变电站综合自动化系统设计本科设计

变电站综合自动化系统设计本科设计

xxx学院本科毕业设计（论文）变电站综合自动化系统设计

学生姓名： xxxxxx 学生学号： xxxxxxx 院（系）：电气信息工程学院

年级专业： xxxxxxxxx 指导教师： xxx 讲师

助理指导教师：

二〇一三年六月

xxx学院本科毕业设计（论文) 摘要

摘要

变电站是电力系统运行过程中最重要的环节之一，它的运行状况直接影响到整个电力系统的经济性以及可靠性。要提高变电站的运行效率，一个最基本的办法就是要提高变电站管理和运行的自动化水平，实现变电站的综合自动化。

本文针对变电站的技术要求，从目前变电站中主流的完全分散式结构形式入手对变电站整体结构布局，分别进行了对一次系统和二次系统的设计。在硬件部分选择带三相变压器组的变压器，这样相比单相变压器组的变压器，造价更低、占地面积更小、运行费用更少，大大降低了投入和运行成本。在软件配置上，选用目前实际运用中反馈很好的RCS-9000变电站综合自动化系统。其特点是集测量、监视、控制、保护和另外自动化运行功能于一体，能满足对35kv-500kv不同变电标准的变电站的稳定运行的需要，为实现变电站自动化无人值班式运行管理提供了可靠的技术条件。

关键词变电站，综合自动化，继电保护配置

ABSTRACT

The transformer substation is one of the most important link in the process of operation of power system, its running state directly affects the whole power system economy and reliability. To improve the efficiency of the substation, one of the most fundamental way is to improve the automation level of management and operation of substation, integrated automation transformer substation.

In this paper, according to the requirements of substation substation technology, from the current mainstream fully distributed structure of the overall layout and structure, were designed for a system and the two system. In the part of hardware selection of transformer with three-phase transformer, compared with transformer single-phase transformer group, lower cost, smaller footprint, operation cost less, greatly reducing the investment and operating costs. In the software configuration, the actual use of feedback of RCS-9000 substation integrated automation system is very good. Its characteristic is measuring, monitoring, control, protection and automatic operation function in a body, can satisfy the need for stable operation of the 35kv-500kv substation substation of different standards, provides reliable technical condition of transformer substation automation unattended operation management.

Key words Substation，integrated automation system，The relay protection configuration

目录

摘要 ......................................................................................................................... I ABSTRACT............................................................................................................. II

1 绪论 (1)

1.1 概述 (1)

1.1.1变电站综合自动化系统概况 (1)

1.1.2变电站综合自动化系统目前发展

趋势 (1)

1.2 变电站综合自动化系统的作用和应用

范围 (2)

1.3 实现变电站综合自动化的目的和意义.2

2 变电站的结构形式与控制要求 (3)

2.1总体结构 (3)

2.2完全分散式的结构形式 (3)

2.3电气主接线结构选择 (4)

2.3.1 电气主接线的基本形式 (4)

2.3.2电气主接线的选择 (4)

2.4变电站综合自动化系统主要功能 (5)

3 变电站综合自动化系统的系统设计 (7)

3.1 变电站综合自动化系统一次系统 (7)

3.2 变电站综合自动化系统二次系统 (8)

4 系统硬件和软件配置 (10)

4.1 系统硬件主要设备的配置 (10)

4.1.1 变电站主变压器的选择 (10)

4.1.2 各级电压母线的选择 (10)

4.1.3 隔离开关选择 (11)

4.1.4 电流互感器的选择 (11)

4.1.5 电压互感器的选择 (11)

4.1.6 高压断路器选择 (12)

4.2 系统软件配置 (12)

5 系统功能的实现 (14)

5.1 系统保护装置设计 (14)

5.1.1 继电保护的配置 (14)

5.1.2 变压器的继电保护 (15)

5.2 母线保护 (18)

5.3 自动重合闸的设置 (20)

5.4 短路电流的计算 (20)

5.4.1 短路的危害 (20)

5.4.2 短路电流计算方法 (20)

5.4.3 短路电流计算 (21)

5.5 防雷保护与接地方案设计 (22)

5.5.1 防雷保护 (22)

5.5.2 接地装置设计 (23)

5.6 配电装置 (23)

5.6.1 配电装置类型 (23)

5.6.2 对配电装置的基本要求和设计

步骤 (24)

5.6.3 屋内配电装置 (24)

