滨河220kV智能化GIS变电站设计分析

'华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《滨河220kV智能化GIS变电站设计研究》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士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。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：年月日华北电力大学硕士学位论文使用授权书《滨河220kV智能化GIS变电站设计研究》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。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以其它单位的名义发表。本人完全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门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于（请在以上相应方框内打“√”）：保密□，在年解密后适用本授权书不保密□作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日 华北电力大学专业硕士学位论文摘要目前在城市电网建设中，GIS变电站的应用已经非常成熟。本文以滨河220kVGIS变电站设计为研究课题，主要对该变电站的电气一次、二次系统进行设计。为提高变电站运行管理水平，将该站设计为智能化变电站。本文给出一套完整的变电站电气一次设计方案，提出一种新颖的半户内式GIS变电站布置形式。即主变压器和电容器布置在户外，其他各电压等级设备布置在户内。本文对220kV出线布置方式进行了优化，将220kV出线设计为架空和电缆混合出线，有效减小了站区占地面积。本文针对GIS变电站提出一套智能化变电站的实施方案，包括：整体设计方案、三层设备的配置方案以及组网方式。结合变电站实际情况，提出了一些智能化变电站高级应用功能的系统设计方案，包括：一体化五防、程序化操作、在线监测技术、故障信息综合分析决策系统和站域控制系统。关键词：GIS；电气一次；电气二次；智能化变电站I 华北电力大学专业硕士学位论文AbstractAtpresentinthecitypowergridconstruction,applicationofGISsubstationhasbeenverymature.Inthispaper,Binhe220kVGISsubstationdesignisthemainresearchsubject.Theelectricprimaryandsecondarysystemsisdesigned.Toimprovetheoperationandmanagementlevel,thisstationisdesignedtobeintelligentsubstation.Thispaperpresentsasetofelectricprimarysystemplanandanoveltypeofsemi-indoorGISsubstationlayoutpattern.Thefeatureofthispatternisthatmaintransformersandcapacitorsarearrangedoutdoors,andothervoltageleveldevicesarearrangedindoor.220kVoutletarrangementisoptimized.Foreffectivelyreducingtheareaofthestationarea,overheadandcableoutletisdesignedfor220kVoutlet.AtypeofGISintelligentsubstationisproposedinthispaper,whichincludesoveralldesign,equipmentconfigurationandnetworking.Thispaperpresentssomeoftheadvancedapplicationsofintelligentsubstation,includeintegratedfail-safeunit,programmingoperation,on-linemonitoringtechnology,comprehensivefaultinformationanalysisanddecisionandstationcontrolsystem.Keywords:GIS;electricprimary;electricsecondary;intelligentsubstationII 华北电力大学专业硕士学位论文目录摘要.....................................................................................................................................IABSTRACT......................................................................................................................II目录................................................................................................................................III第1章绪论..................................................................................................................11.1选题背景和意义......................................................................................................11.2研究现状..................................................................................................................21.3本文的主要工作......................................................................................................3第2章变电站建设的必要性..........................................................................................42.1电网现状...................................................................................................................42.1.1内蒙古自治区电网现状....................................................................................42.1.2包头地区电网现状............................................................................................42.2负荷预测..................................................................................................................62.3建设的必要性...........................................................................................................8第3章变电站电气一次设计..........................................................................................93.1变电站规模...............................................................................................................93.1.1系统接入方式...................................................................................................93.1.2主变规模...........................................................................................................93.1.3各级电压出线回路数.......................................................................................93.1.4无功补偿装置...................................................................................................93.2短路电流计算及主要设备选择.............................................................................103.2.1短路电流计算.................................................................................................103.2.2主要设备选择.................................................................................................123.3电气主接线.............................................................................................................153.4电气总平面布置....................................................................................................183.5各电压等级配电装置设计.....................................................................................193.5.1220kV配电装置..............................................................................................193.5.2110kV配电装置..............................................................................................213.5.310kV配电装置................................................................................................223.6防雷接地................................................................................................................243.6.1防雷及过电压保护..........................................................................................243.6.2接地.................................................................................................................25第4章变电站电气二次设计........................................................................................284.1智能化变电站关键技术分析.................................................................................28III 