智能告警策略：对警告信息进行分析处理，弄清楚警告信息之间的关系，给出处理方案，鉴别出由正常操作所造成的报警信号。（3）电能质量评估与决策：根据电能质量的在线监测，完成对其的分析处理，从而实现电能质量的评估与决策。2.1.6保护控制协同化（1）站域保护。变电站原有的基本的控制与保护环节保持不变，在此基础上建设站域保护，站域保护要保持继电保护的四性原则以及各不同保护之间的配合原则。（2）电网运行状态自适应。智能变电站能够识别变电站内集合的所有信息和变电站进行交流的信息及从管理层的指令信息从而使电网能够根据这些信息自改变运行状态。2.1.7实现互动新能源可大规模并网，智能变电站可以将新能源的并网信息发送给调度中心，实现新能源接入与电网调度的互动。9 华北电力大学硕士学位论文2.2智能变电站要求智能变电站的主要要求为：智能变电站应满足多样化和数字化的要求；应保证数据使用统一的标准，实现数据共享；变电站设备之间应加强联系，采用数字化的运行控制功能，使智能设备间的交互更易实现。对于功能要求而言，智能变电站系统的功能要求包括一般功能要求和高级功能要求。一般功能要求主要包括：（1）数据采集和处理功能；（2）实时数据储存功能，采集并保存设备各链路层传送来的信息；（3）无人值班等相关功能要求；（4）防误闭锁的功能；（5）实现对收集信息和各种接口获取数据的告警处理；（6）在线计算及制表功能；（7）远动通信功能；（8）系统自诊断和自恢复功能；（9）与其他智能设备的通信接口功能；（10）实时监测变电站内的设备状态；为了满足智能变电站运行高速有效的要求，智能变电站还需要具备以下高级功能：（1）设备状态可视化把一次设备的所有状态信息收集完成后，对这些信息做必要的处理，使信息直观化、简单化，然后再发送给上级信息处理系统，便于运行管理。（2）智能告警及分析决策当变电站内部出现故障时，能够及时处理故障信息，给出正确的故障信号。同时能根据故障类型给出合理的解决方案。（3）故障信息综合分析决策当故障的顺序信息、量测信息和波形信息等故障信息已知时，能够对这些故障信息进行全面的分析，并把分析后的结果直观化的展示出来。（4）站域控制对本站的信息进行分析识别，然后通过变电站中的自动控制装置控制系统运行方式。（5）与外部系统交互信息智能变电站应该能够和上级以及同级变电站之间进行信息交换。10 华北电力大学硕士学位论文2.3智能变电站总体设计目标根据综合智能变电站的特点和要求，可以看出智能变电站主要特点为“结构合理、系统高度集成、技术装备先进、经济环保、支撑调控一体”。智能变电站利用最新的智能化设备和合理的测控系统实现整个变电站运行的可靠性、稳定性、安全性[18]。智能变电站设计要实现的目标如下：（1）使一次设备的运行更加智能。智能变电站的一次设备遵循“功能集约、信息集成、设备智能、设计优化”的原则，在一次设备的本体上安装智能组件，实现对一次设备信息实时掌控，确保一次设备运行安全和可靠。（2）测控系统高度集成，功能更加完善。在变电站测控系统的设计中，严格遵循智能变电站的技术要求，采用合理的结构，设计智能变电站的监测系统，调度自动化系统，智能辅助控制系统，以及通信系统。（3）实现智能设备功能的集成化。本设计对变电站进行了优化整合，并依靠设备和功能的整合，加强了智能设备的一体化程度，最终使变电站更加紧凑和可靠。同时将系统高度集成，增强了变电站与其他调度间的互动，最终使电网更加容易调控和可靠。（4）智能变电站要有一定的可观测性和互动性。设计中采用了先进的技术设备，并借助传感器、微处理器和先进的通信技术对智能变电站一次设备进行在线监控，使变电站的客观性和互动性大大提升。（5）智能变电站运行时要节能环保。本设计利用最新节能环保材料，智能变电站的建筑和消防设施等符合节能环保的要求；同时在设计中考虑了智能变电站的总体寿命，实现了对设备寿命周期的全面优化管理。2.4本章小结本章详细介绍了智能变电站信息采集就地化、信息共享网络化、信息应用智能化、设备检修状态化、事故处理智能化、保护控制协调化和新能源大规模上网的特点，并依据智能变电站的特点引出了智能变电站的具体要求，同时，结合本文的智能变电站设计，说明了智能变电站的总体设计目标，以及变电站能够实现的功能。本文的设计将遵循“功能集约、信息集成、设备智能、设计优化”的建设原则，满足智能变电站的所有技术特征，最终达到智能电网结构合理、节能环保和功能11 华北电力大学硕士学位论文一体化的目标。12 华北电力大学硕士学位论文第3章荣兴变电站电气主接线设计及设备一次选型3.1荣兴220kV智能变电站电气主接线选择智能220kV荣兴变电站在电气主接线选择上要满足传统电气主接线的基本要求。传统电气主接线的基本要求主要为可靠性、经济性、灵活性[20]。在满足这些基本要求的基础上根据系统规划和变电站的建设规模，确定变电站电气主接线方案。本设计方案以《国家电网公司输变电工程通用设计110（66）~500kV变电站分册》（2011年版）“220-B-3”方案为基础，并进行局部优化。本工程220kV电气主接线本期采用双母线接线，远期采用双母线单分段接线；本期66kV电气主接线采用双母线接线，远期将采用双母线双分段接线。下面对电气主接线进行详细的说明。3.1.1电气主接线的基本要求3.1.1.1可靠性可靠性是对电力生产和运送的最根本的要求，电力系统的发、输、变、配、用是同时完成的，任意时刻都必须保持这两者之间的平衡，无论哪个环节发生故障，都会影响到整个电力系统的正常运行，因此电气主接线必须满足该要求。电气主接线的可靠性主要是指主接线在结构上能够将主电路发生故障或检修带来的不利影响限制在一定的范围内，进而提高了供电的能力。主节点可靠性的定性分析主要考虑以下三个方面：（1）对线路检修时会不会给电力消费者带来停电问题。（2）检修设备和线路时，造成停电的线路总数和停电时间分别为多少，是不是能够持续的给关键负荷供电。（3）是不是影响发电厂或变电站的正常运行。3.1.1.2灵活性电力系统正常运行时，电气主接线要能方便地改变接线方式满足调度的要求，实现安全、可靠、经济地供电；电力系统故障或电力设备检修时，应能快速地切除设备、消除故障，使停电时间最短，缩小影响范围，并且对设备检修时还要能保证检修人员的安全[20]。3.1.1.3经济性13 华北电力大学硕士学位论文可靠性和灵活性是电气主接线设计在技术层面的要求，这些要求常常和经济性相互冲突，即如果为了使主接线可靠、灵活，可能会造成建设成本增加。因此必须综合考虑这些因素，优先满足技术方面的要求，同时尽量经济可行。3.1.2电气主接线的基本形式电气主接线有汇流母线和无汇流母线两大类。有汇流母线接线主要组成部分为电源、母线和出线[20]。用母线将电源和进出线连接起来，不仅方便于电能交换，而且使电气主接线简单明了，易于运行，有利于安装和扩展。有汇流母线接线又包括单母线和双母线接线两大类。单母线连接一般适用于出线回路较少的系统中，本工程220kv出线为4回，66kV出线为13回，所以本工程不适合采用单母线接线。本节重点介绍双母线接线，双母线接线如表3-1所示。表3-1双母线接线接线接线图概述优缺点形式图3.1.2.1所示为普通比单母线接线的双母线接线。它有两组可靠性和灵活性普通母线，分别作为工作和都高。双母备用时使用，两组母线缺点是操作复杂，线接通过母联断路器QFL连开关数量多容易线接起来。造成误操作。图3.1.2-1图3.1.2-2所示为双母优点：较普通双母线单分段接线，用分段线接线，停电时影双母断路器将一组母线分响范围小，供电可线单为两段，每段用母联断靠性高。分段路器与另一组母线相缺点：电气设备接线连。多，投资大。