5.6.4 屋外配电装置 (24)

6 系统特色和优势 (26)

结论 (28)

参考文献 (29)

致谢 (30)

1 绪论

1.1 概述

1.1.1变电站综合自动化系统概况

变电站是电力系统运行重要的组成部分之一，并且是发电厂与用户之间重要的连接环节，起着变电以及配电的作用。它的运行和管理情况直接影响到整个电力系统是否能安全与经济运行，而变电站综合自动化系统的出现是变电站运行管理中的一次重大变革。它为变电站实现小型化、智能化、扩大监控范围以及为变电站的安全、可靠、合理、经济运行提供了数据采集以及监控支持，同时为实现高水平的无人值班变电站管理打下了基础。

变电站综合自动化系统具有结构微机化、功能综合化、操作检测屏幕化、运行管理智能化等特征。变电站综合自动化系统是利用变电站的二次设备（包括测量仪表、信号系统、保护装置和远动装置等）经过系统功能的重新组合，利用目前先进的现代电子技术、计算机技术、通信技术以及信息处理技术等来实现对全变电站的主要设备以及输电、配电线路的监视、检测、控制以及保护等功能。变电站综合自动化系统是利用大规模集成电路和多台计算机组成的自动化系统，以替代常规的测量和监视仪表，用计算机保护替代常规的继电保护组屏，从而改变常规的继电器保护装置不能很好的与外界沟通的缺点。所以说，变电站综合自动化系统具有很方便利用计算机的高速计算能力和逻辑判断功能监视、检测和控制变电站内各种设备的运行和操作的功能。

1.1.2变电站综合自动化系统目前发展趋势

变电站自动化技术伴随着我国现代科学技术发展，尤其是网络技术、计算机软、硬件技术以及超大规模集成电路技术的发展而不断进步，变电站综合自动化系统目前朝着一次设备智能数字化，二次设备多功能集成化方向发展，同时可靠性和经济性也是变电站自动化技术发展和实现过程中必须所要考虑的问题。一次设备的在线监测，电能质量的监测管理，网络安全技术，变电站综合自动化系统必定会更多的融入现代社会的各种新科技、新观念。其总的发展情况可以从以下几个不同角度来描述：

（1)、其子站模块设计朝多功能智能化、综合化方向发展。

（2)、通信媒介将更多的引入大型光纤。

（3)、系统总体结构朝着全分散和开放式发展。

（4)、从传统控制方法向综合智能化方向发展。

（5)、从纯粹的屏幕数据监视到多媒体共同监视发展。

（6)、从专用设备到总体的控制平台，站内综合管理向全开放式发展

1.2 变电站综合自动化系统的作用和应用范围

变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。为了提高变电站安全稳定运行水平，降低运行维护的成本，提高其经济效益，向用户提供高质量的电能服务，而变电站综合自动化系统正是基于变电站综合自动化技术开始兴起并广泛应用到各个现代化变电站中的。

1.3 实现变电站综合自动化的目的和意义

变电站综合自动化系统，是将变电站的二次设备经过多功能的重新组合和优化设计，利用先进的计算机技术，自动化技术，现代电子技术，通信及信号处理技术。从而实现对整个变电站的主要设备和输电、配电线路的监视、检测、测量、控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。

实现变电站综合自动化以替代常规的测量和监视仪表，用计算机保护替代常规的继电保护组屏，从而改变常规的继电器保护装置不能很好的与外界沟通的缺点。并且变电站综合自动化系统可以采集到较为完整的信息和数据，利用计算机的逻辑判断功能和高速的计算能力，可以很方便的监测和控制变电站内所有运行设备的操作和执行，它具有运行管理智能化，操作监视视频化，功能综合化，结构微机化等优点。运用先进的现代变电站综合自动化技术，降低了电压的不合格率，提高了供电质量，提高了变电站运行管理的自动化水平，减少了控制电缆，缩小了占地面积，为变电站实现无人值班提供了可靠的技术条件。同时要更好的实现变电站的综合自动化由于技术层面和现场环境等条件的限制，但随着技术的不断进步与完善，以及技术人员技术水平的不断提升，变电站综合自动化技术一定会在整个行业领域发挥它应有的巨大作用。

2 变电站的结构形式与控制要求

2.1总体结构

本变电站采用完全分散式变电站综合自动化系统，站级的监控管理设备装置于控制室内，主变保护和110kV线路、监控装置在主控室集中组屏，35kV、10kV 线路及监控装置及电容器保护采用分散布置，安装在开关柜上。测控装置和保护单元之间用LON网连接起来，结构图如图1所示。

