数字化变电站改造.docx

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数字化变电站改造

本科毕业论文（设计）

论文（设计）题目：

常规变电站F数字化改造方案

学院：

明德学院

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电自10152

学号：

102003110261

学生姓名：

杨华

指导教师：

卢志刚

2014年5月28日

贵州大学本科毕业论文（设计）

诚信责任书

本人郑重声明：

本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。

毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

特此声明。

论文（设计）作者签名：

日期：

目录

目录Ⅰ

摘要Ⅱ

ABSTRCATⅢ

第一章常规变电站概述1

1.1110KV配电装置1

1.235KV配电装置2

1.310KV配电装置3

第二章变电站综合自动化系统综述7

2.1变电站综合自动化的主要功能及信息量7

2.1.1测量监视控制功能7

2.1.2继电保护功能8

2.1.3自动控制功能8

2.1.4远动与数据通信功能9

2.2变电站综合自动化微机系统的结构原理9

2.2.1模拟量输入输出回路10

2.2.2开关量输入输出回路10

2.2.3微型计算机系统10

2.2.4人机对话接口回路11

2.2.5通信回路11

2.2.6电源11

2.3变电站综合自动化系统的硬件结构形式12

2.3.1集中式综合自动化系统12

2.3.2分层分布式结构集中式组屏综合自动化系统13

2.4输电线路的保护与测控子系统13

第三章数字变电站主要技术特征和架构体系13

3.1新技术对变电站自动化系统发展的影响13

3.1.1非常规变压器13

3.1.2IEC61850标准14

3.1.3网络通信技术14

3.1.4智能断路器技术14

3.2数字变电站的主要技术特征15

3.2.1数据采集数字化15

3.2.2系统分层分布化15

3.2.3系统结构紧凑化15

3.2.4系统建模标准化16

3.2.5信息交互网络化16

3.2.6信息应用集成化16

3.2.7设备检修状态化17

3.2.8设备操作智能化17

3.3数字化变电站的结构体系17

3.3.1基本结构17

3.3.2变电站二次回路通信模式18

3.3.3过程总线的组网方式19

3.3.4变电站总线的组网方式19

3.3.5系统的冗余性19

3.4.1一、二次系统实现有效的电气隔离20

3.4.2信息交互采取对等通信模式20

3.4.3信息同步采取网络同步机制20

3.4.4系统的可观性和可控性提高21

3.4.5信息的安全性问题凸现21

第四章常规变电站数字化改造方案综述21

4.1常规变电站自动化系统技术和经济的局限性21

4.1.1二次设备之间存在互操作性问题21

4.1.2传统电流、电压互感器的问题21

4.1.3二次电缆对系统可靠性的影响22

4.1.4设备选择的限制造成成本和加大22

4.2改造后数字化变电站的特点和优势22

4.3数字化变电站技术扩展的方向23

4.4常规变电站数字化改造的技术途径23

4.4.1采用IEC61850标准23

4.4.2应用智能操作箱24

4.4.3模拟量分散采样24

4.4.4集中式处理24

4.4.5改造途径的优点24

第五章常规变电站F数字化改造方案25

5.1变电站现状及改造内容25

5.1.1变电站现状25

5.1.2本期改造内容26

5.2改造方案设计29

5.2.1设计原则29

5.2.2监控范围29

5.2.3系统构成29

5.2.4网络结构30

5.2.5系统功能31

5.3设备配置32

5.3.1站控层设备配置32

5.3.2间隔层设备配置35

5.3.3过程层设备配置38

5.3.4网络设备配置41

5.3.5与其他设备接口42

5.4元件保护42

5.4.1元件继电保护及自动装置42

5.4.235kV、10kV线路继电保护及自动装置配置43

小结44

致谢47

附图48

摘要

数字化变电站在我国尚处于起步阶段,借鉴国内外数字化改造的成功经验,采用基于IEC61850数字化信息网络,对基于此数字化变电站的关键技术和设备的应用分析，提出了系统实施方案。

通过改造,达到了简化了二次回路,减少了自动化设备数量,节约投资,提高变电站自动化的整体可靠性;利用新型互感器技术,提高保护正确动作率;采用统一建模技术和通信接口,方便了设备的升级维护,以利于变电站的扩建。