华北电力大学专业硕士学位论文4.1.1IEC61850标准................................................................................................284.1.2电子式互感器.................................................................................................304.1.3智能开关设备.................................................................................................354.1.4在线监测技术.................................................................................................364.2变电站网络架构.....................................................................................................374.3站控层设备配置方案.............................................................................................384.4间隔层设备配置方案............................................................................................394.4.1主变间隔.........................................................................................................394.4.2220kV线路......................................................................................................394.4.3110kV线路......................................................................................................404.4.410kV间隔保护................................................................................................404.4.5220kV母线保护..............................................................................................404.4.6110kV母线保护..............................................................................................404.5过程层设备配置方案............................................................................................404.5.1主变本体配置方案.........................................................................................414.5.2220kV配置方案..............................................................................................414.5.3110kV配置方案..............................................................................................414.5.410kV配置方案................................................................................................42第5章设计优化与创新应用........................................................................................435.1站区布置优化........................................................................................................435.1.1主变布置.........................................................................................................435.1.2GIS设备布置...................................................................................................435.2设备状态在线监测................................................................................................445.2.1在线监控系统结构.........................................................................................445.2.2主变压器状态监测.........................................................................................455.2.3GIS状态监测...................................................................................................475.2.4避雷器状态监测.............................................................................................485.3故障信息综合分析决策........................................................................................485.3.1故障信息综合分析决策的功能.....................................................................485.3.2故障辨识方法.................................................................................................495.3.3可视化展示系统.............................................................................................495.4智能告警与分析决策............................................................................................505.5一体化五防和程序化控制....................................................................................515.5.1一体化五防.....................................................................................................515.5.2程序化控制.....................................................................................................525.6站域控制................................................................................................................53第6章结论....................................................................................................................54参考文献..........................................................................................................................55致谢..................................................................................................................................58IV 华北电力大学专业硕士学位论文作者简介..........................................................................................................................59V 华北电力大学专业硕士学位论文第1章绪论1.1选题背景和意义包头市滨河新区是包头市规划建设的第五个城区，位于包头市南部，该区以铜铝、稀土、节能环保、生物技术、机电一体化、电子信息等为主导产业。包头市滨河新区将构筑六个园区，预计2013年六个园区的新增用电负荷约173.8MW，远期负荷预计将达到423.8MW。目前包头南部地区仅由一座220kV变电站供电，变电容量240MVA(2×120MVA)，主变最高供电负荷达到180MW，现有的传输设施不能满足电力新增加的负载需求。按照包头电网“十二五”规划，需要在滨河新区东南部新建一座220kV变电站。从二十世纪九十年代开始，国内城市电网变电站的建设工程，就以既满足规划和环保要求，又尽量减少征地面积为目标，逐步设计投产了各种类型的户内型变电[1-6]站，即将各电压等级的主要变电设备和配电装置布置于户内的模式；另外，相对于常规220kV敞开式配电装置，SF6气体绝缘全封闭组合电器具有占地少，建设快、[7-13]结构紧凑、环境适应能力强、检修周期长、运行安全可靠等诸多优点，因此，户内GIS变电站设计模式逐步成为变电站设计的首选；在城市土地资源寸土寸金的[14-16]情况下，采用户内GIS布置的城市变电站模式已成为城市电网建设的趋势。由于电力系统的电网结构越来越复杂，骨干电网电压等级越高，系统运行和管理的要求也越来越高，在变电站内部、变电站与变电站之间、变电站与调度中心之间需要实现数据和资源共享；设备及接口需要标准化、模块化；设备将从定期检修改变为状态检修；生产管理系统不断完善，为管理和决策提供强有力的数据和信息[17-19]。在上述背景的推动下，智能化变电站、智能电网和互动电网的概念被逐渐提出。智能化变电站是智能电网的物理基础，也是高级调度中心的信息采集和命令执行单元。随着智能一次电气设备、电子式电流、电压互感器的使用、在线状态检测技术的不断成熟，以及先进的计算机、网络技术在电力实时系统中的不断应用，智[20-22]能化变电站必将是今后电力系统发展的主流。到目前为止，内蒙古电网已建成的数字化变电站只有杜尔伯特220kV变电站。近年来一些变电站的变压器、高压电抗器安装了在线油色谱分析仪、GIS设备安装了SF6密度在线监测仪，做了一些变电站智能化的尝试。这些都还不是真正意义上的智能化变电站。尤其是各种在线装置都有各自独立主机和独立系统甚至不同厂家同种设备都无法对接，使得控制室设备繁多，运行并不方便。因此内蒙古电网需要进行真正意义的智能变电站的实践，为内蒙古电网智能化积累经验。1 华北电力大学专业硕士学位论文1.2研究现状GIS变电站设计研究主要是基于GIS设备而发展的。GIS从20世纪60年代问世，其电压等级已从高压发展到超高压及特高压。随着断路器自能灭弧技术的应用[17]和提升以及单断口耐压水平的不断提高，GIS朝着超高压、大容量方向发展。目前国际上，GIS设备的最高电压等级为1100kV，额定电流可达8000A，额定短路开断电流可达80kA；126kV产品间隔宽度最小能够做到800mm，252kV产品间隔宽度最小能够做到1200mm，可配智能化在线监控系统等。目前发达国家，245kV电压等级的GIS变电站的设计已非常成熟，进一步向小型、集成、智能化发展；超高[23-29]压、大容量GIS设备也越来越多。到2012年，国内生产550kVGIS的厂家有5家，生产252kVGIS的厂家有十几家。550kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备在我国工程中的使用的并不普遍，特[17,24]别是在500kV变电站中使用数量不多。