（电气工程专业论文）无人值守变电所自动化系统的设计.pdf

中文摘要 摘要：本文以参与设计的一个沈阳市浑南新区电力改造项目为实例，提出一种面 向中低电压等级变配电所的无人值守变配电所自动化系统模型。同时，为系统设 计了相应的具有组态功能的监控系统软件。该监控系统软件不但完成基本的变配 电所电力设备运行状态的监控功能，而且可以对变配电所自动化系统进行远程维 护和保护类型的配置。 在该无人值守变电所的设计中，一次系统以小型化模式为基础，简化主接线； 设备选型工作中采用检修周期长、可靠性更高的真空断路器及国内先进的固定式 金属封闭开关柜。二次系统设计中采用分层分布式系统结构。为了提高变配电所 监控软件的模块化、开放性，本变配电所监控系统软件采用了基于i n t e r n e t 的解决 方案。该系统具有通过浏览器随时查看远程配电所运行情况的特点，不但节约了 客户端的软硬件费用，实现了免维护的客户端，而且避免软件开发的重复投资。 在变配电所监控系统中，提出了一种基于人工神经网络的交流采样算法来完 成数据的采集工作。与传统的直流采样方法相比，交流采样方法速度快，工作可 靠，具有较大的灵活性。变配电所监控系统软件通过采用a c t i v e x 组件技术和 d c o m 数据访问技术将其功能扩展到i n t e m e t 应用上，大大提高了系统的开放性、 易维护性，为相关领域的研究作一些新的探索。 最后，通过经济技术分析说明，本文设计的无人值守变配电所，占地面积小、 建设工期短、解放了变电值守人员，同时其运行和管理费用低，具有显著的经济 效益。相信我们的研究工作为今后的无人值守变电所提供了良好的借鉴作用。 关键词：无人值守；分层分布式；变电所；i n t e r n e t ；a c t i v e x 分类号：t m 7 6 9 拙毫銮逼太堂童些亟堂位论室 旦墨i ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h i st h e s i si sb a s e do nas h e n y a n gh u n n a np o w e rr e f o r m a t i o np r o j e c t ， p r e s e n t san e ws t y l eo r i e n tt ol o wv o l t a g el e v e ls u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mm o d e l w i t h o u tw a t c h k e e p e r , a n dd e s i g n sc o r r e s p o n d i n gc o n f i g u r i n gs u p e r v i s o r ya n dc o n t r o l s o f t w a r es y s t e m t h es u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls o f t w a r en o to n l yc o n t r o lt h ew o r k i n g s t a t eo fs u b s t a t i o ne l e c t r i cd e v i c e ，b u ta l s oh a st h ef u n c t i o no fr e m o t em a i n t e n a n c ea n d c o n f i g u r a t i o n t ot h ee l e c t r i cs u b s t a t i o ns u p e r v i s o r yc o m p u t e ro ft h es u b s t a t i o n a u t o m a r i o n i nt h ed e s i g no f s u b s t a t i o n ，w ep r e d i g e s tm a i nw i r i n gw i t ham i n i t y p eb a s ea n da d o p t s i m p l ew i r e - c o n n e c t i o n v a c u u mb r e a k e rw i t ha d e q u a t eq u a l i t ya n dl o n gm a i n t e n a n c e i n t e r v a l sa r es e l e c t e d i nt h es e c o n d a r yd e s i g n ，a d o p tl a y e r e da n dd i s t r i b u t e d c o n f i g u r a t i o n t h es u b s t a t i o ns u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls o f t w a r es y