某220kv智能变电站的设计.doc
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某220kv智能变电站的设计
毕业设计报告
论文题目:
某220KV智能变电站的设计
系部名称:
电子信息学院专业班级:
电气081
学生姓名:
金磊学号:
200800494129
指导教师:
李燕斌教师职称:
副教授
2012年5月24日
摘要
本次毕业设计以某220kv智能变电站为主要设计对象。
该变电站有两台主变压器,站内主接线分为220kv、110kv和35kv三个电压等级。
本设计的第一章为绪论,主要阐述了变电站在电力系统中的地位。
设计变电站的原则和目的以及变电站的基本情况。
第二章是数字化变电站的简介,主要介绍数字化变电站的相关技术和知识,第三章是变电站电气主接线的设计和主变压器的选择。
分别通过对220kv、110kv和35kv侧电气主接线的拟定,选择最稳定可靠的接线方式。
第四章是电气设备的选择,电气设备的选择包括母线、断路器、隔离开关、电流和电压互感器的选择。
第五章是数字化变电站的二次系统方案,主要对数字化变电站二次系统设计的基本方案进行拟定。
第六章是站内通信网络模型描述。
主要是对数字化变电站二次系统通信网络的设计。
第七章是间隔层和过程层设备对时方式选择,对数字化变电站二次系统对时方式的方案的选择。
第八章是网络结构。
是对数字化变电站而出网络方案的拟定,综合分析和比较各方案,选择可靠和稳定的方案。
通过220kv智能变电站的设计,使我对电气工程及其自动化专业的主干课程有了一个较为全面系,系统的掌握,增强了理论联系实际的能力,提高了工程意识,锻炼了我独立分析和解决电力工程设计问题的能力。
关键词:
智能变电站电气主接线电气设备配电装置间隔层
Abstract
Thegraduationdesignwitha220kvsubstationsasthemaindesignintelligentobjects.Thesubstationhavetwomaintransformer,stoodthemainconnectionisdividedinto220kv,110kvand35kvvoltagegradethree.
Thefirstchapterofthedesignfortheintroduction,mainlyexpoundsthesubstationinpowersystemintheposition.Thedesignprinciplesandobjectivesofthetransformersubstationandthebasicsituationofthetransformersubstation.Chapter2istheintroductionofdigitalsubstation,mainlyintroducesdigitizedsubstationofrelatedtechniquesandknowledge,chapter3substationsisthemainelectricalwiringdesignandthechoiceofmaintransformer.By220kvrespectively,110kvand35kvsideoftherecommendedthemainelectricalwiring,choosingthemoststableandreliablewaysof.Thefourthchapteraretheelectricalequipmentchoice,electricalequipmentchoiceincludingbusbar,circuitbreakers,isolatingswitch,currentandvoltagetransformerchoice.Chapter5ofdigitalsubstationissecondsystemsolutions,mainlytothedigitizedsubstationsecondarysystemthebasicschemedesignareworkedout.Thesixthchapterisstandinsidecommunicationnetworkmodel.Ismainlytothedigitizedsubstationsecondarysystemcommunicationnetworkdesign.Chapter7isspacerlayerandprocessequipmentwayprevailedselection,digitizedsubstationsecondarysystemofthewaythechoiceprevailed.Chapter8isthenetworkstructure.Isthedigitalsubstationandanetworkoftherecommendedscheme,thecomprehensiveanalysisandcomparevarioussolutions,choosereliableandstablesolution.
Throughthe220kvsubstationofintelligentdesign,makeItoelectricalengineeringanditsautomationspecializedbackbonecoursehasamorecomprehensivedepartment,thesystemmaster,enhancetheabilityofintegratingtheorywithpractice,improvetheengineeringconsciousness,exerciseindependentanalysisandsolvemypowerengineeringdesignproblemability.
