变电站设计方案.docx

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变电站设计方案

35KV智能变电站设计方案

摘要

保障能源安全和应对气候变化是世界各国共同面临的重大课题。

近年来，世界主要发达国家相继开展了智能电网相关研究工作，国内外智能电网技术快速发展并得到广泛应用，电网向智能化方向发展已成为必然趋势。

对电网智能化发展的关键——智能变电站的建设，进而提出了35kV智能化变电站的优化设计方案，对智能化电网的建设具有一定的指导作用。

本文首先分析了智能变电站的基本原理，以及对应的特征和构成特点，提出智能变电站设计的关键因素，然后分析了智能变电站主要一次设备的构成、特点，其次说明了智能变电站二次系统构成的一些因素，根据上面的研究，智能变电站的设计是很复杂的问题，也是整个智能电网建设的关键部分，对智能电网运行产生一定的影响。

关键词：

智能电网、智能设备、智能组件、设计方案

ABSTRACT

Ensuringenergysecurityandclimatechangeisasignificanttaskfacedbycountriesaroundtheworldtogether.Inrecentyears，theworld'smajordevelopedcountrieshavecarriedoutthesmartgridrelatedresearchwork，thesmartgridtechnologyrapiddevelopmentandwidelyusedathomeandabroad，thepowergridtotheintelligentdirectionhasbecomeaninevitabletrend.Forthekeytothedevelopmentofintelligentpowergrid，theconstructionofintelligentsubstation，andthenputsforwardtheoptimizeddesignschemeofintelligent35kvtransformersubstations，theintelligentpowergridconstructionhasacertainguidingrole.

Thisarticlefirstanalyzesthebasicprincipleofintelligentsubstation，andthecorrespondingcharacteristicsandcompositioncharacteristics，thekeyfactorsforthedesignofintelligentsubstation，thenanalyzedthecompositionandcharacteristicsofintelligentsubstationmainequipmentonce，thenillustratestheintelligentsubstationsecondarysystemconsistingofsomefactors，accordingtotheaboveresearch，thedesignofintelligentsubstationisaverycomplicatedproblem，isalsothekeypartofthesmartgridconstruction，acertaininfluenceonthesmartgridoperation.

Keywords:

Thesmartgrid，smartdevices，intelligentcomponents，designscheme

目录

目录3

第一章绪论5

1.1选题的背景及意义5

1.2国内外智能电网发展概述5

第二章智能变电站介绍7

2.1智能变电站的构成7

2.1.1智能变电站的特征及功能7

2.1.2智能变电站特点7

2.2智能变电站设计的关键因素8

2.3IEC61850标准及其特点9

2.4本章小结9

第三章智能变电站的一次设备设计10

3.1引言10

3.2智能一次设备的构架与组成10

3.2.1智能一次设备的构架10

3.2.2传感器10

3.2.3智能组件10

3.3电子式互感器与数字采样技术11

3.3.1电子式电流互感器12

3.3.2电子式电压互感器12

3.3.3电子式互感器的技术优点12

3.4一次设备状态监测13

3.4.1在线监测13

3.4.2离线检测14

3.5本章小结14

第四章智能变电站二次系统设计16

4.1智能变电站一体化信息平台16

4.1.1一体化信息平台介绍16

4.1.2一体化信息平台特点16

4.2智能变电站二次系统16

4.2.1时间同步系统17

4.2.2交直流一体化电源17

4.2.3辅助系统18

4.3本章小结18

第五章未来与展望19

5.1结论19

5.2展望19

第六章总结20

参考文献21

致谢22

第一章绪论

1.1选题的背景及意义

当前我国的经济发展迅速，社会对能源的需求也越来越高，能源的稳定性对整个社会的稳定以及社会的发展和繁荣起着重要的作用，随着当前经济的不断提升，经济的安全与发展受到各个地区的关注。

特别是进入到21世纪以来，全球环境发生的明显改变，能源越来越短缺，经济发展遇到了前所未有的瓶颈，上面的因素都是制约电力行业发展所要面临的一些问题，因此电力工业被赋予的极其重要的社会责任，为了更好的履行职责，发展智能电网是当前电力工业发展趋势，也是必然选择。

