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本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：电力系统实时监控设计电力系统实时监控设计摘 要随着我国电力系统网络大规模改造，电网的规模飞速发展，对整个供电过程进行有效的实时监控，是保证供电可靠性和连续性的重要手段。本文针对某110KV降压变电站负荷情况以及进、出线数目进行详细分析，根据供电可靠，运行灵活，经济性好的要求，确定其电气主接线方案。在此基础上，利用目前国内流行的力控组态软件，主要设计了一个110KV变电站实时监控平台，实现“四遥”(遥测、遥信、遥调、遥控)，实现曲线自动生成，以及实时数据显示、历史数据查询、报警记录功能等。关键词：电力系统；力控5.0；变电站；实时监控Design of power system real-time monitoring AbstractWith large-scale transformation of Chinas electric power system network, power grids, the size of the rapid development of the whole supply process for effective real-time monitoring is to ensure supply reliability and continuity of an important means. In this paper, a 110KV substation step-down load as well as into, a detailed analysis of the number of outlet, according to supply reliable, flexible operation and a good economy requirements, determine the main electrical wiring program. On this basis, using the strength of the domestic epidemic control configuration software, the main design of a 110KV substation real-time monitoring platform, achieving four remote (telemetry, remote, remote adjustment, remote control), and curve automatically generated, and real-time data, historical data query, alarm recording functions. Key words: Power system; power control5.0; substation; real-time monitoring目 录摘 要IAbstract1第一章 绪 论51.1 电力系统实时监控的背景和意义51.1.1 电力系统实时监控的背景51.1.2 电力系统实时监控的意义61.2 电力系统实时监控的发展趋势及前景71.3 本课题研究的主要问题111.4 研究的目的和意义111.5 本章小结12第二章 110KV变电站电气主接线的设计及主要电气设备的选择132.1 110KV变电站电气主接线设计132.1.1 电气主接线设计的基本要求132.1.2 110KV变电站电气主接线方案设计152.2 110KV变电站主要电气设备的选择202.2.1 主要电气设备的选择原则202.2.2 110KV变电站主要电气设备的选择222.3 110KV变电站短路电流的计算242.3.1 短路电流的基本类型242.3.2 短路电流计算的目的242.3.3 短路电流的计算252.4 本章小结28第三章 110KV变电站实时监控系统软件结构分析及实现技术303.1 110KV变电站实时监控系统软件结构分析303.1.1 电力系统实时监控软件概况303.1.2 