s t e ma d o p t s t h e s o l u t i o ns c h e m eb a s e do nt h ei n t e r n e tt e c h n o l o g y , t h e r ef o r et h es o f t w a r es y s t e m b e c o m e s m o r em o d u l a r i z e da n do p e n v i e w i n gr e m o t eo p e r a t i n gc o n d i t i o no fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e ma ta n ym o m e n tc a nn o to n l ys a v ec l i e n ts o f th a n dw a r d ，c o s ta n db u t a l s oa v o i dt h em a i n t e n a n c eo fc l i e n ta n dt h er e p e a ti n v e s ti nd e v e l o p m e n ts o f t w a r e a l t e r n a t i n gc u r r e n ts a m p l i n gt e c h n o l o g y b a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki s p r o p o s e df o rd a t aa c q u i s i t i o ni nc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mo fd i s t r i b u t i o ns u b s t a t i o n c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ld i r e c tc u r r e n ts a m p l i n gt e c h n o l o g y , i th a st h ea d v a n t a g e so f l l i g hs p e e d ，r e l i a b l eo p e r a t i o n a n dm o r ef l e x i b i l i t y t h es u b s t a t i o nc o n f i g u r i n g s u p e r v i s o r y a n dc o n t r o ls o f t w a r e s y s t e m e x t e n d st oi n t e m e tt h r o u g ha c t i v e x c o m p o n e n ta n dd c o m d a t aa c c e s st e c h n o l o g y , h e n c et h es o f t w a r es y s t e mi sm o r eo p e n a n de a s i e rt om a i n t e n a n c e t h ep a p e rd o e ss o m en e we x p l o r i n gi nt h ec o r r e l a t i v e d o m a i n f i n a l l y , c o s t - e f f e c t i v e n e s sa n a l y s i sv a l i d a t e st h a tt h es u b s t a t i o ni s s m a l l e rs p a c e ， l o w e ri n t e r e s ta n dm a n a g e m e n tc o s t ，s h o r t e rb u i l d i n gt i m et h a no t h e r s t h ep l a no f s u b s t a t i o nh a sb e e nc o n s t r u c t e d w eb e l i e v et h a tt h er e s e a r c hw i l la c c u m u l a t e e x p e r i e n c ep r o m o t i n gs u b s t a t i o nw i t h o u tw a t c h k e e p e r k e y w o r d s ：s u b s t a t i o nw i t h o u tw a t c h k e e p e r ；l a y e r e da n dd i s t r i b u t e dc o n f i g u r a t i o n ； s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ；i n t e r n e t ；a c t i v e x c l a s s n 0 ：t m 7 6 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 致谢 首先感谢黄教梅授，是黄老师把我引入科学研究的大门，是她的谆谆善诱和 不断的鼓励才使我找到正确的研究方向，是她的渊博学识和耐，1 5 、 指导才使我能够 深入研究并于枯燥的理论中获得了科研的乐趣。