新庙110kV智能变电站设计

'新庙110kV智能变电站设计DesignforXinmiao110kVSmartSubstation领域：电气工程研究生：孙德臣指导导师：葛少云教授企业导师：武剑灵高级工程师天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十二月 摘要电力行业是经济发展中最基础也是最重要的产业，与我们的生活息息相关。随着中国近些年大力发展经济，资源紧张、气候变化、环境污染等问题日益突出，因此，建设绿色智能电网至关重要。当前我国居民对用电质量的可靠性和稳定性要求不断提高，建设可靠、灵活的智能化变电站是解决这些问题的关键方法之一。本文根据鄂尔多斯电网的现状和远期电网规划进行分析，从理论上对传统常规变电站和新一代智能变电站的优缺点进行比较，提出了建设新庙110kV智能变电站的必要性和可行性。该智能变电站采用目前国内最先进的、集成技术最高的智能设备；二次设备采用预制舱式安装，全站采用预制电缆、预制光缆；过程层采用集成智能装置，并对变电站一次智能设备进行选择和优化配置，对综自系统结构和二次设备组网、预制式设备、智能辅助控制系统的选择和应用等方面进行设计，提出了建设新庙110kV智能变电站的具体方案。关键词：智能变电站，信息共享，预制二次舱，集成智能装置I ABSTRACTElectricpowerindustryisoneofthemostimportantindustriesfornationaleconomydevelopmentandiscloselyrelatedtoourdailylife.WiththerapiddevelopmentofChina’seconomyinrecentyears,prominentissuesarebecomingmoreandmoreserious,suchasresourceshortage,climatechange,environmentalpollutionandsoon.Therefore,itisimportanttobuildagreensmartgrid.Atpresent,customershaveahigherdemandforpowersupplyreliabilityandstability.Buildingreliable,flexiblesmartsubstationsisoneofthekeytechniquestosolvetheseproblems.Accordingtothecurrentsituationandlong-termplanningofOrdospowergrid,thispapertheoreticallycomparesandanalyzestheadvantagesanddisadvantagesoftraditionalconventionalsubstationsandnew-generationsmartsubstations.Further,thenecessityandfeasibilityofconstructingtheXinmiao110kVsmartsubstationisanalyzed.Thissmartsubstationusesthemostadvancedandintegratedintelligenceequipments.Thesecondaryequipmentsareprefabricatedcabin-installed.Andprefabricatedelectricandopticalcablesareultilzedwithinthewholesubstation.Integratedintelligentequipmentsareusedintheprocesslayer,andprimaryintelligentdevicesinthestationareselectedandoptimized;theintegratedautomaticsystemstructure,secondaryequipmentnetworking,prefabricatedequipments,andintelligentauxiliarycontrolsystemareselectedanddesigned.Finally,thedetailedconstructionplanoftheXinmiao110kVsmartsubstationisproposed.KEYWORDS：Smartsubstation,Informationsharing,Prefabricatedsecondaryequipment,IntegratedintelligentequipmentIII 目录第1章绪论..................................................................................................................11.1研究背景和意义.............................................................................................11.2国内外研究发展现状.....................................................................................11.3智能变电站与常规变电站的区别.................................................................21.3.1常规变电站特点..................................................................................21.3.2智能变电站特点..................................................................................31.4主要研究设计内容与章节安排.....................................................................4第2章新庙110kV智能站电气设计方案...............................................................72.1电力系统概况.................................................................................................72.1.1电力系统现状......................................................................................72.1.2负荷预测..............................................................................................72.2工程建设必要性...........................................................................................102.3主变压器选择...............................................................................................102.3.1主变压器的选择原则........................................................................102.3.2主变压器台数的选择........................................................................112.3.3主变压器容量的选择........................................................................112.4接入系统方案...............................................................................................122.4.1接入点分析........................................................................................