4X50MW小型火电厂监控系统设计.docx

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4X50MW小型火电厂监控系统设计

摘要

发电厂是电力系统的重要组成部分，关系到电力系统的稳定运行。

本设计主要是发电厂综合自动化系统的设计，最终实现无人值守升压站综合自动化功能。

就发电厂而言，出于运行方式灵活的需要，许多发电厂在厂内设置主要由高压配电装置、高压母线、变压器、传输线等组成的升压站，其相应的网络控制、保护、远动等设备构成了升压站二次系统。

升压站控制系统具有就地和远方控制及监视的功能。

可在升压站保护小室内控制、监视系统设备，也可在升压站就地进行断路器、隔离刀闸的操作。

系统采用分散分布式配置，采取系统功能下放；实行双总线，实时网冗余配置及双控制卡配置，进一步提高系统的可靠性；系统各部件之间采用局域网及光纤通信方式，保证了通信速率及资源共享。

本设计主要是针对小型火电厂设计的，主要包括一次系统的设计、二次系统的设计以及监控系统的实现。

一次系统设计包括四部分，分别是主变发电机选型、电气主接线确定、短路电流计算、电气设备选型；二次系统设计包括主变保护、线路保护以及防雷接地保护；监控系统主要是利用Epsynall组态软件，实现变电站综合自动化。

本设计从理论上证实了该发电厂的实际可行性，其最终的效果能达到预期的要求。

关键词：

火电厂；主接线；监控系统

Abstract

Powerplantisanimportantpartofpowersystem,anditisrelatedtothestableoperationofpowersystem..Thisdesignisthedesignofthepowerplantintegratedautomationsystem,andfinallyrealizestheautomaticfunctionoftheunattendedbooststation..Powerplant,theneedforflexiblemodeofoperation,manypowerplantssetwithmainhigh-voltagepowerdistributionequipment,highvoltagebus,transformers,transmissionlines,andiscomposedofaboostfromthestation,thecorrespondingnetworkcontrol,protection,remotecontrolandotherequipmentconstituteaboostthesecondarysystem.Thecontrolsystemofthebooststationhasthefunctionoflocalandremotecontrolandmonitoring..Inthebooststationtoprotectthesmallindoorcontrol,monitoringsystemequipment,butalsointhebooststationonthespotforcircuitbreakers,theisolationoftheoperationofthebrakegate.Systemusesdistributedconfiguration,systemfunctiondecentralization;toimplementthedualbus,real-timenetworkredundancyconfigurationandcontrolofdualcardconfiguration,furtherimprovethesystemreliability;LAN（localareanetwork）andopticalfibercommunicationmodeisadoptedbetweenpartsofasystem,toensuretherateofcommunicationandresourcesharing.

Thisdesignismainlyforsmallthermalpowerplantdesign,includingthedesignofprimarysystem,thedesignofthesecondarysystemandtherealizationofthemonitoringsystemareaccomplished.Primarysystemdesignincludesfourparts,respectivelyismaintransformertypeselectionofgenerator,determinethemainelectricalwiring,short-circuitcurrentcalculation,selectionofelectricalequipment;secondarysystemdesignincludesmaintransformerprotection,lineprotectionandlightningprotectionandgroundingprotection;monitoringsystemismainlyusingEpsynallconfigurationsoftwaretorealizeintegratedsubstationautomation.Thisdesigntheoryfromthetheoryoftheactualfeasibilityofthepowerplant,theultimateeffectcanmeettheexpectedrequirements.

Keywords:

Thermalpowerplant;Mainwiring;Monitoringsystem

第一章概述

1.1课题背景和意义

随着我国电网建设的发展，发电厂升压站的技术也日臻完善。

大型发电厂的升压站规模比较大，将保护和控制设备下放到开关场中，可以简化系统结构，简化安装、运行和维护工作量，提高系统精度。

同时可以节省大量的电缆，降低工程造价，目前采用保护下放已是变电站发展的一种趋势。

火电厂在早期的信息系统应用中，主要是基于办公自动化和管理信息系统的应用，具有一定的局限性，缺乏生产过程中对实时数据的分析，致使信息管理系统的建设缺乏和控制系统的联系，不能实现信息的共享。