黄梅老师对知识孜孜以求的探索 精神及对学术前沿敏锐的洞察力使我受益良多；她广博的知识、敏锐的洞察力、 热情的鼓励和深厚的文学功底，帮助我逾越了许多障碍；在此，谨向恩师黄梅教 授致以崇高的敬意和衷心的感谢! 衷心感谢北京有色金属研究总院杨润怀教授对我学术的指导和帮助。衷心感 谢北京交通大学姜久春老师和老师对我和学术上的指导和帮助。感谢学院里每一 位曾给予我帮助的老师。 硕士学习的时光虽然转瞬即逝，却使我收获颇丰。我非常感谢电气工程学院 提供的良好的学术氛围。衷心感谢三年多来与我朝夕相处、并肩学习的同学们： 李明、刘俊、以及工程硕士班的全体同学。正是他们营造了一个温暖的集体和优 越的学习坏境，使我能够始终保持轻松愉快的心情，笑对困难，无论何时都充满 信心。 最后，我要深深感谢一直在我身后默默支持我的妻儿，没有他们的关爱和鼓 励，我不可能取得今天的成绩。 1 引言 随着工业技术的发展，企业对生产管理的智能化、现代化的要求也愈来愈迫 切，由此对电网和用电设备的保护、管理提出了更高的要求，不但要有安全可靠 的供电质量，还要求采用先进可靠的技术来实现对生产的智能控制和集中管理， 从而进一步提高企业经济效益【lj 。要实现这目标就必须对各种重要电气设备和电 力线路提供安全可靠的保护，实时获取电网和设备的运行信息，对各种用电设备 实施集中监控并对系统状况作出分析和故障预警。综合自动化变配电所控制技术 的基础是通过一个信息总线把所有馈线单元连接在一起，一般由变配电所监控系 统( s m s ) 和变电所控制保护系统( s c s ) 组成。s m s 主要处理模拟量测量值，信号以 及进行保护、计量和调整各功能的整定值，完成电网在线计算、存储、统计、分 析报表、远传和保证电能的自动监控调整工作。s c s 主要随时在线监视设备正常 运行情况下的运行参数，自检、自诊断设备是否正常运行，发现电网设备异常变 化或装置内部异常时，立即自动报警并相应地输出动作，以防止事态扩大，电网 出现事故时快速采样、判断、决策，迅速消除故障，使故障限制在最小范围内。 目前电力系统迅速发展，电网覆盖范围逐步扩大，输电电压等级不断提高， 对电力系统监视控制的可靠性、准确性、快速性、选择性等要求更高了，因此电 力自动化系统必须采用开放、分布、分散、分层的网络结构。 从目前情况看，无论是对无人值班变配电站实施监控和管理的监控中心，还 是中低电压等级的变电站，或是高压、超高压等级的变电站，都对电力自动化系 统从功能、结构、运行可靠性、使用方便性、维护简洁性、升级快速性等方面提 出了更高的要求。电网调度和变配电站实现自动化，能够为广大电力企业带来可 观的直接效益、间接效益和社会效益。要满足以上要求，就需要根据微电子技术、 计算机技术、通信技术、现场总线技术等新技术的发展，对电力自动化的需求从 各方面进行深入、细致、符合客观实际的分析，从而设计开发出系统结构合理、 技术先进、运行可靠、使用方便、通用性强的电力自动化系统。 变配电网综合自动化技术研究在世界上发达的国家开始较早，发展也较快， 其发展大致可分为三个阶段【2 】。第一阶段大约在上世纪7 0 年代，该阶段主要的目 标是能够在重要的危险段实现故障自动隔离，实现对用户自动抄表功能，并结合 配电网改造的过程，开展配电网自动化的试点工作。第二阶段大约在上世纪8 0 年 代初期，随着配电自动化系统的大量投入，营业自动化、负荷控制开始发展。但 由于当时微机处理技术水平的限制，无法形成完整的计算机网络控制系统。第三 阶段约在上世纪8 0 年代后期，由于计算机处理器水平的飞速发展和各种通信技术 水平的日益提高，分布式实时网络的出现成为可能，人们首次可以将变配电网中 单项自动化功能的装置通过微机网络连接起来，使变配电网自动化成为可能，从 而可以将变配电网中单项自动化功能的装置通过微机网络连接起来，进而使变配 电网综合自动化成为可能。从目前来看，国外尤其是西方发达国家的变配电网自 动化水平已经发展到了一个全新的高度，高性能计算机的介入使得许多复杂算法 及数据采集与分析变得简捷与轻松，变配网自动化作为一个电力自动化的重要组 成部分已经相当成熟。 国内关于变配电网自动化的观点很早就提了出来，但由于一二次设备、元器 件可靠性以及资金和计算机处理水平等多项条件的限制，因而一直以来变配电网 自动化技术的研究进展缓型3 1 。加之这是一个上世纪7 0 年代才提出的课题，认识 的时间较短，从事研究分析的人员较少，更减缓了变配电网自动化水平提高。近 几年来随着电力企业的改革步伐的不断加快我国对变配电网自动化工作的重视也 在不断提高，众多电力科研单位专拨资金和人员对该课题进行了细致的研究【4 】。