国内产品的最高电压可到550kV，额定电流最大到4000A，额定短路开断电流到63kA；全共箱产品达到126kV，三相母线共筒363kV；自能灭弧产品达到252kV/40kA；单断口耐压252kV；126kV产品[27,30]间隔宽度最小1200mm；可配智能化监控系统。国际上主要的电力设备公司，如ABB、西门子等，开发了全系列的智能变电站一次设备和二次设备，不仅满足IEC61850标准的保护装置的要求，智能电子设备也符合该标准，如智能断路器，带数字接口的电子式CT、PT等。ABB、ALSTOM、SIEMENS和日本三菱公司等都开发的电子式互感器产品，都有广泛的挂网运行经验。在智能断路器方面，ABB公司开发的PASS系统较具代表性，它将智能化的开关设备和互感器集成在一起，形成封闭单元，执行测量及开关功能的同时，输出信号以数字形式经光纤传输，监测设备运行状况，实现智能化变电站的通信接口功能。总体而言，目前的智能化变电站在国内外仍处于起步和积累经验阶段，已建成或正在建设的智能化变电站大多数都没有真正意义上智能化变电站的全部特征。有些变电站仅在站内IED间实现了IEC61850通信，或者仅采用了电子式互感器。即使同时应用了上述两项技术，离实现变电站的全面智能化通信还有一定距离，特别是对智能化开断路器以及智能化隔离开关和主变的研究还不够成熟。智能化变电站将是我国变电站技术的发展方向，电力公司、设备生产厂家以及设计院已经开展了大量的智能化变电站研究工作。国内厂家已经具备提供智能化变电站所需设备的能力，可基本实现智能化设备的国产化。研究全智能化变电站的关键技术、理论和工程建设方案，对智能化变电站的进一步推广应用、安全运行管理和智能电网建设都[33]具有非常重大的技术和经济意义。2 华北电力大学专业硕士学位论文1.3本文的主要工作本文的主要工作是研究GIS智能化变电站设计。设计工作的基本任务是，依照国家的基本建设方针、技术经济政策，做出安全适用、技术先进、切合实际、综合经济效益高的设计，有效地为电力建设服务。本文希望通过对GIS智能变电站关键技术的研究，结合内蒙古电网GIS智能变电站建设运行经验以及相关技术标准，提出适合于内蒙古电网实际情况的可靠、适用、先进的设计方案。本文的主要工作如下：1）电气一次电气主接线设计、电气总平面布置、短路计算及主要设备选择、过电压及防雷保护设计、接地设计以及GIS设备特殊问题设计。2）电气二次（1）电气二次智能化配置方案设计，包括：整站系统结构、网络构架、设备配置等方面设计。（2）结合本站特点，对数字化变电站关键技术：IEC61850标准、电子式互感器、智能开关设备和在线监测技术应用情况进行研究。（3）设计智能化变电站的高级应用系统，包括：一体化五防、程序化操作、故障信息综合分析决策系统、智能告警与分析决策系统、站域控制。3 华北电力大学专业硕士学位论文第2章变电站建设的必要性2.1电网现状2.1.1内蒙古自治区电网现状内蒙古自治区电网（简称内蒙古电网）位于华北电网的北部，是华北电网的组成部分和主要送电端。2012年内蒙古电网供电区域为自治区西部地区六市二盟，包括呼和浩特市、包头市、乌海市、鄂尔多斯市、巴彦淖尔市、乌兰察布市、阿拉善盟、锡林郭勒盟。目前，内蒙古电网已形成“两横四纵”的500kV主干网架结构。各盟市供电区域均形成220kV主供电的网架结构，其中，呼和浩特、包头、乌海地区已形成220kV城市环网。截止到2012年底，内蒙古电网发电装机（6MW及以上）容量42347.24MW，包括：火电厂88座，装机容量31815.7MW；水电站3座，装机容量568.4MW；风力发电场98座，投产容量9670.89MW；生物质电厂3座，装机容量66MW；光伏电站10座，装机容量226.25MW。内蒙古电网覆盖范围内共有500kV变电站18座，主变35台，总变电容量26700MVA；220kV公用变电站107座，主变211台，总变电容量32439MVA。500kV线路54回，总长4890.674km；220kV线路454回，线路总长度14407.11km。2012年内蒙古电网最高供电负荷为18200MW（不含外送电力）。内蒙古电网向华北电网协议送电容量3900MW。2012年内蒙古电网全社会用电量为1542.4×8810kWh（不包括外送电量），比上年增长4.72%，东送华北电量为273.88×10kWh，比上年增长1.47%。2.1.2包头地区电网现状包头地区电网位于内蒙古电网的中部，是内蒙古电网中最大的地区电网，西面以1回500kV线路（包德线）与巴彦淖尔市德岭山500kV变相连，以2回220kV线路（吉祥~民胜双回）同该市220kV电网相连，东面以1回500kV线路（包旗线）与旗下营500kV变相连，以3回220kV线路（美岱召牵引所~毕克齐牵引所线、土东线、土昭线）同呼市电网相连，南面以2回500kV线路（响高I、II回）与响沙湾500kV变相连，以3回220kV线路（达麻I、II回、达土线）同达旗电厂相连。包头电网不仅承担本地区负荷供给的任务，而且承担着与呼市地区、鄂尔多斯地区4 华北电力大学专业硕士学位论文以及巴彦淖尔地区联络的任务，是内蒙古电网的重要组成部分。包头地区电网主要承担着包头市区及市属白云、石拐两个矿区和九原区、土右、固阳、达茂四个旗县区的供电任务，是内蒙古电网的负荷中心，售电量占内蒙古电42网的30%以上，供电范围4×10km。截止2012年底，包头地区电网发电装机（6MW及以上）容量7994.51MW，包括：公用火力发电厂7座，总装机容量5050MW，其中：包一电厂装机（2×100MW+2×125MW），包二电厂装机（2×200MW+2×300MW），包三电厂装机（2×300MW），东华热电厂装机（2×300MW），昆都仑电厂（2×300MW），华电包头电厂装机（2×600MW），神华萨拉旗电厂（2×300MW）；企业自备电厂6座，总装机容量1896.2MW；风电场13座，总投产容量1048.31MW。图2-1包头地区电网2012年底现状地理接线图截止2012年底包头地区电网有500kV变电站2座，即高新变和包头北变，总容量为4500MVA；220kV公用变电站15座，总容量为4230MVA，分别为：麻池变（2×120MVA）、古城变（3×120MVA）、张家营变（3×120MVA）、兴胜变（2×120MVA）、召庙变（2×180MVA）、沙河变（2×180MVA）、土右变（1×120MVA）、福永变（4×150MVA）、固北变（1×150MVA）、红塔变（1×120MVA）、望海变（2×120MVA）和昆河变（2×180MVA）、鹿钢变（2×180MVA）、万胜变（1×180MVA）、民胜变（1×180MVA）。截止2011年底，包头地区电网220kV线路93回，线路总长度5 华北电力大学专业硕士学位论文1799.088km。包头地区电网2012年网供最高供电负荷为4800MW。包头地区电网2012年底现状地理接线图见图2-1。2.2负荷预测包头市滨河新区是包头市规划建设的第五个城区，位于包头市南部，该区以铜铝、稀土、节能环保、生物技术、机电一体化、电子信息等为主导产业。包头市滨河新区将构筑六园一区，即：风光新能源机电科技园、神华物流园、环保生物园、轻纺科技园、江宁科技园、大学科技园和包头市石拐区棚户区。(一)、风光新能源机电科技园风光新能源机电科技园总规划面积6686亩，位于规划区西区十二路以北，四道沙河以南，包神铁路以西，万水泉大道南段以东。该园区是以大力发展工程机械、零部件加工等机械制造业和电子科技、机电一体化装备项目为重点的产业集聚区。目前，入驻机电科技园的项目共22个，总投资71.3亿元。主要以华泰汽车项目、轻型飞机项目为龙头带动园区发展。华泰汽车项目总投资50亿元，一期投资10亿元建设模具项目；轻型飞机项目生产水陆两用飞机、建立驾驶员培训中心。园区已有包头联通铁塔制造有限公司整体搬迁项目、包头市宏运彩钢板结构工程有限公司钢结构彩钢板聚苯板加工项目等11个项目开工建设，预计2013年新增负荷30MW。远期将达到90MW。(二)、神华物流园神华物流园位于包哈公路以南、包神铁路以西、万水泉大道以北、西区一街以东。包头神华物流港(集散中心)项目总投资20亿元，分二期实施，项目将依托呼包鄂地区丰富的货源、便利的交通，利用神华铁路线，以包头神华物流港作为中西部地区的物资集散中心，完整打造一条物资运输链，使物流业真正成为高新区新的经济增长点，预计2013年新增负荷20MW，远期将达到50MW。(三)、环保生物园环保生物园总规划面积3243亩，位于规划区西区九路以北，西区八路以南，四道沙河以西，西区三街以东。目前，入驻环保生物园的项目共8个，总投资12亿元。其中新创瑞图粉煤灰项目已建成达产。包头市陆海商品砼有限公司管桩厂项目、包头泽润机械设备有限责任公司环保设备项目正在建设中。包头市福顺达塑料有限公司塑料制品、塑料改性降解、填充母料生产项目、内蒙古天德利再生资源开发利用有限责任公司再生资源综合加工利用基地项目、准备近日开工，计2013年新增负荷30MW，远期将达到60MW。6 华北电力大学专业硕士学位论文(四)、轻纺科技园轻纺科技园规划占地面积3193亩，位于万水泉地区西南部，南临小白河生态湿地旅游区，北依九原区麻池镇，东靠四道沙河带状绿色通廊，西与黄河乳牛场相接。通过建设轻纺科技园，形成企业集群和产业规模优势，发挥集聚效应，增强竞争实力，推动包头纺织产业不断做大做强，实现经济更好更快地发展。目前，入驻轻纺科技园的项目共5个，总投资393500万元。主要有包头圣龙亚麻纺织有限公司(中俄合资)整体搬迁项目形成亚麻产业区，现已开工建设；内蒙古鹿王羊绒集团整体搬迁项目形成羊绒产业区；内蒙古塞立特尔纺织集团有限公司整体搬迁项目形成绒棉产业区，预计2013年新增负荷20MW，远期将达到60MW。(五)、江宁科技园江宁科技园总规划面积3034亩，位于规划区东区七路以北，东区五路以南，210国道以西，东区二街南段以东。该园区引进江宁开发区，发挥其发达的机械制造、汽车制造、生物医药、新材料、电子信息、软件研发等优势，发展一批科技含量高、市场前景好、高新技术密集的新型项目，提高稀土高新区高新技术产业比重，预计2013年新增负荷20MW，远期将达到60MW。(六)、大学科技园大学科技园总规划面积1042亩，位于滨河新区中部，四道沙河以南，东区六路以北，东区二街以西，包神铁路以东。首批入驻大学科技园的项目共10个，主要以光机电一体化产业、电子信息产业、新材料技术产业、生物及环保产业为主，总投资63610万元。园区营造优良的综合环境；创造布局合理，特色突出的园区，将大学科技园区建成交通便利、信息畅通、科技先进、产业发达，具有先进水平的高科技园区，实现企业与园区的双赢互动，计2013年新增负荷30MW，远期将达到80MW。(七)、包头市石拐区棚户区石拐煤矿区是一个老的产煤区，是国家‘一五’时期一百五十六个重点项目之一，经过这么多年的采掘，煤炭资源枯竭，职工的出路成了问题，由于煤炭开采地质构造出现下沉，许多职工都住在危房中，基于这种情况，2009年初，包头市委、市政府及时决策确定开工建设移民搬迁工程。包头市石拐区棚户区搬迁改造项目是市委、市政府和神华集团共同商定,为神华包头矿业有限责任公司职工及部分石拐区居民异地安置的一项重点民心工程.项目总投资20.75亿元,该项目新建住宅小区需占用土地1707.4亩,包括住宅、非经营性公建(包括学校、医院、物业、居委会、文化服务设施、派出所、车棚等).房屋建22设总户数为14516户,人口39193人,户均75m，总建筑面积119×104m，中:住宅22108×104m，非经营性配套公建11×104m，负荷23.8MW。7 华北电力大学专业硕士学位论文根据上述项目的建设情况，预计2013年六园一区新增用电负荷约173.8MW，远期负荷预计将达到423.8MW。2.3建设的必要性目前包头南部地区仅由一座220kV变电站供电，变电容量240MVA(2×120MVA)，主变最高供电负荷达到180MW，现有的传输设施不能满足电力新增加的负载需求。同时麻池220kV变110kV出线间隔已达规划规模，无法为拟建的韩庆窑子等110kV变提供电源。按照包头电网“十二五”规划，急需在滨河新区东南部新建一座220kV变电站。滨河220kV变电站建成后，不仅可以为包头城区南郊区域供电，接带包头南部地区新增负荷，为地区新建110kV变电站提供接入系统落点，还可以为包头市滨河新区的经济发展提供有力的电力保障。8 华北电力大学专业硕士学位论文第3章变电站电气一次设计在变电工程设计的各个阶段中，电气专业自始至终都是主体专业，其中电气一次设计在整个变电站设计中更是起着主导作用。变电站电气一次设计工作包括的内容非常多，本章只对其中主要的内容进行阐述，包括：短路电流及主要设备选择、电气主接线设计、电气总平面设计、各电压等级配电装置设计、防雷接地。3.1变电站规模3.1.1系统接入方式本期滨河220kV变在达旗电厂~麻池的双回220kV线路上破口接入，导线线径为LGJQ-2×240。3.1.2主变规模滨河220kV变电站主变的规模：远期规划3×180MVA主变，其中两台主变电压等级220/110/10kV；一台主变电压等级220/110kV。本期建设两台容量180MVA主变，均采用三绕组有载调压变压器，分接头均为220±8×1.25%/121/10.5kV，阻抗电压为Uk(1-2)%=14%,Uk(1-3)%=24%,Uk(2-3)%=8%，容量比100%/100%/30%。3.1.3各级电压出线回路数220kV出线：远期规划6回；本期4回，在达旗电厂至麻池变双回220kV破口接入，形成2回至达旗电厂，2回至麻池变，导线型号均为LGJQ-2×240。110kV出线：远期规划14回；本期8回(至画匠营子1回、至韩庆窑子2回、至明变1回，备用4回)。10kV出线：远期规划16回；本期一次性建成。3.1.4无功补偿装置根据《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》有关规定，220kV变电站的容性无功补偿以补偿主变压器无功损耗为主，并适当补偿部分线路的无功损耗，补偿容量按照主变压器容量的10％～25％配置。