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数字化变电站设计书(终稿)

毕业设计(论文)

数字化变电站初步设计

二〇一三年五月二十四日

院 : 电气工程学院 专

业 : 电气工程及其自动化 班

级 : 学

号 : 姓名 :

指导教师 :

摘要

数字化变电站已成当今世界新建变电站发展的主流,其以一次设备智能化、二次设备网络化的显著特点和突出优势,得到广泛应用,实现了变电站无人值守、远程操控,可靠性、安全性得到大大提高。本文通过对数字化变电站的初步设计,进一步了解掌握,建设数字化变电站所需要的各种传统和数字式输出的先进智能设备,比如电子式互感器,合并单元,智能操作箱等,以及它们具体功能和详细参数。同时,深入分析整站基于IEC61850标准协议通信网络的各功能,五防系统和电压无功调节VQC的工作原理,给出整站的一次电气主接线图和网络结构图。最后,简单了解调度系统中子站如何完成“四遥”功能,以及数字化变电站重要的计算机监控系统结构、功能、要求指标等。

关键词:数字化变电站电子式互感器 IEC61850标准协议

The Preliminary Design of Digital Substation

Abstract

Digital substation has become the world's mainstream development of new substations, and its primary equipment to intelligent, secondary equipment networked significant features and highlight the advantages, has been widely used to achieve substation unattended, remote control, reliability, security, been greatly improved. Based on the preliminary design of digital substation to further understand the building of digital substation needed a variety of traditional and digital output advanced smart devices, such as electronic transformer, merging units, intelligent control box, etc., as well as their specific functions and detailed parameters. Meanwhile, in-depth analysis of the entire station IEC61850 standard protocol communications network based on each function, five anti-system and the voltage and reactive power VQC works, given the whole point of a main electrical wiring diagrams and network structure. Finally, a simple understanding of how to complete the scheduling system neutron station "four remote" feature, as well as an important digital substation computer monitoring system structure, function, requires indicators.

Keywords: digital substation electronic transformer IEC 61850standard protocol

目录

第一章数字化变电站 (1)

1.1 数字化变电站的定义 (1)

1.2 主要特点 (1)

第二章变电站的主接线 (2)

2.1 主接线的设计原则 (2)

2.2 主接线的方式 (2)

2.3 主接线的选择确定 (2)

2.4 主接线示意图 (3)

第三章变电站网络结构及功能 (4)

3.1 系统结构 (4)

3.2 数字化变电站网络结构图 (5)

3.3 五防系统 (6)

3.4 电压无功综合调控装置 (8)

第四章一次电气设备选择 (9)

4.1 主变压器的选择 (9)

4.2 其他设备 (9)

4.3 一次主要电气设备参数 (10)

第五章各层主要设备配置选择 (11)

5.1 过程层设备配置方案 (11)

5.2 间隔层设备配置方案 (15)

5.3 站控层设备配置方案 (20)

第六章“四遥”远动系统 (24)

6.1 概念 (24)

6.2 结构功能 (24)

6.3 SCADA系统 (25)

6.4 远动系统性能指标 (25)

第七章计算机监控系统 (26)

7.1 监控系统结构 (26)

7.2 控制和操作 (26)

7.3 程序化操作 (27)

7.4 监控系统功能 (28)

7.5 监控系统性能指标 (28)

总结 (29)

参考文献 (30)

致谢 (32)

第一章数字化变电站

1.1 数字化变电站的定义

数字化变电站是由智能化一次设备和网络化二次设备在IEC61850通信业协议的基础上分站控层、间隔层、过程层三层构成,全站内的智能电气设备之间可以实现信息共享和相互操作的现代化变电站。

1.2 主要特点

1)一次设备智能化

采用数字输出的电子式互感、配智能终端的传统开关等智能一次设备。2)二次设备网络化

由于IEC61850协议标准正式颁布,二次设备之间完全可用通信网络交换模拟量、开关量和控制命令等数据信息,实现数字方式传递和信息共享。3)运行管理系统自动化

变电站综合自动化系统与计算机监控系统等广泛得以应用,全部一次设备都能够实现遥控,自动化水平高。

4)设备具有互操作性

整站的所有智能设备按照统一标准建立信息模型和通信接口,相互可紧密连接,通过规约转换器,可实现不同设备厂商生产的设备之间的互操作性。5)测量精度大大提高

智能一次设备采集到的电流、电压、功率等数据,都是以数字化形式发送给间隔层二次设备,附加误差不存在,所测数据更加精确。

6)提高系统设备工作效率

通过网络实现变电站设备之间的信息共享,如果要扩大变电站规模,在不改变原有设备的情况下,只需在网络上添加新设备,提高了工作效率,经济性更好。

7)数据信息传输的可靠性增强

变电站的信息都是通过计算机相互传输,信息都带有加密处理,设备之间采用光纤连接,抗干扰性更强,数据信息的准确性得以保障,可靠性更高。

第二章变电站的主接线

2.1 主接线的设计原则

变电站电气设计过程中,首先要解决的问题是整个变电站的电气主接线结构,也是至关重要的一步。根据经验,我国电气主接线应满足以下几点要求:

1)运行供电的可靠性

2)运行检修的灵活性

3)经济合理性

4)适应性和可扩展性

2.2 主接线的方式

根据我国《GB50059-2011 35-110kV变电站设计规范》[1]规定:

3.2.3条,35kV~110kV电气接线宜采用桥形、扩大桥形、线路变压器组或者线路分支接线、单母线或单母线分段的接线。

3.2.5条,当变电站装有两台及以上主变压器时,6kV~10kV电气接线宜采用单母线分段,分段方式应满足当其中一台主变压器停运时,有利于其他主变压器的负荷分配的要求。

110kV及以上电压等级的电网,一般采用中性点有效接地方式;6~35kV 电压等级的电网,一般采用中性点非有效接地方式。为了限制过电压,每台主变压器的35kV、10kV中性点先分别接到避雷器,再通过隔离开关引接到消弧线圈。

2.3 主接线的选择确定

由上分析可知:对于出线不多、容量不大的35kV、10kV线路,本次设计方案我们采用单母线分段接线,各出线初期设置4回;110kV线路主接线方式本次设计方案采用扩大内桥接线,进线2回。

2.4 主接线示意图

第三章变电站网络结构及功能

3.1 系统结构

数字化变电站系统网络结构一般是由站控层、间隔层和过程层三层设备构成,每一层的设备都各有各的特别功能,设备之间通过以太网、光纤、部分电缆相互连接,实现二次设备网络化的信息共享、在线监视、远程控制等功能。

3.1.1过程层

过程层主要的设备有电子式互感器、合并单元、智能终端等。电子式电流互感器和电压互感器的作用是负责对变电站电气量的采集,并输出数字式的数据。传统开关的控制主要靠配备智能终端的方式来完成开关智能化。整个过程层设备应该符合IEC61850标准协议,具备自我检测和自我描述功能,采用光纤作为信号传输介质。

3.1.2间隔层

间隔层主要的设备主要是由保护装置、测控装置、计量装置、规约转换器、网络通信数据记录分析装置和故障录波装置等组成,主要功能是完成与过程层、站控层之间的网络通信,起到承上启下的联络传输功能,同时能够对过程层合并单元送达的实时数据进行汇总,以及转发上级下达的继电保护、程序化控制等命令。

3.1.3站控层

站控层设备一般配置主机、操作员站、保信子站、五防工作站、远动装置、实时对时装置、打印机等。主要功能是收集变电站全部的实时数据信息,并定时存储于历史数据库中,以及转发给上级调度中心和接收下达的指令,对各层的设备进行监视和控制。站控层还应该实现全站操作闭锁控制、继电保护整定值修改、在线维护、GPS对时等功能。

3.2 数字化变电站网络结构图

3.3 五防系统

电力系统的五防,即:防止误分、误合断路器、负荷开关、接触器;防止带地线合断路器、隔离开关送电;防止带负荷拉、合隔离开关;防止误入带电间隔;防止带电合地刀或挂接地线。微机五防系统是由五防主机、电脑钥匙、编码锁具等组成。主要设备具体功能如下表3-1所示。

表3-1 五防系统各设备功能

3.3.1 系统结构框图

图3-2 微机五防系统结构框图

3.3.2 操作流程

微机五防系统最重要是安装有操作闭锁规则库,它是关系到能否起到五防功能的关键,任何操作都需要经过规则库地检测。下面举例子说明五防系统如何完成微机防误闭锁。假设对其中一出线进行操作,其部分电气接线如下图3-3所示。

图3- 3 双母线某一出线接线图

而五防系统对出线的操作闭锁规则如下表3-2所示。

表3-2 出线闭锁规则

假设合QF1断路器,首先合QS5,再合QS1(或者QS2),最后才合QF1;假设合QS5,首先拉QF1,再拉QS4、QS3,最后才合上QS5。以此类推。而值班人员需要对QF1操作时,分预演操作和实际操作两步。