关键词：

IEC61850标准，改造方案

ABSTRCAT

Digitalsubstationintheearlystageinourcountry,drawlessonsfromthesuccessfulexperienceofdomesticandforeigndigitaltransformation,basedonIEC61850digitalinformationnetworks,basedonthekeytechnologyofthedigitalsubstationequipmentandapplicationanalysis,putsforwardsystemimplementationplan.Throughtransforming,tosimplifythesecondaryloop,reducedthenumberofautomationequipment,saveinvestmentandimprovetheoverallreliabilityofthesubstationautomation;Usingthenewtypeoftransformertechnology,improvetheoperationrateofprotectionofright;Usingtheunifiedmodelingtechnologyandthecommunicationinterface,convenienttoupgradeequipmentmaintenance,tofacilitatetheexpansionofsubstation.

Keywords:

IEC61850digitalinformationnetwork，Thekeytechnologyandequipment，Systemimplementationplan

第一章常规变电站概述

1.1110KV配电装置

110KV配电装置有进线间隔、电压互感器间隔、母线分段间隔。

其中进线间隔由隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等元件组成；电压互感器间隔由电压互感器、户外式隔离开关、避雷器等元件组成；母线分段间隔由断路器、隔离开关、电流互感器等元件组成。

各元件的作用如下：

1.电流互感器

在发电、变电、输电、配电和用电的线路中电流大小悬殊，从几安到几万安都有。

为便于测量、保护和控制需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压一般都比较高如直接测量是非常危险的。

电流互感器就起到电流变换和电气隔离作用。

根据电流互感器在额定工作条件下所产生的变比误差规定了准确等级。

准确级是指在规定的二次负荷变化范围内，一次电流为额定值时的最大电流误差的百分值。

国产电流互感器的准确等级有：

0.01;0.02;0.05;0.1;0.2;0.5;1;3;10级。

按照国家标准《电流互感器》GB1208-75规定，电力系统用电流互感器的误差限值。

2.电压互感器

把高电压按比例关系变换成低电压，供保护、计量、仪表装置使用。

同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。

电压互感器虽然也是按照电磁感应原理工作的设备，但它的电磁结构关系与电流互感器相比正好相反。

电压互感器二次回路是高阻抗回路，二次电流的大小由回路的阻抗决定。

当二次负载阻抗减小时，二次电流增大，使得一次电流自动增大一个分量来满足一、二次侧之间的电磁平衡关系。

可以说，电压互感器是一个被限定结构和使用形式的特殊变压器。

简单的说就是“检测元件”。

电压互感器分测量用互感器和保护用互感器测量用互感器准确度等级：

0.1、0.2、0.5、1.0和3.0五个等级分别表示电压误差正负0.1%到3.0%保护用互感器准确度等级：

3P和6P两个等级分别表示电压误差正负3%和6% 

3.避雷器

避雷器的作用是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一个电器。

4.隔离开关

倒闸操作。

利用与母线连接的隔离开关，在不中断用户供电条件下可将供电线路从一组母线供电切换到另一组母线上供电。

5.断路器

在正常运行时接通或断开电路，故障情况在继电保护装置的作用下迅速断开电路

情况下可靠地接通或短路电流。

1.235KV配电装置

35KV配电装置有出线间隔、电压互感器间隔、线路间隔。

其中出线间隔由.断路器、电流互感器、避雷器、接地开关等元件组成；电压互感器间隔由电压互感器、.熔断器、避雷器等元件组成；线路间隔由真空断路器、避雷器、接地开关等元件组成。

各元件的作用如下；

1.断路器

　　是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置

2.避雷器

避雷器的作用是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一个电器。

.

3.接地开关

a.代替携带型地线，在高压设备和线路检修时将设备接地，保护人身安全。

b.造成人为接地，满足保护要求。

c.接地开关配置在断路器两侧隔离开关旁边，起到断路器检修时两侧接地的作用。

4.电流互感器

在发电、变电、输电、配电和用电的线路中电流大小悬殊，从几安到几万安都有。

为便于测量、保护和控制需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压一般都比较高如直接测量是非常危险的。