122.4.2潮流计算条件及结果分析................................................................122.4.3110kV出线规模................................................................................132.4.435kV出线规模..................................................................................152.4.510kV出线规模..................................................................................152.5主变型式选择与无功补偿...........................................................................162.5.1主变型式选择及抽头选择................................................................162.5.2无功补偿论证....................................................................................162.6结论与建议...................................................................................................18第3章继电保护配置与调度自动化方案设计........................................................193.1系统继电保护及安全自动装置...................................................................193.1.1一次系统概述....................................................................................193.1.2系统继电保护及安全自动配置原则及方案....................................19V 3.1.3对相关专业的技术要求....................................................................213.2系统调度自动化...........................................................................................213.2.1系统调度自动化现状........................................................................213.2.2调度运行管理关系............................................................................213.2.3电能计量系统....................................................................................233.2.4调度数据通信网络接入设备及二次系统安全防护........................23第4章一次设备智能化及设备选择........................................................................254.1一次设备智能化............................................................................................254.1.1一次设备智能化原则........................................................................254.1.2变压器智能化....................................................................................254.1.3断路器智能化....................................................................................264.1.435kV/10kV开关柜智能化...............................................................274.2电气主接线...................................................................................................274.3短路电流计算及主要电气设备选择...........................................................304.4过电压保护和绝缘配合...............................................................................334.4.1避雷器的配置....................................................................................334.4.2110kV电气设备的绝缘配合............................................................344.4.335kV电气设备的绝缘配合..............................................................344.4.410kV电气设备的绝缘配合..............................................................354.4.5主变压器中性点的绝缘配合............................................................354.5电气总平面布置及配电装置.......................................................................364.6站用电及照明...............................................................................................374.6.1站用电源............................................................................................374.6.2站用变压器选择................................................................................374.6.3站用电的供电方式及主要场所的照明及其控制方式....................374.6.4照明及检修网络................................................................................374.6.5主要场所的照明及控制方式............................................................384.7防直击雷与接地...........................................................................................38第5章二次智能设备及自动化技术........................................................................435.1二次智能设备................................................................................................435.1.1预制舱式二次组合设备....................................................................435.1.2预制式智能控制柜............................................................................435.1.3预制电缆............................................................................................445.1.4预制光缆............................................................................................44VI 