图3.1.2-214 华北电力大学硕士学位论文接线接线图概述优缺点形式如图图3.1.2-3所示。无优点：这种接线方故障时，母联和分段断式较上述接线方路器均为闭合状态，任式停电范围更小。双母一母线故障时，有1/4缺点：需要断路器线双区域会短时停电；母联较多，经济性较分段或分段断路器故障时，差。接线会有1/2区域短时停图3.1.2-3电。图3.1.2-4为双母线带优点：供电可靠、旁路母线接线。图中运行灵活；对断路WP为旁路母线，QFp器进行不断电检双母为专用的旁路断路器。修。线带图中的虚线部分是指缺点：经济性差、旁路变压器的高压侧需要浪费土地、需要的母线不停电检修时包含的投入的设备多。接线部分。图3.1.2-33.1.3电气主接线设计准则（1）设计任务书是设计的原始资料和依据必须严格遵守国家建设的方针、政策、技术规范和标准。（2）该工程设计的主要依据有：国家现行的法律、法规和各专业相关规程、规范的相关规定；（3）国家电网公司《110~500kV变电站典型设计》；国家电网公司《110～500kV变电站主设备典型规范》等。（4）满足四性（可靠、经济、灵活、先进）要求。15 华北电力大学硕士学位论文3.1.4荣兴220kV变电站电气主接线设计3.1.4.1原始资料分析盘锦荣兴220kV变电站建设规模如下：（1）主变规模远期规模4台240MVA变压器，电压等级为220±2×2.5%/69kV，本期建设2台240MVA变压器（由天河220kV变电站搬迁）。（2）出线规模220kV远期出线8回，本期出线4回，分别为：至辽河220kV变电站2回、至鹤乡500kV变电站2回。66kV远期采用出线24回，本期采用出线13回。分别为：至二界沟2回，至田庄台2回，至工业2回，至用户7回。（3）无功补偿装置66kV侧远期安装8组20MVar电容器组，本期4组20MVar电容器组。（4）其它设备本期按远景规模装设两台站用工作变压器。1台接于66kV母线，另1台站用备用变压器接于66kV工业线路。（5）负荷情况盘锦地区2008年实际供电量和最大负荷与预测值存在较大偏差，这是因为受国际金融危机的影响的结果。本报告在“十一五规划”负荷预测值的基础上对09、10，11年预测值重新调整后，预测2012年、2013年盘锦地区供电量分别为115亿千瓦时和124亿千瓦时；最大负荷为2040MW，2216MW。盘锦地区供电情况和电力需求状况见表3-2、3-3。表3-2盘锦地区供电情况表单位：亿千瓦时；MW统计值增长率%年份1992199720022007200820092010201192~9797~0202~0707~11供电55.578.51061481681761861987.26.26.97.54量最大853139119242599272629793082353810.36.76.28.11负荷16 华北电力大学硕士学位论文表3-3盘锦地区电力需求预测结果表单位：亿千瓦时；MW年份供电量（亿千瓦时）供电最高负荷（MW）2007年实际1682726/22008年实际1762979/22009年1863082/22010年1983538/22011年229.54089/220153396120/220204768696/22007～2011年增长9.2％9.6％2011～2015年增长8.1％8.4％2015～2020年增长7.0％7.3％以上两表中的负荷是依据辽滨地区开发工程一期改造进行负荷预测得到的，随着改造开发工程二期的开发，大企业会越来越多，用电需求会更大，对电能质量要求也越来越高。3.1.4.2电气主接线选择荣兴变得电气主接线选择包括本期电气主接线选择和远期电气主接线选择。在满足电气主接线基本要求的基础上，结合原始资料和国家相关规程，同时考虑各电气主接线的特点，对荣兴变的电气主接线进行选择。（1）本期220kV主接线选择根据系统规划，荣兴变电站本期安装2台240MVA主变压器，220kV侧采用4回出线，分别为：至辽河220kV变电站2回、至鹤乡500kV变电站2回。根据本期220kV侧出线回数及主变规模，本期220kV主接线可选方案有：①双母线分段接线；②双母线接线；③带旁路母线的双母线接线方式。方案②经济性好，接线简单，但可靠性不如方案①和方案③，考虑到本期出线刚为4回，同时根据《220～500kV变电站设计技术规程》（DL/T5218-2005）中规定，本期采用双母线接线。（2）本期66kV主接线选择根据系统规划，66kV侧有13回出线，本期4组20MVar电容器组。按《220～500kV变电站设计技术规程》（DL/T5218-2005）规定“220kV变电站中的110kV、66kV配电装置，当出线回路数在6回及以上时，宜采用双母线接线”，故66kV主接线本期采用双母线接线。17 华北电力大学硕士学位论文（3）本期中性点接地方式选择本期主变压器220kV中性点采用经隔离开关直接接地的方式，根据运行情况可以为设置不接地或直接接地；66kV侧中性点采用不接地方式。本期电气主接线图如图3-1所示。图3-1本期电气主接线（4）远期220kV主接线选择根据系统规划，荣兴变电站远期安装2台240MVA主变压器，220kV侧预留8回出线。按《220～500kV变电站设计技术规程》（DL/T5218-2005）中规定，220kV远期主接线采用双母线单分段接线。（5）远期66kV主接线选择根据系统规划，66kV侧远期预留24回出线，远期安装8×20MVar电容器组。按《220～500kV变电站设计技术规程》（DL/T5218-2005）规定“220kV变电站中的110kV、66kV配电装置，当出线回路数在6回及以上时（或8回及以上时），宜采用双母线接线。”同时，根据系统规划专业计算结论，本站远期4台主变并列运行时66kV侧短路电流水平超过31.5kA，故66kV主接线远期采用双母线双分段接线。（6）远期中性点接地方式选择远期主变压器220kV中性点采用经隔离开关直接接地的方式，可以根据运行需要选择不接地或直接接地；66kV侧中性点采用不接地方式。远期电气主接线图如图3-2所示：18 华北电力大学硕士学位论文图3-2远期电气主接线3.2荣兴220kV智能变电站一次设备选型3.2.1智能变电站一次选型与传统变电站一次选型的区别3.2.1.1采用电子式互感器电子式互感器是由一次传感器和转换器、传输系统、二次转换器、合并单元等部分构成。转换器负责将电信号转换成数字信号，合并单元装在二次侧，其功能主要是对传送过来的信号集中起来同步处理[21]。电子式互感器作为智能变电站的的物理基础，其技术的成熟程度和发展对变电站自动化系统具有非常重大的技术和经济意义[22]。在技术上，电子式互感器提高设备的安全性和可靠性，实现了数据采集数字化和信息的集成化；在经济上，电子式互感器降低了一次设备采购成本，特别是对于特高压系统，提高了设备可靠性，减少了变电站寿命周期内的总投资。3.2.1.2主变智能化智能变压器由变压器本体和智能组件组成，包括各种传感器、测量、控制、计量、检测以及各类IED等。通过在变压器本体、有载调压开关上安装各种传感器与执行器，并将运行信息通过互联网通信技术传输至相应的IED，并采用IEC61850协议经光纤上传至信息一体化平台，实现变压器的智能化[21-22]。智能变压器的功能主要有：智能测量、智能控制、计量和在线监测。3.2.1.3开关智能化智能开关设备主要有智能断路器、智能GIS和智能高压开关柜。智能断路器由断路器本体和智能组件组成，本体上设有执行器和传感器，智19 华北电力大学硕士学位论文能组件可以借助于传感器和执行器和一次设备结合在一起，并通过IED实现与内部设备有关的测量、控制、计量和保护等功能。