我国自改革开放以来，社会保持高速发展，社会用电总量持续增加，在冬季和夏季的高峰期时间段，有的地点不得不采取拉闸限电的方式进行电力调节。

历史和经验告诉我们，电力建设必须要先于经济发展的步伐，如果电力发展滞后，就会对整个经济的发展产生重要影响，其次，我国各种自然资源主要集中在西北地区和西南地区，但是用电负荷主要集中在沿海经济发达的省份，因此建设特高压进行输电建设是必然途径，通过特高压输电网络，能够缓解各个地区的负荷不平衡，尽管上述的输电方式较为先进，但是面临了很多工程难题以及技术难关，从而为电网的稳定运行带来了极大的挑战。

此外各种电力电子装置的广泛使用，使电网的复杂度进一步提升，对电力系统的安全稳定运行提出的更高要求。

正是在这样的背景下，各个国家都在开展智能电网的发展和研究，向智能化方向转变，而智能变电站设计是其中的一个重要环节，该环节的设计合理与否，对整个电网产生重要影响，加快特高压电网的建设步伐，能够快速的实现我国电网的跨越式发展，有效的实现互动、经济、高效、清洁的现代化电网，为实现经济的又好又快发展提供强大的支撑。

1.2国内外智能电网发展概述

智能电网发展过程中，主要有6个环节，分别为1、发电，2、线路，3、变电，4、配电，5、用电，5、调度，建设智能变电站是其中的一个目标。

美国最先进行智能电网的建设，最早是进行电力基础设置战略防护提出的这个智能电网概念，在2003年，美国的相关研究机构组建了世界上第一个智能电网的框架结构，后续又成了相关的研究项目以及国家能源技术实验室，有专门的研究机构设计智能电网。

在2008年终，美国的科罗拉多州的波尔得城市，率先成为了美国的一个智能电网城市，此后，很多的电气巨头都与美国共同开发智能电网，此后美国政府公布想相关的投资计划，社会各界开始对智能电网的开发和建设工作。

在欧洲，他们的电网运行形式与美国不同，对智能电网的研究主要针对分布式能源方面以及可再生能源的利用方向，通过对新能源的开发利用，从而带动整个社会的发展。

目前，日本东京的一个电力公司电网被世界上认为是最接近智能电网运行的网络，值得其他国家的相关技术人员进行分析和研究。

此外，随着科技发展和信息化水平的提高，智能家具、电动汽车、智能电网、智能交通、智能建筑等等都是未来的发展方向。

正是社会各方面的不断推进，需要我们加快发展智能电网，从而满足社会各界对能源的需求，才能够满足对客户提供更多个性化、多样化、互动化的需求，从而进一步提高服务水平和质量。

我国虽然对智能电网的研究步伐稍晚，但是我国对相关的技术领域进行了深入的研究，当前我们很多领域以及达到世界领先水平，特别是特高压建设和输电等诸多领域，在配电领域智能化的应用研究也在稳步推进。

此外中国很多的电气研究院，如中国电气科学研究院等单位承担了国家制定的973计划，从而提高大型互联网的运行可靠性，为发展智能型电力系统动态调度和有效的调控提高保障，此外通过上面的研发还能够为智能电网的运行控制提供很好的发展平台。

智能电网发展的核心组成环节就是智能变电站，因此深入的开发研究智能变电站，解决各项技术面临的挑战和困难，从而保障整个智能电网的研究，为我国智能电网发展奠定良好基础。

第二章智能变电站介绍

2.1智能变电站的构成

智能变电站是坚强智能电网建设中实现能源转换和控制的核心平台之一，是智能电网的重要组成部分，它是衔接智能电网发电、输电、变电、配电、用电和调度六大环节的关键，同时也是实现风能、太阳能等新能源接入电网的重要支撑。

2.1.1智能变电站的特征及功能

智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。

智能变电站作为屯力网络的节点，同常规变电站一样连接线路、输送电能，担负着变换电压等级、汇集电流、分配电能、控制电能流向、调整电压等功能。

与此同时，智能变电站能够完成比常规变电站范围更宽、层次更深、结构更复杂的信息采集和信息处理，变电站内、站与调度、站与站之间、站与大用户和分布式能源的互动能力更强，信息的交换和融合更方便快捷，控制手段更灵活可靠。

智能变电站具有全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化和高级应用互动化等主要功能：

（1）实现信息数字化。

全站信息数字化指实现一次、二次设备的灵活控制，且具备双向通信功能，能够通过信息网进行管理，满足全站信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化。

（2）实现通信平台网络化。

变电站可根据实际需要灵活选择网络拓扑结构，利用冗余技术提高系统可靠性;互感器的采样数据可通过过程层网络同时发送至测控、保护、故障录波及相角测量等装置，进而实现了数据共享;利用光缆代替电缆可大大减少变电站内二次回路的连接线数量，从而也提高了系统的可靠性。