实时监控系统能够较好的弥补这一缺陷，并且在安全性和可靠性等方面具有显著的应用优势，促进控制管理的一体化应用，对火电厂经济效益的提升具有基础性意义。

计算机监控系统、微机保护以及系统通信技术构成了变电站的综合自动化系统。

该系统具有运行可靠、占地面积少、设计、运行、维护简单等突出优点。

就发电厂而言，出于运行方式灵活的需要，许多发电厂在厂内设置主要由高压配电装置、高压母线、变压器、传输线等组成的升压站，其相应的网络控制、保护、远动等设备构成了升压站二次系统。

升压站控制系统具有就地和远方控制及监视的功能。

可在升压站保护小室内控制、监视系统设备，也可在升压站就地进行断路器、隔离刀闸的操作。

系统采用分散分布式配置，采取系统功能下放；实行双总线，实时网冗余配置及双控制卡配置，进一步提高系统的可靠性；系统各部件之间采用局域网及光纤通信方式，保证了通信速率及资源共享。

整个升压站控制系统（NCS）结构分3个层次，即远方集控室、升压站保护小室就地监控和就地数据采集部分。

3层之间和各工程师站、操作员站用以太网联系，通过网关实现和DCS、MIS之间的通信。

由于采用最新的网络通信技术，使得NCS系统具有十分强大的控制功能，在设备的运行监视、操作、数据采集及生产管理等诸多方面表现优异，体现了基于现代计算机技术和最新的网络通信技术的分布式控制系统在升压站综合自动化方面的优越性，具有以下特点：

（1）组态方便

（2）将“五防”闭锁功能集成在NCS系统中

在对升压站电气设备进行操作时，必须遵循电气倒闸操作的有关规定，如不能带负荷拉闸刀、防止带电合地刀等，因此，断路器、隔离刀闸由于运行方式的改变，以及每个设备所处的电气位置的不同，在操作中要受到相关设备运行状态的闭锁、制约。

同样，它的运行状态也要作为闭锁条件去制约其他相关设备的操作。

（3）可靠性

系统各部件之间采用光纤通信方式，完全避免了电磁干扰及因控制电缆绝缘降低而引起的误动作，进一步提高系统可靠性。

（4）强大的事件记录功能大大地加强了对事故及操作行为的分析

（5）友好的人机界面

（6）施工方便，维护简单

对于我们这样一个以火电为主的国家，目前随着我国电力体制改革的深入，厂网分开、竞价上网已经成为必然的趋势，电力市场的出现，使电力调度、运行方式、决策管理、计划和财务各部门围绕电厂最大效益目标而工作，这就要求电厂必须对各种企业资源建立完善的管理网络，使各个方面资源得到充分调配、平衡和控制，最大限度地发挥它们的能力，实现企业生产资源与其它资源的管理一体化，实现生产现场的在线管理，降低成本。

另一方面，新技术不断涌现，如现场总线技术、信息技术、网络通讯技术等，使得全厂的信息和资源都能够共享。

在这两方面因素推动下，加快电厂信息化建设，高度重视企业现有的软硬件资源的整合，在整个电厂范围内实现信息共享，推动电厂管控一体化的发展已经成为工厂自动化和管理现代化的必然趋势。

1.2毕业设计的主要内容、功能及技术指标

1.2.1课题任务

1、熟悉题目要求，查阅相关科技文献

2、方案设计（包括方案论证与确定、技术经济分析等内容）

3、硬件和软件设计（其中还包括理论分析、微机保护装置、设备及元器件选择等）

4、撰写设计说明书，绘制图纸

5、指定内容的外文资料翻译

1.2.2毕业设计的主要内容

（1）课题研究的意义及目的，国内外研究的现状；

（2）变电站综合自动化系统的组成和主要功能；

（3）变电站综合自动化系统的一次系统设计；

（4）变电站综合自动化系统的二次系统设计

（5）监控软件的设计及图形界面的设计

1.2.3设计实现的主要功能

实现无人值守变电站综合自动化功能，包括遥控、遥测和遥信功能、SCADA功能，以及事故报警、事件顺序记录等功能。

1.2.4主要技术指标

功率因数不低于0.95，可靠性和经济性满足变电站综合自动化要求。

1.3毕业设计提交的成果

1.设计说明书（不少于80页，约3万字左右）

2.图纸

1）电气主接线图一张（1#图纸）；

2）主变保护原理图和展开图一张（1#图纸）

3中、英文摘要（中文摘要约200字，3—5个关键词）

4论文简介（按05春教务处要求）

5查阅文献不少于10

第二章电气主接线设计

2.1对火电厂原始资料分析

2.1.1原始资料

1、电厂规模：

（1）装机容量:

装机4台，容量分别为

4×50MW,UN=10.5KV，cos

=0.8

（2）机组年利用小时数:

Tmax=5200h/a

（3）气象条件：

年最高温度38度，平均气温25度，气象条件一般，无特殊要求。

（4）厂用电率：

5%。

2、出线回数：

（1）10KV电压等级：

10km电缆馈线8回，每回平均输送容量1MW。

10KV最大负荷8MW,最小负荷7MW,cos

=0.85,Tmax=4500h/a，为一类、二类负荷。

（2）35KV电压等级：

20km架空出线6回，每回平均输送容量4MW。

35KV最大负荷20MW,最小负荷15MW,cos

=0.85,Tmax=5200h/a，为Ⅰ类、Ⅱ类负荷。

（3）110KV电压等级：

100Km架空线4回，110KV与电力系统连接，接受该发电厂的剩余功率。

电力系统容量为5000MW，当取基准容量为100MVA时，系统归算到110KV侧的Xd”=0.25。

2.1.2原始资料分析

根据设计任务书所提供的资料可知：

该火电厂为典型的小型火电厂，不承担主要负荷，没有重要机端负荷，对设计的可靠性、安全性、灵活性等有一定的要求，拟定3~4台变压器。

其地形条件限制不严格，但从节省用地考虑，尽可能使其布置紧凑，便于运行管理。

另外，周围的环境和气候对设备的选择的制约也不大。

综上，在设计中要充分分析所给的原始资料，同时结合实际的情况，做到设计的方案具有可靠性、安全性、经济性等。

2.2电气主接线设计依据

电气主接线设计是火电站电气设计的主体。

它与电力系统、枢纽条件、电站动能参数以及电站运行的可靠性、经济性等密切相关，并对电气布置、设备选择、继电保护和控制方式等都有较大的影响，必须紧密结合所在电力系统和电站的具体情况，全面地分析有关影响因素，正确处理它们之间的关系，通过技术经济比较，合理地选定接线方案。

电气主接线的主要要求为:

1、可靠性：

衡量可靠性的指标，一般是根据主接线形式及主要设备操作的可能方式，按一定的规律计算出“不允许”事件的规律，停运的持续时间期望值等指标，对几种接线形式的择优。

2、灵活性：

投切发电机、变压器、线路断路器的操作要可靠方便、调度灵活。

3、经济性：

通过优化比选，工程设计应尽力做到投资省、占地面积小、电能损耗小，其中包括最少的投资与最低的年运行费。

4．应具有发展与扩建的方便性：

在设计接线方时要考虑到5～10年的发展远景，要求在设备容量、安装空间以及接线形式上，为5～10年的最终容量留有余地。

主接线设计的一般步骤

1、对设计依据和基础资料进行综合分析。

2、确定主变的容量和台数，拟定可能采用的主接线形式。

3、论证是否需要限制短路电流，并采取合理的措施。

4、对选出来的方案进行技术和经济综合比较，确定最佳主接线方案。

2.3技术经济比较

2.3.1主接线方案

（一）发电机变压器机组接线选择

发电机和变压器直接连接成一个单元，组成发电机-变压器组，称为单元接线。

单元接线的特点是几个元件直接单独连接，其间没有任何横的联系（如母线等），这样不仅减少了电器的数目，简化了配电装置的结构和降低了造价，同时也大大减少了故障的可能性。