智能GIS是把计算机技术、传感技术和数字处理技术等先进技术应用在GIS上，并将测量、监测、保护、通信和录波等功能集成一体。电子式互感器代替传统电流电压互感器，智能电子操纵机构代替机电继电器，实时监测GIS的运行状态，并将状态信息传送到具有控制、保护、计量功能的控制单元，实现GIS的智能化，大大提高其运性可靠性[25]。综上所述，智能一次设备一般可以分为本体和组件两部分，所以一次设备选择上应该从这两方面进行考虑。3.2.2电气设备选型计算在电气设备选型前，首先要进行与荣兴智能变电站相关的潮流计算和短路计算。3.2.2.1.潮流计算（1）计算程序：德国电力系统分析软件DIGSILENT/PowerFactory。（2）计算年份：2014年。（3）电力平衡结果表明，辽滨地区缺电较大，故进行潮流计算和线路校验。（4）计算中：锦州、盘锦背靠背联网；两地间220kV线路解列运行；根据《辽宁中部电网500kV/220kV电磁环网运行方式研究》中结论，6个现有220kV变电站之间的220kV联络线解列运行。荣兴变电站归属锦州供电区供电，正常方式下与锦州供电区连接的220kV线路属于解环状态。本工程属于两端供电电网，计算公式为：nLAi**(UU)i1ABSSU(3-1)Ai*NLZABABnLBi**(UU)i1BASSU(3-2)Bi*NLZABAB根据功率的假定流向，功率平衡原理可以求出各段线路初步功率分布。现有220kV线路及荣兴变电站母线在各种运行方式下均无过载现象。潮流计算模型如图3-3所示，并用DIGSILENT仿真：20 华北电力大学硕士学位论文图3-3潮流计算模型潮流结果分析：经潮流计算，各母线电压最大电压偏移为3%，在合理范围内，线路最大电流也在合理范围内，线路没有过载现象，满足基本运行要求。3.2.2.2短路电流计算根据辽宁省电力有限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。计算的条件：系统电源均工作在额定负荷状态，电动势相位角均相同；短路电流峰值时间作为短路时刻；考虑与电路电流值相关的元件参数。""E""计算过程如下：I(3-3)*""X""""短路电流有名值为：II*IB(3-4)""短路容量定义为：S3II(3-5)进一步得FB*1""到：SI(3-6)F""*X21 华北电力大学硕士学位论文选取基准容量：S100MVA，基准电压定为：U220kV,U66kV。jijX:变压器的阻抗，U13.5%，S为240MVA。TKUSKiX=0.056(3-7)T100Se最大方式：XXX(3-8)1ihXXX(3-9)2lj最小方式："XXX(3-10)1ih"XXX(3-11)2lj短路电流标幺值为：*1I(3-12)k1X1*1I(3-13)k2X2短路电流有效值为：*1001II(3-14)k1k13240*100II(3-15)k2k22403短路电流冲击电流峰值为：""I2KI(3-16)ch1chk1""I2KI(3-17)ch2chk2短路电流有效值为：22 华北电力大学硕士学位论文""2II12(K1)(3-18)ch1k1ch""2II12(K1)(3-19)ch2k2ch短路容量为：100S(3-20)k1X1100S(3-21)k2X2用DIGSILENT仿真，仿真模型如图3-4所示：图3-4短路计算仿真DIGSILENT短路计算可计算出220kV和66kV母线的最大短路电流和最大短路容量，短路计算结果如表3-4所示。表3-4短路电流计算结果表三相短路单相短路母线电压等短路容量短路电流短路容量短路电流(kA)级（MVA）(kA)（MVA）220kV791220.8633316.666kV2513220023 华北电力大学硕士学位论文根据系统远景年规划，考虑2组主变并列，本变电站系统阻抗为：220kV系统正序阻抗：Xx11*=0.007；220kV系统零序阻抗：Xx10*=0.008；66kV系统正序阻抗：Xx21*=0.22；主变压器按照240MVA，远景2台主变并列运行考虑，短路电压百分值按Uk%=13.5考虑。经计算得到各母线三相及单相短路电流见表3-5：表3-5远景年短路电流计算结果表短路地点三相短路电流(kA)单相短路电流(kA)220kV母线36.8834.8466kV母线30.26——根据系统规划，结合上述短路电流计算结果及国网通用设备，本变电站220kV设备按50kA短路电流水平选择，66kV设备按31.5kA短路电流水平选择。屋外电气设备的外绝缘污秽等级按e级选择，220kV爬电比距为3.1cm/kV，66kV为中性点不接地系统，外绝缘水平按高一级选取，爬电比距为3.8cm/kV，按照系统最高的工作电压进行计算。3.2.3智能一次设备的选型3.2.3.1智能一次设备选型依据（1）电气设备力求小型化、无油化、寿命长、检修维护方便、噪音小、比较环保，同时考虑新技术的适当引进。（2）考虑环境条件，环境条件如表3-6所示：表3-6环境条件海拔≤1000m平均气温8.9℃极端最高气温35.0℃极端最低气温-29.9℃极端最高气温均值32.5℃极端最低气温均值-22.0℃最近30年最冷月平均气温-8.5℃（1月）最近30年最热月平均气温24.7℃（7月）最高日平均温度33.1℃日平均最低温度-22.6（2013年1月18日）24 华北电力大学硕士学位论文续表3-6环境条件平均相对湿度66%（1956年~2006年）最小相对湿度0污秽等级e级地震基本烈度：7度平均雷暴日数26d（3）依据的潮流计算结果和短路计算结果取220kV母线三相短路电流有效值为36.88kA，冲击电流为90kA；66kV母线三相短路电流有效值为30.26kA，冲击电流为74kA。220kV输电线路最大传输"电流I662A，66kV输电线路最大传输电流I2625A。基于这些数据，并maxmax依据《电力工程电气设计手册I》和《发电厂电气部分》进行计算。3.2.3.2智能一次设备选型（1）智能断路器的选择：220kV侧智能断路器本体的选择计算如下：1)按持续允许电流选择线路最大持续工作电流为：2400001.05I661.3A(3-22)max32202)额定电压选择：UNUSN220kV,USN为变压器高压侧的额定电压。3)额定电流选择：INImax661.3A。4)短路开断电流选择：INbrI22kA。5)短路关合电流选择：INclIsh36.88kA,Ish为高压侧三相短路电流有效值。6)动稳定校验：动稳定电流i125kA大于短路冲击电流i90kA，满足工esch程要求。t3.5dz7)热稳定校验：II=36.88=30.19<50kA。tt4I∞—稳态情况下的三相短路电流，I∞=36.88kA；tdz—短路电流发热等值时间，tdz=3.5s；It—断路器t秒热稳定电流。25 华北电力大学硕士学位论文66kV侧智能断路器本体的选择计算：1)按持续允许电流选择线路最大持续工作电流为：2400001.05I2204.4A(3-23)max366U2)额定电压选择：UNUSN66kV，SN为变压器低压侧的额定电压。3)额定电流选择：INImax2204.4A4)短路开断电流选择：INbrI20.8kAIe)短路关合电流选择：INclIsh30.26kA，sh为低压侧三相短路电流的有效值。f)动稳定校验：动稳定电流i125kA大于短路冲击电流i74kA，满足实esch际工程中的要求。t3.5dzg)热稳定校验：II=30.26=28.3<31.5kA。tt4I∞—稳态三相短路电流，I∞=30.26kA；tdz—短路电流发热等值时间，tdz=3.5s。