力控组态软件简介303.1.3 力控组态软件的数据流343.1.4 电力系统实时监控软件实现的功能343.2 基于力控组态软件的110KV变电站实时监控系统363.2.1 图形对象的创建363.2.2 变量定义423.2.3 动画连接443.2.4 动作脚本473.2.5 动作脚本语言493.3 本章小结49第四章 110KV变电站实时监控系统设计504.1 110KV变电站系统软件界面504.2 110KV变电站系统管理504.3 监控画面514.3.1 110KV变电站监控系统图514.3.2 110KV变电站监控及运行管理系统主功能选单534.4 立体棒图控件544.5 数据报表544.5.1 历史报表554.5.2 万能报表574.6 分析曲线584.7 报警记录624.8 本章小结64第五章 总结与展望65参考文献66致 谢67附录A68附录B70附录C71第一章 绪 论1.1 电力系统实时监控的背景和意义1.1.1 电力系统实时监控的背景在最初形成电力系统的时候，系统调度员无法及时地了解和监视各个电厂或线路运行情况，更谈不上对各电厂和输电网络进行直接管理控制。线路的潮流、各节点电各厂各机组的出力以及出力的分配是否合理等情况，调度员都不能及时掌握。调度系统内各厂站的唯一联系就是电话。调度员需根据情况汇总和分析，花费很长的时间只能掌握电力系统运行状态的有限信息。严格说来，这些信息已经属于“历史”了。调度员只能根据事前通过大量人工手算得到的各种系统运行方式，结合这些有限的“历史”性信息，加上个人的经验，选择一种运行方式，再用电话通知各厂站值班人员进行调整控制。一旦发生事故，也只能电话了解跳了哪些断路器，停了哪些线路，事故现场情况及事故损失情况，然后凭经验进行事故处理。这就需要较长的时间才能恢复正常运。显然，这种落后的状态与电力系统在国民经济发展中所占的重要地位是很不相称的，必须用现代化技术装备调度中心，以适应电力系统的发展需要【1】。电力系统自动化的最初阶段，是布线逻辑式远动技术的采用。这种远动技术安装于各厂站的远动装置采集各机组出力、各线路潮流和各母线电压等实时数据，各断路器等开关的实时状态，然后通过远动通道传给调度中心并直接显示在调度台的仪表和系统模拟屏上。调度员可以随时看到这些运行参数和系统运行方式，还可以立刻知道断路器的事故跳闸(模拟屏上相应的图形闪光)。这种方式的采用给调度中心提供实时的信息，可以有效地对电力系统的运行状态进行实时的监视。远动技术还进一步提供了远方控制的手段，采用这些手段，可以在调度中心直接对某些开关进行合闸和断开的操作，对发电机组的出力进行调节。远动装置已经成为调度中心非常重要的工具，是电力系统调度自动化的重要基础。电力系统自动化的第二个发展阶段，是电子计算机在电力系统调度工作中的应用。数字计算机用来实现电力系统的经济调度，取得了显著的效果。但是，在20世纪60年代中期，美国、加拿大和其它一些国家的电力系统曾相继发生了大面积停电事故，在全世界引起很大震动。人们开始认识到安全问题比经济调度更重要，一次大面积停电事故给国民经济造成的损失，远远超过许多年的节煤效益。因此，计算机系统应首先与电力系统的安全监视和控制。这样，就出现了SCADA系统，出现了AGC/EDC以及电力系统安全分析等许多功能，调度中心装备了大型数字计算机，或者超级小型机系统，设置了彩色屏幕显示器(CRT)等人机联系手段，在厂站端则配备基于微机的远方终端(RTU)，使调度中心得到的信息的数量和质量(可靠度和精度)都大大超过了旧式布线逻辑式远动装置。在SCADA系统基础上，又发展为包括许多高级功能的能量管理系统EMS，并研制出可以模拟电力系统各种事故状态，用以培训调度员的“调度员仿真培训系统”，这样电力系统实时监控已初步形成【1】【2】。1.1.2 电力系统实时监控的意义随着社会经济发展、生产自动化程度的提高、劳动力的解放和生活质量的改善，大量电能驱动设备投入到生产、生活中，人们对电力的依赖程度越来越高。供电的可靠性、连续性已经成为整个社会关心的重要问题之一。由于供电系统具有产生和消费同时发生的特殊性，对整个供电过程进行有效的监控，是保证供电可靠性和连续性的重要手段。