根据我国现行的规范和成熟的运行经验，联系本小火电厂的工程实际，满足可靠性、灵活性和经济性的前提下，发电机变压器组接线可采纳的接线方式有以下三种：

1、单母线接线（图2-1）

（1）优点：

设备少，接线清晰，经济性好，操作简单方便，不易误操作，便于采用成套配电装置，并且母线便于向两端延伸，方便扩建。

（2）缺点：

可靠性偏差，母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止工作，也就是要造成全厂长期停电。

调度是很不方便，电源只能并列运行，不能分裂运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流。

（3）一般适用范围：

一般只用在出现回路少，并且没有重要负荷的发电厂。

图2-1单母线接线示意图

2、单元接线（图2-2）

图2-2单元接线示意图

（1）优点：

发电机与主变压器容量相同，接线最简明清晰，故障影响范围最小，运行可靠、灵活；发电机电压设备最少，布置最简单方便，维护工作量也最小；继电保护简单。

（2）缺点：

主变压器与高压断路器数量多，增加布置场地与设备的投资；主变压器高压侧出线回路多，布置复杂，对简化高压侧接线不利；主变压器故障时影响机组送电。

（3）一般适用范围：

单机容量一般在100MW及以上机组，且台数在6台及以下者；单机容量在45MW～80MW之间，经经济比较采用其它接线方式不合适时。

3、扩大单元接线（图2-3）

（1）优点：

接线简单清晰，运行维护方便；与单元接线比较，减少主变压器台数及其相应的高压设备，缩小布置场地，节省投资；与单元接线比较，任一机组停机，不影响厂用电源供电，本单元两台机组停机，仍可继续有系统主变压器倒送；减少主变压器高压侧出线，可简化布置和高压侧接线。

图2-3扩大单元接线示意图

（2）缺点：

主变压器故障或检修时，两台机组容量不能送出；增加两台低压侧断路器，且增大发电机电压短路容量，对大型变压器低压侧可用分裂线圈以限制短路容量。

（3）一般适用范围：

适应范围较广，能较好的适应水电站布置的特点，只要电力系统运行和水库调节性能允许，一般都可使用；当水电站只有一个扩大单元时，除满足系统允许条件外，应注意避免在主变压器回路故障或检修时造成大量弃水、损失电能和影响下游供水，同时还应考虑有可靠的外来厂用电源。

4、关于单元接线中装设断路器问题

单元接线的发电机电压回路中，具备下列情况之一者，可考虑装设断路器：

（1）担任尖峰负荷的水电站，经常有可能全厂停机，而机组启动、排水、照明等需通过变压器向厂用变倒送电，此时，可在接有厂用变压器的单元中装设断路器。

（2）在单元回路分支线上接有近区负荷者。

（3）当单元之间要求设置联络母线时，应考虑加装发电机电压断路器。

（二）各电压等级接线选择

升高压侧接线方式指的是从主变压器出来到出线回路之间的连接方式，其接线方式对系统的运行方式、主要电气设备的选择及二次设备的配置都有重大影响。

升高压侧的接线方案很多，有单母线接线、单母带旁路母线、双母线接线、双母分段接线、双母分段带旁路母线及桥型接线多角型接线等。

根据各种接线方案的特点，结合本火电站的实际情况，拟定三种方案进行比较选择，三种方案分别是单母线、单母线分段、双母线接线，各接线方式的优缺点如下

1、单母线接线

单母线接线，母线既可保证电源并列工作，又能使任一条出线都可以从任一个电源获得电能。

各出线回路输送功率不一定相等，应尽可能使负荷均衡地分配于各出线上，以减少功率在母线上的传输。

其优点是：

接线简单，操作方便、设备少、经济性好，并且母线便于向两端延伸，扩建方便。

而缺点是：

：

可靠性差，调度不方便。

所以，这种接线形式一般只用在出线回路少，并且没有重要负荷的发电厂和变电站。

2、单母线分段接线

单母线接线的缺点可以通过将母线分段的办法来克服。

当母线的中间装设一个断路器后，即把母线分为两段，这样对重要的用户可以由分别接于两段母线上的两条线路供电。

由于单母线分段接线既保留了单母线接线本身的简单、经济、方便等基本优点，又在一定程度上克服了它的缺点，所以这种接线目前仍被广泛应用。

单母线分段有其如下优点：

用断路器把母线分段后，对重要的用户可以从不同的段引出两条回路，有两个电源供电；当一段母线发生故障，分段断路器会自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

单母线分段接线的缺点，当一段母线或母线隔离开关发生故障或检修时，该段母线上所连接的全部引线都要在检修期间停电；当出线为双回路时，需时架空线路出现交叉跨越；扩建时须向两个方向均衡扩建。

