新建变电站高压电网的设计【开题报告】

毕业设计开题报告
电气工程及其自动化
新建变电站高压电网的设计
1选题的背景、意义
电能是当前我国能源消费的主要形式之一，近年来，伴随着国民经济的快速增长,社会对电能的需求越来越高,对供电质量和可靠性的要求也越来越高。

因此必须通过发展电力工业,不断扩大电力系统的规模,建设稳定可靠的供电网络来满足经济发展的需求。

所以中国电力发展步伐不断加快，中国电网也得到迅速发展，电网系统运行电压等级不断提高，网络规模也不断扩大。

变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施，是输电和配电的集结点。

变电站是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的重要作用。

在电力系统中，联系发电和用电的设施和设备的统称电网。

属于输送和分配电能的中间环节，它主要由联结成网的送电线路、变电所、配电所和配电线路组成。

输配电电压等级中，10、35、110、220千伏为高压，高压电网的设计，是构成电力系统的重要环节,对电力系统整体及发电厂的运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关。

因此，对变电站高压电网的研究与设计具有极其重要的意义。

2相关研究的最新成果及动态
变电站综合自动化系统技术经过10余年的发展，目前已经基本成熟，得到了广泛的工程应用。

但是综自系统采用传统的互感器及开关设备，需要铺设大量的采集和控制、信号等二次电缆，数据采集环节冗余，各子系统的功能重复配置，不仅造成浪费而且与一次设备的电缆接线复杂，系统可靠性受二次电缆影响大，二次回路的检修非常困难，装置间缺乏整体协调和优化，信息对象未统一建模导
致信息共享难，系统扩展复杂]31[-。

为了解决以上问题，数字化变电站各项新技术得到了飞速发展和应用。

数字化变电站是变电站未来发展的方向，四大领域的技术创新是数字化变电站得以发展和突破的基石]4[。

数字化变电站是以IEC 61850系列标准为先导牵引，以OCT/ECT等非常规互感器、智能断路器技术发展为突破口，以网络技术发展为支撑的系统化工程。

与传统变电站相比，具有八大主要技术特征，引入了过程层的概念，信息应用模式发生了根本变化，基于网络的数字信息交互更加广泛，更加智能化的一次设备与二次设备的界限变得模糊，一次和二次设备融合是未来的发展趋势。

IEC 61850系列标准、非常规互感器、智能断路器、高速工业以太网这四大新技术领域的创新就像四个有力的引擎推动着传统的变电站自动化系统进入到全新的数字化变电站发展阶段。

5[-
四大新技术的发展现状]12
（1）IEC 61850系列标准 IEC 61850系列标准不同于以往的规约，是一套完整的体系，包含了10个标准文本；自2004年第一版颁布后，我国电力标委会积极跟踪研究并转化为国内DL/T 860系列行业标准，并与2007年11月提出了《DL/T860系列标准工程化实施技术规范》，以规范在我国的实际应用。

IEC TC57工作组也在不断地补充和完善IEC 61850系列标准，推出的IEC61850-9-2 / LE 版是IEC61850-9-2 的更为明确定义的限定性、实例化的配套规范；IEC61850的第二版即将于2009年发布，这一新版本主要是解决第一版存在的问题，如标准内容本身前后不一致的、表述模糊导致各厂家理解不一致的、被厂家在开发产品的过程中发现且TC57工作组确认是需要解决的问题等，此外还会增加一些新的逻辑节点类。

由于制定该系列标准时采用了先进的面向对象建模理念，并采用了分层、映射的策略，使该系列标准与传统的其他规约标准相比具有突出的优势，具有更长久的生命力。

对变电站自动化及其相近系统通过统一建模的方式规范信息内容，
这部分标准采用了通信服务和通信映射相分离的策略，确保了其内容的长期稳定性，通过分层和映射的策略使得标准能够适应网络通信等技术快速变化的步伐，使该系列标准取得稳定性与适应性的平衡，从而特别是在考量数字化变电站全生命周期时，会大大降低用户未来改造、替代、维护的成本，达到总经济效益最优。