面对纵横交织的电网分布、日益复杂的电力设施、时刻变化的电网信息、不断变迁的城市道路与建筑,尤其是电网中许多与空间位置有关的数据,如何在需要的时候迅速准确地提供完整的信息,也就是如何将各种图形、地图、数据属性信息统一管理并达到共享，所有这些问题的解决都依赖于电力系统的实时监控。电力系统中有很多需要监测的参数，将采集到的实时信息引入监控系统，可以提高我们向用户提供的信息量，丰富监控系统的内容，这对于监控系统来说同样具有重要的意义【3】。现代电力系统的运行控制，有其特殊性，各种发电、变电、输电配电和用电设备，遵循着一定的规律，有条不紊地运行着。各个环节环环相接、严密和谐，不能有半点差错。电力系统的用电负荷时时刻刻都在变化着，发电及其它供电环节必须实时跟踪用电负荷的变化，不断进行控制和调整。电力设备在年复一年、日复一日地连续运转，由于存在人为的操作、自然界的影响、设备自身的缘故等原因，使得电力设备随时都有发生故障的可能。而电力系统一旦发生事故，就会在瞬间影响到电力系统的运行，甚至产生严重危害，因此必须及时地发现和排除可能出现的事故隐患。所以现代电力系统必须要有一个强有力的，拥有多种现代化控制、管理手段，能够保证电力系统安全经济运行的指挥控制中心，电力系统实时监控在电力系统调度中起着“眼睛”的作用，为了使电网正常运行，调度员必须针对不同情况作出合理的决策，而决策所需要的大量信息都是来自于监测系统【4】。1.2 本课题研究的主要问题本文首先设计了该110KV变电站的电气主接线方案，确定主变压器以及主要电气设备的选择。再从110KV变电站对实时监控系统的要求出发，使用力控组态软件设计一套适用于该变电站的实时监控系统。系统要求能准确显示变电站各个系统的运行状态和站内所用电气设备的动作状态，以及电气设备发生故障时的报警显示等。本设计的工作内容包括：(1) 通过对110kV、35 kV和10kV负荷情况以及进、出线数目的详细分析，确定110kV侧、35 kV侧和10kV侧的主接线方式。(2) 根据对变电站35KV、10kV侧负荷的特殊性的分析以及容量的计算，确定变电站主变压器的方案，并对变电站的一次系统进行短路电流计算，根据结果进行变电站一次系统主要电气设备的选择。(3) 使用力控组态软件，为该110KV变电站监控系统设计方便灵活的实时监视控制用户界面。(4) 监控系统实现“四遥”(遥测、遥信、遥调、遥控)，实现曲线自动生成，以及实时数据显示、历史数据查询、报警记录功能等。1.3 研究的目的和意义为了监视电力系统运行情况，优化配电网运行方式，并尽可能减少停电面积和缩短停电时间，必须能够采集配电网上的实时数据(即遥测和遥信)，并对其进行分析，从而使调度员能够随时监视网上运行情况和正确的决策。此外，还要求能够通过遥控和遥调在控制中心就能对配电网进行必要的操作，从而缩短故障处理时间和降低劳动强度。课题的研究意义有【8】【9】:(1)在电力网正常运行情况下，通过监视电力运行情况，优化配电网运行方式；(2)当电网发生故障或异常运行时，迅速查出故障区段及异常情况，快速隔离故障区段，及时恢复非故障区域用户的供电，缩短对用户的停电时间，减少停电面积;(3)根据电网电压合理控制无功负荷和电压水平，改善供电质量，达到经济运行目的;(4)合理控制用电负荷，从而提高设备利用率等。1.4 本章小结变电站综合自动化是电力系统发展的必然趋势。电力实时监控系统采用了先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术等对变电站的运行情况进行监控，降低了系统的故障频率，减少了运行成本，提高了电力系统的供配电质量。数字视频监控技术作为电力实时监控系统的一种发展趋势，必将在未来的监控工程中展现其独特的魅力。第二章 110KV变电站电气主接线的设计及主要电气设备的选择2.1 110KV变电站电气主接线设计2.1.1 电气主接线设计的基本要求电气主接线是变电站电气设计的首要部分，也是构成电力系统的重要环节。电气主接线的设计原则首先满足电力系统的安全运行与经济调度的要求，然后根据规划容量、供电负荷、电力系统短路容量、线路回路数以及电气设备特点等条件确定，并具有相应的可靠性、灵活性和经济性。主接线设计是一个综合性问题，必须结合电力系统和发电厂或变电所的具体情况，全面分析有关因素，正确处理它们之间的关系，经过技术，经济比较，合理地选择主接线方案【10】【11】。