计算结果如表3-7所示：表3-7计算结果表66kV侧220kV侧UN≥66(kV)UN≥220(kV)IN≥2204.4(A)IN≥661.3(A)INbr≥20.8(kA)INbr≥22(kA)INcl≥30.26(kA)INcl≥36.88(kA)It=28.3(kA)It=30.19(kA)根据计算结果选择断路器的主要参数和国网通用设备要求，220kV出线侧的断路器各项参数为：252kV（UN），3150kA（IN），50kA（INbr），80kA（INc）；66kV出线侧的断路器各项参数为：72.5kV（UN），3150kA（IN），50kA（INbr），80kA（INc）。同时为了满足智能变电站的建设，该工程将在断路器本体上加装智能组件，智能断路器各装置布置图如图3-5。26 华北电力大学硕士学位论文图3-5智能断路器各装置配置图智能断路器智能化项目及技术要求主要参考《高压设备智能化技术导则》相关要求，其中控制应满足所属各开关设备的逻辑闭锁和保护闭锁要求，断路器实际合闸相位与预期合闸相位之间的系统偏差不大于1ms。智能断路器设计符合这些要求。（2）智能主变压器的选择智能变压器包括变压器本体和智能组件两部分，所以智能主变的选择包括本体选择和组件选择两部分。1）智能主变本体容量的选择主变容量的选择依据供电范围内负荷情况分析和电网容载比要求而定，电网容载比要求：1.6~1.9。本站两台主变压器由天河220kV变电站搬迁，主变型号SFP11-240000/220，额定容量240MVA，无励磁调压，额定变比220±2×2.5%/69，额定阻抗为13.5%，联结组别为YN、d11，冷却方式为ODAF。2020年该地区负荷将达到903MW，而且，通过电力平衡计算，2014年、2015年和2020年辽滨地区最大缺电分别为289MW、372MW和768MW。考虑满足5~10年的规划负荷，本期两台240MVA容量的变压器能够满足近期（2015年）的电量缺口，2020年的电量缺口，可以靠4台远期的变压器来满足。电网电压变化很大时才采用有载调压，该地区电压比较稳定，因此采用无载调压即可；联结组别考虑同步并列以及滤除谐波，采用通常的YN、d11联结方式；该变压器容量较大（大于350MVA)，所以冷却方式采用强油导向风冷（ODAF）的冷却方式。综上所述，新变迁来的变压器基本上是符合要求的，是能够运用到新建的变电站中的，同时本工程保留原主变高压侧、低压侧套管CT；经调研，原主变高27 华北电力大学硕士学位论文压侧套管，中性点套管已按照Ⅳ级污秽设计，但低压侧套管按照Ⅲ级污秽设计，因此本期工程暂考虑更换主变压器低压侧套管。2）智能主变本体型号的选择主变本体型号选择SFP11-240000/220，额定容量240MVA，无励磁调压，额定变比220±2×2.5%/69，额定阻抗为13.5%，连接组别为YN、d11，冷却方式为ODAF。3）智能主变压器组件配置方案的选择智能组件对变压器实现智能化起着至关重要的作用，很多信息都存在于组件上。对智能主变组件的选择主要是选择智能组件上的IED配置方案和信息流方案。原则上三相一体变压器安装一个智能组件柜，三相分体变压器，可以三相安装一个智能组件柜，也可以三相各安装一个智能组件柜。智能组件柜应设计在变压器附近，或安装在附近的保护室中。智能组件包括测量、控制和检测等功能，其通信应符合DL/T860要求。智能组件中的各IED应分开供电，相互之间要电气隔离。智能组件及各IED的平均无故障时间应不小于50000h。智能主变压器组件的IED配置如图3-6所示。图3-6智能主变压器IED配置28 华北电力大学硕士学位论文智能变压器通过传感器将变压器的有关信息传送给相应的IED，然后采用IED61850协议经光纤上传至信息一体化平台，进而实现了对变压器的在线监测和管理。（3）电子式电流互感器的选择1）220kV电子式电流互感器的选择计算：220kV侧电流互感器采用罗氏线圈电子式电流互感器，精度为0.2(3P)，变比800/5A，额定电压220kV，额定电流800A。220kV侧按线路持续允许工作电流计算：可选800/5A电流互感器。电压校验：UU220kV，满足要求。NSN电流校验：I800AI661.3A，满足要求。Nmax222热稳定校验：It2500(kAs)Q1360.1(kAs)，满足要求。tk动稳定校验：i125kAi90kA，满足要求。esch2）66kV电子式电流互感器的选择计算：66kV侧电流互感器采用罗氏线圈电子式电流互感器，精度0.2(3P)，变比2500/5A，额定电压66kV，额定电流2500A。66kV侧按线路持续允许工作电流计算：2400001.05I2204.4A(3-24)max366可选2500/5A电流互感器电压校验：UU66kV，满足要求。NSN电流校验：I2500AI2204.4A,满足要求。Nmax222热稳定校验：It992.25(kAs)Q915.67(kAs)，满足要求。tk动稳定校验：i125kAi74kA，满足要求。esch3）互感器型号选择：为了满足智能化的需求，本工程采用电子式电流互感器。电子式电流互感器可分为有源型和无源型两类。无源电子式电流互感器可分为磁光玻璃型和全光纤型两种。磁光玻璃型电流互感器原理上是利用法拉第磁旋光效应，全光纤型电流互感器原理上是利用塞格29 华北电力大学硕士学位论文奈克效应。磁光玻璃型无源电子式电流互感器主要问题有：测量精度温漂问题；小电流是测量精度问题；振动对测量精度影响等。GIS内目前暂不应用。全光纤无源电子式电流互感器测量精度温漂问题，小电流是测量精度问题。无源电子式电流互感器受光波长影响巨大，实际运行因温度影响稳定性差，因此不推荐使用[22]。有源电子式电流互感器包括罗氏线圈和低功率线圈两种。罗氏线圈电流互感器的设计思路是在高压端利用Rogowski线圈测量大电流信号[29]，将线圈感应出的小电压信号传输到低压端，信号处理后直接输出给各种测量装置和保护设备。低功率电流互感器是根据电磁感应原理设计的。因无源电流互感器目前在国内交流系统的应用不如有源型广泛，经验较少，所以推荐采用罗氏线圈加低功率铁芯线圈，低功率铁芯线圈传感测量电流，罗氏线圈传感保护电流[24]。罗氏线圈电子式电流互感器原理图如图3-7所示。图3-7罗氏线圈电子式电流互感器原理图（4）其他一次设备的选择1）母线的选择计算：220kV侧的母线选择为LGJ-2×400mm2导线，该导体载流量为1530A，根据《国家电网公司标准化建设成果应用目录》（2011版），220kV设备设备额定电流按3150kA计算。按长期发热允许通过的电流选择截面：I0.8831502772（A)1530(A)(3-25)al35℃热稳定校验：22It194.3[(kA)s](3-26)k导线投运后运行温度：2Imax()50.41C(3-27).al..2Ial30 华北电力大学硕士学位论文查表，C=176，则k6ks194.3101.4522S95.36mm1280mm，满足要求。minC176动稳定校验：N116fET3.561.4101.610F706Hz(3-28)122Lm1.05.69706Hz在35～155Hz以内，取β=120.173ichf518.8N/m(3-29)a2253W0.333bh0.3330.0080.081.710m(3-30)fL22518.81.063.0510Pa，满足要求。5al10W101.71066kV侧母线的选择计算同上，66kV侧母线选择的母线类型为LGJ-2×240mm2。