图1总体结构框图

2.2完全分散式的结构形式

完全分散式的变电站综合自动化系统，是指以断路器、变压器、母线等一次设备为安装单位，将控制、监测、保护、输入、输出等单元分别安装在一次主设备的开关柜上，安装在主控制室内的主控制单元通过现场总线与各个单元进行现场通信，主控制单元通过以太网和监控主机联系，如图2所示。

这种完全分散式结构的综合自动化系统在实现模式上可以分为两种：一种是保护相对独立，控制和测量一体化；另外一种是测量、控制、保护三部分一体。这种完全分散式结构的变电站综合自动化系统的特点是：

（1）、综合性强。

（2）、系统的各个部件全部是分散独立安装。

（3）、减小占地面积

（4）、有效减少二次电缆的使用。

图2 完全分散式变电站综合自动化系统结构

2.3电气主接线结构选择

2.3.1 电气主接线的基本形式

电气主接线经常用到几种接线方式，是以出线和电源为主体。由于每个变电站的电源回路数和进线、出线回路数都不同。并且各回路线中所传输的能力大小也不一样。因此为方便电能的汇集和分配，在进线和出线分布比较密集的地方，中间环节选择运用母线的连接，这样可让接线比较简单，运行方便，有助于装配与扩建。如果和有母线的接线形式相比，没有汇流母线的接线形式使用的电气设备相对比较少，建设用地更小，一般用于进出线的回路少，不需扩建的变电站。

没有汇流母线的接线形式主要有单元接线、角形接线和桥形接线，有汇流母线的接线方式主要为为双母线接线、单母线接线两大类。

2.3.2电气主接线的选择

根据安全，可靠，灵活，经济的选择要求，高压侧有4回出线，其中两回备用，需要采用双母线接线或单母线分段接线，中压侧有6回出线，其中两回备用，可以采用双母线接线、单母线分段接线方式，低压侧有11回出线，其中两回备用，可以采用单母线分段、单母线分段带旁路母线的接线方式，经过分析、综合、组合和比较，运用以下电气主接线：

110kv侧采用双母线接线方式，35kv侧采用单母线分段接线方式，10kv侧采用单母线分段带旁路母线接线方式

接线图，如图3：

图3 电气主接线图选择

2.4变电站综合自动化系统主要功能

变电站综合自动化系统的功能主要有以下四个方面：

（1）、监测功能

监测功能是指变电站综合自动化系统通过对变电站的所有的数据进行收集，显示，分析并打印，使技术人员清楚整个变电站在一定时间或者一个时间段内的运行情况，并以此采取相应的措施。

（2）、控制功能

变电站综合自动化系统提供可靠方便的人机对话功能，使技术人员通过计算机很方便的做出对开关，变压器转接头，刀闸等操作。并且软硬件上的自动化设计完全能满足操作上的安全、可靠，准确，快速的技术要求。

其中操作方式分为遥控操作和手动操作两种方式。遥控操作方式：当调度端发出遥控开关或遥调变压器分接头的命令后，该系统能可靠的执行。手动操作分为三种方式：键盘操作，把手操作，保护柜操作。正常时利用键盘操作，非正常时通过计算机操作屏自动操作或者是保护柜操作。变电站控制功能的主要是以下的3个方面：

①跳闸统计。统计开关的跳闸次数。可分为手动跳闸次数和有事故跳闸次数两种。

②无功电压的自动化控制。依据电能网络无功，电压计算和判断是调节变压器分接头位置，还是投切电容器。以让电压和无功满足要求。在电容器，变压器以及电网发生故障时不应该盲目操作。当变压器需要检修时，不应参与操作。

③接地选相。对于中性点不接地系统，当电网出现单相接地故障时利用零序电流，增量零序电压以及压降来判断接地线路及相别，也可以利用功率方向法等其它方法来判别。为了更好的保证电网的可靠性，应该经过重复采样结果才能确定。确定后，主机报警，并显示和打印。技术人员按照提示，用人工检除的方法跳开开关自动重合，验证主机的判断。