keyword:
smartsubstationmainelectricalwiringelectricalequipmentpowerdistributionequipmentbaylevel
46
目录
第一章引言 1
1.1变电站自动化系统在我国电力系统的发展 1
1.2数字化变电站的国内外研究状况 1
1.3课题研究的目的和意义 3
1.4课题设计原始数据 4
第二章数字化变电站二次系统的简介 5
2.1数字化变电站的结构 5
2.2数字化变电站的特点 6
2.3数字化变电站的优势 7
2.4数字化变电站的主要技术 9
2.4.1电子式互感器及其配置 9
2.4.2智能化开关 10
2.5IEC61850概述 11
2.5.1IEC61850标准体系简介 12
2.5.2IEC61850标准的主要特点 13
2.6合并单元` 14
2.7智能终端 16
2.8数字化变电站通信网络 16
2.8.1间隔层和站控层通信总线 16
2.8.2过程层通信总线 17
2.9GOOSE服务介绍 18
第三章电气主接线和主变压器的选择 19
3.1电气主接线的设计 19
3.1.1主接线的设计原则和要求 19
3.2电气主接线 19
3.2.1220kv电气主接线 19
3.2.2110kv电气主接线 20
3.2.335kv电气主接线 21
3.3主变压器的选择 21
3.3.1主变压器的选择原则 22
3.3.2主变压器台数的选择 22
3.3.3主变压器容量的选择 22
3.3.5绕组数量和连接形式的选择 23
3.3.6主变压器选择结果 24
第四章电气设备的选择 24
4.1断路器型式的选择 25
4.1.1220KV侧断路器的选择 27
4.1.2110KV侧断路器的选择 27
4.1.335KV侧断路器的选择 28
4.2隔离开关的选择 29
4.2.1隔离开关种类和型式的选择 29
4.2.2220KV侧隔离开关的选择 30
4.3电流互感器的选择 31
4.3.1220KV侧电流互感器的选择 31
4.3.2110KV侧电流互感器的选择 31
4.4电压互感器的选择 32
4.4.1电压互感器型式选择 32
4.4.2220kv侧电压互感器的选择 33
4.4.3110KV侧电压互感器的选择 33
4.4.435kv侧电压互感器的选择 34
第五章站内通信网络模型描述 34
第六章间隔层和过程层设备对时方式选择 35
第七章数字化变电站的二次系统方案 38
7.1总的设计原则 38
7.2合并单元布置方案 39
7.3智能终端布置方案 40
7.4控制和保护的系统方案 41
第八章网络结构 43
8.1组网方案 44
8.2间隔层和过程层之间通信方式 45
8.3二次设备配置和接线方案 49
8.4过程层网络的双重化配置 52
8.5GOOSE网配置方案 53
总结 58
致谢 58
参考文献 59
第一章引言
坚持以信息化推动生产自动化和管理现代化,建设数字化电网、信息化企业。
要积极推广应用紧凑型线路、同塔多回、数字化变电站等先进适用技术,加快变电站技术改造步伐,全面实现110千伏、220千伏变电站无人值班,电网技术装备及现代化水平步入国内先进行列。
1.1变电站自动化系统在我国电力系统的发展
1954年,我国从前苏联引进了远方终端装置RTU,东北电网安装了16套遥测装置,1965年北京实现了第一个遥控变电站,到1959年全国已经有29个变电站实现遥控和无人值班,此外,还在2个水电厂和7个火电厂安装了遥测、遥控、遥信装置。
此后,国内开始了系列远动产品的研制工作,并且在华北、华东和东北三大电网推广应用。
20世纪60年代中期,随着电子技术的迅速发展,许多国家都开始了基于计算机的数据采集和监控系统SCADA的研制。
20世纪70年代基于微处理器技术的微机型远动装置问世。
微机型远动装置相对于晶体管布线逻辑型的远动设备具有了明显的优势,这种技术随着微电子技术的发展得到了迅速的应用。
20世纪80年代中期开始的四大网引进工程,极大地推动了我国微机型RTU技术的发展,从而也大幅提高了我国变电站自动化技术的水平。