许 多电力企业也在不同层次、不同规模上对变配电网自动化进行了试点，其状况及 发展过程大致如下。 1 、功能方面 ( 1 ) 电网实时监控及数据采集功能( s c a d a ) s c a d a 系统的主要功能是定期采集配电网中各厂、站的电压、电流、功率等 状态数据和开关位置信息，对数据进行处理，形成表格、曲线，使调度员能及时 掌握整个系统内的有关情况。当参数超限时，则启动报警系统发出警报，电网的 状态变化由顺序事件记录，也可进行控制操作，部分地区实现三遥( 遥控、遥测、 遥信) 的功能。 ( 2 ) 变电站自动化。 变电站内已经逐步实现了各种继电保护、自动重合闸、故障录波、故障测距、 数据采集、监视、数据传输等功能的自动化，但相对国外先进的配电网自动化技 术仍存在采样过于简单，综合能动性差，设备运行不稳定等问题。 ( 3 ) 地理信息系统 地理信息系统也有单独的静态设备管理系统逐步转向动态实时地理信息管理 系统，将s c a d a 系统和地理信息系统有机地统一起来，能够实现对设备和线路及 故障点的全方位信息反应。 ( 4 ) 通信方式多样化。由光纤、专线电缆、公用电话网、电力载波等通信方式。 2 、设备硬件方面 ( 1 ) 在计算机应用方面，已由8 位微机发展到1 6 位、3 2 位微机，甚至小型机， 部分地区已有单机运行发展到多机运行甚至到计算机网络的运行。 2 ( 2 ) 为了适应自动化的发展，配电网络的结构有些作了适当的调整，一次设备、 二次设备、也有相应的更新。 ( 3 ) 配电网自动化的故障检测、故障隔离的实现除了用传统的重合器、分段器 的方式外，部分已经通过f t u 进行故障检测，结合通信技术进行故障隔离和非故 障区段恢复供电。 以上的功能，有的已在大部分地区的供电局实现，如s c a d a 功能。有的正在 进行试点，但大部分功能相互独立，属单项自动化功能，自动化程度不高。加之 国内配电网建设的步伐一直不太均匀，网络发展慢，电力设备陈旧，线路走向复 杂，用电负荷过大等问题一直没有得以从根本上解决，所以变配电网自动化的发 展仍将是十分漫长的。 根据目前国内配电网自动化的总体水平及目前国内配电网的情况和国家电网 公司对配电网自动化系统所下达的规定和要求来看一种适应城市建设和能源需求 的配电网自动化系统应当满足以下几方面【5 】： 1 ) 能为调度员提供准确的电网信息作为事故处理、计划用电和生产统计的依 据。 2 ) 能把单项的自动化功能综合起来，形成一个在控制、保护、维修、运行等 各方面都能使用的全面管理的高度自动化系统。 3 ) 能够在每个需要的独立体系中快速运算并得出相对精确度较高的结果。 4 ) 监控系统及测量采集系统显示的数据准确，刷新速度快，实时数据处理满 足高可靠性、高实时性的要求。 5 ) 软硬件结构合理，稳定性强，生存能力强，可替换设备准备充分，互为替 代方案可行性高。 6 ) 适应社会的和日益庞大的电网的发展要求，能够在实际意义上提高劳动效 率，减少劳动强度，提高供电可靠性及供电质量。 很显然目前国内的大部分正在运行中的变配电网自动化系统无法达到或者完 全达到以上要求，因此一种变配电网自动化系统能够在城网改造和城市电力供应 缺口较大的今天，保证变配电网的安全稳定运行并能够满足日常运行过程中和故 障状态复杂数据的计算和分析成为我们课题研究的主要目的。 与传统的变配电所相比，变配电所综合自动化系统具有的优越性有：提高供 电质量，提高电压合格率；提高配电所的安全、可靠性水平；提高电力系统的运 行管理水平；缩小配电所占地面积，降低总投资；减少维护工作量，减少值班员 劳动实现减人增效，也为实现无人值守提供了条件【6 】。 目前，变电站综合自动化系统根据其技术的发展过程及系统结构特点，归纳 起来可分为三种典型类型f 7 - i 。 ( 1 ) 集中式的结构形式 系统中采用一台或若干台计算机，扩展其外围接口电路，集中采集配电所的 模拟量、开关量等信息，集中进行计算与处理，分别完成微机监控、微机保护和 自动控制等功能。它们出现在配电所自动化系统问世的初期，安装在配电所的主 控制室内。主要优点是：结构紧凑、体积小，可减少占地面积；造价低，尤其是 对3 5 k v 或规模较小的配电所更有利；实用性好；符合国情。缺点主要是：功能较 集中，出故障影响面大：组态不灵活，不利于推广；程序设计复杂，修改调试麻 烦，系统维护不方便。 ( 2 ) 分布集中式的结构形式 实质是分层分布式的多c p u 的体系结构。整个配电所的一、二次设备分为3 层：设备层、单元层和配电所层。设备层指所内变压器、断路器、隔离开关、电 流互感器、电压互感器等一次设备。单元层是由分别具有测量、控制或保护等部 件的各种不同的单元装置组成，这些独立的单元装置直接通过局域网络或串行总 线与配电所层联系。配电所层包括全所性的监控主机、远动通信机以及对应于各 单元的保护、数采和出口等功能的组屏柜。设现场总线或局域网络，供主机之间 或监控主机和单元层之间交换信息。优点主要有：分层分布式配置，模块化结构， 可靠性高；继电保护相对独立：可集中组屏，室内环境好，管理维护方便。缺点 主要是：组屏安装时需要的屏柜和信号电缆相对较多，增加了投资。