（3）实现信息共享标准化。

信息共享标准化指形成基于同一断面的唯一性、一致性基础信息，统一标准化信息模型，通过统一标准、统一建模来实现变电站内外的信息交互和信息共享。

（4）实现高级应用互动化。

高级应用互动化指实现各种变电站内/外高级应用系统相关对象的互动，全面满足智能电网运行、控制要求。

2.1.2智能变电站特点

智能变电站釆用先进技术与设备，强调优化系统结构与功能，其根本是服务于应用，从业务需求出发，把技术问题、经济问题、管理问题统筹考虑，实现对三态数据（稳态数据、暂态数据、动态数据）的统一采集和处理，从而提高智能电网对全景信息的感知能力，提高高级应用的深度和广度，实现自动化、互动化的目标。

为更好地实现与支持表1-3中所述智能变电站功能，智能变电站在结构上更加侧重于物理集成与逻辑集成。

一方面在系统的层面，物理集成真正体现了面向对象、功能自治的思想，有利于提高间隔功能的可靠性，降低运行和维护费用;另一方面，电力系统本质是一个互联的系统，仅依靠单间隔、局部信息是难以在系统层面优化保护与控制功能的。

为此，智能变电站同时强调逻辑集成，以构成面向系统的应用，实现就地、区域和全局功能的协调，支持具有在线决策、协同互动特征的各种高级应用。

智能变电站与常规变电站的结构差异如图1-1所示。

与常规变电站相比，智能变电通过设备或系统的物理集成，为逻辑功能集成提供了载体，进而能够更好地支持高级应用的实现。

2.2智能变电站设计的关键因素

智能变电站与其他设计的变电站存在一定的相似地方，因此在智能变电站设计的过程中，可以借鉴常规变电站的设计方案，特别是一次设备的选择方面，选型和配置是极其重要的。

在智能变电站中，电子式互感器、交换机、智能终端、状态监测系统等等都会对变电站电能传输方式以及其他表现形式产生一定的影响，此外还应当设计智能变电站二次系统的相关功能，是变电站的二次系统的各项功能能够更好的融合到一起，相互渗透，从而能够更好的把握设计的关键点设计部分。

智能变电站主要具备以下几个特征，1、结构紧凑，2、功能集成，3、信息数字，4、状态可视。

正是由于智能变电站的上面几个要求，从而使得该类型的变电站易维护、升级、改造、和扩展。

从而能够实现智能电网集约化、网络化、智能化等更多更高级的自动化水平，从而完成设备的在线监测和维修、事故异常进行分析判断、一体化五防、对整体的程序进行控制以及对系统进行整体联锁。

上面的相关方案能够充分体现了智能变电站数字化设计的理念和方式，因此设计时只需根据相关的国家要求设计即可，从而满足三道防线要求和三级安全的标准，但是为了保障系统运行的稳定和安全，仍然需要在以下几个方面要特别注意：

（1）一次设备智能化。

当前一次设备智能化水平不断提高，先后出现了智能开关器件、电子式互感器器件、合并单元等机电一体化相关设备，上面的相关因素给变电站的发展提供了很好的基础平台。

（2）二次设备网络化。

二次设备主要针对光电式互感器进行应用发展，也是一次设备和其他通讯设备的需要。

主要分为三个结构部分：

1、间隔层，2、站控层，3、过程层。

通过互联互操作的步骤，从而实现数据的共享终端，当前设计的首要原则就是保障稳定和可靠性，从而靠网络能够真实实现资源的共享业务。

（3）运行管理系统自动化。

系统的自动化水平一般包括全自动运行、运行数据的自动记录，当设备发生故障之后，能够及时的提供故障检测报告，从而有效分析故障原因，从而提供解决方案。

（4）IEC61850标准规约的应用。

上述标准主要针对一次、二次设备信息为智能研究对象，然后通过高速以太网为基础。

从而实现智能信息的建设，按照国际标准进行建设，不仅规范了相关继电保护设备的通讯接口，还能够很好的解决不同接口之间数据交换的困难。

2.3IEC61850标准及其特点

智能变电站建立在IEC61850标准之上，主要的技术特点是一次设备智能化，二次设备网络化。

IEC61850是国际电工委员会（IEC）TC57工作组制定的《变电站通信网络和系统》系列标准，是基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标准。