第一步、预演操作。

操作人员接受到对QF1的操作票后,在五防工作站的防误接线图上模拟预演合QF1,系统自动结合当前变电站实时运行状态,校验该运行人员的操作步骤是否满足规则。若不满足规则,五防系统就会跳出提示框,显示正确的操作顺序;若系统判断操作正确后,就在当前的操作票上默认进行登记该标准操作步骤,并发送到电脑钥匙上。

第二步、实际操作。

运行人员首先使用电脑钥匙去开QS5出线柜上的编码锁,只有当编码锁与电脑钥匙中存放的操作票先后顺序相对应的锁号、锁类型一模一样时,QS5编码锁才能开启,完成解锁操作。接着,只有当QS5操作完毕后,电脑钥匙才能启动对QS1操作所对应的编码锁。以此类推,一一对应,最后完成对QF1的合闸操作。

3.4 电压无功综合调控装置

VQC系统一般安装在工作站PC的监控后台机,通过网卡接入变电站整个通信网络,然后从网络中读取实时的有功、无功、分接头位置和母线电压等数据信息,同时下发命令控制主变分接头位置和投切电容器,从而调节电压和功率等指标,减少电能在线路上的损失。

VQC控制策略常用九区图表示,其具体调节方式如图3-4所示。

图3-4 VQC控制策略优化九区图

VQC综合调控装置提前设计好控制算法,根据实际电压偏差和或者无功补偿偏差,计算出应该调节分接头的挡数或投切的电容量,并一次性调控完成,保证合格的电能质量。例如:若运行状态在5区域,则先切一组电容,如果Q合格而U不合格,再调节变压器分接头。

第四章一次电气设备选择

4.1 主变压器的选择

4.1.1 主变压器台数、相数、绕组、容量选择

根据我国《GB 50059—2011 35—110kV变电站设计规范》1规定:

4.1.1条主变压器的台数和容量,应根据地区供电条件、负荷性质、用电容量和运行方式等条件综合确定。

4.1.2条在有一、二级负荷的变电站中应装设两台主变压器,当技术经济比较合理时,可装设两台以上主变压器。变电站可由中、低压侧电网取得足够容量的工作电源时,可装设一台主变压器。

变压器相数有单相、三相和多相之分,3台单相可以组成1台三相,多相是用于特殊需求的情况,因此本次变电站的主变采用三相变压器;待建变电站拟采用普通型的三绕组变压器;由于负荷数据未给出无法计算,因此,假设本次待建变电站最终容量为60MVA。

4.1.2 主变压器选择结果

根据以上要求,本次变电站设计采用型号为 SFSZ9-63000/110的变压器。由于主接线采用扩大内桥的接线方式,至少需要2台,而根据任务书上科研审查意见,终期采用3台主变压器。

4.2 其他设备

1)六氟化硫断路器

110kV、35kV采用敞开式AIS设备,即空气绝缘的敞开式开关设备。2)避雷器

采用的氧化锌避雷器应该具有良好的保护性能,它是利用氧化锌的非线性特性起到泄流和开断作用。

3)隔离开关

隔离开关起到隔离作用,只能在没有负荷电流的情况下分合电路。

4)高压开关柜

10kV采用高压开关柜,采用铠装移开式户内成套装置。

5)电容器组

采用户外框架式电容器补偿装置,主要进行无功补偿,改善电能质量。

4.3 一次主要电气设备参数

表4-1 一次电气设备参数

第五章各层主要设备配置选择

5.1 过程层设备配置方案

5.1.1 设备技术要求

5.1.1.1 电子式互感器与合并单元

1)电子式互感器可以采用按间隔布置的单独配置,也可以采用电压、电流混合方式的互感器;

2)110kV及以上电压等级互感器可以采用数字式输出的电子式互感器,35kV/10kV互感器则可以使用低功耗一体化互感器;

3)双重化保护装置,一般冗余配置电子式互感器的合并单元和传感模块,供电电源来自不同回路;

4)合并单元的协议标准视情况而定,可以采用DL/T860-9-2,也可使用DL/T860-9-1,或者IEC60044;光输出最低功率-20dbm,接收功率裕度不小于10dbm。

5)合并单元应该有多个光纤以太网接口,整个变电站采样速率必须相同,同时应该具有供现场校验电能表用的光纤以太网接口;具有完善的闭锁告警功能;具有合理时间同步机制、传时延补偿机制;具备内部时钟及事件记录功能;

6)合并单元防护等级应在IP54以上,长期稳定工作温度介于-40度与+70度之间,环境湿度介于10%到95%之间;