比较适用于 一次设备比较集中、分布面不广的中、低压配电所，尤其适合于老配电所改造。 ( 3 ) 分层分散式的结构形式 按每个配电所电力设备为对象，集测量、保护、控制功能为一体，设计在同 一个装置机箱中。将各装置机箱分散安装在各个开关柜中，然后由监控主机通过 光纤或电缆网络对它们进行管理和交换信息。 这是当前配电所自动化系统的主要结构形式。具有就地安装、节约控制电缆、 大大缩小了控制室面积和可靠性高、组态灵活、检修方便等优点，尤其适用于电 压等级较高、一次设备分布面广的变配电站所中。 开放分布式远程配电所监控系统能充分利用信息基础设施如i n t e m e t 实现与信 息系统的融合与集成，提高系统的开放性。从监控系统使用者角度来看，要求监 控系统提供更友好的人机接口，使用多媒体化人机接口技术，提高系统的可操作 性。w e b 具有很好的集成性能和跨平台特性。因此，根据配电所自动化与信息网 络集成技术要求，w e b 技术是目前最好的一种远程监控系统构造方案，将客户端 用户程序界面在浏览器中实现，就可实现完全的免维护客户端，并将监控和维护 工作范围延伸到i n t e r n e t 上，提高工作的灵活性和效率。 鉴于目前我国电力系统发展迅速，每年变电所的新建数目都很巨大，国内电 4 力监控系统将形成一个巨大的需求市场，相应技术和市场竞争将变的越来越激烈。 因此，立足国内自主开发出适应面广，高水平，可组态，远程维护，网络化的配 电所监控系统，可以减少引进国外系统、节约大量资金，具有很好的经济效益和 社会效益，而这方面需要采用大量的先进技术，因此这项研究也具有较高的学术 价值。 本文利用最新的网络通讯技术、数据库技术和软件编程技术，针对现有的软 硬件环境条件，探索、筹划更高性能、高效益、高可靠性的变配电所自动化系统， 并设计适于无人值守变配电自动化的远程监控和维护系统，实现信息的高度共享 和交流，使各种信息能够安全、快速地送到所需要并被允许的地方，以便于工作 人员能够快速、准确，方便地掌握和控制配电所的运行情况。 以笔者参与设计的沈阳市浑南新区无人值班变配电所为例，研究了无人值班 变配电所综合自动化系统的设计方法，并分析了各种配电所自动化监控技术、图 像处理、数据库和网络应用技术，提出了基于w e b 的变配电所监控系统软件整套 方案。 1 ) 从安全经济运行和检修的实际要求出发，合理制订布置方案和选用设备， 使设计做到运行可靠、维护方便、技术先进和经济合理。 2 ) 在监控系统方面以计算机网络为硬件平台，以网络化电力专业组态软件为 工具，实现对企业供配电的设备进行统一监控。 3 ) 由s c a d a 工作站分别完成对供电系统的运行参数、开关状态的数据采集、 实时监视、故障报警以及对保护定值进行在线整定，开发基于w e b 功能的配电所 远程监控软件。 4 ) 各种实时数据与历史数据被保存在数据库服务器上，各个终端工作站或其 他服务器通过网络可以共享数据库资源，实现本机权限范围内的数据监视浏览数 据检索查询或其他信息服务。 5 2 变电所电气部分设计 2 1主变压器的选择 当变电所的所址及容量确定之后，需考虑主变压器的容量与台数。一般而言， 农村配电所可装设一台或两台主变压器，这是因为变压器台数过多，将使主接线 复杂化，既增加土建和设备投资，又不会给经济可靠运行带来多大好处，而且， 变压器的效率随其容量的增大而提高，故一般都希望增大容量而减少台数【i2 1 。变 电所的主变压器的容量应根据5 1 0 年的发展规划确定，并根据当前3 5 年的负荷 发展来确定近期单台变压器容量。若按负荷变化性质来确定变压器容量，以农业 用电为主时，配电站可配置不同容量的变压器各一台。如果采用并联运行，容量 比不宜超过3 ：l 。以工业用电为主的配电站应采用相同的容型1 3 】。 变电所位于沈阳市浑南新区。电源由沈阳一次变配出6 6 k v 北前甲乙线供电， 八条1 0 k v 出线，预留八条。承担浑南开发区工厂、区政府、学校一类负荷的供电 任务，其主要负荷统计如表2 1 。 表2 1 负荷统计表 t a b 2 1s t a t i s t i c so fl o a d 用户的计算负荷采用需用系数法进行计算，第一期考虑5 年的负荷增长率5 情况， 变电所晟大计算负荷为： 乙 如= k ( 1 + x 哟 t = l 式中：k 一同时系数，一般取o 8 5 0 9 ；工一线损率，高低压网络的综合线 损率在8 1 2 。s m 一第i 条线路的计算负荷。 通过计算，主变安装容量选为2 * 2 0 m v a 。考虑l o 年的负荷增长率5 的情 况，预留了更换2 3 1 5 m v a 安装条件。主变压器采用有载调压、低损耗三相电力 6 变压器，并能自动手动调压，也可实现远方或就地调压。 2 2电气主接线设计 电气主接线是配电所由高压电气设备通过连线组成的接收和分配电能的电 路。电气主接线根据变电所在电力系统中的地位、回路数、设备特点及负荷性质 等条件确定，并应满足运行可靠、简单灵活、操作方便、易于维护检修、利于远 方监控和节约投资等要求【i 引。 