对电气主接线的基本要求，概括地说包括可靠性、灵活性和经济性三个方面。一、可靠性对发电厂、变电站的主接线的可靠性的要求程度，与其在电力系统的地位和作用有关，而地位和作用则是由其容量、电压等级、符合大小和类别等因素决定。1、在电力系统中，按重要性的不同将负荷分为三类。（1）类负荷。对这一级负荷中断供电，将造成人身事故，设备损坏，将产生废品，使生产秩序长期不能恢复，人民生活发生混乱等。类负荷的供电要求是：任何时间都不能停电。（2）类负荷。对这一级负荷中断供电，将造成大量减产，使人民生活受到影响等。类负荷的供电要求是：仅在必要时可短时（几分钟到几十分钟）停电。（3）类负荷。、类负荷以外的其它负荷均为类负荷。类负荷停电不会造成大的影响，必要时可长时间停电。2、主接线可靠性的具体要求（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，以及母线或母线隔离开关检修时，尽量减少停运出线和停运时间，并保证对、类负荷的供电。（3）尽量避免发电厂或变电站全所停运的可能性二、灵活性1、调度灵活，操作方便。应能灵活地投入或切除机组、变压器或线路，灵活地调配电源和负荷，满足系统在正常、事故、检修及特殊方式下的要求。2、检修安全。应能方便地停运线路，断路器、母线及继电保护设备，进行安全检修而不影响系统的正常运行及用户的供电要求。需要注意的是过于简单的接线，可能满足不了运行方式的要求，给运行带来不便，甚至增加不必要的停电次数和时间；而过于复杂的接线，则不仅增加投资，而且会增加操作步骤，给操作带来不便，并增加误操作的机率。3、扩建方便。随着电力事业的发展，往往需要对已投运的发电厂和变电所进行扩建，从发电机、变压器直至馈线数均有扩建可能。所以，在设计主接线时，应留有余地，应能容易地从初期过渡到最终接线，使在扩建时一、二次设备所需的改造最少。三、经济性1、可靠性和灵活性是主接线设计中在设计方面的要求，它与经济性之间往往发生矛盾，即欲使主接线可靠、灵活，将可能导致投资增加。所以，两者必须综合考虑，满足技术要求的前提下，做到经济合理。2、投资省。主接线应该简单清晰，以节省断路器、隔离开关等一次设备投资；应适当限制短路电流，以便选取轻型电气设备；对110kV及以下的终端或分支变电站，应推广采用直降式110/(6-10)kV变电站和质量可靠的简易电器（如熔断器）代替断路器；应使控制、保护方式不过于复杂，以利于运行并节省二次设备和电缆的投资。3、年运行费用小。年运行费包括电能损耗费、折旧费及大修费，日常小修维护费。其中电能损耗主要有变压器引起，因此，要合理地选择主变压器的型式、容量、台数及避免两次变压而增加电能损耗；后两项决定于工程综合投资。4、占地面积小。主接线的设计要为配电装置的布置创造条件，以便节约用地和节省构架、导线、绝缘子及安装费用。在运输条件许可的地方都应采取三相变压器。2.1.2 110KV变电站电气主接线方案设计1、110KV侧电气主接线方案设计由于该变电站属于地区变电所，有两路110kV进线，两路110kV馈出线，另外，还要进行110/35、110/10kV的变电。所以，经过技术分析，现在确定下来两个可行的110kV的电气主接线方案。如图 2.1、2.2 所示： 图2.1 单母线分两段接线 图2.2 双母线接线经过上述分析，由于110kV上的进出线一共六回，对110kV的母线来说，属于进出线比较多的方案。方案一简单清晰、投资少，而且也能够基本满足供电可靠性的要求。方案二的接线比较复杂，投资大、占地多。经过综合性的考虑，选用图2.1单母线分段的接线方式作为110kV的电气主接线方式。2、35KV侧电气主接线方案设计电压等级为35kV60kV，出线为48回，可采用单母线分段接线，也可采用双母线接线。为保证线路检修时不中断对用户的供电，采用单母线分段接线和双母线接线时，可增设旁路母线。但由于设置旁路母线的条件所限（35kV60kV出线多为双回路，有可能停电检修断路器，且检修时间短，约为23天。）所以，35kV60kV采用双母线接线时，不宜设置旁路母线，有条件时可设置旁路隔离开关。据上述分析、组合，筛选出以下两种方案。如下图2.3、2.4所示：图2.3 单母线分段带旁母接线图2.4 双母线接线对图2.3及图2.4所示方案、综合比较。