电流互感器就起到电流变换和电气隔离作用。

根据电流互感器在额定工作条件下所产生的变比误差规定了准确等级。

准确级是指在规定的二次负荷变化范围内，一次电流为额定值时的最大电流误差的百分值。

国产电流互感器的准确等级有：

0.01;0.02;0.05;0.1;0.2;0.5;1;3;10级。

按照国家标准《电流互感器》GB1208-75规定，电力系统用电流互感器的误差限值。

5.电压互感器

把高电压按比例关系变换成低电压，供保护、计量、仪表装置使用。

同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。

电压互感器虽然也是按照电磁感应原理工作的设备，但它的电磁结构关系与电流互感器相比正好相反。

电压互感器二次回路是高阻抗回路，二次电流的大小由回路的阻抗决定。

当二次负载阻抗减小时，二次电流增大，使得一次电流自动增大一个分量来满足一、二次侧之间的电磁平衡关系。

可以说，电压互感器是一个被限定结构和使用形式的特殊变压器。

简单的说就是“检测元件”。

电压互感器分测量用互感器和保护用互感器测量用互感器准确度等级：

0.1、0.2、0.5、1.0和3.0五个等级分别表示电压误差正负0.1%到3.0%保护用互感器准确度等级：

3P和6P两个等级分别表示电压误差正负3%和6% 

6.熔断器

熔断器是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。

7.避雷器

避雷器的作用是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一个电器。

8.真空断路器

　　是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置

1.310KV配电装置

10KV配电装置有站用变间隔、出线间隔、线路间隔、电容器间隔、电压互感器间隔、母线分段间隔。

其中站用变间隔由限流式高压熔断器、单相变压器等元件组成；出线间隔由电流互感器、避雷器、.真空断路器等元件组成；线路间隔由真空断路器、避雷器、接地开关、零序电流互感器等元件组成；电容器间隔由真空断路器、电流互感器、避雷器、接地开关、电缆、电抗器、消弧线圈等元件组成；电压互感器间隔由电压互感器、避雷器、熔断器等元件组成；母线分段间隔由真空断路器、避雷器、接地开关、电流互感器等元件组成。

各元件的作用如下：

1.限流式高压熔断器

熔断器是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。

2.单相变压器

单相变压器的应用在我国，单相变压器与单相供电技术一直在发展，早在20世纪50年代末就向国外出口过单相变压器。

这些年来，科学技术的发展促进了单相变压器的发展，卷铁芯、非晶铁芯技术在单相变压器上应用，可大大减少变压器的铁芯损耗。

根据分析，当城乡电网改造到一定程度后，网损中的线路损失占的份额将大大降低，配电变压器的空载损耗将占网损的主要地位。

只有大幅度降低铁芯损耗，才能有望进一步降低电网的电能损耗。

因此，卷铁芯、非晶铁芯单相变压器具有巨大的发展潜力。

当前，三相变压器与三相集中供电制仍居主导地位，单相变压器与单相供电制只是其补充。

在变压器的实际应用上，我们应充分利用三相变压器与单相变压器各自优势与特点，根据用电负荷情况选用适合的变压器品种，以经济供电半径配置电源

3.电流互感器

根据电流互感器在额定工作条件下所产生的变比误差规定了准确等级。

准确级是指在规定的二次负荷变化范围内，一次电流为额定值时的最大电流误差的百分值。

国产电流互感器的准确等级有：

0.01;0.02;0.05;0.1;0.2;0.5;1;3;10级。

按照国家标准《电流互感器》GB1208-75规定，电力系统用电流互感器的误差限值。

带S的是特殊电流互感器，要求在1%-120%负荷范围内精度足够高，一般取5个负荷点测量其误差小于规定的范围;0.1级以上电流互感器，主要用于实验室进行精密测量，或者作为标准，用来校验低等级的互感器，也可以与标准仪表配合，用来校验仪表，所以叫做标准电流互感器;在工业上，0.2级和0.5级互感器用来连接电器测量仪表，要求误差20%-120%负荷范围内精度足够高，一般取4个负荷点测量其误差小于规定的范围（误差包括比差和角差，因为电流是矢量，故要求大小和相角差），而3.0级及以下等级互感器主要用于连接某些继电保护装置和控制设备，如5P，10P的电流互感器一般用于接继电器保护用，即要求在短路电流下复合误差小于一定的值，5P即小于5%，10P即小于10%;标有B（或D）级的电流互感器，用来接差动保护和距离保护装置。