本期滨河220kV变电站工程中，无功补偿按如下方案配置：滨河220kV变每台180MVA主变低压侧均装设3×8Mvar低压电容器。滨河220kV变预留消弧线圈位置。9 华北电力大学专业硕士学位论文3.2短路电流计算及主要设备选择短路电流反应的是电网发生故障时系统内各部分电力参数的变化情况，短路电流计算是电力系统设计中最基本的环节，它的主要作用是：电气主接线的比选、选择电气设备和导体、确立变电站中性点接地方式、验算接地装置的接触电压和跨步电压、选择继电保护装置和整定计算等。因此，准确的计算结果对电气设计来说至关重要。3.2.1短路电流计算220kV母线穿越功率：800MVA；110kV母线穿越功率：540MVA。220kV侧远景最大方式下系统阻抗为（基准容量：100MVA，基准电压：230kV）正序阻抗：x1=0.0108，零序阻抗：x0=0.0188。图3-1短路电流计算系统图本变电站远期规划3台主变，其中2台三绕组变压器，1台双绕组变压器（带平衡线圈）。三绕组变压器参数为电压等级：220±8×1.25％/121/10.5kV，容量比：100/100/30，连接组别：YN,yn0,d11，阻抗电压：Uk(1-2)%=14%，Uk(1-3)%=24%，Uk(2-3)%=8%；双绕组变压器参数为电压等级：220±8×1.25％/121/10.5kV，容量比：100/100/30，连接组别：YN,yn0+d11，阻抗电压：Uk(1-2)%=14%，Uk(1-3)%=24%，Uk(2-3)%=8%。路计算的系统图如图3-1所示，系统阻抗图如图3-2所示。10 华北电力大学专业硕士学位论文7(a)正、负序阻抗图(b)零序阻抗图图3-2短路电流计算系统阻抗图短路电流计算结果如表3-1所示。表3-1短路电流计算结果短路类型两相对地短路三相短路(kA)单相短路(kA)两相短路(kA)短路点(kA)d123.1420.67220.0422.112d213.6116.97211.7916.306d367.27-58.26-d426.28-22.76-11 华北电力大学专业硕士学位论文3.2.2主要设备选择变电站设计中主要设备选型的主要任务是选择满足变电站及输、配电线路正常和故障状态下工作要求的合理的高压电器，以保证系统安全、可靠、经济的运行条件。同样，设备型式的选择，不仅会影响到占地，同时也会影响到系统的安全可靠性和工程的总体造价。主要设备选型中的主要问题有下述几点：高压电器设备应满足正常工作状态下的电压和电流的要求；高压电器设备应满足安装地点和使用的环境条件的要求；高压电器设备应满足短路条件下的热稳定和动稳定要求；高压电器设备应考虑操作的频繁程度和开断负荷的性质。1）主变压器本期建设的2台主变容量为180MVA，电压为220±8×1.25％/121/10.5kV，容量比100%/100%/30%，阻抗电压Uk高-中=14%，Uk高-低=24%，Uk中-低=8%。主变采用户外防污型油浸式自然油循环自冷三相铜芯三绕组有载调压降压变压器。2）220kV设备220kV采用户内六氟化硫组合电器，断路器额定电流2500A，额定短路开断电流50kA。3）110kV设备110kV采用户内六氟化硫组合电器，进出线断路器额定电流2000A，分段断路器额定电流2500A，额定短路开断电流均为40kA。4）10kV开关柜10kV开关柜采用中置式手车开关柜，柜内选用真空断路器，额定短路开断电流为31.5kA。5）导体（1）220kV主母线800000母线持续工作电流：I=1.05×=2100A，220kVGIS主母线额定按g32203150A选择。（2）220kV主变进线180000回路持续工作电流：I=1.05×=496Ag32202试选择LGJ-630/45钢芯铝绞线，计算截面S=666.55mmIxu=0.83×1182=981.06A＞Ig12 华北电力大学专业硕士学位论文/Qd335.235.20.1532校验：S=×10=×10=156.7mmc872/2S=666.55mm＞S=156.7mm因此220kV进线选LGJ-630/45钢芯铝绞线满足要求。（3）110kV主母线540000母线持续工作电流：I=1.05×=2834A，110kVGIS主母线额定按g31103150A选择。（4）110kV主变进线180000回路持续工作电流：I=1.05×=992Ag31102选2(LGJ-500/45)导线，计算截面S=1263.36mmIxu=0.83×1016×2=1686A＞IgQd311.8711.870.1532校验：S=×10=×10=52.5mmc872/2S=1263.36mm＞S=52.5mm因此110kV进线选2(LGJ-500/45)钢芯铝绞线满足要求。（5）10kV主母线根据10kV的实际负荷情况选用2500A的限流电抗器，因此10kV回路最大工作电流按2500A计算。I=2500Ag2选2（TMY-125×10）型矩形铜导体，计算截面S=2500mmI=0.81×3005×1.27=3091A＞IyugQd372.372.30.1532校验：S=×10=×10=163.8mmc171所选导体满足要求。（6）10kV主变进线根据10kV的实际负荷情况选用2500A的限流电抗器，因此10kV回路最大工作电流按2500A计算。I=2500Ag13 华北电力大学专业硕士学位论文2选2（TMY-125×10）型矩形铜导体，计算截面S=2500mmI=0.8×3005×1.27=3053A＞IyugQd372.372.30.1532校验：S=×10=×10=163.8mmc171所选导体满足要求。（7）电力电缆//222Q=It=28.39×0.15=120.9kA·SdC铝=9815C铜=14762由短路热稳定求其最小截面积Q6d2120.91022铝：S=×10=×10=112mmminc9815Q6d2120.91022铜：S=×10=×10=74.5mmminc14762所以铝电缆按YJLV23-10-3×120、铜电缆按YJLV23-10-3×95选择。（8）穿墙套管i2l2－1chp－172.3120P=1.76×10×=1.76×10×=1840（N）a60P=0.6×5000=3000＞Pxu所以额定电流选3150A。（9）支柱绝缘子i电抗器前i2l2－1chp－1161.4120P=1.76×10×=1.76×10×=9169.6（N）a60选择ZSW-24/30型支柱绝缘子，抗弯强度30000NP=0.6×30000=18000＞P，满足要求。xuii电抗器后i2l2－1chp－172.3120P=1.76×10×=1.76×10×=1840（N）a60选择ZSW-24/30型支柱绝缘子，抗弯强度30000N14 华北电力大学专业硕士学位论文P=0.6×30000=18000＞P，满足要求。xu3.3电气主接线电气主接线是变电站设计的首要部分，也是构成电力系统的重要环节。主接线的确定对电力系统整体及变电站本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置布置、电气二次控制方式的拟定有非常大的影响。因此，必须正确处理好各方面的关系，全面分析有关影响因素，通过经济技术比较，合理确定主接线方案。简而言之，主接线应满足可靠性、灵活性和经济性三项基本要求。1）可靠性（1）断路器检修时，不宜影响对系统的供电。（2）断路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要保证对一级负荷及全部或大部分二级负荷的供电。（3）尽量避免变电站全部停运的可能性。2）灵活性（1）调度时，应可以灵活地投入和切除发电机、变压器和线路，颠沛电源和负荷，满足系统在事故运行方式、检修运行方式以及特殊运行方式下的系统调度要求。（2）检修时，可以方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不致影响电力网的运行和对用户的供电。（3）扩建时，可以容易地从初期接线过渡到最终接线。3）经济性：投资省、占地面积小和电能损失少。滨河220kV变电站远景规划建设3台180MVA有载调压主变压器，其中2台为三绕组变压器，另1台为双绕组变压器（带平衡线圈），全站电压按220kV、110kV、10kV三级设置。根据《220kV~500kV变电所设计技术规程》对各电压等级电气主接线进行设计。220kV规划出线6回，采用双母线接线；110kV规划出线14回，采用双母线接线；10kV规划出线16回，采用单母线分段接线。规划在2台主变的10kV侧各装设3组8Mvar电容补偿装置。2台主变10kV侧预留消弧线圈位置。本期建设2台180MVA三绕组有载调压主变压器，220kV出线4回，采用双母线接线；110kV出线8回，采用双母线接线；10kV出线16回，采用单母线分段接线。每台主变10kV侧装设额定电流2500A，电抗率为14%的限流电抗器。本期在2台主变10kV侧各装设3组8Mvar电容器。各电压等级电气接线如图3-3至图3-6所示。15 华北电力大学专业硕士学位论文图3-3220kV电气接线图3-4110kV电气接线16 华北电力大学专业硕士学位论文图3-510kV电气接线图3-6主变压器中性点接线方式17 华北电力大学专业硕士学位论文3.4电气总平面布置GIS变电站占地面积少的特点，不仅解决了征地难费用昂贵的问题，同时GIS和变电站综合自动化装置技术含量的提高明显降低了电网的检修和维护时间，具有明显的经济效益。但是全户内站变电站的投资比户外敞开式变电站的投资高很多，为了既使用GIS设备又节约投资，本文设计了一种介于全户内和户外敞开的半户内布置型式，即将220kV、110kV和10kV配电装置放置在户内，将主变和电容器布置在户外。图3-7电气总平面布置18 华北电力大学专业硕士学位论文在半户内变电站方案设计时，必须进行统筹考虑。一般的GIS配电装置应面对线路走廊布局的方向布置。主变压器布置在远离居民一侧，以降低噪声和电磁噪声。一般由其他专业配合电气一次专业布置电气总平面和各建筑电气平面，方案的布置要综合考虑各电压等级出线回路数、出线方式及方向、规划要点中对综合楼的高度要求、建筑物的退让要求，还要考虑主变压器、各电压等级配电装置、无功补偿装置、限流电抗器、二次设备室、蓄电池室等房间的合理布置，电缆沟道内要考虑各级电压电缆的敷设路径，户外部分要考虑消防运输道路、消防水泵房、消防水池、事故油池、化粪池、出线电缆沟道的位置。变电站设计要贯彻“全过程和全寿命周期最优化设计”理念，合理控制工程造价，提高变电站建设的效益。同时布置方案要力求合理，为运行维护提供方便。本变电站的具体布置方案如下。220kV配电装置采用屋内六氟化硫GIS组合电器，布置在站区西侧，本期4回架空向西出线，预留2回电缆出线；110kV配电装置采用屋内六氟化硫GIS组合电器，布置在站区东侧，电缆经电缆隧道向东出线。10kV屋内配电装置采用金属铠装移开式开关柜，双列布置，电缆经电缆隧道向北出线。主变布置在站区中部，位于220kV配电装置与110kV配电装置之间，10kV屋内配电装置布置在#1、#2主变中间，主建筑在站区西北角，进站大门向北。具体布置方案如图3-7所示。全站总体规划考虑了进站道路、进出线走廊、站址地形条件等各方面因素后，一并进行统筹安排，统一布局。站区总布置按《电力工程建设项目用地指标-变电所部分》规定执行，尽量减小占地面积。3.5各电压等级配电装置设计3.5.1220kV配电装置220kVGIS配电室宽度主要由设备制造厂的结构型式决定，目前国内的所有厂商的尺寸基本相同，配电室宽度一般设计为12m。配电室宽度的长度主要由进出线的回路数量及进出线方式决定，本变电站的220kV配电装的主变进行回路数为3回，出线回路数为6回。220kVGIS与主变压器通过架空导线连接，各台主变间的距离为16m，再考虑两端通道及维修的空间，配电室的长度至少为32m，还要考虑6回出线所占的线路走廊宽度，配电室的长度就更长。本设计通过将其中1回出线布置在220kVGIS配电室侧面，将其中两回出线设计电缆出线，最大限度地减小了配电室的长度，最终设计长度为48.3m。220kV配电室内还布置有安装检修用的天车、2面交流配电屏、2面直流配电屏、火灾报警等设备。根据《高压配电装置设计技术规程（DL/T5352-2006）》中规定：GIS配电装置避雷器的配置，应在于架空线连接处装设避雷器。该避雷器宜采用敞开式，所以19 华北电力大学专业硕士学位论文220kV出线侧装设有敞开式避雷器。而主变侧的避雷器放在了GIS内部，主要原因是考虑节约站区面积。220kVGIS配电装置的平面布置如图3-8所示，220kVGIS配电装置的进出线断面如图3-9所示。图3-8220kVGIS配电装置的平面布置(a)出线断面20 华北电力大学专业硕士学位论文(b)主变进线断面图3-9220kVGIS配电装置的进出线断面3.5.2110kV配电装置110kVGIS配电室宽度也是主要由设备制造厂的结构型式决定，目前国内的所有厂商的尺寸基本相同，配电室宽度一般设计为12m。配电室宽度的长度主要由进出线的回路数量及进出线方式决定，本变电站的110kV配电装的主变进线回路数为3回，出线回路数为14回。110kVGIS与主变压器通过架空导线连接，各台主变间的距离为16m，配电室的长度至少为32m。考虑到110kV出线回路多，而且变电站地出工业园区内，出线走廊有限，110kV出线采用电缆出线方式。考虑到GIS检修维护的方便，本文将110kVGIS的每隔间隔宽度设计为1.75m，再考虑两端通道及维修的空间，最终确定110kVGIS的宽度为40.8m。110kVGIS配电装置的平面布置如图3-10所示，110kVGIS配电装置的进出线断面如图3-11所示。21 华北电力大学专业硕士学位论文图3-10110kVGIS配电装置的平面布置图3-11110kVGIS配电装置的进出线断面3.5.310kV配电装置10kV配电装置采用单母线分段接线方式，出线回路16回，选用金属恺装移开式金属柜KYN28A，户内双列布置，本期一次建成。