在电气主接线设计时，综合考虑以下方面： ( 1 ) 保证必要的供电可靠性和电能质量 安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠和电能质量是对主接线最基 本的要求。在设计时，除对主接线的接线形式予以定性评价外，对于比较重要的 变电所需进行定量分析和计算。我们讨论的虽属农村电网变电所，但由于担负许 多郊区工厂企业、风景名胜、及农业抗旱排涝等供电任务，因而必须满足必要的 供电可靠性。 农网规模容量的不断发展，自动化装置和先进技术的使用，都有利于提高主 接线的可靠性，但不等于设备和元件用得越多、越新、接线越复杂就越可靠。相 反，不必要的多用设备，使接线复杂，运行不便，将会导致可靠性降低。 ( 2 ) 具有一定的灵活性和方便性，并能适应远方监控的要求 主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行方式的转换。不仅正常运行 时能安全可靠地供电，而且无论在系统正常运行还是故障或设备检修时都能适应 远方监控的要求，并能灵活、简单、迅速地倒换运行方式，使停电时间最短，影 响范围最小。显然，复杂的接线不会保证操作方便，反而使误操作机率增加。但 是过于简单的接线，则不一定能满足运行方式的要求，给运行造成不便，甚至增 加不必要的停电次数和停电时间。 ( 3 ) 具有经济性 在主接线设计时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。欲使主接线可 靠、灵活，将导致投资增加。所以必须把技术与经济两者综合考虑，在满足供电 可靠、运行灵活方便的基础上，尽量使设备投资费用和运行费用为最少。 ( 4 ) 具有发展和扩建的可能性 随着经济建设的高速发展，己投产的变电所往往需要扩建，从主变压器的容 量、数量到馈电线路数均有扩建的可能，有的甚至需要升压，所以在设计主接线 时应留有发展余地，不仅要考虑最终接线的实现，同时还要兼顾到分期过渡接线 的可能和施工的方便。 7 由于该变电所担负许多工厂企业、政府机关等一类负荷的供电任务，因而必 须满足必要的供电可靠性。同时为运行灵活方便，主接线在满足功能要求的条件 下简化设计，如图2 1 所示。 6 6 k v 由2 回输电线的分支线接入变电所，采用双t 接线，采用双线路双变压 器组接线方式，正常时双线，双变压器分列运行【l5 1 。同时，在双变6 6 k v 母线上设 联络高压开关，一回线检修时可由另一回线带双变运行。变电所l o k v 侧本期出线 8 回，预留8 回，全部为电缆出线。由于馈电线路较多，负荷较为重要，因此采用 单母线分段变电所电气部分设计带旁路接线方式。单母线分段带旁母接线的可靠 性和灵活性高于单母线系列其他接线方式，检修出线断路器可不中断供电。本设 计中，若没有一类负荷，也可采用单电源进线，高压侧单母线、低压侧单母线分 段不带旁路的主接线方式。 图2 1 主接线示意图 f i g 2 1f i g u r eo fm a i nw i r ec o n n e c t i o n 2 3高压电气设备的选择 变电所高压电气设备分为以下4 种【1 5 】： ( 1 ) 变换电能的设备，如主变压器、所用变压器、补偿电容器等。 ( 2 ) 接通或断开电路的开关设备，如断路器、自动重合器、隔离开关等。 ( 3 ) 限制短路电流或过电压的设备，如电抗器、避雷器等 ( 4 ) 测量和监察设备，如电流互感器、电压互感器等。 8 2 3 1电气设备的选择方法与校验 ( 1 ) 按正常工作条件选择【1 6 1 8 1 1 ) 额定电压。所选电气设备的最高允许工作电压，不得低于装设回路的最高运 行电压。 2 ) 额定电流。所选电气设备的额定电流l ，不得小于装设回路的最大持续工作 电流k 。，即满足l k 。计算回路的最大持续工作电流乙。时，应考虑该回路 在各种运行方式下的持续工作电流，选用其最大者。对于断路器、隔离开关、电 抗器等，由于没有连续过载能力，在它们各部分的最高允许发热温度不超过规定 值的情况下，当这些设备使用在环境温度高于+ 4 0 ，低于+ 6 0 时，环境温度每 增加1 ，额定电流减少1 8 。当使用在环境温度低于+ 4 0 时，环境温度每降低 l ，额定电流增加0 5 ，但其最大负荷不得超过额定电流的1 2 0 。 ( 2 ) 按短路状态校验 1 ) 热稳定校验。当短路电流通过被选择的电气设备时，其热效应不应超过允许 值，即满足 幺q ，或q 厶。t 式中q 一短路电流的热效应； 绋一电气设备允许的热效应； 厶一设备给定的4 s 内允许的热稳定电流( 有效值) 。 。短路电流持续时间t ，应为继电保护动作时间t a “，与断路器全分闸时间乞之和， 即t = 乙。，+ t o 。( 其中f r o 为断路器固有分闸时间与灭弧时间之和) 。 。 校验电气设备热稳定时，其短路持续时间一般采用后备保护动作时间加断路 器全分闸时间。 2 ) 动稳定校验。被选择的电气设备通过可能产生的最大短路电流时，不应因短 路电流的电动力效应而造成变形或损坏，即应满足屯或厶l ( 和l 分别 为三相短路冲击电流的幅值和有效值) 。 用熔断器保护的电气设备可不校验热稳定。 