2）消弧线圈容量的计算变电站的消弧线圈选择时要满足过补偿的要求，同时结合本地区电网的运行管理方式，66kV消弧线圈补偿设备均分散安装在各66kV变电站内的原则。电缆线路的单相接地电容电流的计算如下：I0.1UL0.1661.2588.3（A）(3-31)ceU式中，L为线路的长度，e表示额定电压。架空线路的单相接地电容电流计算如下：3I(2.7~3.3)UL10（A）(3-32)c2e注：系数（2.7～3.3）取值原则为：对没有架空地线的采用2.7；对有架空地线的采用3.3。同杆两回线路的电容电流通常情况下是单回路的1.3~1.6倍。33I1.6(2.7~3.3)UL101.63.366351012.2（A）(3-33)c2e计算结果：考虑将变电站配电装置的电容电流再提高12％。I(II)112%(8.312.2)112%22.96(A)(3-34)cc1c2消弧线圈容量计算：31 华北电力大学硕士学位论文电网中加装消弧线圈后，由于消弧线圈的作用，当发生单相接地故障时，线路仍然可以带故障运行2小时。消弧线圈的容量应该按过补偿计算，并考虑未来5年的发展，计算公式如下：S1.35IU(kVA）(3-35)Xcb式中：I—电网的接地电流(A），U—电网的相电压(kV）。cbS1.35IU1.3522.9666/31181.1（kVA）(3-36)Xcb通过计算得知，在220kV荣兴变电站66kV系统中需安装1181.1kVA容量的消弧线圈。3）绝缘子和避雷器的选择电气设备的绝缘配合以避雷器的保护水平为基础，电气设备所承受的操作过电压和大气过电压都由避雷器加以限制。避雷器参数见表3-8。表3-8避雷器参数表Y10W-Y5W-避雷器型号204/53296/250额定电压(kV，有效值)20496最大持续运行电压(kV，有效值)15975操作冲击残压(2kA)(kV，峰值)452213雷电冲击残压(8/20μs)(kV，峰值)532250陡波冲击残压(1μs)(kV，峰值)594288绝缘配合要求：在220kV、66kV出线及主变高压侧、低压侧装设避雷器。电气设备的全波额定雷电冲击耐压与避雷器标称放电电流残压的配合系数不应小于1.4。变压器及电流互感器的截波额定雷电冲击耐压应为相应设备全波额定雷电冲击耐压的1.1倍。220kV设备绝缘配合：设备的绝缘水平由雷电冲击耐受电压决定，220kV设备的雷电冲击耐受电压值为950kV，配合系数950/532=1.78>1.4，且裕度很大。雷电冲击截波耐受电压为1050kV，配合系数1050/594=1.76>1.54，且裕度很大。66kV设备绝缘配合：设备的绝缘水平由雷电冲击耐受电压决定，在此条件下一般都能耐受操作过电压的作用。所以，在绝缘配合中部考虑操作波试验电压的配合，雷电冲击的配合，以雷电冲击5kA残压为基准，配合系数取1.4。本变电站设备外绝缘污秽等级按国标e级考虑，按照《污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定》（GB_T26218-2010)，220kV中性点直接接地系统爬电32 华北电力大学硕士学位论文比距为31mm/kV，66kV中性点非直接接地系统爬电比距为38mm/kV，对应的最小爬电距离分别为7812mm、2755mm。绝缘子片数计算结果如下：220kV绝缘子串片数：31×252/450=18。66kV绝缘子串片数：38×72.5/450=7。根据上述计算结果，并考虑零值，220kV绝缘子片数取20片，66kV绝缘子片数取9片。直击雷保护：本工程采用避雷针作为防直击雷保护设施。220kV和66kV配电装置构架避雷针联合对主变压器和无功配电装置部分进行保护。全站不设独立避雷针。经校验，本工程推荐方案采用2支35m高220kV构架避雷针和4支24m高66kV构架避雷针联合作为防直击雷保护设施。为了满足智能化的要求，对避雷器加装智能组件，实现对泄露电流和阻性电流的在线监测，并将这些数据发送给信息一体化平台。此外，本变电站采用的智能一次设备还包括智能GIS，智能开关等。3.3本章小结本章论述了智能荣兴220kV电气主接线应满足的基本要求，并对电气主接线双母线接线形式作了详细论述，在此基础上设计了荣兴变电站的近期和远期电气主接线；同时进行了在一次设备选型前的潮流计算和短路电流计算，依据计算结果和相应的设计原则对一次智能设备进行了选择。荣兴220kV智能变电站在一次设备选择上采用的智能设备主要有：240MVA的智能主变、六氟化硫智能断路器、安全可靠的电子式电流互感器以及多功能的智能开关设备，这些设备的引入，使荣兴变电站更加智能化，大大提高了荣兴变电站的安全性和可靠性。（1）智能主变的采用，使得荣兴变电站的值班人员能够随时了解变压器的运行情况，确保变压器的安全。电力主变压器是变电站的核心，而且工程建设中对电力变压投资也很大。智能变压器在传统变压器基础上加装了智能组件，虽然增加了成本，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。（2）智能断路器的选择，能够使220kV荣兴智能变电站中的继电保护装置更加可靠的动作，对设备以及线路的保护能力更强；而且上级调度中心能够通过智能断路器实现远方操作，故障时切负荷，实现经济调度。33 华北电力大学硕士学位论文（3）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。34 华北电力大学硕士学位论文第4章荣兴智能变电站测控系统的设计4.1荣兴智能变电站智能化测控系统构成及配置4.1.1智能化测控系统构成智能化变电站系统在逻辑上由站控层、间隔层、过程层三部分组成[27]。由网络通信设备实现各层之间的交互联络。（1）站控层设备站控层即是变电站的控制中心，提供人机操作界面，监控变电站的运行，管理变电站的配置，完成与远方监控、调度中心的通信等功能。（2）间隔层设备间隔层设备包括继电保护装置、测控装置等其它智能电子设备[28]，起承上启下的通信功能，实现链接传感器和控制器之间的通信等功能。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。（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。220kV和66kVGIS组合电器均采用电子式互感器，配置独立的合并单元及智能终端，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，直采直跳方式为主变的非电量跳闸的方式。（4）网络结构及网络通信设备网络通信完成信息的传递和交换，网络通信设备主要包括网络交换机、接口设备、光缆、转换器等。220kV部分采用双星形网络，66kV部分采用单星形网络。4.1.2智能化测控系统配置（1）电能计量系统关口点设置在主变低压侧(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66kV进线，66kV线路，66kV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，66kV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使用专用的二次回路，一般情况下35 华北电力大学硕士学位论文电流互感器使用准确级为0.2，主变二次侧及66kV馈线设有有功及无功电度计量和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备1套全站公用的时间同步系统[29]，主时钟为一套，能够接受北斗系统和GPS标准授时发出的信号，时间误差要控制在站内全部装置所要求的范围之内。