7)在进行多路供电采集模块的电源切换,要保证数据的精确度和实时性不受到影响。

8)电能计量装置设置参数时,都应该具有硬件防护功能。

5.1.1.2智能终端

1)光纤为通信介质,连接间隔层设备,以GOOSE协议进行上下行信息传递;

2)与断路器、隔离开关、变压器连接使用二次电缆来采集和控制各种所需数据信号;

3)如果是双重化保护配置的间隔,智能终端也应该配置双重化,安装同一个柜内,但使用不同回路电源供电;

4)智能终端最低输出功率为-20dbm,最低输入功率为-30dbm,接收功率欲度在10dbm以上;屏体防护等级为IP54以上,长期稳定的工作温度在-40度到+70度之间,环境湿度在10%到95%之间;

5)智能终端具有GOOSE命令记录功能、闭锁告警功能;

5.1.2 设备选择及参数

5.1.2.1电子式互感器

一)罗格夫斯基线圈

电子式互感器是利用罗格夫斯基线圈电磁感应原理,以及串级式电容分压器实现数据的采集。它是一个空心线圈,以空气为导磁煤质,不存在饱和问题。采集的数据经过积分器、A/D转换、LED、光缆送给合并单元,工作原理如图5-1所示。

图5-1 罗氏线圈工作原理图

二)主要优点

电子式互感器与传统常规电磁互感器相比,电子式互感器的主要优势在于:

1)绝缘简单可靠,高低压完全隔离,不存在漏油引起起火爆炸的危险;

2)体积小、重量轻、无污染、无噪声,优良的环保性能;

3)不含铁芯,不会出现磁饱和、铁磁谐振等现象;

4)频率响应范围宽,测量的精度高;

5)不存在电压互感器二次输出开路和电流互感器二次输出短路的危险;

6)电压等级越高,经济性越明显;

7)带负载能力强,方便同享数字信号,符合电力系统数字化、智能化和网络的发展需求。

表5-1 电子式互感器参数

5.1.2.2合并单元

一)功能

合并单元MU的功能主要是对一次侧电子式互感器或传感器采集传输过来的数据进行合并和同步处理,然后将处理之后的数字信号按照IEC61850标准上传给间隔层相应使用的设备装置。

其配置结构如下图5-2所示。

图5-2 合并单元配置结构图

表5-2 合并单元参数

5.1.2.3智能终端+智能操作箱

一)功能

智能终端是指与传统一次设备就近安装,完成数据采集、传输、分析处理、控制的智能化设备。智能终端与智能操作箱相互配合使用,操作箱能够为传统一次设备提供数字化接口,使用电缆与隔离开关、断路器和变压器连接,而与间隔层二次设备采用光纤连接通信,用GOOSE协议传递上下行信息,从而实现对一次设备实时分合控制等功能。

其主要功能如表5-3所示。

表5-3 智能操作箱功能

表5-4 智能操作箱参数

5.2 间隔层设备配置方案

5.2.1 设备技术要求

1)间隔层设备结构标准化和模块化,方便维护和更新;

2)按照DL/T860建模,能与站控层设备进行通信,与过程层设备之间的通信满足DL/T860规定的数据格式要求;

3)在任何运行情况受到冲击,设备都不能死机或者重启,电压在20%范围内波动,设备均可正常工作;。

4)保护装置支持GOOSE协议,保护装置采用软压板方式的出口压板,收到异常信号能够闭锁保护出口;

5)测控装置支持GOOSE协议实现五防功能,实时反映一次设备分合状态,设置检修状态;

6)故障录波器配采样数据接口,接收合并单元或交换机的信号进行录波,并记录GOOSE开入开出量;

7)计量装置和站控层的通信支持MMS协议,和合并单元的通信支持DL/T860标准;

8)各安全稳定设备采用DL/T 860标准建模与通信。

5.2.2 设备选择及参数

5.2.2.1公用测控装置

一)功能

公用测控装置主要功能是对开关量、脉冲、温度、编码、交流量、直流等信号的采集,以及对开关量的控制输出、变压器分接头调节、模拟量信号输出遥调,具备逻辑可编程、远方就地操控、间隔五防闭锁等功能,以及提供各种通讯接口等。

二)主要参数

表5-5 公用测控装置参数

5.2.2.2 主变压器保护装置

变压器保护装置具有保护、监视、通信、控制等功能,主变压器保护功能可以分为主保护功能、高压侧后备保护、中压侧后备保护、低压侧后备保护、公共绕组后备保护和非电气量保护。具体功能如下表5-6所示。

表5-6 主变压器保护具体功能

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