（3）、保护功能

微机保护不仅有较高的灵敏性和可靠性，而且其操作简便。特点有以下几个方面：

①有事故实时记录功能。能记录事故前后的母线电压和线路电流。

②具有实时自我检查功能。能够对主机的各元件进行网络实时检查。

③用键盘和LED屏幕显示采样值（电压，电流和开关状态等）和整定值。

电容器保护：包括过流保护，电流速断保护，相间低电压保护，反时限过流保护，相间过电压保护和零序过电压保护等。

母线保护：包括和电流比相式和完全电流差动母线保护

线路保护：包括定时限过电流保护，电流速断保护，反时限过流保护，高频保护，方向性电流保护，零序电压，电流及方向保护等。

变压器保护：包括本体保护，过流保护过负荷保护，带二次谐波制动的比例差动保护，差电流速断保护。零序保护，高压侧备用电源自投和低压侧备电源自投。

（4）、远传及数据通信功能

当变电站正常运行或者发生事故及报警等事件时，远传功能会实时的向上级调度传送该站信息，使工作人员很好的清楚该变电站的运行情况。

3 变电站综合自动化系统的系统设计

3.1 变电站综合自动化系统一次系统

变电站综合自动化系统的一次系统，如图4：

图4 变电站综合自动化系统的一次系统本变电所的电压等级为110kv/35kv/10kV，主要的负载在35kV和10kV的线路上。负荷的计算就是把35kV和10kV电压等级上的总的负载算出来。一方面，为了提高电网的有功功率，也就是降低无功功率，要对电网进行无功补偿，这样就使选择的主变压器的容量减小，降低了成本。另一方面，为使变电所的功率因数不低于0.9，要对系统进行无功补偿，也就是把110kV 和35kv线路上负载的功率因数从0.8提高到0.9，而在具体的补偿中，使用并联电容器的补偿方式。

主变压器的容量选择：

为了满足供电的可靠性和运行的灵敏性，应选择两台三绕组变压器，并考虑变压器正常运行和事故时的过负荷能力。所以每台变压器的额定容量按Sn=0.7PM （PM上一步无功补偿后的视在功率，即供电容量）选择，同时每台主变压器的容量不应小于一、二级负荷之和，依据上述要求选择所用变压器以满足变电工程中运行的需要。

短路电流的计算：

短路电流的计算主要是为了选择电气设备、校验电气设备的热稳定性和动稳定性，进行继电保护的设计和调整。对于整个电网来说，要考虑在不同地点同时发生短路时的情况，将设计的主接线按其阻抗的形式转化为电力系统界限的示意图，再根据所选主变的参数、线路的阻抗进行短路电流的计算。

一次设备的选择与校验：

按正常运行的条件进行选择，对110kV、35kV和10kV的母线按经济的电流密度算出其截面，按照截面面积和环境的要求选择适合的母线；对断路器的选择依据其额定电压、额定电流和开断电流来选择，隔离开关按其通过的额定电流必须大于此回路的电流来选择，电压互感器和电流互感器均依据一次侧和二次侧的电压和电流进行选择；对所选的母线和电气设备要进行热稳定性和动稳定性的校验，看所选的母线和设备是否满足设计的要求，校验时遵循短路时的情况来校验。

3.2 变电站综合自动化系统二次系统

电气二次设备室内布置主变变压器保护柜、直流柜、交流柜、汇控柜、通信电源柜、通信机柜等。二次回路测量、监控、保护均采用AC110V/5A和DC220V/5A。110kv侧不设置电压互感器，110kv桥段路器备自投电压取自10kv 母线。

10kv系统应无电源线。各原件就地测量表计均利用保护或测控装置所带的显示功能。其中点了个计量仅为内部考核使用。如用计费专用电能计量应另行设计安装.110kv屋内间隔式隔离开关和配电装置断路器之间防误操作采用电磁闭锁;10kv部分利用开关柜本身的而机械五防闭锁装置，故不需要再另加闭锁措施。根据测量仪表的配置原则变电所的测量仪表配置如下：

线路：

10 kV 线路引出线：装设电流表、有功电度表和无功电度表各1 只。

35 kV 线路引出线：装设电流表、有功电度表、有功功率表和无功电度表各1 只。

变压器：

低压侧：装设电流表、有功功率表、无功功率表、有功电度表、无功电度表各 1 只。

中压侧：装设仪表与低压侧相同。

高压侧：装设电流表 1 只。

110 kV 线路引出线：装设电压表1 只，监视110 kV 线路电压。

母线：

10 kV 母线：各分段装设1 只电压表。

35 kV 母线：各分段装设1 只电压表。

110 kV 母线：装设1 只切换测量三个线电压的电压表。

其他回路:

10kV母线和35 kV母线分段断路器各装设电流表1 只

4 系统硬件和软件配置

4.1 系统硬件主要设备的配置

4.1.1 变电站主变压器的选择

（1 ）、绕组数的选择

变电站具有三种电压等级，若在低压侧虽没有负荷或者通过主变各绕组的功率达到该变压器容量的15%以上，但是在变电站内应该装无功补偿设备时，主变压器需要选用双绕组变压器。

（2 ）、绕组连接方式的选择

变压器绕组的联结方式应该和系统电压的相位相同，否则就不能并列运行。电力系统中变压器绕组采用的联结方式有△型和*形两种。高压绕组为△型联结时. △型形联结的绕组可以消除三次谐波的影响。而采用全*形的变压器用于中性点不直接接地系统时，三次谐波没有通路，将引起正弦波电压畸变，使电压的峰值增大，危害变压器的绝缘，并对继电保护整定的准确性和灵敏度有影响。高压绕组为*形联结时，用符号Y表示，如果将中性点引出则用ＹＮ表示，对于低/中压绕组则用ｙ及ｙｎ表示.因此本文采用*/△型的绕组连接方式。

（3 ）、相数的选择

变压器有三相变压器组和单相变压器组。单相变压器组由三个单相的变压器组成，造价高、占地多、运行费用高。在110kv及以下的变电站中，一般选择三相变压器。只有受变压器的制造和运输条件的限制时，才考虑采用单相变压器组。因此本文选择变压器组SC10-2000/110变压器（三相成型固体浇注式，10-容量系列，2000-额定容量，110-高压绕组电压等级kv。

4.1.2各级电压母线的选择

选择配电装置中各级电压母线，主要应考虑如下内容：

（1）、选择母线的材料，结构和排列方式；

（2）、选择母线截面的大小；

（3）、检验母线短路时的热稳定和动稳定；

（4）、对35kV以上母线，应检验它在当地睛天气象条件下是否发生电晕；

（5）、对于重要母线和大电流母线，由于电力网母线振动，为避免共振，应校验母线自振频率。

110kV 母线一般采用软导体型式。根据设计要求，本变电站110kV 的最终回路较多，因此110kV 母线应选硬导体为宜。故本文选择LMY-125型矩形铝导线。

4.1.3隔离开关选择 隔离开关的选择，由于隔离开关没有灭弧装置，不能用来开断和接通负荷电流及短路电流，故没有开断电流和关合电流的校验，隔离开关的额定电压、额定电流选择和热稳定、动稳定校验项目与断路器相同。因此选用户外单相式GW13-110T 隔离开关（110额定电压，T 统一设计）。

4.1.4 电流互感器的选择 （1）、额定电压的选择：

电流互感器的额定电压N U 不得低于其安装回路的电网额定电压Ns U ，即

Ns N U U ≥

（2）、额定电流的选择：

电流互感器的额定电流1N I 不得低于其所在回路的最大持续工作电流max I ，即

max 1I I N ≥

为了保证电流互感器的准确级，max I 应尽可能接近1N I ，因此选择LRGBJ-110

（装入式，改进式，保护用，设计序号）北京瑞恒公司电流互感器

4.1.5电压互感器的选择

电压互感器是二次回路中测量和保护用的电压源，通过它反映系统的运行状况，它的作用是将一次高压变为二次侧的低电压便于测量。

依据《电力工程设计手册》对电压互感器配置的规定：

（1）、电压互感器的配置与数量和配置、主接线方式有关，并应满足测量、保护周期和自动装置的要求。电压互感器应能在运行方式改变时，保护装置不得失压，周期点的两侧都能提取到电压。

（2）、6～220kV 电压等级的一组主母线的三相上应装设电压互感器，旁路上是否需要装设压互，应视各回出线外侧装设压互的情况和需要确定。

（3）、当需要监视和检测线路侧有无电压时，出线侧的一相上应装设压互。 又根据《导体和电器选择技术规定》：电压互感器应按下列技术条件选择和校验：一次回路电压、二次电压、二次负荷。

电压互感器的型式应按下列使用条件选择:

① 继电保护及测量的要求。

② 3～20kV 屋内配电装置宜采用油浸绝缘结构，也可采用树脂浇注绝缘结构的电磁式电压互感器。