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1、 学位论文独创性卢明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 南昌大学 或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名（手写 1 P 签 字 円 期 ： 年 上 月 ； 1 円 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 南昌大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和
2、借 阅。本人授权 南昌大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所和中国学术期刊（光盘版）电子杂志社将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库和中国优秀博硕士学位论文全文数据 库中全文发表，并通过网络向社会公众提供信息服务。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ） 学位论文作者签名（手写 ） : 导师签名（手写 ） : 签字円期 : 年 仁 月 名 |R 签字 FI期： 月冬 |円 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，用户对供电质量的要求也 n 益提高。国家提出了加快城网和农网建设及
3、改造、拉动内需的发展计划。科学 的变电站设计方案具有提升配电网的供电能力和适应性，降低配电网损耗和供 电成本，减少电力设施占地资源等优点。 35kV变电站适合于农村电力网建设， 尽管现在在用电量大的城市和经济发达的沿海城市已不再新建 35kV变电站，甚 至旧的 35kV变电站也升压改造成为 llOkV变电站或 10kV开关站，然而 35kV/10kV供电方式在广大的农村地区仍将长期存在， 35kV变电站将长期使 用。 而数字化变电站是以变电站一、二次系统为数字化对象，对数字化信息进 行统一建模，将物理设备虚拟化，采用标准化的网络通信平台，从而以信息共 享、硬件平台综合集成应用、软件功能插接复用
4、、逻辑功能智能化策略的全新 模式，实现变电站运行监视、快速保护、智能分析、标准化操作、设备状态监 测等基本功能，并为智能电网以及广域控制技术的发展奠定了基础。目前，数 字化变电站已广泛用于 11 OkV及以上的变电站中，相比来说较少用于 35kV的变 电站设计；与此同时，目前有很多的常规 35kV变电站面临着向数字化改造的问 题。本文针对这一现象，将设计一座 35kV变电站，然后对其进行数字化改造， 为现存的 35kV传统变电站向数字化变电站的改造提供参考；并对相关的理论进 行了研究，对一些需要注意的地方进行了说明，对比及总结了数字化变电站的 优点及其不足之处，为其实践及后续的研究与发展提供了
5、一些参考。最后运用 SketchUp软件设计了对未来数宇化变电站的设想图，为数字化变电站的未来发 展做出了先行性的探索和研究。 关键词：变电站设计；数字化变电站；数字化改造 ABSTRACT ABSTRACT With the development of the national economy and the improvement of peopled living standard, the requirements about the power supply?s quality are increasing day by day* The government raised a p
6、lan about speed up the city nets and rural construction and renovation, stimulating domestic demand growth. Scientific design can improve the ability of power supply and the adaptability of the substation, and can reduce the land that electric power facilities occupied. 35kV substations are suitable
7、 for the rural power grid construction. Although the cities with huge quantities of power consumes and the cities with economically developed are no longer built new 35kV substation, even the old 35kV substations are transforming into llOkV substation or lOkV switching station, the style of 35kV/10k
8、V will continue to exist in the vast rural area for a long time. And the digital substation is the one that take the first and secondary system as the digital object. It makes a unified modeling to digital information, and take the use of standardized network communications platform, thus, with info
9、rmation sharing, integrated hardware platform application, software function interpolation access reuse and so on, it realize the monitoring of substation operation, fast protection, intelligent analysis and other basic functions. Besides, it also laid the foundation for the development of smart gri
10、d, as well as wide-area control technology. At present, the digital substation has been widely used in substations of llOkV and above, the contrast shows 35kV substations are less. At the same time, there are a lot of conventional 35kV substations are facing the problem of digital transformation. In