5.1.5光缆的选择........................................................................................445.2变电站自动化系统.......................................................................................455.2.1一体化监控系统设计原则.................................................................455.2.2监测、监控范围及功能....................................................................465.2.3系统网络构成及网络通信设备配置................................................465.2.4系统功能............................................................................................465.2.5自动化系统设备配置方案................................................................485.2.6元件保护及自动装置........................................................................495.2.7对相关专业的要求............................................................................495.3一体化电源系统...........................................................................................515.3.1系统构成及功能要求........................................................................515.3.2直流系统............................................................................................515.3.3不间断电源系统................................................................................525.3.4通信电源系统....................................................................................525.3.5一体化电源监控................................................................................525.4其他二次系统...............................................................................................535.4.1全站时钟同步系统............................................................................535.4.2智能辅助控制系统............................................................................535.4.3二次设备组柜及布置........................................................................54第6章结论与展望....................................................................................................596.1结论...............................................................................................................596.2展望...............................................................................................................59参考文献......................................................................................................................61发表论文和科研情况说明..........................................................................................63致谢......................................................................................................................65VII 第1章绪论第1章绪论1.1研究背景和意义电力行业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是实现“中国制造2025”计划的重要保障，为了应对资源紧张、气候变化、环境污染等问题，迫切需要发展建设智能电网。近些年来温室效应愈发严重，温室气体总排放量的65%来自于能源生产和使用。通过构建智能电网来应对气候变化，实现清洁能源大规模开发利用和可持续发展，具有巨大的社会、经济和环境效益。因此，大力发展智能电网以及使用清洁的能源对我国改善能源结构以及减少污染问题等多方面具有重要意义，同时也对全球气候的改善做出贡献[1]。目前可再生能源利用并保持可持续发展成为目前电力系统面临的新挑战。为了应对这一挑战，国际电力行业纷纷选择发展智能电网。通过大力开发更为清洁的能源，例如风能、太阳能、地热能等，并将其转换为电能，通过电网进一步实现能源结构优化。而上述各种新能源均具有随机性和波动性等特点，由于其具有这样的特点，所以将面临新的挑战。比如在电网调峰上带来困难，供电质量的保证上也有一定的难度，为了解决这些困难，发展智能电网十分必要[2]。发展智能电网对提高电力的安全性和稳定性具有举足轻重的作用。近年来随着电力科学技术的发展，电力系统逐渐出现了一些新的特征，同时对系统的要求也越来越高，因此发展智能电网成为电力行业的方向[1]。1.2国内外研究发展现状从1980年起，历经30余年，国内的自动化技术发展成果显著。变电站已经完成了站控层和间隔层的数字化，并成为保障电网安全可靠运行的重要措施。但是还有一些问题，比如厂站设计复杂、设备之间互操作性差、信息共享困难、二次电缆影响系统的可靠性、系统可扩展性差、站内存在多套系统等。智能变电站目前在其研究和建设上已经取得了一些进步：在技术研究方面，有IEC-61850规约的研究、智能一次设备结构体系研究等项目[3]；在一次设备的智能化技术方面，有变压器综合智能组件研究、电抗器智能化研究以及智能断路器研究等项目；在信息化标准化技术方面，有信息模型和交换模型、IEC-61850工程应用深化研究1 天津大学硕士学位论文等项目，这些研究使智能变电站在各个方面都获得了一些进步[2]。