根据《高压配电装置设计技术规程（DL/T5352-2006）》的要求，10kV配电室设计尺寸为9.6×18m。10kV配电装置的平面布置如图3-12所示，10kV配电装置的进出线断面如图3-13所示。22 华北电力大学专业硕士学位论文图3-1210kV配电装置的平面布置图3-1310kV配电装置的进出线断面23 华北电力大学专业硕士学位论文3.6防雷接地3.6.1防雷及过电压保护图3-14站区防雷保护范围变电设备运行中出现在设备绝缘上的过电压分为大气过电压和内部过电压，大气过电压是由雷电引起的，内部过电压是由故障、操作或者系统参数配合不当等引起的过电压。本站防雷及过电压保护按《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合（DL/T620-1997）》的有关要求进行设计。1）防直击雷保护本站采用架构避雷针与独立避雷针组成站区防直击雷联合保护，同时为防直击24 华北电力大学专业硕士学位论文雷，在220kVGIS屋顶及110kVGIS屋顶均设置避雷带且引下与主接地网连接。本站设2支高32m的架构避雷针、2支高40m的独立避雷针和1支高32m的独立避雷针组成站区防直击雷联合保护。保护计算时按两个保护高度设计，220kV架构、220kVGIS室和110kVGIS室按保护高度15.3m计算，主建筑和电容器按保护高度6m计算，站区防雷保护范围如图3-14所示。2）过电压保护在各级电压主母线及主变220kV、110kV和10kV进线侧装设氧化锌避雷器以防雷电侵入波危害。站内电气设备绝缘配合情况见表3-2所示。表3-2站内电气设备绝缘配合情况电气设备绝缘水平安装地点避雷器型号雷电冲击耐压1分钟工频耐压（kV，峰值）（kV，有效值）220kV进出线、母Y10WF-200/520950395线110kV进出线、母Y10WF-100/260480200线10kV进出线、母线Y5WZ-17/4510050110kV中性点Y1.5W-72/176250953.6.2接地接地网是变电站的重要组成部分，接地网上连接着全站高低压电气设备的所有接地点，其主要包括：系统接地、保护接地和雷电保护接地。变电站站的接地网设计至关重要，其接地电阻要满足《交流电气装置的接地（DL/T621-1997）》和《交流电气装置的接地设计规范（GB/T50065-2011）》的有关要求，如果接地电阻较大，在发生接地故障或者大电流入地时，可能造成地电位升高；如果接地网的网络设计不合理，则可能造成接地系统电位分布不均，局部电位超过规定的安全值，这会给运行人员的安全带来威胁，同时还可能因反击对低压或者二次设备以及电缆绝缘造成损坏，还可能造成事故的扩大，由此带来巨大的经济损失和社会影响。由于系统联络越来越紧密，变电站规模越来越大，导致变电站各级电压接地故障电流越来越大，在接地设计中要满足R≤2000/I是非常困难的，内蒙古电力系统一直沿用R≤0.5Ω的要求，本站的接地设计按《交流电气装置的接地25 华北电力大学专业硕士学位论文（DL/T621-1997）》和《交流电气装置的接地设计规范（GB/T50065-2011）》的有关要求进行设计。图3-15站区接地网布置本站接地装置变电站围墙内主接地网采用以水平接地体为主的复合接地网，网孔间距一般为8m×8m(个别部位有调整)。接地网的水平接地体采用40×5的铜带，垂直接地极采用直径25mm，长度2.5m的铜棒，水平接地体的埋深为-1.8m（变电26 华北电力大学专业硕士学位论文站地区最大冻结深度下）。本站接地装置在全站范围内设置，本站土壤电阻率取600Ωm，在不采取降阻措施情况下，接地装置计算电阻值R=0.63Ω，不满足R≤0.5Ω欧姆的要求。本站需采取降阻措施进行降阻，采取降阻措施后的接地电阻应小于0.5Ω。当接地电阻0.5Ω时，跨步电势为169V，小于其允许值766V，满足要求；接触电势值为679V，大于其允许值356V，不满足要求。为了使接触电势满足要求，保证人身安全，在户外设备操作区、构架周围铺设绝缘地面，绝缘地面材质的电阻率不小于3000Ω•m。站区接地网布置如图3-15所示。27 华北电力大学专业硕士学位论文第4章变电站电气二次设计电气二次设计是智能化变电站设计的核心部分，本章的主要内容是在介绍智能化变电站关键技术的基础上，提出滨河220kV智能化变电站“三层两网”的总体结构和具体配置方案。4.1智能化变电站关键技术分析智能化变电站是指以变电站一、二次设备为数字化对象，以高速网络通信平台为基础，通过对数字化信息进行标准化，实现站内外信息共享和互操作，并以网络数据为基础，实现测量监视、控制保护、信息管理等自动化功能的变电站。从智能化变电站的技术特征来看，其主要关键技术包括：IEC61850标准、电子式互感器、智能开关设备以及在线监测技术。4.1.1IEC61850标准信息共享是智能化变电站的基础，而信息共享必须依赖于信息标准化并实现互操作性。IEC61850标准作为变电站通信网络与系统的惟一国际标准和电力系统无缝信体系（变电站内、变电站与控制中心之间）的基础，是变电站信息建模与信息交互的必然选择。相比于过去的通信规约，IEC61850通信协议截然不同。以往规约主要用于传输电力系统实时数据和一些定值及配置信息，缺乏对变电站系统模型和功能模型的描述，也没有将系统应用与通信技术进行分层处理，同时还缺乏一致性测试，因此变电站自动化系统的应用受到通信技术的限制，信息的传输量太少，可扩展性差、互操作性差。IEC61850标准具有3项基本目标：①真正意义上的互操作；②功能自由分布；③良好的扩展性。为了实现上述目标，与传统的变电站通信标准相比，IEC61850有下列技术特征：①对变电站的信息进行分层结构定义；②面向对象的数据建模技术；③数据自描述；④网络独立性[34-36]。变电站功能分层IEC61850按照变电站内监控和继电保护两大功能，从逻辑和功能上将未来变电站内智能设备分为三层：变电站层、间隔层和过程层。图4-1是变电站功能分层和接口模型，这是IEC61850标准系列的基础。过程层的典型设备有智能传感器和执行器，主要完成开关量和模拟量的采集以28 华北电力大学专业硕士学位论文及控制命令的发送等与一次设备相关的功能。过程层概念的提出，是IEC61850对过去变电站通信协议体系的重大突破之一。按照IEC61850的观点，变电站各式以太网的数字通信方式在标准中称为过程总线通信，间隔层与变电站层之间串行通信方式称为站级总线通信。现有的大多数变电站的过程层大多数功能都是由间隔层来实现的，目前的自动化系统中，没有图中所示的独立的逻辑接口4和5。过程层到间隔层一般是通过大量的并行电缆进行连接。过程总线通信和过程层这两个新概念的提出与电子式互感器和智能电气设备技术的发展是密不可分的。远方控制中心技术支持107功能A功能B变电站层1,6833保护控制保护控制间隔层22远方保护4545远方保护过程层接口传感器操作结构过程层高压设备图4-1IEC61850标准中定义的变电站内通信结构1）面向对象的数据建模技术IEC61850标准的另一个重要特点是采用面向对象的数据建模技术。它定义了基于客户机/服务器结构的数据模型。每个IED设备包含单个或者数个服务器，每个服务器自身又包含单个或者数个逻辑设备。逻辑节点包含数据对象，而逻辑设备又包含逻辑节点。数据属性构成了公用数据类的命名实例。从通信而言，IED同时也扮演客户的角色。每一个客户都可以通过服务器通信和抽象通信服务接口访问数据对象。2）数据自描述IEC61850标准定义的命名规则是采用逻辑节点名、设备名、实例编号和数据类名，并建立对象名。该标准定义的对象之间的通信服务是采用面向对象的方法。29 华北电力大学专业硕士学位论文面向对象的数据自描述的最大优点就是其数据源已经对数据本身进行自我描述。传送到收方的信息都带有自我描述，不必对信息进行电气量对应、尺度转换等工作。由于数据本身自带描述，所以传输时可以不受先前规定限制，简化了信息的维护和管理工作。3）网络独立性IEC61850标准的另一个重要特点是设计了与所采用网络和应用层协议相对独立的抽象通信服务接口。该标准总结了站内信息传输所必需的通信服务。在IEC61850-7-2中，给出了标准的通信服务的模型，包括逻辑设备模型、服务器模型、数据模型、逻辑节点模型和数据集模型。客户通过抽象通信服务接口，由专用通信服务映射，映射到所采用的具体的协议栈，例如制造报文规范等。IEC61850标准使用抽象通信服务接口和专用通信服务映射技术，解决了通信标准的持续性与网络技术的更新之间的矛盾。即当网络技术不断更新时时只要改动专用通信服务映射，而不需要修改抽象通信服务接口。4.1.2电子式互感器电流、电压互感器是电力系统中用于继电保护和电能测量、计量的重要设备。而电子式互感器是智能化变电站建设的重要组成部分。电子式互感器是实现“信息化”的关键技术，其可靠性和测量准确性对电力系统的安全、稳定运行有着重要的影响。电子式互感器相对于常规互感器的另一个优势就是其绝缘性能和暂态特性优良。目前输变电的电压等级越来越高，要求电气设备能够承受更高的动热稳定，并能适应强电磁环境，这就是使得电子式互感器的综合优势更加明显。《电子式电流互感器标准》（IEC60044-8）对电子式互感器做了如下定义：“一种装置，由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电压或电流传感器组成，用以传输正比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置”。电子式互感器的通用框图如图4-2所示。在通常情况下，一组电子式互感器共用一台合并单元完成上述功能。P1一次电流互感器P2一次转换器传输系统至二次设备A一次电压互感器图4-2电子式互感器原理图电子式互感器根据其工作时是否需要电源，可分为有源式和无源式两大类，同[37,38]时根据测量原理又可细分为多种类型，具体如图4-3所示。30 华北电力大学专业硕士学位论文图4-3电子式互感器分类1）电子式电流互感器（1）有源式电子式电流互感器有源式电子式电流互感器（简称ECT）的结构如图4-4所示，其主要由以下四部分组成：一次传感器、远端电子模块、光纤绝缘子、合并单元。图4-4有源式电子式电流互感器结构图一次传感器位于高压侧，包括一个低功率线圈（LPCT）、两个罗氏线圈、一个高压电流取能线圈。LPCT用于测量测量级信号，罗氏线圈用于测量保护级信号，31 华北电力大学专业硕士学位论文取能线圈用于为一次转换器提供工作电源。一次转换器也称远端电子模块，一次转换器接收并处理LCPT及罗氏线圈的输出信号，一次转换器的输出为串行数字光信号。通过光纤传送至低电位侧，光电转化器转换将光信号为数字信号传送至合并单元。合并单元一般放置在主控室，合并单元首先为一次转换器提供供能激光，其次接收并处理三相CT及三相PT一次转换器传送的数据，对测量的电流电压信号进行同步，并将测量数据按协议（IEC60044-8或IEC61850-9-1/2）规定的形式传送到二次设备。合并单元的输出信号一般采用光纤传送。根据法拉第电磁感应原理工作的有源电子式电流互感器的主要优点是，线性度好，无磁饱，而且测量范围大。这种电流互感器结合了光纤系统的高绝缘性优点和常规CT测量装置的优势，大大降低了CT的制造成本、体积和重量，而且没有复杂的光路、线性双折射等技术难题。（2）无源式电子式电流互感器无源式电子式电流互感器（简称OCT）的结构如图4-5所示，它与有源式电子式电流互感器的最本质的区别是一次传感器的原理。OCT基于法拉第磁光效应，其原理为线性偏振光通过在磁场环境的介质时，偏振的角度会发生偏移，只要测量出法拉第磁旋角，就可求出磁场强度大小，从而间接得出磁场的电流大小。图4-5无源式电子式电流互感器结构图磁光玻璃型无源式电子式电流互感器的原理是：光源经调制后变成偏振光，利用光纤将其引到磁光玻璃中，光在磁光玻璃中多次反射并被电流产生的磁场调制，32 华北电力大学专业硕士学位论文再通过另一条光纤引到光电探测器中，信号经过处理后完成电流的测量。全光纤型无源式电子式电流互感器中信号传感和传输都采用光纤。利用光纤作为磁光材料，其中光纤一般选用单模光纤，基于赛格耐克效应，光纤被缠绕在被测电流导线外面，起偏器将光源产生的激光变成线性偏振光，然后进入光纤，线性偏振光经过光纤线圈后再经过检偏器分析，然后用光检测器检测偏转角，即可换算出电流。无源电子式电流互感器的主要原理是光电传感，高压侧光学电流、电压传感器都不需要无需电源，主要用于需要独立安装互感器的场合，目前该种设备正处于实用化研究阶段。法拉第磁光效应和赛格耐克效应原理的无源电子式电流互感器的因其良好的动态品质而能胜任多种场合，并且在高压侧不需要电源，可靠性较高，是未来电子式互感器的发展趋势。2）电子式电压互感器（1）有源式电子式电压互感器有源式EVT一般由一次侧传感器（分压器）、远端电子模块、光纤绝缘子与合并单元组成。分压器低压臂输出的模拟信号通过远端电子模块进行模/数转换、数/光转换，经光纤将信号传送至合并单元。根据一次侧传感器的分压原理不同又可划分为以下三种情况：电阻分压式、电容分压式和电容分压式。电阻分压型电子式电压互感器采用高精度的电阻分压器作为传感元件，传感器技术已经非常成熟，具有结构简单、体积小、重量轻、测量准确度高等优点。电阻分压型EVT受绝缘和电阻功率的限制，目前主要应用于35kV及以下的中低压配电领域。电容分压式电子式电压互感器的主要优点是绝缘性能强、暂态性能好。但电容分压器的电容环容易受环境温度的影响而发生变化，从而不可避免的降低测量精确度。电容分压式电子式电压互感器的关键部件是电容分压器，经过多年的研究和应用，该技术已经非常成熟，是高电压等级电力系统理想的信号获取途径。随着制造水平的不断提高，电容式EVT在多个性能指标已达到甚至超过电磁式EVT，尤其在高电压等级的电力系统中有很高的性价比。（2）无源式电子式电压互感器无源式OVT按测量原理大致可分为基于普克尔效应和基于逆压电效应效应两种EVT，目前国内还处于理论研究阶段。