2 3 2 短路电流计算 校验电气设备的短路动稳定和热稳定时，所用的短路电流电源容量应按具体 工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划。计算短路电流时短 路计算点的选择，应使所选择的电气设备通过可能产生的最大短路电流。 本变电所与上级变电所电气连接图如图2 2 所示，等值网络的计算过程如下： 9 图2 2 系统接线示意图 f i g 2 2f i g u r eo fs y s t e mw i r ec o n n e c t i o n 选取= 1 0 0 m v a = ，计算各元件参数的标么值 系统：上级变压器= 0 0 4 5 上级线路= o 0 1 8 变压器：而= 螋1 0 0 s , = 而9 x 丽1 0 0 = 。2 8 6 并列运行下：= 0 2 8 5 7 + 2 = 0 1 4 3 进线路：h = _ 磊= 0 4 x 2 0 x 1 。0 - 粤。0 = 0 1 8 4 并列运行下：x b b = 0 1 8 3 6 + 2 = 0 0 9 2 出线路：x x = x l 诱s 2 1 2 = 。4 5 x1 1 。0 5 0 f 2 l 8 1 4 x x = x l 西s t = 0 4 x 8 x 1 1 。0 5 0 。= 2 9 。2 x x = x i s ! ，= 0 4 x l o x 。1 u 0 黑) 0 2 = 3 6 2 8 ( l = 5 k m ) ( l = 8 k m ) ( l = l o k m ) 北前变 2x 3 1 5 删 6 6 k g l l k v 本研究中系统的等值阻抗图如图2 3 ，线路及变压器标么阻抗如图中所示。 对于无限容量系统，三相短路周期分量的计算过程如下： i 。z ： x 1 z ， i z = i z 1 1 = 工 工1 z k 1 点短路下，双线分列运行的合成阻抗为： 墨= o 0 1 7 4 7 + 0 0 4 5 + 0 1 8 3 6 = 0 2 4 6 1 0 图2 3 等值阻抗图 f i g 2 3f i g u r eo fe q u i v a l e n ti m p e d a n c e 短路电流的有效值为： ，：0 9 1 6 ：3 7 2 0 ( k a ) 0 2 4 6 双线并列运行的合成阻抗为： 王= 0 0 1 7 4 7 + 0 0 4 5 + 0 0 9 1 8 = 0 1 5 4 短路电流的有效值为： ，：0 9 1 6 ：5 9 5 0 ( k a ) 0 1 5 4 k 2 点短路下，双线分列运行的合成阻抗为： 置= 0 0 1 7 4 7 + 0 0 4 5 + 0 1 8 3 6 + 0 2 8 5 7 = o 5 3 2 短路电流的有效值为： ，：旦：1 0 4 0 0 ( k a ) 0 5 3 2 双线并列运行的合成阻抗为： 置= 0 0 1 7 4 7 + 0 0 4 5 + 0 0 9 1 8 + 0 1 4 2 8 5 = 0 2 9 7 短路电流的有效值为： ，：三旦：1 8 5 1 0 ( k a ) 0 2 9 7 l k 3 点短路下，双线分列运行的合成阻抗为： t = o 6 3 2 + 1 8 1 4 = 2 3 4 6 短路电流的有效值为： ，：旦：2 3 4 4 ( k a ) 2 3 4 6 双线并列运行的合成阻抗为： t = 0 2 9 7 + 1 8 1 4 = 2 1 1 1 1 0 短路电流的有效值为： ，：旦：2 6 0 5 ( k a ) 2 111 一般系统冲击电流的瞬时值乙= 2 s s j r z 计算结果如表2 2 。 表2 2 计算结果 t i b 2 2r e s u l to fc a l c u l a t i o n 2 3 3 电气设备的选择 2 3 3 1 新型高压电器【1 9 1 高压电器传统的绝缘、灭弧介质是绝缘油。由于油具有好的绝缘和灭弧性能， 来源广泛，价格便宜，易于处理，因此充油高压电器在电力系统长期占居主导地 位。油的最大弱点是可燃性。一但发生绝缘损坏或开断容量过载，电弧不能熄灭 时，即可造成喷油爆炸事故。这样不但会造成停电，而且危及人身和财产的安全。 这种事故在国内外屡见不鲜。因此，7 0 年代，发达国家开始提出高压电器的无油 化问题。目前，高压开关的主要特点是高可靠性、免维护、智能化、无油化等。 高压开关中的主要产品为断路器：封闭式组合电器( g i s ) ，因其体积小、占地少、 不受环境影响、少维护、可靠性高的特点，成为城市电网改造的热门产品，电压 等级为1 2 6 k v - 5 5 0 k v ：s f 6 断路器，是替代油断路器的无油化产品，还具有维修周 期长的优点，在1 10 k v 级以上断路器中占有绝对优势：真空断路器是高压开关行业 中量大面广的产品，也具有无油化和维修周期长的特点，电压等级1 2 k v 和4 0 5 k v 。 在1 2 k v 等级，真空断路器发展很快。 