20世纪80年代中期,我国开始了微机型继电保护装置的研究工作,最早通过鉴定的微机型继电保护装置是WXB-01型,随后研制的WXB-11型线路保护性能得到了很大的提高,产品的实用化水平也不断提高。
20世纪90年代数字式保护的广泛应用,使得变电站自动化技术取得快速的进展。
90年代初研制出的变电站自动化系统是在变电站控制室内设置计算机系统作为变电站自动化的控制中心。
20世纪90年代中期,随着计算机技术、网络通信技术的飞速发展,出现了分布式变电站自动化系统。
1.2数字化变电站的国内外研究状况
我国的智能变电站的发展及研究现状:
我国变电站综合自动化的研究工作开始于80年代中期。
1987年,清华大学电机工程系研制成功一套符合国情的变电站综合自动化系统,在山东威海35kV望岛变电站投入运行,用3台微型计算机实现了全站的微机继电保护、监测和控制功能。
之后.随着1988年由华北电力学院研制的第1代微机保护(01型)投入运行,第2代微机保护(WXB—11)1990年4月投入运行并于同年12月通过部级鉴定。
这样,在远动装置采用微机技术后,更为复杂的继电保护全面采用微机技术成为现实。
至此,随着微机保护、微机远动、微机故障录波、微机监控装置在电网中的全面推广应用,人们日益感到各专业在技术上保待相对独立造成了各行其是,重复硬件投资,互连复杂,甚至影响运行的可靠性。
1990年,清华大学在研制鞍山公园变电站综合自动化系统时,首先提出了将监控系统和RTU合二为一的设计思想。
1992年5月.电力部组织召开的“全国微机继电保护可靠性研讨会”指出:
微机保护与RTU,微机就地监控.微机录波器的信息传送,时钟、抗干扰接地等问题应统一规划并制定统一标准,微机保护的联网势在必行。
由南京电力自动化研究院研制的第1套适用于综合自动化系统的成套微机保护系统ISA-1于1993年通过部级鉴定以后,各地电网逐步开始大量采用变电站综合自动化系统。
1994年中国电机工程学会继电保护及自动化专委会在珠海召开了“变电站综合自动化分专业委员会”的成立大会,这标志着对变电站综合自动化的深入研究和应用进入了一个新阶段。
90年代中后期,变电站综合自动化已成为热门话题,研究单位和产品如雨后春笋般蓬勃发展。
典型的变电站综合自动化系统是把保护、控制、PLC,RTU及计算机融为一体,做到数据信息统一,减少控制电缆敷设,优化二次系统设计。
用PLC的独特功能解决了诸如变压器分接头的自动调整、电容器组的自动投切、变压器冷却风扇的自动控制、低周减载及负荷控制等自动控制问题。
将微机保护、控制和测量单元组合在一起,由通信控制器负责管理整个二次设备,并将信息送给监控计算机和管理计算机。
监控计算机负责变电站的当地功能和远动功能。
变电站综合自动化系统的研究和开发之所以会引起这么多的科技工作者和企业的注意,其根本原因在于有广大的市场需求。
国外变电站综合自动化的发展概况:
国外从70年代末、80年代初就开始进行保护和控制综合自动化系统的新技术开发和试验研究工作。
如由美国西屋电气公司和美国电力科学研究院(EPRI)联合研制的SPCS变电站保护和控制综合自动化系统、由日本关西电力公司与三菱电气公司共同研制的SDCS-I、II保护和控制综合自动化系统,SDCS-I、II系统从1977-1979年进行了现场试验及试运行,80年代初已交付商业应用。
目前,日本日立、三菱、东芝公司,德国西门子公司(SIEMENS)、AEG公司,瑞士ABB公司,美国通用电气公司(GE)、西屋电气公司(Wesinghouse),法国阿尔斯通公司(AL-STHOM),瑞士Landis&Gyr公司等国际著名大型电气公司均开发和生产了变电站综合自动化系统(或称保护与控制一体化装置),并取得了较为成熟的运行经验。
西门子公司于1985年在德国汉诺威正式投运其第一套变电站自动化系统LSA678,至1993年已有300多套同类型的系统在德国本土及欧洲其他国家不同电压等级的变电站投入运行,至1995年,该公司在中国也陆续得到十几个工程项目,基本上是110kV城市变电站。
ABB公司的变电站综合自动化系统SCS100,在芬兰生产,用于中、低压变电站。
SCS200在瑞典生产,用于高压变电站。