每层设备采用不同的对时方式，其中站控层可采用SNTP对时，其它层可采用IRIG-B对时。（3）交直流综合电源系统本工程采用交直流综合电源系统，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。选择一套高频开关充电装置作为充电装置，模块按50A配置。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智能化变电站系统。（4）二次系统的防雷、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，满足国网公司反措要求。避雷针的装设注意以下几点[30]：1）装设避雷针时充分利用杆塔、照明设备。2）避雷针的保护范围3）在变电站的4脚分别装设避雷针（5）无功电压自动调节装置、10KV小电流接地选线装置、专用故障录波装置、低周减载装置。4.2荣兴智能变电站智能化测控系统设计根据第三章一次设备的设置与选型，智能变电站二次系统采用三层两网结构，站控层、间隔层和过程层均采用DL/T860(IEC61850)通信标准。站控层网络通机构常情况下采用MMS、GOOSE和SNTP三网合一双星型网络[30]。过程层220kV部分及主变采用SV和GOOSE共网的双星型网络结构，66kV部分采用SV和GOOSE共网的单星型网络结构。变电站的各层设备通过GOOSE通信机制实现设备间的互动。36 华北电力大学硕士学位论文4.2.1过程层设计智能变电站中各个设备之间的功能耦合性很强，因此对通信网络有更高的依赖性。总的来说，对过程层通信网络的要求主要有[31]：（1）可靠性。电能的生产、输送、使用是在时刻进行的，这个过程中如果有某些通信环节出现故障，可能会导致误操作，给生产带来损失。因此首先的任务是保证通信的可靠性。（2）开放性。（3）实时性。由于测量、保护、控制等信息都要在过程层通信网络上传递，为保证整个系统在正常情况下尤其是有故障发生时能及时响应，防止故障的扩大化，这就需要信息能够及时传达。故采用DL/T860(IEC61850)通信标准。本文设计的网络结构如图4-1所示。这种设计方式下间隔层的设备仅需要一个通信接口，进而降低了设备的成本，简化变电站的网络结构，同时也将变电站的工程成本降低了，站内信息可以很方便的充分共享，因而这是一种最为理想的接线方式。图4-1统一网络模式合并单元可以实现同步采集多路ECT/EVT输出的数字信号，并按标准所规定的格式要求发送给保护及测控设备[32]。根据合并单元的功能，可分为4个模块：基于现场可编程门阵列技术的数据模块，基于数字信号处理技术的数据处理模块，基于IEC61850-9标准的数据输出模块，时间同步模块。所设置的过程层如图4-2所示。220kV线路智能终端合并单元装置经过通信信道双向传输到220kV间隔过程层A网交换机，再通过四回线路连接到220kV37 华北电力大学硕士学位论文线路保护、测控计量装置A。图4-2220kV过程层交换机的配置图合并单元记录荣兴变电站运行时的实时数据，并对这些数据进行整理和分析给出可视化结果，同时把这些信息储存到服务器；交换机负责将合并单元提供的数据信息传送到上级管理中心；综合应用服务器负责对变电站设备监测信息进行采集，这些信息包括状态信息、量测信息、环境信息等，然后对这些信息进行整理和分析得到直观化的结果展示出来，并将信息储存到相应服务其中；数据服务器能够记录并保存变电站的相关信息数据，包括变电站的模型、图像和操作记录、报警信息等历史数据[33]，为其他应用提供基础的数据库服务；高级管理中心负责对整个变电站的管理和调度工作，给出检修安排、保护整定等。选择间隔层设备如下：38 华北电力大学硕士学位论文a）合并单元配置为了使得测量数字化，全站采用电子式互感器和合并单元相结合的方法。b）220kV间隔以及主变压器的一次侧和二次侧的智能终端和合并单元按双套配置，对于66kV智能终端和合并单元按单套配置。c）过程层网络交换机的配置过程层交换机配置如下：1)220kV过程层交换机配置本站配置2台过程层中心交换机（16个百兆光口），2台过程层交换机（8个百兆光口）。2)66kV过程层交换机配置66kV系统按单网配置，主变66kV侧按双网配置。66kV系统测保一体化装置和合并单元、智能终端装置，主变66kV第一套测保一体化装置和合并单元、智能终端装置接入A网间隔交换机；主变66kV第二套测保一体化装置和合并单元、智能终端装置接入B网间隔交换机；本站配置2台过程层中心交换机（16个百兆光口），66kV线路部分配置10台过程层交换机（16个百兆光口），主变66kV侧配置2台过程层交换机（16个百兆光口）。4.2.2间隔层设计间隔层代表变电站中位于站控层之下的附加逻辑控制层，间隔层设备完成测量、控制、计量、监测、保护、录波等功能，采集来自过程层的数据，完成相关功能，并通过过程层作用于一次设备。对于符合IEC61850标准规定的设备，可将其直接连接到站控层以太网；对于间隔层设备中不符合标准的设备，则需要通过违约转换器接入。间隔层设备实现的功能如下[34]：（1）实时采集来自过程层设备的相关信息，并进行诊断记录，完成录波功能；而且能够与站控层的设备实现相应的信息交流。（2）通过IEC61850的GOOSE机制，发出针对不同设备的控制命令。（3）接受来自站控层、远方控制中心或相邻站的各类命令操作，并向过程层发出对应的命令。（4）间隔层测控、监测、计量、保护装置负责实现对一次设备的测量、控制、计量、监测、保护功能，并能够通过IEC61850规约和上级系统进行信息交流。根据第三章所述，选择间隔层设备如下：39 华北电力大学硕士学位论文全站公用测控柜，1台220kV母线PT测控装置、2台220kV公用测控装置组屏一面、一台66kV母线PT测控装置、2台66kV公用测控装置组屏一面；220kV部分设备（1）220kV线路测控装置，测控装置集成PMU、计量功能；（2）220kVGOOSESV中心交换机；（3）220kVGOOSESV交换机；主变压器部分设备（1）主变保护柜，含主变保护装置，高压侧GOOSESV交换机，低压侧GOOSESV交换机，光纤配线架；（2）主编测控柜，含3台测控装置，测控装置集成PMU、计量功能；4.2.3站控层设计站控层系统是变电站的“大脑”，负责对这个变电站的信息进行处理和分析，对变电站的自动化运行进行协调和控制，记录和存储变电站的数据信息，发出指令信号等，同时，还可使工作人员可以远方实现对变电站的复杂控制。本站所设置的站控层设备过程如下：（1）I区设备1)监控主机兼操作员站，共含2套监控主机兼操作员站、显示器两台；2)2台数据服务器；3)卫星时钟系统；（2）II区设备1)综合应用服务器柜，含一台数据服务器；2)故障录波及网络记录分析系统；3)站控层网络柜，1区交换机2台，二区交换机2台；40MS交换机柜，共含220kV及主变部分NMS交换机6台，66kV部分MMS交换机6台。4.2.4智能辅助控制系统设计4.2.4.1总体配置方案智能生产辅助系统重点是要实现自动化控制，能够实时的对变电站的设备和环境进行监测，有异常情况时能够实现自动控制，使变电站在相对安全可靠的环境下运行。本站按无人值班变电站设计，因此必须实现在远方能够对变电站的控制、监40 华北电力大学硕士学位论文测和调控等功能4.2.4.2系统构成（1）后台系统生产辅助系统不配置独立的后台系统，下属子系统接入综合监控系统。