见表2-1表2-1 主接线方案比较项目 方案方案单方案双技术简单清晰、操作方便、易于发展可靠性、灵活性差旁路断路器还可以代替出线断路器，进行不停电检修出线断路器，保证重要用户供电 供电可靠 调度灵活 扩建方便 便于试验 易误操作经济设备少、投资小用母线分段断路器兼作旁路断路器节省投资 设备多、配电装置复杂 投资和占地面大经比较两种方案都具有易扩建这一特性。虽然方案可靠性、灵活性不如方案，但其具有良好的经济性。鉴于此电压等级不高，可选用投资小的方案。3、10KV侧电气主接线方案设计610kV配电装置出线回路数目为6回及以上时，可采用单母线分段接线。而双母线接线一般用于引出线和电源较多，输送和穿越功率较大，要求可靠性和灵活性较高的场合。上述两种方案如图2.5及图2.6所示。图2.5 单母线分段接线 图2.6 双母线接线对图2.5及图2.6所示方案、综合比较，见表2-2表2-2 主接线方案比较项目 方案方案单分方案双技术 不会造成全所停电 调度灵活 保证对重要用户的供电 任一断路器检修，该回路必须停止工作供电可靠调度灵活扩建方便便于试验易误操作经济 占地少 设备少设备多、配电装置复杂投资和占地面大经过综合比较方案在经济性上比方案好，且调度灵活也可保证供电的可靠性。所以选用方案。综上所述，该110KV变电站的电气主接线设计方案如下图2.7所示：图2.7 110KV变电站主接线图2.2 110KV变电站主要电气设备的选择2.2.1 主要电气设备的选择原则由于各种电气设备的具体工作条件并不完全相同，所以，它们的具体选择方法也不完全相同，但基本要求是相同的。即，要保证电气设备可靠工作，必须按正常工作条件选择，并按短路情况校验其热稳定和动稳定【11】。一、按正常条件选择1、按额定电压选择电气设备的额定电压就是其铭牌上标出的线电压，另外还规定有允许最高电压。由于电力系统负荷的变化、调压以及接线方式的改变而引起功率分布和网络阻抗变化等原因，往往使得电网某些部分的实际运行电压高于电网电压的额定电压，因此，所选电气设备的允许最高工作电压不得低于所在电网的最高运行电压。2、按额定电流选择电气设备的额定电流是指在额定环境条件下，电气设备的长期允许电流。我国规定电气设备的一般额定环境为：额定环境温度，裸导体和电缆的为25；断路器、隔离开关、穿墙套管、电流互感器、电抗器等电器的为40；无日照；海拔高度不超过1000m。3、选择设备的种类和型式按电气设备的装设地点，使用条件，检修和运行等要求，对设备进行种类(户内或户外型电气)和型式选择。二、按短路情况校验1、按短路电流的计算条件（1）容量和接线 （2）短路类型 （3）短路点计算2、短路时间计算检验电气设备的热稳定和开断能力，必须合理地确定短路电流计算。（1）校验热稳定的短路时间计算。（2）校验开断电器开断能力的短路时间计算。开断电器应能在最严重的情况下开断短路电流。3、热稳定和动稳定校验（1）热稳定校验。热稳定校验就是要求所选的电气设备能承受短路电流所产生的热效应，在短路电流通过时，电气设备各部分的温度(或发热效应)应不超过允许值。（2）动稳定校验。动稳定就是要求电气设备能承受的短路冲击电流所产生的电动力效应。电动力稳定是导体和电器承受短时电流机械效应的能力，称动稳定。（3）下列几种情况下可以不校验热稳定或动稳定用熔断器保护的电器，其热稳定有熔断器时间保证，故可以不校验热稳定；支柱绝缘子不流过电流，不用校验热稳定。用限流熔断器保护的设备，可不校验动稳定；电缆由于有足够的强度，可不校验动稳定。电压互感器及装设在其回路中的裸导体和电器，可不校验动热稳定。4、绝缘水平在工作电压的作用下，电器的内外绝缘应保证必要的可靠性。接口的绝缘水平应按电网中出现的各种过电压和保护设备相应的保护水平来确定。由于变压器短时过载能力很大，双回路出线的工作电流变化幅度也较大，故其计算工作电流应根据实际需要确定。高压电器没有明确的过载能力，所以在选择其额定电流时，应满足各种可能方式下回路持续工作电流的要求【11【12】【13】。第三章 110KV变电站实时监控系统软件结构分析及实现技术3.1 110KV变电站实时监控系统软件结构分析电力系统实时监控是保证供电的电能质量（频率和电压），保证系统运行的安全可靠，提高经济效益和管理效能的有效手段。