IEC61850规范了数据的命名、数据定义、设备行为、设备的自描述特征和通用配置语言，可以非常方便的实现不同智能电气设备相互之间的信息共享和互操作。

IEC61850不仅规范了以往变电站二次设备——如保护装置、测控装置的模型和通信接口，而且还定义了一次设备如电子式CT、PT、智能化开关等一次设备的模型和通信接口。

实际生产中，综合自动化站通信规约各厂家不同，再加上解析规约时，又各有理解，导致站内各厂家通信困难，联调经常需要较长时间，且每次增加间隔时，新上设备需与前期厂家联调，受制于原厂家，不仅不利于规模招标，而且使二次装置通用性差。

与以往规约不同，IEC61850不仅仅是一个单纯的通信规约，而且是智能变电站自动化系统的标准，指导了变电站自动化系统的设计、研发、制造、工程、维护等各个环节。

它不仅仅可以满足不断前进的通信技术的发展革新与复杂多变的变电站自动化应用功能，可以对变电站自动化系统的通信能力进行科学的评估，更重要的方面，它满足了变电站应用功能的分布式实现和组合应用，真正意义上支持了变电站自动化相关设备的互操作，建立了完整的支持体系，对该体系作出了严格的规定，不再仅仅是一个传统的通信协议。

2.4本章小结

本章主要介绍了目前智能电网的发展现状及研究背景，并阐述了智能变电站的基本原理，分析了智能变电站技术特征和构成特点，以及设计的关键因素，介绍了IEC61850标准及其特点。

第三章智能变电站的一次设备设计

3.1引言

智能电网的重要组成部分就是智能变电站一次设备的设计，经过多年的分析研究，逐渐形成了我国关于智能变电站一次设备的相关理论，即智能一次设备是一次设备与相关传感器及智能电子设备的有机结合体，是具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化特征的一次设备，也是一次设备智能化技术的具体体现。

从上面的总体来讲，可以将一次设备智能化设计后，不仅对整个控制技术进行了革新，同时测量技术水平也在提高，对整个变电站的规划设计和电网稳定运行以及其他方面的发展都会产生一定的影响。

3.2智能一次设备的构架与组成

3.2.1智能一次设备的构架

此处将智能一次设备分为三个方面进行分析研究：

（1）一次设备，指的就是一次设备本体。

（2）传感器，一般将传感器放置在设备上，有些传感器也架设到其他的设备之上，此外有些传感器还包含其他设备，如执行器等相关器件。

（3）智能组件，主要为一次设备提供相关的测量服务。

能够有效的进行测量、控制、实时监测、保护等，传感器与一次设备形成一个完整的整体，能够实现控制、计量、测量、保护等功能。

3.2.2传感器

将一次设备进行智能化升级过程中，首要解决的问题就是能够较为准确的获得设备的相关信息，而要完成这样的任务与传感器植入或接入存在密切的联系。

传感器将一次设备的相关信息转化为一次设备中相关智能化器件可处理的信息，然后进行分析，其中的环节当中，自检测功能是最重要的功能。

接入的传感器，必须能够在灵敏度范围内对其进行全方位的检测，同时安装使用相当来讲比较方便，最重要的是不会对设备本体或者其他人造成重大影响。

并不是说传感器安装越多越好，在工程实际中，需要根据相关的理论进行计算，确定按照的具体位置和数量，从而达到最佳的性价比。

3.2.3智能组件

（1）智能组件相关的组成构架

一次设备最关键的环境就是智能组件的一次设备。

对整个一次设备产生极其重要的影响。

该器件的组成部分有，电力电子装置、合并单元、状态监测、智能终端等等。

能够承担起相关设备的测量任务，能够实现实时监测和控制等功能。

在满足相关的要求标准同时，还需要将保护设备和电能表等设备嵌入其中，从而能够及时的承担计量保护等功能。

智能组件的其他一次设备可以组成一个整体实现功能，也可以分散独立，从而能够较好的实现就地布置测控、计量、保护装置、状态监测等。

当前智能组件的发展趋势是结构为一体化设施，功能更加齐全，更加集成化。

其中最核心设备智能组件能够集中反映宿主设备。

一般智能组件一般满足以下三个属性：

1、首先是一个物理设备，2、是一次设备的一部分，3、至少包含一个智能电子设备。

在工程实际中，一次设备包含的相关智能组件IED也是不一样的，其内部相关结构图如图2.1所示。

图2-1部分智能组件内部结构图

3.3电子式互感器与数字采样技术

当前，当前电力系统广泛使用电压电流互感器以及常规的电容互感器，绝缘结构相当比较复杂，体积较大无法适应很多场合的应用要求，因此发展受到了一定的局限，正是在这样的背景下，需要研发出能够适应的互感器，因此电子式互感器得到了人们的重视，相比之下，电子式互感器绝缘相对简单，体积较小，无磁饱和影响，而且暂态是影响方位较大，因此具有广阔的应用前景。