此外，视频信息还应通过大型数据网发送到主站系统。（2）设备状态检测子系统一次设备状态监测传感器由变电一次专业提供。生产辅助系统仅提供后台系统和传感器协议转换接口。各一次设备的状态监测信息接入生产辅助系统并上传至主站系统。（3）图像监视及安全警卫子系统摄像机及电子围栏配置如下：1)室外快球：每台主变压器配置一台，共计1台；2)室外快球：220kV配电装置区，共计4台；3)室外快球：110kV配电装置区，共计4台；4)室外快球：室外全景，共计1台；5)室内摄像机：站用变室、二次设备室、直流电源室、楼道入口处，共计7台；6)电子围栏：4区域控制器，4线安装，含大门上端可移动护栏，共计1套；（4）火灾自动报警和消防子系统火灾报警及消防信息接入生产辅助系统并上传至主站系统。同时，通过生产辅助系统可以完成火灾报警和消防设备的远程控制。（5）环境监测子系统本站考虑配置环境数据处理单元（由一体化监控系统实现）、配置温度、湿度、风速、水浸和SF6传感器等。环境监测信息接入生产辅助系统并发送到主站系统。同时，通过生产辅助系统能够完成各传感器的远程操作。220kV荣兴变智能辅助控制系统结构如图4-3所示。41 华北电力大学硕士学位论文图4-3220kV荣兴变智能辅助控制系统结构图4.2.5时钟同步系统电力系统很多行为都要求测量数据能够实现同步，从而实行对电力系统的正确管理和保护，如电力线路的差动保护，数据实时传送等。本智能变电站二次测控系统的三层网络都要与时间同步系统相连接，时间同步系统的配置如下：该站配备一套GPS或北斗时钟源时间同步系统，安装两套主时钟对时装置，分别接收GPS卫星和中国北斗星发送的协调世界时钟信号作为外部时间基准信号，两套时钟能够接收基于SDH光通信网络的地面有线授时，三种对时互为备用。对时的误差要小于1μs，符合全部装置对时间精度的要求。（1）时钟同步方式1）站控层设备对时方式是基于SNTP。2）间隔层、过程层设备对时采用IRIG-B码同步对时方式，其中间隔层设备采用电口IRIG-B码对时，过程层设备采用光口IRIG-B码对时方式。（2）时钟同步系统设备配置本期配置主时钟屏1面，扩展屏2面，主屏内含2台时钟信号接收装置、2MHZ8路时钟同步输出板1台、时钟同步子架1台；分屏内配置2台同步时钟扩展装置，以光纤（DC)B码输出为主。图4-4所示为时钟同步系统示意图。42 华北电力大学硕士学位论文图4-4时钟同步系统示意图4.3本章小结本章重点是对荣兴智能变电站测控系统三层结构的设计，这三层结构中，过程层设计又是最重要的，因为过程层将一次系统和二次系统连接起来，过程层连接着一次智能设备的智能终端和合并单元，是数据传输的最底层，数据的真实性与可靠性程度很大程度上取决于过程层的设计。过程层为其它层提供了最原始的基础数据。本文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。间隔层是智能变电站的中间层，对智能变电站的正常运行起着重要作用，随着智能电网建设的推进以及技术的进步，变电站的各部分功能联系更加紧密。本43 华北电力大学硕士学位论文文根据IEC61850标准设置的间隔层不仅实现了间隔层的功能，还对间隔层的设备选取及配置进一步优化，节约了成本，改善了功能。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。还对变电站的检修以及维护提供保障，大大提高了荣兴变电站的可靠性和安全性。智能辅助系统的作用是为了变电站和电网运行的安全。本文设计的智能辅助系统包括了视频监视和安全报警系统、环境监测系统和防止火灾的自动报警系统，能够对整个变电站的设备装置运行情况以及旁边的环境情况实时监测和自动化控制，能够保证电力生产的安全。荣兴智能变电站测控系统的三个层都要与时钟同步系统进行交互。该站安装一套北斗时钟源时间同步系统，配备两套主时钟对时装置，分别接收GPS卫星和中国北斗星发送的协调世界时钟信号，两套时钟能够接收基于SDH光通信网络的地面有线授时，三种对时互为备用。对时误差小于1μs，符合所有装置需要满足的时间精度，保证数据的实时性，准确性和真实性。44 华北电力大学硕士学位论文第5章智能变电站投资概算及设备分析5.1投资概算分析5.1.1分析原则（1）项目划分及费用组成按照国家发改委颁发的《电网工程建设预算编制与计算标准》执行。（2）本估算中人工、材料以及机械消耗量按照《电力建设工程概算定额2006年版》进行编制。（3）社会保障费、住房公积金按照省建设厅及财政厅关于印发的取费标准计取。（4）定额材机调整执行定额〔2013〕1号文中“关于发布电网建设工程概预算定额价格水平调整系数的通知”进行调整。（5）设备价格按现行市场及招投标价格计列。（6）安装材料价格参照《电力建设工程装置性材料综合信息价格2006年版》进行计列，建筑工程材料价格以《电力工程建设概算定额2006年版》中的东北地区价格计算，并参照地方2013年度2季度造价信息公布的建筑材料价格计算材料价差，计取税金后计列。（7）工程量依据可行性研究设计阶段设计相关文件及图纸进行计算。（8）资金来源及建设期贷款利息按照注册资本金25%，另75%按贷款考虑。本估算可以按照名义利率为6.55%计列贷款利息。5.1.2工程投资220kV荣兴智能变电站工程投资费用包括建筑工程费用、安装工程费用、拆除及调试工程费用、主要设备购置费用、普通设备购置费用等。建筑工程和安装费用还包含冬天或多于季节开工时额外增加的费用、夜晚施工的额外费用、工具的使用费等。主要设备购置费用又包括设备费用和设备运输费用。基于以上费用情况，结合国家电网公司输配电工程通用造价（2010年版），运用广州建软软件技术有限公司开发的电力工程造价软件（送变电版）进行计算，结果如表5-1。45 华北电力大学硕士学位论文表5-1盘锦荣兴220kV变电站工程投资估算汇总表金额单位：万元序号项目名称静态投资动态投资（一）变电站部分11012112891220kv荣兴变电站工程1101211289（二）线路部分11865121091220kV荣兴变电站-辽河工程836285722220kV荣兴变电站-鹤乡线路工程15121550366kV荣兴变电站-二界沟线路工程14801517466kV荣兴变电站-田庄台线路工程361370566kV负荷工业用户线路工程150100（三）光纤站及电缆通信工程5065191光纤站通信工程2322382电缆通信工程274281（四）合计2338323917本工程静态总投资23233万元，动态总投资23817万元。其中：变电站工程11012万元；线路工程11865万元，通信工程506万元。5.1.3财务评价（1）财务分析原则和依据财务分析原则和依据可参照原电力工业部电计[1998]134号文颁发的《电网建设项目经济评价暂行办法》；（2）财务评价参数的选定1）项目建设期：1年，经营期20年。2）长期借贷：人民币贷款年名义利率6.55%（按季结息，年实际利率6.71%），偿还年限18年，宽限期2年。3）短期借贷：流动资金贷款年利率6.1%。4）每年的运营维护费：按固定资产原值的2%。5）增值税按17%计，所得税按33%计，城市建设维护税按7%计，教育费附加按照3%计。6）公益金和公积金提取比例都按10%计。46 华北电力大学硕士学位论文（3）资金筹措及使用参照国家制定的相关政策，本工程的资本金按照25%考虑，项目建设其他费用在国内贷款。（4）成本与费用：折旧：用直线法进行机选折旧，折旧的年限为15年，残值率为5%。财务费用：资金中贷款带来的利息在建设期间算作固定资产，生产时期算入财务费用中。