该系列标准是不断发展的，内核是稳定的，外部的大多数变化只影响系列标准的一小部分，该系列标准适用的业务领域也在拓展，比如风电等新能源领域、低压智能配电、工业自动化等领域，相关的探索和研究应用也在快速开展，未来打算扩大到更广泛的工业领域，真正实现“一个世界，一个标准，一个技术”。

（2）非常规互感器传统电磁感应式电流和电压互感器除了固有的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、暂态特性差等缺点外，随着现代电力系统逐渐向大容量、高电压等级方向发展，传统互感器其绝缘、体积、重量和安装等问题也越来越突出。

对非常规互感器的需求更加迫切，这也一直以来是国内外关注的热点之一。

IEC 60044-7/8是电子式互感器的国际标准，定义了设计要求、接口标准和测试要求等。

法拉第效应的光电流/电压互感器（OCT/OVT）和罗氏线圈原理的电子式电流互感器是两大主流技术。

由于成本的原因，OCT/OVT应用于110kV及以上有优势，OCT在高压系统中获得突破的可能性最大；罗氏线圈原理的互感器应用于中低压为宜，比如在紧凑型开关柜中应用。

有关传感器的几个关键问题如其电子部分的寿命问题、与二次保护测量等设备接口问题已解决，工艺问题和环境适应性问题上也已有突破，已从实验室阶段逐渐走上工业应用。

国外如ABB、AREVA等公司在123kV、170kV、345kV、420kV、525kV系统中进行了大范围的工业试验，具有一定的运行经验。

我国国内，许继的法拉第磁旋光效应光学电流互感器解决了精度温漂问题和运行稳定性问题，并通过了武汉高压研究院的型式试验，各电压等级上都已有挂网运行；另外一家较早开展纯光学互感器的西安同维也有产品在挂网运行。

但由于运行经验少，可靠性要得到用户广泛认可还需要假以时日。

（3）智能断路器技术断路器经历了少油断路器、空气断路器及SF6断路器，目前以SF6为绝缘介质的断路器基本取代了前两者，可靠性明显上升。

GIS技术发展将断路器、刀闸、地刀、TA和TV以及母线组合在一个SF6绝缘的密封壳体
内，实现了紧凑化，并且随着电力电子技术的应用，使得操作能量大幅减少，使开闭断路器由电力电子和微机组成的智能接口来完成，代替常规机械结构的辅助开关和辅助继电器，可按电压波形控制跳合闸角度，精确控制过程时间，减少瞬时过电压幅值，保障了电网安全，也大大延长设备寿命。

独立的新型传感器可监测设备缺陷和故障并告警，实现在线状态检修，将这些功能集成在一起实现的断路器就是所谓的智能断路器。

IEC 62603标准中定义了智能断路器：“具有较高性能的断路器和控制设备，配有电子设备、传感器和执行器，不仅具有断路器的基本功能，还具有附加功能，尤其在监测和诊断方面。

”
近年来国外制造商陆续推出智能断路器相关技术，日本三菱公司的MITS信息化技术开关；西门子公司HIS高度集成开关设备；ABB公司意大利ADDA工厂的Compass紧凑型预制式；瑞士工厂的252~550kV Pass插接式开关系统；瑞典工厂Compact紧凑型；日本东芝公司的TSMAIS复合型开关装置。

基于ECT/EVT 的组合电器未来的前景看好。

由于电力系统断路器发生故障后造成的破坏和影响巨大，所以对断路器的动作速度和可靠性要求都极高，在实际的应用过程非常慎重，该领域的进展是相对缓慢的。

（4）高速工业以太网网络通信技术是发展最快速的领域之一，随着微处理器技术、通信技术和网络技术的发展，缘于通信的需求，网络技术发展迅速，从早期的串行通信到现场总线、再到工业以太网通信。

当以太网从10M升到百兆乃至千兆，交换技术的发展，使通信的实时性得到保障：IEEE802.3x全双工技术减少通信冲突；IEEE802.1p优先级队列保障重要信息准时到达；IEEE802.1Q VLAN 分区隔离减少碰撞几率；IEEE802.1w快速生成树协议构建网络冗余结构，提供快速恢复的能力；IGMPSnooping/组播过滤保证数据只被需要的设备接收，降低网络带宽占用，提高了设备的响应性能。