国外变电站综合自动化系统制造厂商颇多,但他们彼此之间一开始就十分注意系统的技术规范和标准的制定及协调,以避免各自为政造成的不良后果,以便于这门新技术能够迅速发展和广泛的应用。
德国电力行业协会(VDEW)为电子制造商协会(EVEI)制定的关于数字式变电站控制系统的推荐草案于1987年公布,成为IECTC57在起草保护与控制之间接口标准的参考,内容非常丰富。
美国电力科学研究院EPRI委托西屋电气公司研究起草的变电站控制与保护项目的系统规范,于1983年8月发表(EL-1813),1989年又进行了修改与增补。
国际电工委员会第57次技术委员会(IECTC57)为了配合变电站综合自动化方面的进展,成立了“变电站控制和保护接口”工作组,负责起草该接口的通信标准,该工作组共12个国家(主要集中在北美和欧洲,亚洲有中国,非洲有南非)2000位成员参加。
从1994年3月到1995年4月举行了四次讨论会,于1995年2月向IEC秘书处提交了保护通信伙伴标准IEC87Q-5-103,为控制与保护之间的通信提供了一个国际标准。
1.3课题研究的目的和意义
当前,节能减排、绿色能源、可持续发展成为各国关注的焦点。
人类能源发展面临的第一挑战,是以可再生能源逐步替代化石能源,建造能源使用的创新体系,以信息技术彻底改造现有的能源利用体系,最大限度地开发电网体系的能源效率。
因此期望通过一个数字化信息网络系统将能源资源开发、输送、存储、转换(发电)、输电、配电、供电、售电、服务以及蓄能与能源终端用户的各种电气设备和其它用能设施连接在一起,通过智能化控制实现精确供能、对应供能、互助供能和互补供能,将能源利用效率和能源供应安全提高到全新的水平,将污染与温室气体排放降低到环境可以接受的程度,使用户成本和投资效益达到一种合理的状态,这就是智能电网的思想。
为了达到变电站自动化要求,就要在变电站内外形成通信网络来实现信息共享。
变电站自动化系统的传输规约和传输网络的标准化,是实现可靠快速通信的保证。
为了制定能够满足功能和性能要求的通信标准,且能够支持将来技术的发展,很多企业使用IEC60870-5-103规约或者各自定义了一些关于变电站自动化通信的私有协议。
即使各个设备生产厂家使用的通信协议都是IEC60870-5-103协议,但是由于各自采用不同的方法来实现,因而不能实现兼容设备之间的通信和互操作性。
为了能够在各种自动化系统内部准确、快速地收集、处理并传送从发电厂、变电站到最终用户接口的各种实时信息,国际标准化组织正在加紧相关规约标准的制定,特别值得关注的是2002正式通过的IEC61850变电站通信网络和系统的国际标准草案,将是今后电力系统无缝通信体系的基础。
国内外各大电力公司、研究机构都在积极调整产品研发方向,力图和新的国际标准接轨,以适应未来的发展方向。
数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类,即智能化的一次设备和网络化的二次设备;在逻辑结构上可分为三个层次,根据IEC61850信协议草案定义,这三个层次分别称为“过程层”、“间隔层”、“站控层”。
各层次内部及层次之间采用高速网络通信。
数字化变电站主要技术特征是数字化变电站采用低功耗,紧凑型、数字化的新型电流和电压互感器代替常规TA和TV;将高电压、大电流直接变换为低电平信号或数字信号,利用高速以太网构成变电站数据采集及传输系统,实现基IEC61850标准的统一信息建模,并采用智能断路器控制等技术使得变电站自动化技术在常规变电站自动化技术的基础上实现了巨大跨越,数字化变电站技术主要表现为:
数据采集数字化、系统分层分布化、系统结构紧凑化、系统建模标准化、信息交互网络化、信息应用集成化、设备检修状态化、设备操作智能化。
1.4课题设计原始数据
1、环境条件
户内环境温度和周围空气相对湿度
温度:
-10℃~+55℃,允许变化率10℃/d;
相对湿度:
5%~95%无冷凝。
海拔高度:
不超过1000米。
震能力:
地面水平加速度:
0.4g,
地面垂直加速度:
0.18g。
2、电气主接线
1)主变规模及电压等级
主变终期规模3×180MVA,本期规模2×180MVA有载调压变压器。