普克尔效应就是某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生相应的变化，从而产生明显的光学效应，可以借助双折射效应和干涉的方法精确地测量出来。逆压电效应是指当受到外加电场作用下，压电晶体要产生极化现象，此外压电晶体的形状也会应变。这样就可以将晶体在逆压电效应33 华北电力大学专业硕士学位论文下发生的应变转化为光信号，光信号经过调制后被光学传感器测量。无源式OVT的主要优点是：第一、无源式电子式电压互感器的整个系统都采用光学材料，实现了高低压侧充分的电气隔离；第二、OVT的二次部分输出的是数字信号可以与二次设备连接，结构简单；第三、互感器不存在任何电气暂态过程；第四、结构简单，绝缘可靠，在高压等级电力系统中应用优势大。无源式OVT主要存在的问题是：由于互感器的传感器选用的是晶体，传感器的稳定性和可靠性都会受到光学晶体和光学部件的制约，目前主要的难点是光学晶体的稳定性受温度变化影响大，此外，这种互感器系统的成本相对较高，在特高压系统中该种设备的性价比较高，其他应用场合性价比较低。3）电子式互感器在GIS中的安装方式随着GIS设备在110kV、220kV、甚至500kV电压等级的广泛使用，以及智能化变电站技术的推广应用，电子式互感器在GIS内的使用也成为了新的研究课题。许多厂家，包括一次和二次的厂家都投入了大量的人力和物力，对不同形式的电子式互感器在GIS中采用不同的安装方式进行了研究，也分析了各种安装方式的特点和需要解决的问题。图4-6全光纤电子式电流互感器用法兰方式密封安装的GISGIS式使用方式分为两种，一种是直接安装在GIS高压气室内部，和传统的互感器一样布置；另一种是安装在在GIS高压气室连接处，用法兰方式密封安装。前者的优势是可以不改变原有的GIS结构，但是对互感器的环境适应性要求非常高；而后者的优势是可以降低环境适应性方面的要求，缺点是需要对GIS结构进行34 华北电力大学专业硕士学位论文调整。图4-6所示的是用法兰方式密封安装的110kVGIS的全光纤电子式电流互感器。该全光纤电子式电流互感器含3组光纤电流测量环。可以看出，光纤电流测量环安装在GIS气室的法兰面上，三相电流母线分别从各自的敏感环中穿过。为防止气体泄漏，测量环两侧用密封法兰进行密封。4）合并单元合并单元是对电子式互感器传送过来的电流电压信号进行合并和同步处理，然后将处理过的数字信号按照规定格式转发给间隔层设备的装置。合并单元是过程层电流/电压互感器与间隔层IED装置的接口设备，IEC标准定义了过程层接口的合并单元MU，并严格规范了其与保护测控设备的接口方式。合并单元的主要作用是实现了过程层数据的共享和数字化，它为数字化变电站间隔层、站控层设备提供IEC61850的标准数据。随着数字化变电站自动化技术的推广和工程建设，对合并单[39,40]元的功能和性能对要求越来越高。4.1.3智能开关设备与常规变电站相比，智能变电站中开关设备的智能化最能真正体现数字化特点，智能变电站加大了开关设备的信息化，信息化的开关设备能够监测非常多的自身设备状态信息。智能开关设备全面实现对自身的动作情况、物理状况、运行工况等方面的信息化；在自动化功能方面，进一步实现智能化控制操作，状态自检测、控制功能、状态检修等方面全面实现智能化；设备自动化功能更多、更复杂，可以利用网络实现与上级系统及其它电气设备的运行配合；具备高效的互动化能力，与[41]上级控制设备、系统、调度及用户等及时交换信息，分布协同操作。智能开关设备是将信息技术、传感器与传统高压电器组合，用计算机、信息技术、新型传感器和电力电子技术建立断路器的二次系统，形成具有智能功能的高压电器。其主要特点包括：设备本身能够独立采集运行数据，可早期检测设备缺陷，进行故障预报；开关设备的执行单元是由微机控制、电力电子组成，能够精确控制跳闸、合闸的时间；传感器与微机相配合对开关设备的运行状态进行记录、分类和评估，为设备维护提供依据；最大化监测的信息量并综合专家库、人工智能方法等可使对设备故障的判定更加及时和准确；采用先近的网络技术，实现信息共享，在[42]各设备之间建立标准化的通信系统。未来智能开关设备的特点及功能主要有：（1）智能操作功能智能开关设备可直接处理设备信息并独立执行本地功能，如采集开关设备运行状态信号、控制操作等功能。35 华北电力大学专业硕士学位论文（2）智能控制功能智能控制功能就是实现在最佳状态进行开断，按电压波形控制跳、合闸时间，降低操作过电压，并实现程序化顺序控制。（3）在线监测与诊断功能相对于传统开关设备，智能开关设备应能实现对设备的各项电气量、非电量状态信息进行在线监测，运行检修单位据此可以制定检修计划。（4）功能集成将测控、保护、录波、测量计量功能集成与一体。（5）数字化通信接口应具备数字化通信接口、就地调试、打印的接口等。通信接口以IEC61850标准接入变电站综自系统。目前已建和在建的智能化变电站中还没有真正的智能开关设备。现有的智能化变电站中开关设备都是通过智能终端与开关设备接口实现网络化操作和接入，本文[43]设计的变电站就是通过智能终端来实现开关设备的智能化。智能终端是过程层设备与一次设备采用电缆连接、与保护、测控等二次设备采用光纤连接，实现对一次开关设备的测量、控制等功能的装置。4.1.4在线监测技术目前运行的变电站中，发展了一些参数的在线监测技术，以变压器为例，如油中微水、套管介损、油中气体、铁芯电流、局部放电、热点温度、绕组变形等，部分解决了停电试验的一些缺点，近年来已在此方面取得一定经验和成效，但仍存在诸如检测的参数不全、自成系统、相互兼容性差、不能统筹考虑、有时需要改动设备而实施困难等缺点，还不能保证全面、实时的反映设备的运行状况，无法满足智[44]能化变电站在线监测的要求。智能变电站在线监测与故障诊断系统是通过在线监测各种变电设备的状态参数，反映设备健康状况，实现变电设备状态的在线监测，同时采用专家分析系统进行科学的诊断和分析，以及时发现设备运行中的异常征兆，发出报警，避免发生设备事故，并可为设备状态检修提供基础数据；系统投入实际运行后，可以延长预防[45-47]性试验的周期，替代预防性试验。智能变电站在线监测系统采集变压器、断路器、GIS、电流互感器、电压互感器等主要高压设备状态信息，进行数据采集、实时显示、诊断分析、故障报警、参数设置等，实现对变电站电气设备状态在线监测的系统化和智能化，使其具备自身状态信息管理、诊断、评估和控制的功能，通过与智能综合组件结合或集成，构成具有测量、控制、保护、计量和监控功能的统一实体实现其智能化。同时，可以可36 华北电力大学专业硕士学位论文视化展示并能发送到上级系统，为实现基于状态检测的设备全寿命周期综合优化管理提供基础数据支撑，全面提升设备智能化水平，实现电网安全在线预警和设备智[48,49]能化监控。4.2变电站网络架构滨河220kV变电站是基于IEC61850通信协议进行网络构建的，从功能上将智能设备划分为站控层、间隔层和过程层，全站系统结构如图4-7所示。GPS/北斗主机A监控后台服务器一体化信息平台五防主机各级调度中心GPS/北斗主机B远动远动站控层MMS+GOOSEB网SNTPMMSA网主变保护主变保护主变保护主变测控录波器测控装置母线保护母线保护线路保护线路保护间隔层母线保护报文记录线路测控测控装置分析母联保护母联保护220kV保护1220kV保护2测控装置110kV保护测控数字化录波屏GOOSEAGOOSEAGOOSEBGOOSEBSMVASMVASMVBSMVB低压保护测控装置合并单元1智能终端1合并单元2智能终端2合并单元智能终端主变监控主IED过程层GIS监控主IEDEVCTSW/CBEVCTSW/CBEVCTSW/CB220kV一次设备110kV一次设备开关柜图4-7系统结构图站控层主要包括主机、操作员站、远动装置、五防主机、保信子站、卫星对时系统以及其它智能接口设备等。站控层主要功能是：汇集、记录和分析全站实时信息，提供全站运行的人机界面，管理和控制间隔层、过程层设备，与远方监控/调度中心及其他智能系统通信等。37 华北电力大学专业硕士学位论文间隔层主要包括各种保护装置、测控装置、故障录波装置、网络记录分析装置、安全自动装置、电能表等设备。间隔层主要汇总各间隔过程层实时数据信息，完成各间隔的保护和监控功能；执行信息的承上启下通信传输功能；在间隔层或者站控层网络故障时，间隔层仍能独立完成设备的保护和本地监控功能。过程层主要包括电子式互感器、合并单元、智能终端、一次设备状态检测模块等设备。其主要功能是：采集实时运行电气量、监测设备运行状态、执行控制命令等。滨河220kV变电站的具体组网方式如下：（1）过程层和站控层按双套物理独立单网配置，均采用双星型100M光以太网。（2）站控层设备与间隔层设备通信方式采用站级总线执行IEC61850-8-1通信协议。间隔层设备与过程层智能终端通信方式采用过程总线执行GOOSE通信协议。（3）过程层的SMV采样值通过光纤点对点传输，GOOSE信息采用单独组网。采样值的传输协议统一的采用DL/T860.92。（4）SNTP网络对时方式用于站控层系统，B码对时方式用于间隔和过程层。（5）220kV间隔继电保护、智能终端采用双重化配置，每套装置配置单GOOSE口接入对应的一个过程层GOOSE网络；110kV电压等级单套配置保护测控一体化装置，智能终端、合并单元单套配置，单套配置的保护装置配置双GOOSE口，两个GOOSE口应分别接入两个过程层GOOSE网络。10kV电压等级开关柜安装方式，采用小信号模拟量输出的一体化互感器，GOOSE与MMS合并组网。（6）变压器非电量保护采用电缆直接跳闸。（7）主变间隔、110kV和220kV间隔采用电子式电流和电压互感器其电气量为数字量输出，并配置数字化电度表（通过网络采集信息）；10kV采用模拟小信号输出的电子式互感器，并配置支持模拟小信号接入的电度表，采用一体化开关柜安装模式。4.3站控层设备配置方案站控层采用高度集成一体化的系统，配置符合IEC61850标准的监控、远动、故障信息子站等系统。监控系统集成工程师站、VQC、五防一体化、程序化控制等功能，实现智能化变电站信息平台统一化和功能集成化。站控层采用100M以太网，并按照IEC61850通信规范进行系统建模和信息传输，站内各小室之间的站控层交换机通过光纤进行双星型结构级联。站内设备统一采用IEC61850通讯规约，因此保护信息子站与监控系统共享网38 华北电力大学专业硕士学位论文络传输，不再独立配置传输网络。4.4间隔层设备配置方案参照《智能变电站继电保护技术规范》的最新要求，为了满足变电站继电保护装置“四性”的要求，本站间隔层设备遵循以下原则：（1）220kV电压等级SMV的采样值传输采用点对点的传输方式。（2）间隔层保护跳闹信号通过GOOSE网直接入就地过程层的智能终端实现跳间。（3）保护遵循“双重化设计”原则，两套保护的数据有完全独立的输入和输出环节。（4）220kV保护双重化配置，测控单独配置。110kV、35kV保护测控一体化配置。4.4.1主变间隔按双重化配置原则，配2套差动、后备保护功能一体化的主变保护装置。每台主变配置一套测控装置实现主变高、中、低三侧及本体的测控功能；主变3侧各配置1台数字化电度表。站控系统通过2个MMS以太网通讯接口与保护、测控装置通讯。主变保护装置至少配4个过程层光纤接口，其中3个口用于主变3侧SMV信息点对点传输，1个光口用于接入过程层GOOSE网络。两套保护分别接入不同的GOOSE过程层网络，相互保持完全独立性。主变本体的智能终端设在本体端子箱中就地安装，完成主变温度和档位采集、遥调控制、非电量保护。该保护跳闸采用电缆直跳主变各侧断路器方式。主变测控装置接入过程层GOOSE网络进行测控开入开出信息的传输需要配8个光纤接口和主变各侧合并单元采样值。数字化电度表通过过程层网络接入主变各侧合并单元采样值。4.4.2220kV线路220kV线路按双重化原则配置，配2套220kV光差保护装置和1套测控装置完成该线路的测控功能；1台数字化电度表。保护、测控装置具备2个MMS以太网通讯接口与站控层系统通讯。220kV线路保护至少配3个过程层光纤接口，其中1个接口用于接入过程层网络，为保证彼此独立，2套保护装置分别接入不同的过程层网络。光纤点对点方式用于保护SMV采样信息的传输，跳闸通过过程层GOOSE网39 华北电力大学专业硕士学位论文执行跳闸。保护装置提供2个光纤接口，采用点对点方式接入合并单元采样值（一个接本线路的采样，另外一个接母线电压的采样）。线路测控装置接入过程层的两个独立GOOSE网，测控信息的传输和SMV釆样值需要配2个光纤接口。光纤差动保护装置支持与对侧常规变电站的线路光纤差动保护配合。4.4.3110kV线路110kV线路配制1套保护测控一体化装置实现线路的保护、测量和控制功能；配1套数字化电度表。保护测控装置与站控层系统的通讯通过2个MMS以太网通讯接口来实现。线路保护测控装置接入过程层网络，配2个过程层光纤接口接收SMV采样信息和GOOSE信息。网络传输模式用于保护采样和跳闸信息的传输。4.4.410kV间隔保护10kV线路、电容器、站用变配置保护测控一体化装置，一体化装置支持模拟小信号接入，设置2个站控层以太网口与站控层设备进行通信。4.4.5220kV母线保护220kV母线按双重化原则配置，配两套集中式母线保护；配2个MMS以太网通讯接口来实现母线保护装置与站控层系统通讯；母线保护采用点对点模式进行采样，通过过程层GOOSE网络跳闸。4.4.6110kV母线保护110kV母线单套配置集中式母线保护装置；配2个MMS以太网通讯接口实现母线保护装置与站控层系统通讯；母线保护采样和跳合闸信息均通过过程层网络传输。4.5过程层设备配置方案220kV合并单元通过点对点方式输出其采样值，110kV电压等级合并单元采样值采用网络方式传输，通信协议采用IEC61850-9-2。各个间隔保护装置的跳闸命令通过网络方式传输给智能终端实现跳闸，合并单元和智能终端按开关配置。对有双跳闸线圈的断路器配置双智能终端。