解决了基于HUB的共享式以太网冲突检测机制造成的丢包问题和交换式以太网的实时性不确定问题以后，基于上述技术的高速的交换式工业以太网迅速成为工业控制领域网络选型的主流，带有以太网接口的智能电子设备在过去几年中
得到了显著的发展。

光通信技术、路由交换技术、无线通信技术是未来网络通信的技术热点。

3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标
本设计课题的目的是在学习和掌握电力系统电气部分的设计原则，并在给定的电网基本参数上对高压配电网进行初步的设计，主要完成了电网接线方案的选择。

包括电气主接线的形式的比较、选择；潮流计算、短路电流计算和调压计算。

以使学生对大学所学的电力系统知识、自动化知识、电子技术和计算机技术知识综合运用于解决工程实践问题的能力进行有效的工程训练]1713[ 。

变电站的电气主接线选择，应本着具体问题具体分析的原则，根据变电站在电力系统中的地位和作用、负荷性质、出线回路数、设备特点、周围环境及变电站规划容量等条件和具体情况，在满足供电可靠性、功能性、具有一定灵活性、还拥有一定发展裕度的前提下，尽量选择经济、简便实用的电气主接线。

如地方电网中的终端变电站，我们可根据其进线回路数较少的特点，选择线路——变压器组接线，或者是桥型接线。

比如110kV 中间变电站，我们可根据其交换系统功率和降压分配功率的双重功能的特点，选择单母线接线、单母线分段、单母线带旁路接线等形式。

总之， 电力网络的复杂性和多样性决定了我们不能教条地选择变电站的电气主接线, 要具体问题具体分析，选择具有自己特色的电气主接线。

变电所主接线基本要求：
（1）保证必要的供电可靠性和电能质量。

保证供电可靠性和电能质量是对主接线设计的最基本要求，当系统发生故障时，要求停电范围小，恢复供电快；电压、频率和供电连续可靠是表征电能质量的基本指标，主接线应在各种运行方式下都能满足这方面的要求。