变比考虑采用220±8×1.25%/115.5/36.75kV。
容量变比180MVA/180MVA/60MVA。
2)出线规模
220kV规划出线4回,分别至魏县、漳堡、备用、备用各1回;本期出线2回,至魏县和漳堡。
110kV规划出线12回,分别至杨桥I(备用)、杨桥II、里店、备用,城关(备用)、边马(备用)、龙王庙,孙店,备用,备用,备用,备用;本期出线4回,分别至杨桥II、里店、龙王庙、孙店各1回。
35kV规划出线9回,本期出线6回。
3)无功补偿
每台主变低压侧安装4x8.016Mvar无功补偿电容器。
3、电气参数
220kV设备短路电流开断水平按不低于40kA考虑;
110kV设备短路电流开断水平按31.5kA考虑;
35kV设备短路电流开断水平按25kA考虑。
4、配电装置型式
本站处于III级污秽区,220kV、110kV配电装置采用常规的户外敞开支持式管母线分相中型布置方案,35kV配电装置采用户内开关柜方案(手车柜),电容器采用户外散装成套装置。
第二章数字化变电站二次系统的简介
2.1数字化变电站的结构
从逻辑上看,数字式变电站可分为一过程层、二间隔层、三变电站层。
三层关系如图2-1所示。
(1)过程层
过程层是一次设备和二次设备的结合面。
过程层的主要功能分三类:
实时运行电气量检测;运行设备状态检测;操作控制命令执行。
(2)间隔层
间隔层的主要功能是:
汇总本间隔过程层实时数据信息;实施对一次设备的保护控制功能;实施本间隔操作闭锁功能;实施操作同期及其他控制功能;对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别控制;执行数据的承上启下通信传输功能,同时高速完成于过程层及变电站层的网络通信功能,上下网络接口具备双控全双工方式以提供高信息通道的冗余度,保证网络通信的可靠性。
(3)变电站层
变电站层的主要功能是:
通过两级高速网路汇总全站的实时数据信息,不断的刷新实时数据库,按时登录历史数据库;将有关数据信息送往电网调度或控制中心;接受电网调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行;具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能;具有站内当地监控、人机联系功能。
具有对间隔层、过程层设备的在线维护、在线组态、在线修改参数的功能等功能。
图2-1数字化变电站的逻辑图
2.2数字化变电站的特点
(1)一次设备智能化
采用数字输出的电子式互感器、智能开关(或配智能终端的传统开关)等智能一次设备。
一次设备和二次设备间用光纤传输数字编码信息的方式交换采样值、状态量、控制命令等信息。
(2)二次设备网络化
二次设备间用通信网络交换模拟量、开关量和控制命令等信息,取消控制电缆。
(3)运行管理系统自动化
应包括自动故障分析系统、设备健康状态监测系统和程序化控制系统等自动化系统,提升自动化水平,减少运行维护的难度和工作量。
(4)数字化变电站的实现条件
现代计算机技术、现代通信和网络技术为改变变电站目前监视、控制、保护和计量装置及系统分隔的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础。
过去若干年内,数字化变电站所依赖的技术基础已经取得了长足的进步,实现数字化变电站已经具备了以下条件:
--智能一次设备已被逐步采用;
--电子式互感器的已进入实用阶段;
--光纤通信及以太网技术已被普遍采用;
--电力行业面向对象的统一建模技术逐步被采用;
--IEC为数字化变电站制定的无缝通信体系IEC61850基本完成;
--国外已经开始数字化变电站的试点工作,为我国数字化变电站的实现积累了一定的经验。
另外,变电站站内信息数字化、标准化,在IEC61850到主站的标准确立以后,调度端将可完全访问变电站的所有信息。
除了传统的实时数据外,调度端还可以直接导入变电站模型乃至主接线图,并
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