3、双母线接线

双母线接线有两组母线，并且可以相互备用。

每一电源和出线的回路都装有一台断路器，由两组母线隔离开关，可分别与两组母线连接。

两组母线之间的连接，通过母线联络断路器QFC实现。

其特点是：

供电可靠、调度灵活、扩建方便。

火力发电厂的特点是，布局灵活，装机容量大小可按需决定，而且一次性建设投资少，单位投资仅为同容量水电的厂的一半左右，但是耗煤量大，动力设备繁多，发电机组控制操作复杂，厂用电量和运行人员都多于水电厂，运行费用高，开机停机耗时较长，时常担负调峰、调频或事故备用，相应的事故也增多。

因此，电气主接线尽可能简单，使配电装置紧凑。

综合上述，初步比较得出，应选用单母线分段接线和双母线接线。

主接线方案初步比较：

由以上几种接线方案的优缺点分析和接线示意图，本着可靠性、灵活性和经济性的原则，结合电厂实际综合分析，初步得出：

10KV电压等级的电压馈线数目是8回，10kv可选择的接线形式是单母线分段接线和单母线加旁路母线接线形式和双母线接线。

由于是一、二类负荷，综合经济，灵活性等，一般在火电厂采用双母线接线，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

在35KV电压等级的电压馈线数目是6回，也是一、二类负荷，35KV电压等级的接线形式可以选择单母线分段接线形式。

由于单母线分段接线既保留了单母线接线本身的简单、经济、方便等基本优点，又很好的克服了单母线接线可靠性差，调度不方便的缺点。

在110KV电压等级的电压馈线数目是4回，直接与电网相连，110KV电压等级的接线形式可以选择双母线形式和单母线分段接线形式。

根据相关规范规程，110KV电压等级采用双母线接线形式。

方案一：

如图2-4

图2-4

方案二：

如图2-5

2.3.2主接线方案的确定

1、技术经济比较

电力系统规划设计中经济比较的原则是：

（1）技术上可行；

（2）从国家整体利益出发，不带主观偏见，不迁就照顾人情；

（3）符合我国能源和电力建设方针政策；

（4）按社会主义市场经济规律办事；

（5）符合统一规划、统一调度的电力管理体制。

从供电的可靠性看：

在方案1中，由于10KV电压等级的电压馈线数目是8回，所以在本方案中的可选择的接线形式是单母线分段接线。

用断路器把母线分段后，对重要的用户可以从不同的段引出两条回路，有两个电源供电；当一段母线发生故障，分段断路器会自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

在方案二中采用双母线供电比较可靠、调度灵活，但缺点是使用设备多，配电装置复杂，投资多，运行中隔离开关作操作电器，易发生误操作。

但是对于发电厂，该等级下依旧采用双母线供电，并且能满足10KV电压等级出线上的一、二类负荷，对这类用户不可以进行短暂的停电。

综合考虑，则选择双母线的接线形式。

在35KV电压等级上，35KV电压等级的电压馈线数目是6回，在方案一

如图2-5

和方案二中都采用了单母线分段接线，单母线分段的优点是：

当一段母线发生故障，分段断路器会自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

由于单母线分段接线的可靠性和灵活性高，可以轮流检修母线，而且经济，所以在小型发电厂中广泛应用。

110KV电压等级的电压馈线数目是4回，根据相关的规程规定，该段宜采用双母线，保证用户不间断供电，从运行安全和灵活性看，两个方案都考虑了可靠性，满足系统要求。

综上所述，方案二更符合系统要求。

第3章发电机和主变的选择

3.1汽轮发电机容量选择

选择原则：

（1）发电厂的机组容量，应根据系统内总装机容量和备用容量、负荷增长速度、电网结构和产品情况等因素选择。

（2）在条件具备时，应优先选择大容量机组。

考虑到调度运行，最大机组一般不超过系统总容量的8%~10%。

（3）为了方便管理，一个厂房内机组不得超过6台。

根据原始资料，可以选型号为QFQ-50-2，具体参数如下表：

QFQ-50-2型号汽轮发电机技术参数（表3-1）

型号

额定容量SN（KW）

额定电压U（KV）

额定电流IN（A）

功率因数cos

次暂态电抗Xd”

QFQ-50-2

50

10.5

3440

0.8

0.25

3.2主变压器选择

根据国际电工委员会的界定，凡是三相变压器的额定容量再5KVA及以上，单相的在1KVA及以上的输变电用变压器，均称为电力变压器。

1、主变压器选择应遵循以下原则：

（1）尽量选择三相变压器。

如果受运输及制造条件的限制，在进行技术经济比较后，可选择两台50%容