双重化的保护装置、双重化的过程层设备和网络进行相应的连接和信息传输，保证冗余设备间的相互独立性。智能终端采用就地安装、合并单元采用与保护装置集中组屏安装在室内。40 华北电力大学专业硕士学位论文4.5.1主变本体配置方案由于主变本体非电量保护对可靠性和实时性要求非常高，所以采用电缆直跳各侧断路器的方式。主变本体的智能终端设在本体端子箱中就地安装，完成主变温度和档位采集、遥调控制、非电量保护。本体智能终端是单配置，接入双重化的过程层网络需要2个GOOSE网络接口，具体配置方案如图4-8所示。间隔层设备光缆保护信息电缆过程总线硬接点跳闸命令本体智能终端断路器智能终端非断路器智能终端电量图4-8主变本体配置方案4.5.2220kV配置方案220kV合并单元和智能终端按双重化配置，主变中性点的电流互感器不再独立配置合并单元，而是将其数据接入主变高压侧合并单元。合并单元采用IEC61850-9-2点对点方式输出数据。220kV断路器采用分相操作机构，具备2个独立的跳、合闸线圈，所以220kV断路器配置双重化的智能终端。智能终端与保护设备之间通信采用网络传输模式，智能终端采用就地安装方式。4.5.3110kV配置方案110kV等级按照单套配置原则（主变的110kV侧按双套配置），合并单元SMV信息采用网络化传输。110kV线路间隔的电子式互感器为单采集线圈，因此配置1套合并单元完成数据采集。110kV主变侧断路器为三相联动操作结构，所以跳间线圈为双套。每个间隔断路器配置2套三相联动操作机构的智能终端。41 华北电力大学专业硕士学位论文4.5.410kV配置方案10kV电子式互感器采用模拟小信号输出，配保护测控一体化装置，一体化装置和电度表等与开关柜一体化就地安装。42 华北电力大学专业硕士学位论文第5章设计优化与创新应用5.1站区布置优化5.1.1主变布置相对于常规户外敞开式变电站和全户内GIS变电站，本站主变布置的优化设计主要包括两个方面：第一、主变压器布置在户外；第二、主变相邻布置，每台主变间设防火墙。1）主变压器布置在户外。相对于主变压器户内布置，该半户内变电站采用的主变户外布置方式，有如下优点：（1）解决了户内布置变压器的防火问题。户内布置的变压器防火等级高，室内消防设施复杂，而户外布置的变压器消防等级比户内要求要低很多。（2）主变压器更利于散热，户外环境自然通风。根据以往的运行经验，户内大型变压器一般存在着温度高、不易散热的缺点。尤其是在夏季最高温度可达70℃。而户外主变压器不需要外加散热装置，利用户外环境自然通风[50]和自身散热，一般都可以满足运行要求。（3）便于安装检修。户内主变压器在安装和大型检修时都需要吊芯，对主变压器室的土建结构有特殊要求。而户外布置的变压器安装检修时非常方便。（4）工程造价低。由于户内布置的主变器需要主变器室，从而增加了建设成本，户外变压器的综合费用要远低于户内变压器。2）主变相邻布置，每台主变间设防火墙。根据《高压配电装置设计技术规程（DL/T5352-2006）》规定：电压等级为220kV、油量为2500kg及以上的屋外油浸变压器之间的最小间距为10m，不满足该要求时应设置防火墙，本站按主变之间设置防火墙设计。主变压器相邻布置、每台主变间设防火墙的优点如下：（1）有效降低站区面积，三台主变压器相邻布置至少可以减少20m的布置宽度。（2）主变相邻布置可以使电抗器布置在两个主变进线之间，有效减少电磁干扰。5.1.2GIS设备布置220kVGIS配电室的长度主要由主变进线和出线回路数决定，220kV的出线架宽度为13m，如果按照本站6回出线、3回进线计算，220kVGIS的宽度至少为65m。43 华北电力大学专业硕士学位论文本设计通过将其中1回出线布置在220kVGIS配电室侧面，将其中两回出线设计电缆出线，最大限度地减小了220kV配电室的长度。110kVGIS配电室也存在类似问题，且110kV出线为14回，出线回路非常多，必须合理布置GIS设备，本设计将110kV出线设计为电缆出线，最大限度地减小了110kV配电室的长度。5.2设备状态在线监测随着传感器、微电子和通信技术的发展，设备在线监测功能是智能变电站高级应用功能之一。在线监测装置能够自动采集和监控设备的各种电气量和参数，经过信号处理后和分析后得到当前设备的运行状态评价和故障诊断。它可使设备状态检修更加科学、方便，从而提高电网公司生产管理水平。就目前变电站在线监测技术的发展情况来看，实现所有设备的在线监测的难度较大。根据以往运行经验，设备发生故障的类型具有一定的规律性，即一次设备的故障类型只有固定的几种类型，故障的产生必然伴随某些特征量的变化。在线监测的思路就是对这些特征量监测，分析特征量变化、发展趋势，从而对设备状态进行监控。目前主要选取具有监测价值、技术相对成熟并有一定应用的设备和参数，主要对主变、GIS、避雷器等设备实现在线监测。监测的参量为主变油色谱、主变局部放电和SF6气体微水和局部放电、避雷器泄漏电流、次数等。5.2.1在线监控系统结构至包头供电局管理接口综合处理单元WBS服务器网络防火墙至中调接口对时接口在线监测主机综合处理单元网路防火墙正向物理隔离至地调接口GIS在线监测主变在线监测10kV开关柜主10kV电抗器主主IED主IEDIEDIED局放断路器监SF6监测避雷器监套管监测绕组温度铁芯状态油色谱监开关柜子电抗器子IED测lEDIED测IEDIED监测IED监测IED测IEDIEDIED图5-1在线监控系统结构在线监测系统由间隔层设备和站控层设备两部分组成，站控层采用开放式网络结构实现各设备之间的互联。间隔层设备独立于站控层设备，所以站控层设备发生故障时，不会影响间隔层设备的正常运行。站控层由计算机网络连接的系统主机及综合处理单元等设备构成，提供站内运行的人机联系界面，实现监视查看间隔层设44 华北电力大学专业硕士学位论文备等功能，形成全站在线监测中心，并与远方主站在线监测系统进行通信，并可与上级调度或者集控站通信。间隔层设备主要由数据采集和处理单元以及各种通信网络、接口设备等组成。系统结构如图5-1所示。5.2.2主变压器状态监测变压器状态监测功能，由就地智能组件和站控层综合分析系统共同完成。就地智能组进行数据采集汇总，并进行相应的计算及统计，包括：各种在线监测数据的存储，模型合并及上送；基本参数越限告警；监测变压器绕组温度并进行越限告警；变压器负载能力、相对老化率及绝缘寿命估算。每台变压器采用一套智能组件，在现场就地安装。变压器在线监测项目如下：套管绝缘、局部放电、绕组温度、铁芯状态、油色谱等，如图5-2所示。图5-2变压器在线监控项目1）套管绝缘高压套管在长期运行中因电闪、化学腐蚀、污秽、发热、外力等环境条件变化的影响，绝缘性能会逐渐下降，并可能导致故障发生。如未及时发现并采取措施，潜在缺陷逐渐发展，可能引发绝缘击穿，造成设备损坏，带来巨大损失。据统计，5~45%的变压器电气故障都与套管故障有关，其中主要是套管的绝缘故障。在一些绝缘老化的过程中，早期就会出现局部放电。绝缘老化导致介损增大以致破坏绝缘。有些放电可能是由金属碎屑、数层绝缘纸穿孔引起的，当油污堆积在套管底部的瓷瓶上时，可看到放电的痕迹。介损的变化在绝缘退化的初期比较明显，之后电容的变化变得更为显著。变压器套管绝缘在线监测的主要原理是，测量套管末屏泄漏电流及相应电压信45 华北电力大学专业硕士学位论文号，然后计算套管泄漏电流、电容量及介损。一般使用安装在变压器套管升高座上的分离式穿心CT作为末屏监测装置。CT模拟信号经过变压器本体上安装的端子箱转接后连接至变压器在线监测智能柜上的套管监测电流数据处理单元。2）局部放电电力变压器所发生的事故大多都是由绝缘老化和损坏造成的，而变压器绝缘故障原因主要是变压器内部发生局部放电，其发展使局部绝缘老化并终致击穿。因此，检测局放是变压器在线监测的一项重要内容。对运行中的变压器进行局部放电在线检测的主要目的就是实现变压器的预先维修。通过在线检测变压器局部放电，可以大大提高维修、试验的效率，降低停电损失和维修费用。局部放电的测量方法大体上可分为四类：超高频法、声测法、化学法、脉冲电流法。其中超高频法是目前局放检测技术中主要方法。其具有灵敏度高、抗干扰能力强、实时性好、故障定位准确等优点。本设计采用基于超高频法的变压器局部放电在线监测系统，该系统由超高频（UHF）传感器、现场监测单元（LCU）、背景噪声传感器和局放工作站等组成。采用超高频法的变压器局部放电在线监测系统采用特高频（UHF，0.3-2GHz）传感方式，能够在变压器运行条件下，对其内部局部放电进行检测和定位，及时发现绝缘缺陷，避免绝缘故障。3）绕组温度电力变压器的寿命与绕组的温升有密切联系，需要对变压器绕组的温升进行在线监测，主要考虑变压器在额定负载下运行或者是超容量运行时，变压器顶层油的温升和绕组热点温升是否会超过规定的限值。目前国内外的变压器在线监测系统主要是通过监测变压器油中溶解气体成分的方式来判断其运行状态，这种方法虽然在技术上比较成熟，但是变压器绕组温度上升到促使变压器油分解需要一定的时间，因此实时性不好，并且无法监测到变压器油裂解“阈值”以下的温度的变化。所以有必要对绕组温度进行测量。本设计采用的绕组温度测量原理是根据控制光源的电流，在一定范围内将会产生特定波长的激光信号的原理，激光信号通过光纤传输到达高灵敏光纤光栅传感器，处理器对反射光信号进行运算分析，从而获得传感器的反射波长，解调出传感器感应的温度变化。4）铁芯状态电力变压器正常运行时，铁芯必须有一点可靠接地，否则铁芯对地会产生悬浮电压或铁芯多点接地而产生发热故障，严重威胁变压器及电网的安全。这是由于变压器铁心在运行时，在电场和磁场的作用下使铁心的各部件具有不同的电位，如果46 华北电力大学专业硕士学位论文铁心接地不可靠，会使电位不同而产生不连续的局部放电现象，损坏绝缘；另外，如果铁心是多点接地，则铁心和两个接地点与接地线路形成闭合回路，其中交链的磁通感应的环流会使铁心局部发热过热，严重时可能造成局部过热烧毁。根据运行经验以及理论分析表明，铁心一点接地时，流过变压器铁心接地线电流的有效值仅为几十毫安；但铁心出现多点接地时，流过铁心接地线中的电流急剧增加，根据原电力部《电力设备预防性试验规程》规定，流过变压器铁心的电流不能超过0.1A，当电流超过0.1A后，即认为铁心可能存在多点接地故障，须采取一定措施，但变压器是电力系统中的枢纽设备，若马上停电检修将会带来巨大的经济损失。变压器铁芯接地在线监测系统的主要原理是利用高精度电流传感器测量变压器铁芯对地的泄漏电流，然后数据服务器分析、判断铁芯绝缘的运行状况。5）油色谱油浸式变压器的线圈和铁芯全部浸没在变压器绝缘油中，无法通过肉眼及直接测量来判断变压器的故障隐患，因此，必须采用一定的技术方法来了解变压器的运行状况。围绕这个问题国内外专家学者进行了潜心研究提出了变压器故障预测分析的油色谱分析理论。此理论通过分析变压器油中微量气体的含量变化就可以有效预测和分析变压器的潜在故障机发展趋势。油色谱监测的主要变压器油中溶解气体组份包括：C2H2、C2H4、CO、H2、CH4、C2H6和H2O。具体原理为通过油气分离装置将溶解在绝缘油中的故障特征气体分离出来，分离后的气体流过色谱柱，变换成电压信号。数据采集器将采集到电压信号上传数据服务器，进行定量分析。再由服务器系统对变压器运行状况进行诊断，从而实现对变压器故障的在线监测。5.2.3GIS状态监测GIS状态监测由就地智能组件和站控层综合分析系统共同完成。监测项目主要包括：断路器动作特性监测、局部放电监测、SF6微水及密度监测、避雷器监测。GIS每个间隔采用一套智能组件，在GIS间隔就地安装。1）断路器动作特性根据国际大电网会议对断路器可靠性所作的两次世界范围的调查，以及国家电力科学研究院对断路器事故的统计分析均表明，80%的高压断路器故障是由于机械[51]特性不良所造成的。大多数故障是操作机构故障，如拒分、拒合等，其他如灭弧、绝缘故障占有较小比例。因此，非常有必要对断路器机械特性进行在线监测。断路器动作特性监测主要通过电流互感器对储能电机的工作电流和启动次数、47 华北电力大学专业硕士学位论文触头开断一次主电流、分合闸线圈全电流、燃弧时间、断路器电寿命、打压泵启动次数等。通过断路器特性监测单元，采集本间隔的所有信息量，最后上传至GIS在线检测柜内的断路器机械特性综合智能单元。2）局部放电局部放电是GIS绝缘劣化的重要征兆和表现形式。对GIS进行局部放电检测的主要目的是发现其内部早期的绝缘缺陷，可以采取措施，避免其进一步劣化，提高GIS设备的可靠性。局部放电在线监测可以监控GIS绝缘制造工艺、安装缺陷、差错，并能协助确定故障位置。本站GIS局放监测原理与主变局放相同，采用超高频原理对放电位置、放电量、放电类型等参数进行监测。局放发生时，电磁波信号会在GIS内部反复进行传播、折射、反射，最后通过盆式绝缘子放射到外界。可以通过高精度传感器对GIS绝缘子泄露的电磁波进行检测，检测到的信号经过信号处理处理后通过光纤上传至主处理器单元，服务器上运行的故障诊断系统根据采集的数据对GIS的绝缘状态进行判断。3）SF6微水及密度SF6气体是非常理想的绝缘及灭弧介质，目前在高压电力设备中被广泛应用。SF6气体的工作压力和微水含量的大小对电气设备的安全可靠工作有直接影响。SF6气体压力下降或者气体中微水含量超标，高压电气设备就会存在安全隐患甚至导致事故发生。所以对高压电气设备SF6气体密度和微水含量的监测一直是变电站在线监控的重要环节。5.2.4避雷器状态监测氧化锌避雷器持续运行电流由容性电流分量和阻性电流分量构成，阻性分量主要包括：瓷套内、外表面的沿面泄漏，阀片沿面泄漏及其本身的非线性电阻分量，绝缘支撑件的泄漏等。避雷器事故主要是由于电阻性电流的增加，损失的飙升，热击穿。所以避雷器在线监测的主要任务是监测持续运行电流的阻性分量。本设计采用基波法对避雷器阻性电流进行监测。5.3故障信息综合分析决策5.3.1故障信息综合分析决策的功能故障信息综合分析决策主要任务是通过智能辨别、综合分析发生故障时收集到的各种故障信息，然后快速准确判断故障设备、故障属性，最后将将变电站故障分48 华北电力大学专业硕士学位论文析的结果以简洁明了型式展示出来；在故障时上送信息的原则是先上送故障分析结果，然后再上送其他数据量信息。