在智能站一次设备上，目前已经完成了核心技术研发并且研制出了关键设备。国内的多个厂家已在设备上安置监测传感器，对重要设备进行状态监测，利用“一次设备+智能组件”完成了智能化改造。为了实现测量数字化，电子式互感器的设计和制造技术日趋成熟并实现了大规模应用。目前市场上电子式互感器的产品及现场解决方案很多，涵盖各个电压等级。高级应用方面，因为实际情况不同其发展的思路和理念也不同。我国侧重系统高级应用功能，如设备状态可视化、站域控制、基于全站数据采集的信息一体化系统、智能告警与分析、故障综合分析、顺序控制、源端维护等。目前在智能变电站中得到了应用[4]。在智能站建设方面国内借鉴采用了国际标准IEC-61850规约，并结合国内实际情况提出了《变电站通信网络和系统》。从2005年开始，国内厂家工程实践方面步伐很快，目前已完成6次大规模互操作试验，取得了宝贵的工程实践经验。相比国外，我国智能变电站工程不仅采用了IEC-61850标准，并且结合我国自身特点进行了扩展，建设规模也远超国外[5]。1.3智能变电站与常规变电站的区别1.3.1常规变电站特点常规变电站二次系统的功能可分为远动装置、继电保护装置、就地监控、录波装置，与之相应的是中央信号屏、控制屏、录波屏等设施。而各设备的互感器二次侧以及断路器的分合闸操作回路都需要分别引到这些屏上。除上述外，每个一次设备以及与之对应的二次设备间都有许多连线，正由于站内线路错综复杂，导致维护工作量大。常规变电站结构见图1-1所示，其缺点总结如下：（1）安全、可靠性不高。常规站多选择传统设备，特别是电磁式或者晶体管式的自动、继保和远动装置等，都不具备故障自检功能，单纯依靠不定期的维护或者保护装置发生拒动或误动之后才能发现问题。（2）占地面积大。常规变电站大多选择电磁式或晶体管式的设备，占地较多，同时各种屏柜的占地面积也比较大。（3）维护工作量大。如上所述设备的结构复杂、可靠性低，因此必须定期进行繁杂的维护工作，并且不可以在远端实现控制或者修改。（4）电压质量的可控性不高。2 第1章绪论（5）变电站的实时控制性能较差。现代电力系统要求电网具有高度的电网调度和统筹要求，因此要求变电站具备优良的远动装置。图1-1常规变电站结构1.3.2智能变电站的特点智能电网即电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术应用，实现电网的安全、可靠、经济、高效、环境友好目标。智能变电站是智能电网的重要组成部分，智能变电站的特点如下[5]：（1）首先是一次设备的智能化。通过微处理器设备和光电技术的应用，数字程控、公共信号网络逐渐取代了传统的导线连接。变电站已经实现了利用可编程控制器取代继电器，特别是电子式互感器的广泛应用取代了笨重、复杂的传统式互感器。（2）其次是二次设备的网络化。电压无功控制、同期操作、继电保护、远动、故障录波、在线状态检测等装置采用高速网络实现设备间的通信，网络的广泛应用真正实现了数据以及资源共享[6]。（3）另外就是自动运行的管理系统。自动化主要指电力生产运行数据以及状态记录统计的自动化；当站内发生故障时能迅速给出故障分析报告，分析原因并提出相应的处理建议。基于以上特点的智能变电站结构见图1-2所示，智能站与常规站相比具有以下优点：（1）高性能1）通讯网络采取统一标准IEC-61850规约，因而无需规约转换装置进行规3 天津大学硕士学位论文约转换。2）数字信号的传输采用光缆传输。光缆传输信号抗电磁干扰，传输过程中无信号衰减，不会引起误差，从而增加了系统保护和计量系统精度。（2）高安全性使用光缆替代电缆，增加了系统的安全稳定性。（3）高可靠性设备具有较强的自检能力，若智能组件无法接收数据将会发出通信故障并报警，提升了运行的可靠性并且大大减少运行工作量。（4）高经济性1）采用光缆光缆代替电缆，节省大量的控制电缆。电缆沟、电缆层和电缆防火得以简化，同时减少了保护、自动化调试的工作量，进而降低运维成本。同时避免了通道重复建设和投资，缩短了工期。2）由于其实现了信息共享，具有较高的兼容性，方便新增功能和扩展规模，降低了成本。图1-2智能变电站结构1.4主要研究设计内容与章节安排根据系统规划，论文主要对变电站站址选择、接入系统方式、一次和二次设备的选择、变电站系统继电保护与安全自动装置的配置等内容进行了设计与论证。论文具体的章节安排如下：第二章新庙110kV智能站电气设计方案，主要根据鄂尔多斯电网的实际情况，对新庙110kV智能变电站在鄂尔多斯电网中的地位以及建设的必要性进行4 第1章绪论了分析论证，对其接入系统等电气方案进行了论证。第三章继电保护配置与调度自动化方案设计，主要对智能变电站的继电保护与安全自动装置进行了配置，并设计了调度自动化方案。第四章一次设备智能化及设备选择，主要设计了智能变电站集成智能装置、预制式电缆和光缆，进行了短路电流计算，并根据计算结果对一次电气设备进行了选择。第五章二次智能设备及自动化技术，主要设计了智能变电站自动化系统站控层、间隔层、过程层网络结构，对二次设备预制仓内屏柜进行了布置，对二次智能设备进行了分析与选择。第六章总结全文。5 第2章新庙110kV智能站电气设计方案第2章新庙110kV智能站电气设计方案2.1电力系统概况2.1.1电力系统现状（1）鄂尔多斯市电网现状根据鄂尔多斯电业局提供的资料，2016年末鄂尔多斯市内500kV变电站共有4座，主变压器共8台，变电容量6000MVA，500kV公用线路8条，长度1144公里；220kV变电站24座，主变40台，变电容量6120MVA，220kV线路54条，长度2013公里，110kV变电站共有66座，主变压器92台，变电容量4600MVA；110kV输电线路2400公里，10～35kV输配电线路23823公里，现已形成以500kV为支撑、220kV为骨干、110kV为辐射的供电网络格局。（2）负荷和用电量82015年，鄂尔多斯市用电总量77.57×10kWh，用电负荷1620MW，同比增8长9.8%；局属供电量为62.3×10kWh，同比增长7.6%，统调最高负荷1440MW，同比增长5.49%。82016年，鄂尔多斯市社会用电总量为78.35×10kWh，用电负荷1790MW，鄂尔多斯统调供电量64.24×108kWh，统调最大负荷152.10MW。2.1.2负荷预测根据鄂尔多斯电业局提供的区域地理接线图（见图2-1所示）和电网规划对新庙镇地区做出负荷预测。图2-1地理接线图7 天津大学硕士学位论文（1）新庙镇概况及发展规划新庙镇是鄂尔多斯市下辖的一个镇，其地理位置位于毛乌素沙地东北边缘、鄂尔多斯高原的东南部，其北部与康巴什新区隔乌兰木伦河相望，其东部为准格尔旗。总面积5600平方千米，常驻人口约为16.7万。新庙镇位于干旱草原向荒漠草原过渡的半干旱、干旱地带，整体海拔位于1070-1556m之间，其地形西高东低。新庙镇是以建材冶金工业园为中心，有冶金、建材、水泥等重要工业用户。镇东部将以服务业、轻型小工业为发展重点，中远期规划有工业园区在镇东部地区；镇南部为城市政治、金融发展新方向；该镇坚持教育、医疗、商业、金融和服务为发展重点，努力发展成为鄂尔多斯市现代化宜居城市。（2）电网现状截至2016年11月底，新庙镇已有110kV变电站2座（林塔变和悖牛川变容量均为2×63MVA）。新庙镇城区电网的供电格局是以悖牛川变电站为中心，输电线路向全镇扩展的格局。截至2015年底，悖牛川变最大负荷100MW，其中供带林塔变54MW。截至2016年11月份，悖牛川最大负荷130MW，负载率为103%，已经过载。（3）新庙镇负荷预测鄂尔多斯电业局提供了近几年新庙镇供电量及负荷情况，具体数据见表2-1。表2-1新庙镇供电量及负荷情况统调三产及居民用电量农村居民人均人均生活最大统调电量8人均生活年份/10kWh用电量用电量/108kWh用电量负荷/一二三居kWh/人kWh/人MWkWh/人产产产民2005351.730.141.230.240.78303.0798.9159.712010572.610.261.40.381.83479.55226.77126.762011632.890.251.810.452.09552.11249.22143.742012703.200.281.980.42.44607.14290.48166.392013783.550.342.280.522.19626.69224.57188.522014863.950.423.220.722.22768.33251.05205.81对近10年电力负荷的数据进行分析，并对今后5～10年的电力负荷做出预测，本文采取比例系数增长法对负荷进行预测[6]。比例系数增长法是假定今后的电力负荷与过去具有相同的增长比例，用历史数据求出比例系数，按比例预测未来发展。设第m年的用电量（负荷）为AmkWh（AmMW），n年的用电量（负荷）为AnkWh（AnMW），则从第n年至第m年（n