所以电流互感器根据用途规定了不同的准确度，也就是不同电流范围内的误差精度。

保护用电流互感器按其功能特性分级如下：

保护用电流互感器按用途分为稳态保护用（P）和暂态保护用（TP）

P级：

准确限值规定为稳态对称一次电流下的复合误差，无剩磁限值。

5P20表示在加20倍额定电流的情况下，误差小等于5%  

暂态保护用电流互感器准确级分为TPX、TPY、TPZ三个级别。

TPS 级：

低漏磁电流互感器，其性能由二次励磁特性和匝数比误差限值规定。

无剩磁限值。

TPX级：

准确限值规定为在指定的暂态工作循环中的峰值瞬时误差。

无剩磁限值。

TPX级电流互感器环形铁芯中不带气隙，在额定电流和负载下，其电流误差不大于±0.5% 

TPY级：

准确限值规定为在指定的暂态工作循环中的峰值瞬时误差。

剩磁不超过饱和磁通的10%。

级电流互感器铁芯带有小气隙，气隙长度约为磁路平均长度的0.05%，由于气隙使铁芯不易饱和，有利于直流分量的快速衰减，在额定负荷下允许最大电流误差为±1%。

 TPZ级：

准确限值规定了为在指定的二次回路时间常数下，具有最大直流偏移的单次通电时的峰值瞬时交流分量误差。

无直流分量误差限值要求，剩磁通实际上可以忽略。

TPZ级电流互感器铁芯心有较大气隙，气隙长度约为磁路平均长度的0.1%，由于铁芯气隙较大一般不易饱和，特别适合于有快速重合闸（无电流时间间隙不大于0.3s）线路上使用。

测量用单相电磁式电压互感器的标准准确级为：

0.1，0.2，0.5，1.0，3.0，5.0;  

保护用电压互感器的标准准确级为：

3P和6P，电压误差分别是3%和6%。

测量用电流互感器：

在测量交变电流的大电流时，为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流（中国规定电流互感器的二次额定为5A或1A），

4.真空断路器

断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置

5.接地开关

a.代替携带型地线，在高压设备和线路检修时将设备接地，保护人身安全。

b.造成人为接地，满足保护要求。

c.接地开关配置在断路器两侧隔离开关旁边，起到断路器检修时两侧接地的作用。

6.零序电流互感器

　　当电路中发生触电或漏电故障时，互感器二次侧输出零序电流，使所接二次线路上的设备保护动作（切断电源,报警等等）。

7.避雷器

避雷器的作用是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一个电器。

.

分类；避雷器分为很多种，有金属氧化物避雷器，线路型金属氧化物避雷器，无间隙线路型金属氧化物避雷器，全绝缘复合外套金属氧化物避雷器，可卸式避雷器。

8.电缆

电线电缆的主要功能就是传输电能、信号和实现电磁转换，传输电力的如电力电缆、架空线等，传输信号的如同轴电缆，实现电磁转换的如漆包线。

绝缘电线按固定在一起的相互绝缘的导线根数，可分为单芯线和多芯线，多芯线也可把多根单芯线固定在一个绝缘护套内。

同一护套内的多芯线可多到24芯。

平行的多芯线用B表示，绞型的多芯线用“S”表示。

绝缘电线又可按每根导线的股数分为单股线和多股线，通常6平方毫米以上的绝缘电线都是多股线，6平方毫米及以下的绝缘电线可以是单股线，也可以是多股线，我们又把6平方毫米及以下单股线称为硬线，多股线称为软线。

硬线用“B”表示，软线用“R”电线常用的绝缘材料有聚氯乙烯和聚乙烯两种，聚氯乙烯用“V”表示，聚乙烯用“Y”表示。

 了解了上述内容，就可很方便看出电线型号的含义，如下所示。

  聚氯乙烯绝缘电缆（电线）适用于交流及直流日用电器、电信设备、动力和照明线路固定敷设。

9.消弧线圈

消弧线圈的作用是当电网发生单相接地故障后,提供一电感电流,补偿接地电容电流,使接地电流减小,也使得故障相接地电弧两端的恢复电压速度降低,达到熄灭电弧的目的。

10.电抗器

 电力网中所采用的电抗器，实质上是一个无导磁材料的空心线圈。

它可以根据需要，布置为垂直、水平和品字形三种装配形式。

在电力系统发生短路时，会产生数值很大的短路电流。

如果不加以限制，要保持电气设备的动态稳定和热稳定是非常困难的。

因此，为了满足某些断路器遮断容量的要求，常在出线断路器处串联电抗器，增大短路阻抗，限制短路电流。

11.熔断器

熔断器是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。

第二章变电站综合自动化系统综述

变电站自动化是应用控制技术、信息处理和通信技术，利用计算机软件和硬件系统或自动装置代替人工进行各种运行作业，提高变电站运行、管理水平的一种自动化系统。

变电站自动化的范畴包括综合自动化技术、远动技术、继电保护技术及变电站其他智能技术等。

2.1变电站综合自动化的主要功能及信息量

2.1.1测量监视控制功能

（1）实时数据采集与处理

1.模拟量的采集。

变电站采集的典型模拟量有:

各段母线电压;线路电流、电压和功率值;馈线电流、电压和功率值;主变压器电流、功率值;电容器的电流、无功功率及频率、相位、功率因数。

2.状态量的采集。

变电站的状态量有:

断路器的状态、隔离开关状态、有载调压变压器分接头的位置、同期检查状态、继电保护动作信号、运行告警信号等。

3.脉冲量的采集。

变电站采集的典型脉冲量是脉冲电能表输出的电能量数字量的采集。

数字量的采集主要是指采集变电站内由计算机构成的保护或自动装置的信息。

（2）运行监视

所谓运行监视，主要是指对变电站的运行工况和设备状态进行自动监视，即对变电站各种状态量变位情况的监视和各种模拟量的数值监视通过状态量变位监视，可监视变电站各种断路器、隔离开关、接地开关、变压器分接头的位置和动作情况、继电保护和自动装置的动作情况以及它们的动作顺序等。

（3）控制与安全操作闭锁

操作人员可通过CRT屏幕对断路器、隔离开关进行分闸、合闸操作;对变压器分接头进行调节控制;对电容器组进行投、切控制，同时要能接受遥控操作命令，进行远方操作;并且所有的操作控制均能就地和远方控制、就地和远方切换相互闭锁，自动和手动相互闭锁操作管理权限按分层〔级）原理管理。

监控系统设有专用密码的操作口令，使调度员、遥调、遥信操作员、系统维护员和一般人员能够按权限分层（级）操作和控制。

（4）故障录波与测距

110kV及以上的重要愉电线路距离长、发生故障影响大，当输电线路故障时必须尽快查出故障点，以便缩短维修时间，尽快恢复供电，减少损失。

设置故障录波和故障测距是解决此问题的最好途径。

变电站的故障录波和测距可采用两种方法实现:

①由微机保护装置兼作故障记录和测距，再将记录和测距的结果送监控机存储及打印输出或直接送调度主站，这种方法可节约投资，减少硬件设备，但故障记录的量有限;②采用专用的微机故障录波器，并且录波器应具有串行通信功能，可以与监控系统通信。

2.1.2继电保护功能

变电站综合自动化系统中的微机继电保护主要包括输电线路保护、电力变压器保护、母线保护、电容器保护、小电流接地系统自动选线、自动重合闸。

由于继电保护的特殊重要性，综合自动化系统绝不能降低继电保护的可靠性。

2.1.3自动控制功能

变电站综合自动化系统必须具有保证安全、可靠供电和提高电能质量的自动控制功能。

为此，典型的变电站综合自动化系统都配置了相应的自动控制装置，如电压、无功综合控制装置、低频率减负荷控制装置、备用电源自投控制装置、小电流接地选线装置等

（1）电压、无功综合控制

变电站电压、无功综合控制是利用有载调压变压器和母线无功补偿电容器及电抗器进行局部的电压及无功补偿的自动调节，使负荷侧母线电压偏差在规定范围以内。

在调度（控制）中心直接控制时，变压器的分接头开关调整和电容器组的投切直接接受远方控制，当调度（控制）中心给定电压曲线或无功曲线的情况下，则由变电站综合自动化系统就地进行控制。

（2）低频减负荷控制

当电力系统因事故导致有功功率缺额而引起系统频率下降时，低频减负荷装置应能及时自动断开一部分负荷，防止频率进一步降低，以保证电力系统稳定运行和重要负荷（用户）的正常工作。

当系统频率恢复到正常值之后，被切除的负荷可逐步远方〔或就地）手动恢复或可选择延时分级自动恢复

（3）备用电源自投控制

当工作电源因故障不能供电时，自动装置应能迅速将备用电源自动投人使用或将用户切换到备用电源上去。

典型的备用自投有单母线进线备投、分段断路器备投、变压器备投、进线及桥路器备投、旁跳断路器备投。

（4）小电流接地选线控制

小电流接地系统中发生单相接地时，接地保护应能