（5）财务分析指标项目的财务情况从项目总投资收益率、资本金净利润率、利息备付率、偿债备付率等指标来分析[35]。1)总投资收益率的表达式如下：ROIEBIT100%/TI(5-1)式中，EBIT—技术方案正常年份的年息税前利润或运营期内年平均税前利润。TI—技术方案总投资，包括建设投资、建设期贷款利息以及全部流动资金三方面。2)资本金净利润率代表了项目资本金的盈利水平，其表达式为：ROENP/EC100%(5-2)式中：NP—当项目达到设计生产能力后正常年份的税后，净利润或运营期内税后年的平均净利润，净利润为利润总额减去所得税；EC—项目资本金。3)资本金净利润越高，说明盈利情况越好。利息备付率：其公式为：ICREBIT/PI(5-3)EBIT(息税前利润)—为总利润与计入总成本费用的利息费用的和；PI(当期应付利息)—算入总成本费用的利息总额。正常情况下，利息备付率大于1，说明企业有偿还利息的能力；如果利息备付率小于1，说明企业偿还利息能力不足，该企业偿还债务的风险很大。4)偿债备付率：其表达式为：DSCR(EBITDATax)/PD(5-4)式中，EBITDA—息税前利润与折旧和摊销费用的和；Tax—企业所得税；PD—当期应还本付息金额；47 华北电力大学硕士学位论文（6）财务分析结论经计算，项目总投资收益率6.78%，资本净利润率9.71%，利息备付率2.02，偿债备付率1.13。由计算结果可以看出，利息备付率大于1，说明有偿还利息的能力；偿债备付率也大于1，表明具备基本的偿债能力，同时可保证利润。因此，该项目可行。5.2智能变电站设备分析荣兴智能变电站的设备，与同等容量或规模下的非智能变电站的设备投资差异如表5-2所示：表5-2设备投资表荣兴智能变电站单位数量投资非智能变电站设备单位数量投资差价设备名称单位：元名称单位：元智能变压器14144000常规变压器1412400020000智能断路器1608000常规断路器16000008000智能隔离开关104000常规开关1020002000智能避雷器17400常规避雷器16500900电子式互感器33800常规互感器33000800电能量测采集终11100电能量测采集终端101001000端GPS主时钟45000GPS主时钟450000220KV母联测控220KV母联测控装26000250001000装置置5.2.1智能变压器分析同等规模容量的变压器，单台价格差近2万元，荣兴变电站共有4台变压器，设备投资多出8万元，但考虑到智能变压器在荣兴智能变电站中的重要地位，以及未来智能电网的发展趋势，采用智能变压器利大于弊。5.2.2智能断路器分析智能断路器[38]在单位数量上价差为千元，但是智能变电站每条出线和母线上均有断路器，数量较多，如果每个断路器均采用智能断路器的话，就会有很大价差，投资巨大。可以考虑在非重要的负荷出线出安装一般断路器，减少投资。48 华北电力大学硕士学位论文5.2.3智能隔离开关分析隔离开关在线路上分布较多，与断路器一样，如果全部采用智能隔离开关，不仅会增加投资，而且会使操作复杂，可以考虑将隔离开关整合在组合柜中使用。5.2.4电子式互感器分析电子式互感器在线路检测中起着重要作用，单位数量与传统互感器价差百元，但是也存在数量众多的问题，对于变电站中需要精确测量的位置必须采用电子式互感器，特别是主变保护上的互感器，这可以提高主变的安全性，其他负荷上的电流互感器选择视情况而定。5.2.5其他设备分析在目前我国的电力系统中，变电站都要求安装GPS或北斗的卫星接收机，但是如果单一的只采用GPS信号或北斗卫星信号中间的的某一种，所承担的风险就会成倍的扩大，因为在卫星长时间运行中，很难保证单一卫星信号的长效稳定，卫星信号的可靠性直接影响整个电网时钟授时的成功与否。国家电网公司规定，新建变电站的授时信号源中至少有一个为北斗卫星，且优先使用北斗卫星对时。因此，荣兴智能变电站采用双时钟源配置。测控系统总的投资上，荣兴智能变电站比常规智能变电站多出近百万元，因为智能变电站较常规变电站测量信息和控制信息量大，需要的通信通道多，但是测控系统的完善能够实现无人值班，减少人工费用，同时提高系统运行的灵活性和可靠性。5.3本章小结本章首先论述了投资概算分析的基本原则，分析了荣兴220kV智能变电站建设的费用组成，并运用相关软件计算出了该工程的投资概算结果，其中静态总投资23233万元，动态总投资23817万元；其次分析了该工程建设的财务状况，本工程投资收益率为6.78%，资本净利润率为9.71%，利息备付率为2.02，偿债备付率为1.13，从经济上看是可行的。最后对荣兴变电站中的具体设备投资进行了术和经济上的分析，对智能变电站智能设备数量的配置有参考意义。49 华北电力大学硕士学位论文第6章结论与展望6.1本文工作与总结智能变电站是未来发展的趋势，本文在智能电网发展的大趋势下完成了对荣兴220kV智能变电站的设计，荣兴智能变电站的设计很好的解决盘锦辽滨地区电量不足，供电可靠性低，电压损耗严重的问题，同时构建成盘锦南部220kV主网架，优化了辽滨地区66kV网架结构，正式投运之后，必定会带来良好的经济和社会效益。本设计借鉴了大量的数据资料[36-37]，参阅了关于220kV输变电工程可行性的大量文献，在此基础上，针对盘锦荣兴220kV变电站进行设计方案的研究，本文进行了变电站的选址，建设规模，线路路径分析，节能分析，环保等多方面的阐述，并经过潮流计算，短路电流计算，热稳定计算之后，在这些数据的基础上，确定接入系统方案，电气一次、二次的设备选择，导线选择等，验证了本工程技术上的可行性，为该工程以后的实施提供了不可或缺的技术支持，同时设计了荣兴智能变电站的测控系统。本文的具体工作如下：（1）论述智能变电站的总体设计目标。在总结智能变电站特点的基础上，提出了智能变电站建设的要求，根据这些要求说明了智能变电站要实现的总体设计目标。（2）设计荣兴220kV智能变电站的电气主接线，并对一次设备选型。首先分析了与荣兴智能变电站相关的原始资料，依据国家电网制定的相关规程进行了电气主接线的选择，并在潮流和短路计算的基础上完成了对一次设备的选择，一次设备选择上采用智能设备。（3）对荣兴智能变电站的测控系统进行设计。完成了对智能变电站220kV和66kV侧的测控系统设计，设计中运用北斗卫星系统对时。（4）进行荣兴智能变电站的投资概算分析及设备经济性分析，从经济上保证工程的可行性。6.2未来工作与展望变电站综合自动化技术是智能变电站的发展方向和智能化的必然趋势，智能变电站建设应从电网规划的实际出发，考虑到技术，管理的可能性，积极探索，稳步推进。目前智能变电站在全国已经逐步开始得到应用，智能变电站在快速发展的同时，也暴露出不少问题，如变电站开关柜数量增加、调试周期变长、各厂50 华北电力大学硕士学位论文商对IEC61850标准的理解不太一致等，针对这些问题，国家电网公司提出新的技术解决方案，这些技术目前还处在初步阶段，该方案还需要进行深入的研究，为了研究工作的延续和完善，在以下几个方面需要进一步进行研究：（1）对在线检测技术进行改进，提高检测的可靠性和准备性。对智能一次设备做进一步研究，使智能一次设备更加集成化、功能更加健全。（2）对智能变电站的软件系统做进一步研发，使之能够实现更加复杂的算法，能够对设备寿命做出正确估计，能够诊断更加复杂的故障。（3）完善智能设备的检查工作。由于现在的智能设备技术尚不成熟，可能存在某些问题，因此必须对智能变电站的设备定期检修。（4）制定更加完善的关于智能变电站的国家标准。51 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