当前光纤技术和电子技术不断取得突破性进展，因此在以后的智能电网建设方面，电子式互感器会得到广泛的应用。

3.3.1电子式电流互感器

根据相关的国家要求和规范，电子式电流互感器按照测量原理分为以下几类：

1、罗氏线圈式，2、铁芯线圈式低功率，3、光学电流式。

上面的互感器均有适应自己的应用空间，要根据实际场合的要求，选择恰当的互感器器件，从而能够发挥其自身最大的价值。

如光学电流是互感器主要运用光学原理，通过光学原理第一被测电流调制的光波物理特征、参量的变化情况进行分析，从而得到最佳的效果。

3.3.2电子式电压互感器

根据相关的国家要求和规范，电子式电压互感器按照测量原理分为以下几类：

1）阻容分压型电压互感器。

该互感器通过电容和电阻两部分进行分压处理，将得到的分压信号通过光纤组织传输到二次转换器当中，然后进行相应的调解，最后得到被测的电压信号，因此也称上面的方法为传光型电子式电压互感器。

2）光学电压互感器。

该互感器主要通过光学晶体制作而成，里面包含大量的敏感元件，通过相应的原理如、逆压电效应、电光效应、干涉等方式从而完成最终的调制工作，将测到的电压信号直接加到敏感的元器件当中，通过光纤光缆，进行传输。

电子式电压互感器如果按照相关的电压等级进行划分：

可以分为以下几个部分：

1、中压（10-35kV）等级，2、高压（110kV及以上）等级，3、超高压（500kV以上）等级等。

3.3.3电子式互感器的技术优点

在整个电力系统当中，常规互感器一般认为有下面几个部分：

1、电磁式电压型，2、电容式电压型，3、电磁式电流型。

而电子式互感器包含常规互感器的全部功能，两者运行的原理和结果不同，最突出的不同之处在于绝缘能力和暂态性能方面。

总的来讲，电子式互感器主要有以下几个优点：

1）电力系统故障响应快，现有的保护装置主要是根据得到的工频量进行分析判断，容易受到其他信号的干扰，因此判断的准确度下降，无法满足现代电力系统发展的要求，因此需要进行改进。

2）消除了磁饱和现象。

常规的电流互感器在运行时，很有可能导致一些异常现象发生，如发生短路时会导致电流值很大，特别是在非周期分量还未衰减之前，会导致相关的断路器发生动作，从而使设备运行出现问题。

3）绝缘性能更好，随着电压水平的生高，对电磁式电压、电流互感器的绝缘水平也要求越来越高，因此需要开发新的绝缘材料，才能满足实际的要求。

4）适应电力计量与保护数字化的发展。

通过数字信号进行相关的计量和保护，有助于二次设备的进一步发展，今后的发展方向是集成化，更加便捷，从而加深整个变电站的数字化和信息化进程，能够更好为电力系统的发展做出重大贡献，普及自动化装置等。

5）消除了铁磁谐振，通过相应的技术，能够加强抗干扰能力，有效提升常规互感器的应用效果，一般是通过电磁谐振的原理完成整个环节的设计。

在电子式互感器当中，不存在电磁谐振，因此也就不会产生电磁谐振，因此其抗干扰能力更强。

6）经济性好。

随着电压等级的上升，常规互感器的价格上升很高，因此费用较大，但电子式互感器价格增长不算太大，因此具有良好的经济型，此外电子式互感器体积较小，能够节约空间，因此使用非常方便，有效减少变电站占地面积。

3.4一次设备状态监测

随着相关电力电子器件技术的发展，实现在线对高压一次设备进行检测是当前发展的必然趋势，智能变电站的状态检测是在不影响其正常使用的前提下，根据相关的检测设备对变电站相关的数据进行实时检测和记录，从而能够及时获取设备运转信息以及周围环境相关信息，根据专家总结的相关经验进行计算和分析判断，然后给出预警信息。

变电设备状态监视是智能变电站设计方案中重要的环节之一，主要分为在线和离线两种检测方案。

3.4.1在线监测

在线监测一般是指不对设备的正常运行产生任何影响，保持设备稳定运行，一般将相关的检测元器件安装在被检测的设备上面，通