组态软件作为一种集监测、控制、管理为一体的系统开发工具，为电网的管控一体化需求提供了完整、可靠的解决方案。第四章 110KV变电站实时监控系统设计4.1 110KV变电站系统软件界面本实时监控系统软件采用了力控5.0来进行系统上层监控软件开发。该监控软件充分发挥组态软件强大的图形化控制管理功能，提供基于图形化的中文人机界面。在常规的单线图主接线外，系统所有控制操作和运行参数浏览均可由对应的图形化界面完成。系统相关画面结构如图4.1:图4.1系统画面结构图4.2 110KV变电站系统管理安全保护是应用系统不可忽视的问题，对于监控系统这种有不同类型的用户共同使用的大型复杂应用，必须解决好授权与安全性的问题，系统必须能够依据用户的使用权限允许或禁止其对系统进行操作。在力控组态软件中一般分四级权限管理，由低到高分别为:操作工级、班长级、工程师级、系统管理员级。分别拥有各自的登陆密码，每次登录均自动存储时间和相应的操作记录。系统管理员拥有最权限，可以创建用户和组的账号、分配用户使用程序和程序功能的权限等。一旦节点有安全保护，操作人员必须访问登录程序，输入姓名和密码。在登录后，操作人员才能访问权限允许范围内的内容。如下图4.2所示：图4.2 用户管理4.3 监控画面4.3.1 110KV变电站监控系统图在变电站监控中心主要显示监测网段主接线潮流分布图，在此图上动态地展示线路的运行情况。各进线回路旁可显示电流、电压、有功功率或用户要求的其他参数;所有具备遥控条件的开关可由授权人员用鼠标实现分合闸操作，真正的实现电力系统的实时监控。图4.3为110KV变电站监控及运行管理系统主窗口：图4.3 110KV变电站监控及运行管理系统主窗口在电力系统运行过程中，由于运行方式的调整、线路的检修或保护操作等情况的出现，就要求操作人员有对某些开关或断路器进行远程操控的能力。本设计中，操作人员可通过单击图中所示断路器控制遥控操作画面，用鼠标点击就可轻松地完成断路器、隔离开关的通断，实现真正的遥控功能。遥控信息如下图4.4所示：图4.4 遥控信息一览表在监控系统中，为了清楚的观察到采集并传送电力系统中继电保护的动作信息、断路器的状态信息，设置了遥信信息一览表，如图4.5所示：图4.5 遥信信息一览表通过上图，我们可以清晰的看到电力系统在运行过程中各开关站的实时通断信息，及时掌握系统的运行状况。第五章 总结与展望电力系统实时监控系统，促进了无人值班变电站的实现，可以利用远动技术使电网调度迅速而准确地获得变电站运行的实时信息，完整地掌握变电站的实时运行状态，及时发现变电站运行的故障并做出相应的决策和处理，同时可以使值班管理人员根据变配电系统的运行情况进行负荷分析、合理调度、远控分闸、躲峰填谷，把握安全控制、事故处理的主动性，减少和避免误操作、误判断，缩短事故停电时间，实现对变配电系统的现代化运行管理。本文在阅读大量参考文献的基础之上，首先简明扼要地阐述了现代电力系统实时监控的背景和意义，并分析了组态软件的发展概况，着重介绍了力控组态软件。其次，以某110KV降压变电站为例，根据其规划容量、供电负荷、线路回路数以及电气设备特点等条件完成主接线部分设计。最后重点对该变电站实时监控系统部分进行设计，主要包括软件界面、报表系统、曲线系统、报警记录等。电力系统实时监控系统具有可靠性高、抗干扰能力强、实时性好及维护简单等特点。随着计算机技术的迅速发展，变配电站的计算机化进程越来越快，变配电所实时监控及无人值守已成为当今电气自动化领域的发展趋势。参考文献1. 张永健. 电网监控与调度自动化M，中国电力出版社，20022. 李健 现代电力系统计算机监控与远程控制技术，北京：当代中国音像出版社 ，2006-12-313. 孟祥忠等. 电力系统自动化M，中国林业出版社，20034. 周杰娜 主编. 现代电力系统调度自动化(32)，重庆：重庆大学出版社，2002.10.015. 商国才 编著.电力系统自动化，天津：天津大学出版社，1999.06.016. 王士政 编著.电力系统控制与调度自动化，北京：中国电力出版社，2008.03.017. 国家电力调度通信中心.电力系统监控新技术应用与安全防护指导手册，北京：中国电力出版社，2008.03. 8. 杨新民 主编.电力系统综合自动化/电厂及变电站电气运