1 2 在般无人值守变电所的设计中，7 2 4 0 5 k v 电压等级多选用真空断路器， 7 2 5 k v 及以上电压等级以s f 6 断路器为主，考虑选用s f 6 开关设备应配备必要的 气体检测和处理设备，而近年来，我国在中压等级的真空断路器设计及制造上的 飞跃，因此在本次设计中采用了国产7 2 5 k v 真空断路裂2 0 1 。 2 3 3 2 断路器的选择 断路器、隔离开关的选择，应满足长期工作电压、最大长期工作电流和故障 情况下的动、热稳定要求。 6 6 k v 侧断路器的选择如下： ( 1 ) 按正常工作条件选择： 以6 6 k v l l 觑：1 0 5 s e i ( 1 + ! - 6 0 一) ：4 6 7 3 5 彳 i 涮芝l d i = 1 8 5 1 k a 选择z ，- 7 2 5 型户外高压真空断路器，其参数如下 额定电额定 额定 额定短 额定额定额定 全开 厶 型号绝缘路开断 峰值短时短路 断时 口 压 电流耐受耐受持续数 水平电流间 电流电流时间 z w 3 s - 7 2 57 2 5 k v1 6 0 0 a 1 8 5 k v3 1 5 k a 8 0 k a8 0 k a4 s 0 0 9 s2 ( 2 ) 校验热稳定、动稳定 l 2 t = ( 3 1 5 ) 2 4 = 3 9 6 9 l 2 t a 2 = ( 1 8 5 1 ) 2 1 8 = 6 1 6 7 2 ：i ? t 1 0 t d 2 满足热稳定校验 = 8 0 k a = 1 5 1 7 k a 满足动稳定校验 变压器1 0 k v 侧断路器的选择如下： ( 1 ) 正常工作条件选择： 玑l o k v l k = 警- 1 9 4 蚴 匕l l = 1 8 5 1 k a 选择z n 2 s 1 2 型高压真空断路器，其参数如下： 额定额定 额定额定短 额定额定 额定 型号绝缘路开断 峰值短时短路 全开 厶 口 电压电流耐受 耐受持续 断时 水平电流间 数 电流电流时间 z n 舶一1 2 1 2 k v2 0 0 0 a3 0 k v3 1 5 k a8 0 k a8 0 k a4 s0 0 9 s1 6 ( 2 ) 校验热稳定、动稳定 2 t = ( 3 1 5 ) 2x 4 = 3 9 6 9 l 2 乙2 = ( 5 9 5 ) 2 1 8 = 6 3 7 2 ：i ? t 1 0 t d 2 满足热稳定校验 = 8 0 k 4 = 4 7 2 0 k a 满足动稳定校验 1 0 k v 侧分段断路器的选择与变压器低压侧断路器的选择方法相同，出线断路 器以负荷最大的一条支路进行选择，步骤同上。 变电所高、低压侧隔离开关的选择步骤与上面相同。 2 3 3 3 电压互感器的选择 电压互感器是二次回路中供测量和保护用的电压源，通过它能正确反映系统 电压的运行状况。其作用一是将一次侧的高电压改变成二次侧的低电压，使测量 仪表和保护装置标准化、小型化，便于监视、安装和维护，二是使二次低压回路 与高压一次系统隔离，保证了工作人员的安全【2 1 乏3 1 。 电压互感器根据电气二次测量、计量、保护要求及准确级选择，其中计量选 择o 2 级，测量及保护选择1 3 级。按照满足二次设备消耗的功率选择伏安数。 本设计中作为电力部门收费的依据，在每台主变压器的高压侧及每条l o k v 出 线均装设了双向多功能电度表，可同时计量正、反向有功电度，正、反向无功电 度。根据计量需要，高低压侧均选择准确度等级为0 2 级的电压互感器。 ( 1 ) 6 6 k v 侧电压互感器的选择： 1 ) 按额定电压选择 q 6 6 k v 选择j d c f 6 6 w 型电压互感器，其参数如下 额定电压准确 额定容 型号一次电压保护二次量二次 二次 厶 口 测量二次 级保护数 测量 j d c f 一6 6 w6 6 压k v1 0 0 压v1 0 0 括v 0 21 0 0 v a2 5 0 v a6 1 4 2 ) 二次设备电压互感器 变电所二次测量采用r c s 9 6 0 1 测控装置，采用二表法测量，可获得频率、有 功功率、无功功率、功率因素、电压、电流、有功电度值、无功电度等值。电压 功耗 0 5 v a 相。保护采用r c s 9 0 0 0 系列保护装置，其电压功耗同样满足 o 5 v a 相。因此所选电压互感器完全满足要求。 ( 2 ) 10 k v 侧电压互感器的选择如下： 1 ) 按额定电压选择 虬l o k v 选择j d z j 1 0 型电压互感器，其参数如下 额定电压准确 额定容 二次 厶 型号一次电压 保护二次 量二次 口 测量二次级保护数 测量 l d z j 。1 01 0 压k v1 0 0 压v1 0 0 压v 0 21 0 0 v h2 5 0 v a6 2 ) 二次设备电压互感器 变电所二次测量采用r c s 9 6 0 1 测控装置，采用二表法测量，可获得频率；有 功功率；无功功率；功率因素；电压；电流；有功电度值；无功电度等值。电压 功耗 = 1 5 1 7 k a 满足动稳定校验 ( 2 ) 低压侧电流互感器的选择： 1 按正常工作条件选择： 以l o k v l 乙，= 1 9 4 0 a t 选择l z z b j 9