故障信息综合分析决策的另一个重要任务是进行保护动作行为评价。其主要功能流程如图5-3所示。一次信息：故障简述上送断路器隔离开关变位信息调度员SOE信息二次信息：保护事件保护告警保护分散录波保护动作评估其他信息：保护集中录波PMU动态数据PMU录波事故分析人员分析结果智能故障辨别继保运行人员全面可视化分析结果简洁可视化变电站值班人员图5-3故障信息综合分析决策功能流程图5.3.2故障辨识方法系统采用以断路器、隔离开关信息、SOE，保护动作信息及故障录波为主，通过人工智能、专家系统方式对故障进行智能辨识。还要辅助PMU动态信息，对电气量动态数据进行校验和判断。主要流程是首先在变电站间隔内依据故障录波、保护动作事件等信息进行综合判断，得到间隔级事故简报；然后在全站范围内信息融合，得到站级事故简报，并上传至集控和调度；最后在区域范围内进行故障信息融合，得到最终故障判断结果。5.3.3可视化展示系统目前，常规变电站对事故信息的展示存在两种形式，一种是以报警信息窗口显示的方式，展示事故发生时的各类事故、变位信息；一种是通过故障报告的方式形成事故报告，运行人员可以调看事故报告，也可以通过故障录波分析软件对录波信息进行简单的分析。这两种事故信息展示，存在一定的不足，传统的表格展示方式，在事故发生时汇总了大量的信息，和真实的故障发生场景有较大的差异，不够形象、直观。运行人员必须在这些事故及关联信息的基础上，进行进一步分析，才能够初步确定事故49 华北电力大学专业硕士学位论文发生的性质和原因。以做出隔离事故及进行事故恢复、负荷转供的方案。由于分析、确定事故花费的时间，可能会导致事故不能及时处理,进而引起事故面的扩大。因此，如何在事故发生时，以一种形象、逼真，符合实际故障发生真实场景的可视化展示手段，来反映事故发生的过程和定位故障点，使运行人员快速定位事故，以便采取隔离故障和恢复故障的措施。因此，研究可视化展示技术以及变电站各类事故发生的真实事故场景，结合系统的异常、事故告警信息系统提供的事故数据，通过事故综合分析处理后，形成可视化全景事故展示结果，实现故障信息可视化全景展示，是监控系统实时监视领域的异常质的突破，他把计算机最新技术成果和变电站运行管理的实际需求更紧密地结合起来，不仅将变电站运行人员从传统的数据信息监测方式，引领到真实场景下的可视化监视模式；同时，对于提高运行人员事故时刻的快速反应能力，提升变电站运行管理水平，提高供电的可靠性都具有深远的意义。5.4智能告警与分析决策目前变电站监控系统普遍存在的问题是变电站监控系统采集上来的模拟量、开关量信息大多数是按照时间顺序显示的事件，未作任何的分层或判断处理。当发生事故产生大量时序信息时，变电所值班员很容易眼花缭乱、抓不住重点，影响事故的正确处理，并可能遗漏重要告警信号，延误处理造成事故。因此，需要建立告警和异常处理系统，对变电所运行信息进行智能化处理，提取故障报警信息，辅助故障判断及处理。变电站智能告警及故障自动处理系统是基于IEC61850标准，建立变电站报警信息分类、过滤机制，利用计算机辅助手段对变电站发生的各类异常及故障情况进行分析推理，对现象做出合理表达，给出恰当的处理建议，指导运行人员进行事故处理的后续操作。由智能报警及故障处理系统将所获取的信息归类至具体模型，由模型将信息进行处理并过滤后再经由推理机制推导出具体故障，再通过查找故障处理库输出对本次故障的处理建议。变电站智能告警及故障自动处理系统的一个主要任务是把不需要关注提示类信号剔除掉，仅仅保留事故及告警信号。为了实现这一功能，必须把监控系统采集上来的全部信息进行分类定义，赋予属性。变电站信息应用的最终原则是在“适当的时间将核实的信息传递给最需要的人”。因此，信息的有效性、基于信息分析获得的优化系统运行的决策是变电站内信息处理的基本目的。本变电站信息处理原则如下：（1）基于间隔的处理原则。（2）基于重要性的处理原则。50 华北电力大学专业硕士学位论文（3）基于规则的处理原则。5.5一体化五防和程序化控制5.5.1一体化五防与常规变电相比，智能化变电站五防系统最大的区别是五防系统不再由单独的制造商提供，而是采用监控、五防一体化的系统。一体化五防是以测控装置为中心，起到承上启下的作用，一体化五防结构如图4-8所示。间隔层的测控单元相互传递开关位置信号，测控装置强大的编程能力可以实现间隔层全站五防。当满足闭锁要求时，测控单元开出的五防闭锁硬节点闭合，实现全站设备的综合五防功能，还要具备应急解锁功能，在测控屏上的相应间隔位置上设置相关的解锁开关。监控主机/操作员工作站/站控层防误五防机MMS信息MMS+GOOSEGOOSE信息测控装置间隔层防误闭锁位置信息闭锁位置信息控制位置信息回路接线电气防误隔离开关、断路器五防专用锁具可遥控电源空开图5-4一体化五防结构图一体化五防系统还应具有如下高级功能和特点：（1）闭锁条件信息源的多元化。不仅将设备的状态信息作为相关设备的防误闭锁条件，还应该有电压、电流等模拟量作为辅助判据介入，使防误闭锁的判据更充分，逻辑更严密。（2）基于信息交互的区域联防。依托智能电网的信息交互技术，实现输变电线路两侧变电站的信息交互，满足相邻变电站的防误操作的区域联防。51 华北电力大学专业硕士学位论文（3）在线实时“防误”分析。通过电网拓扑和设备的实时状态分析，依据一定的模型在线生成防误规则或逻辑，实现对变电站在任何方式下操作的防误鉴别。（4）二次防误技术。系统应可延伸和覆盖大部分常见的二次操作，采用一次防误系统一体化、物理效应的“硬闭锁”与提示警告为主的“软闭锁”相结合的应用模式实现二次设备的防误操作。5.5.2程序化控制变电站自动化系统中，程序化控制技术可以大大缩短操作的时间，提高操作的可靠性和准确性。面IEC61850标准在变电站的推广，以及智能化变电站技术的逐步使用，给程序化控制提供了新的平台。智能变电站的程序化控制，除了考虑传统的一次设备的控制，还要考虑数量众多的软压板和二次可控设备的程序化控制。在传统的变电站自动化系统中，IED装置与站控层之间通信实现网络化、数字化。在智能变电站中，逐渐将过程层通信数字化，包括拟量采集使用技术代替了输入和输出的电费和回路接线。随着回路和电费接线的消失，测控和保护装置所有的压板将全部转化为软压板，包括传统的保护出口硬压板、保护功能压板等。在监控后台进行的软压板操作数量将更大，逻辑更复杂。要保证在监控系统的各种软压板操作更加可靠、准确、有效，通过程序化控制来实现是现实可行的方法。基于一体化五防操作票系统的方案，是从已经模拟预演完成的操作票中，将配置为可进行程序化控制的操作项，按照顺序自动遥控完成。这个方案不需要预先设置各个运行状态和操作票，而是在操作前开具操作票，这满足先预演后执行的操作规程，因为这个原因，操作的效率有所降低。此方案在操作票系统框架内允许预存票和重载票，因此，也支持各种预置的软压板程控操作。程序化控制方案必须保障设备是否参与程序化控制是可以配置的，设备本身配置默认的属性标识是否参与程序化控制，这个属性主要是由设备是否支持遥控操作决定的。但是在开票的过程中，此设备在当前的具体票中是否参与程序化操作还可以修改。从这个特性看，基于一体化五防操作票系统的程序化控制有极强的灵活性，特别适合于程序化控制流程有可能改变的情况。适应程序化控制的要求，一体化五防操作票系统增加操作后逻辑的配置和检查功能。操作后逻辑需要支持模拟量的检查功能，从而实现对操作的“开关量+模拟量”的二元判断，确保操作的正确无误，如图5-5。52 华北电力大学专业硕士学位论文操作票执行监程序化控制执视界面行业务组件程序化操作票程序化控制服操作票预演召唤业务组件务器通信程序化操作票操作票编辑下装业务组件图5-5程序化控制实现流程示意图5.6站域控制站域控制是通过对变电站内信息的进行协同和集中处理判断，实现站内自动控制功能的装置或系统。由于站控层系统和间隔层IED闭环控制时间在秒级，无法实现对过程层设备的实时控制，但是对于电压无功控制、过负荷联切、小电流接地选线等对实时性要求不高的应用，使用站域控制是合适的。所以本站只设计了电压无功控制和过负荷联切。53 华北电力大学专业硕士学位论文第6章结论本文以滨河220kV变电站工程设计为研究课题，主要对该变电站的电气一次、二次系统进行了设计。概括起来，在理论和实践方面，本文取得的成果有以下几点：1)给出一套完整的变电站电气一次设计方案，具体包括：变电站电气主接线设计、电气总平面布置、短路电流计算及主要电气设备选择、各电压等级配电装置布置和变电站防雷和过电压保护。2)设计了一种新颖的半户内式GIS变电站，即主变压器和电容器布置在户外，其他各电压等级设备布置在户内。该方案既实现了GIS的紧凑型布置，同时紧凑的主变户外布置可以解决消防、散热、安装和造价等多方面问题。3)给出了一种优化的220kV出线布置方式，将220kV出线设计为架空和电缆混合出线，避免了因架空出线架构布置导致站区面积大的问题，有效减小了220kVGIS室占地面积。4)通过调查国内外数字化变电站的研究现状及应用情况，对数字化变电站关键技术：IEC61850标准、电子式互感器、智能开关设备和在线监测技术应用情况进行了研究，提出了数字化变电站主要技术特征。5)提出一套智能化变电站的实施方案，给出了站控层、间隔层和过程层的设备配置方案。6)结合SF6气体、GIS微水、变压器局部放电等在线监测技术，研究在线监测系统的设计和实现；利用智能化变电站信息传输优势，设计一套简洁、可视化的故障信息综合分析决策系统和一套变电站内信息的分布协同利用和集中处理判断的站域控制系统；对一体化五防和程序化控制系统进行了具体阐述；为今后智能化变电站设计提供重要的参考价值和一定的指导意义。54 华北电力大学专业硕士学位论文参考文献[1]罗萍,陈昌振.域区户外型变电站小型化设计的新尝试[J].广东输电与变电技术[J].2006,04:39-41.[2]孝小昂.变电站电气总平面布置设计思路探讨[J].陕西电力.2006,04:11-15.[3]侯源红,李越.220kV变电站布置方案浅析[J].供用电.2006,05:32-35.[4]HillersT,BeierlO.Control,MonitoringandDiagnosticsforHighVoltageGIS.GIS(Gas-InsulatedSwitchgear)atTransmissionandDistributionVoltages[J].IEEColloquiumonPowerDelivery.1995,13:81-99.[5]张同万,宋春燕.试论变电站与其他建筑相结合设计建设[J].上海电力.2004,06:42-45.[6]J.YTrepanieretal.AnalgsisofthedielectricstrengthofanSF6circuitbreakan[J].IEEETransactionsonPowerDelivery.2001,17:11-17.[7]林青云.浅谈GIS变电站设备安装注意事项[J].科学之友.2011,08:21-25.[8]王纲.浅谈GIS在变电站主接线优化设计中的应用[J].硅谷.2010,18:55-57.[9]GillesBazannery.RecentDevelopmentsinInsulationMonitoringSystemsofGISs[J].InternationalElectricPowerforChina.2002,05:8-13.[10]郑泽鸿.GIS变电站几个应予注意的问题[J].广东输电与变电技术.2007,02:12-14.[11]JBausa,GTsaronis.Dynamicoptimizationofstartupandloadincreasingprocessesinpowerplants-part1:method&part2:application[J].JournalofEngineering.2001,13(04):21-26.[12]谭玲玲.GIS变电站设计中若干问题的探讨[J].山东电力高等专科学校学报.2007,17(04):22-25.[13]刘庆.GIS将成为城区变电站建设的首选方案[J].电气技术.2008,03:43-45.[14]朱润红.GIS在变电站的应用及运行维护[J].中国高新技术企业.2008,04:16-20.[15]侯源红,李越.220kV变电站布置方案浅析[J].供用电.2006,14(10):23-25.[16]张玉军.220kV变电站典型设计综述[J].电力科学与技术学报.2010,04:12-16.[17]徐大可.数字化变电站的现状和网络结构[J].电世界，2008,49(11):1-3[18]是晨光.基于IEC61850的数字化变电站的应用[J].江苏电机工程，2007,17(1):69-71[19]许林生.浅谈数字化变电站自动化技术[J].广东科技,2008,03:63-64[20]夏勇军,苏昊,胡刚,董永德.数字化变电站研究现状与应用展望[J].湖北电力，2007，31(3):61-65.[21]吴国威．数字化变电站中信息处理及网络信息安全分析[J]．继电器.2007,35(12):14-19.[22]XINJian-bo，DUANXian-zhong．StudyonMethodforDeterminingtheBufferSizeofCommunicationModuleInsideSMUonEmergency［A].In：IEEE-PEST&D2003Conference&Exhibition［C].Dalian(China)：2005:82-99.[23]杨仕友.变电站中的GIS电器设备[J].中国高新技术企业.2007,12(08):3-6.[24]PonsAetal.Electricalenduranceandreliabilityofcircuir-breaakers:commonexpericnceandpraciticeoftwoutilities[J].IEEETransonPERD.2002,13:86-99.55'