（2）具有一定的灵活性和方便性。

主接线应能适应各种运行状态，灵活地进行运行方式切换；能适应一定时期内没有预计到的负荷水平变化；在改变运行方
式时操作方便，便于变电所的扩建。

（3）具有经济性。

在确保供电可靠、满足电能质量的前提下，要尽量节省建设投资和运行费用，减少用地面积。

（4）简化主接线。

配网自动化、变电所无人化是现代电网发展的必然趋势，简化主接线为这一技术的全面实施创造了更为有利的条件。

（5）设计标准化。

同类型变电所采用相同的主接线形式，可使主接线规范化、标准化，有利于系统运行和设备检修。

（6）具有发展和扩建的可能性。

变电站电气主接线应根据发展的需要具有一定的扩展性。

随着电力系统的发展、调度自动化水平的提高及新设备新技术的广泛应用，变电所电气主接线形式亦有了很大变化。

目前常用的主接线形式有：单母线、单母线带旁路母线、单母线分段、单母线分段带旁路、双母线、双母线分段带旁路、1个半断路器接线、桥形接线及线路变压器组接线等。

潮流计算问题在数学上可以表示为求某一个由潮流方程构成的函数的最小值问题，以此代替代数方程组的直接求解，称之为非线性规划潮流计算法。

该方法的显著特点是从原理上保证了计算过程永远不会发散。

数学规划原理和牛顿潮流算法的有机结合——带有最优乘子的牛顿算法，简称最优乘子法。

有效的解决了病态电力系统的潮流计算问题。

潮流计算问题概括为求解如下的非线性代数方程组：
若非线性代数方程组的解存在，则标量函数的最小值应该成为零。

解代数方程组的问题转化为求非线性多元函数的最小值问题。

于是潮流计算问题归为无约束非线性规划问题。

短路是指不同相之间，相对中线或地线之间的直接金属性连接或经小阻抗连接。

本章讨论和计算供配电系统在短路故障情况下的电流（简称短路电流），短路电流计算的目的主要是供母线、电缆、设备的选择和继电保护整定计算之用。

三相交流系统的短路的种类主要有三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路。

短路的原因：
（1）电力系统中电器设备载流导体的绝缘损坏。

造成绝缘损坏的原因主要有设备绝缘自然老化，操作过电压，大气过电压，绝缘受到机械损伤等。

（2）运行人员不遵守操作规程，如带负荷拉、合隔离开关，检修后忘拆除地线合闸。

（3）鸟兽跨越在裸露导体上。

短路的危害：
（1）短路产生很大的热量，导体温度升高，将绝缘损坏。

（2）短路产生巨大的电动力，使电气设备受到机械损坏。

（3）短路使系统电压降低，电流升高，电器设备正常工作受到破坏。

（4）短路造成停电，给国民经济带来损失，给人民生活带来不便。

（5）严重的短路将电力系统运行的稳定性，使同步发电机失步。

（6）单相短路产生的不平衡磁场，对通信线路和弱电设备产生严重的电磁干扰。

防止短路对策：
（1）预防性试验。

（2）正确安装和维护防雷设备。

（3）文明施工。

（4）严格遵守操作规程。

短路电流计算的目的：
（1）正确地选择和校验各种电器设备。

（2）计算和整定保护短路的继电保护装置。

（3）选择限制短路电流的电器设备。

短路电流的计算步骤：
（1）画出短路计算系统图，包含与短路计算所有元件的单线系统，标出元件的参数，短路点。

（2）画出短路计算系统图的等值电路图，一个元件用一个电抗表示，电源用一个小圆表示，并标出短路点，同时标出元件的序号和阻抗值，一般分子标序号，分母标阻抗值。

（3）选基准容量和基准电压，计算元件的标幺值电抗。

（4）简化等值电路图，求出短路总阻抗标幺值。

简化时电路的各种简化方法都可以使用，如串联、并联、Δ-Y或Y-Δ变换、等电位法等。

（5）计算短路电流标幺值，短路电流有名值和短路其它各量。

即短路电流、冲击短路电流和三相短路容量。

变电站高压电网的设计的难点是潮流计算，因为在潮流计算中常常会遇到一些特殊的问题：
（1）节点类型的相互转换和多VQ节点问题 PQ节点的电压越界可以通过将该节点转化成PV节点的办法来处理，也即将该节点的电压固定在电压的上界或下界上。

无论那一种越界处理都要待迭代过程趋于平稳时才进行，牛顿法一般在第二次迭代后进行。

（2）带负荷调压变压器抽头的调整在计算开始前对这类变压器先选择一个适当的变比值K，用通常的牛顿法先迭代2～3次，然后在后继的每两次迭代中间，插入变压器变比调整选择计算。

重复计算，直到前后两次迭代所求得的K值变化小于一个预定的很小的数并且潮流收敛为止。

（3）联络线功率的控制在互联系统的每一个区域内，都指定一台发电机作为调节发电机，通过这些发电机有功出力的调整以保证本区域的净交换有功功率为规定值。

（4）负荷静态特性电力系统的负荷从系统吸取的有功及无功功率一般要随着其端电压的变化而有所改变。

为了使潮流计算的结果能正确反映系统的实际情况，一般的节点负荷应计及其电压特性或静态特性。

本设计课题预期达到的目标是：通过对电气主接线的形式的比较、选择；潮流计算、短路电流计算和调压计算；从而选择出最优的电网接线方案和相应的电气设备。

在回顾所学电气知识的同时也训练提高自己的设计能力。

4研究工作详细进度和安排
2010.11— 2011.1.10 充分检索资料的基础上完成文献综述、外文翻译。

2011.1 — 2011.2.24 充分检索资料的基础上完成课题开题报告。

2011.2 — 2011.3 完成整体方案的设计。

2011.4 — 2011.5 主接线设计、设备的选型、计算、保护的配置等
设计。

2011.5 — 2011.5 整理毕业设计的资料，完成毕业问题的初稿。

2011.5 毕业答辩。

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