11、 this paper, according to this phenomenon, I will design a 35kV substation firstly, and then I will make digital transformation for this substation, and compare the advantage and disadvantage between digital and traditional substation. I hope my paper can provide some references for the existing 35k
12、V traditional substation. Finally, I will use “ SketchUp” to design the vision of the future digital substation， which makes an exploration and research for the future development of digital substation. Keywords ： substation design; digital substation; digital transformation B录 目录 第 1 章 绪 论 . 1 1.1课
13、题的研究背景与意义 . 1 1.2国内外研究动态 . 2 1.2.1国外数字化变电站的发展与现状 . 2 1.2.2国内数字化变电站的发展与现状 . 3 1.3本文的工作 . 4 第 2 章 35kV变电站设计 . 5 2.1分析原始数据 . 5 2.1.1某 35kV变电站建设的必要性 . 5 2.1.2所址概况 . 5 2_1.3 g然条件 . 5 2.1.4设计范围及建设规模 . 5 2.1.5接入系统方案 . 5 2.2主变压器容量及型号的选定 . 6 2.2.1主变压器的设计原则 . 6 2.2.2主变压器台数的选择 . 6 2.2.3主变压器容量的选择 . 6 2.3电气主接线设计
14、 . 8 2.3.1电气主接线的基本要求及设计原则 . 8 2.3.2设计方案 . 9 2.3,3各电压等级选取的一般原则 . 11 2.3.4主接线方案的选定 . 11 2.4短路电流的计算 . 12 2.4.1短路电流实用计算的基本假设 . 12 2.4.2短路电流的计算 . 13 2.4.3短路电流的计算结果 . 14 III _H录 _ 2.5电气设备的选择与校验 . 14 2.5.1电气设备选择的一般原则 . 15 2.5.2电气设备选择的有关规定 . 15 2.5.3有关 35kV侧电气设备的选择 . 16 2.5.4有关 10kV侧电气设备的选择 . 17 2.5.5母线的选择
15、. 18 2.5.6支柱绝缘子的选 择 . 22 2.5_7 10kV穿墙套管的选择 . 23 2.6防雷系统的设计 . 23 2.6.1避雷器的选择与校验 . 23 2.6.2避雷针的设置 . 24 2.7接地装置设置 . 25 2.8电气设备布置及配电装置 . 27 2.8.1配电装置的基本要求 . 27 2.8.2屋内、外配电装置 . 27 2.8.3 35kV配电装置 . 28 2.8.4 10kV配电装置 . 28 2.8.5事故油池 . 28 2.8.6站用电系统 . 28 2.8.7动力照明 . 29 2.8.8电缆设施与防火 . 29 2.9电气二次部分 . 29 2.9.1电
16、力系统中继电保护的作用 . 29 2.9.2主变保护 . 30 2.9.3 35kV进线保护 . 30 2.9.4 10kV出线保护和电容器保护 . 30 2.9.5二次设备布置 . . 31 2.9.6直流系统及电能计量 . 31 第 3章数字化变电站 . 33 IV 3.1常规变电站自动化系统的不足 . 33 3.2数字化变电站的优势 . 34 3.2.1新技术对变电站自动化系统发展的影响 . 34 3.2.2数字化变电站的优势 . 35 3.2.3数字化变电站与传统 变电站的比较 . 36 3.3数字化变电站的技术特征 . 36 3.4数字化变电站的系统结构 . 37 3.5数字化变电站
17、的应用前景 . 37 第 4 章对 35kV变电站数字化改造 . 38 4.1 一次设备的数字化 . 38 4.U数字化变电站一次设备的基本构成 . 38 4.1.2非常规互感器 . 39 4.1.3智能断路器系统 . 40 4.1.4合并舉元 . 42 4.1.5本站中的一次设备改造及配置 . 43 4.2二次系统的数字化 . 44 4.2.1非常规互感器与继电保护的配置方案 . 45 4.2.2数字化变电站保护、计量的实现原理 . 46 4.2.3本项目中其他二次部分的一些改进 . 48 4.3数字化变电站的组网方案 . 49 4.3.1数字化变电站的网络构成 . 49 4.3.2过程层网
18、络的组网方案 . 50 4.3.3变电站总线的组网方案 . 51 4.4数字化变电站与常规系统的兼容模 式 . 52 4.5数字化变电站信息管理系统与设备及网络安全 . 54 4.5.1数字化变电站的信息管理系统 . 54 4.5.2数字化变电站的状态监测 . 54 4.5.3数字化变电站的网络安全 . 54 4.6数字化改造前后的性能优劣对比 . 55 0录 第 5章结论与展望 . 58 5.1结论 . 58 5.2 展望 . . 59 5.2.1非常规互感器的应用展望 . 59 5.2.2数字化变电站的未来构想 . 60 . 68 . 69 隱 . 71 VI 第 I章绪论 第 1 章绪论
19、 1.1课题的研究背景与意义 由于农村的用电负荷小，且面积广，根据有关资料的介绍，当负荷密度在 10 20kw/km2时， 35kV/0kV供电方式的经济供电半径为 8 15km， 相配套的 35kV线路输送容量和输送距离分别为 2000 lOOOOkw和 20 50km , 10kV线路 输送容量和输送距离分别为 20 2000kw和 6 20km。因此，我们可以得出结论， 即 35kV变电站是适合于农村电力网建设的，尽管目前某些旧的 35kV变电站正 在升压改造成为 llOkV的变电站或是 10kV的开关站，甚至在很多大城市、经济 发达的城市已经不再新建 35kV电压等级的变电站，然而对于
20、广大的农村地区、 农村电网来说， 35kV/10kV的供电方式和 35kV输电线路仍将长期存在。县属及 乡镇建设的 35kV变电站的设计工作目前大多是由县供电部门自行进行，其设计 不仅应符合国家现行的有关标准和规范的规定，还必须对设计方案进行技术经 济比较，并加以优化。在实际设计工作的时候，要按照安装、运行、维护 以及 检修是否方便；负荷的重要性、用电的容量、周边的环境、工程的特点以及所 设计地区的供电条件以及地区用户的经济承受能力；备品备件的购置、运输条 件以及将来的升压扩建和调度自动化配合等方面因素综合考虑 1，从全局出发， 统筹兼顾，从而选择出最佳的设计方案来。 变电站是电力系统中不可缺
21、少的重要环节，对电网的安全与经济运行起着 举足轻重的作用，如果仍然依靠原来的人工抄表、记录、人工操作为主的运行 方式，将无法满足现代电力系统管理模式的需求；同时，用于变电站的监视、 控制、保护等装置，如果不能充分地利用微机数据 处理的大功能和速度优势， 经济上也是一种资源浪费。随着电网规模的不断扩大、电力分配的日益复杂以 及用户对电能质量的要求进一步提高，电网自动化就显得极其重要。因此，变 电站自动化既是实现自动化的重要基础之一，也是满足现代化供用电的实时、 可靠、安全、经济运行及管理的需要，更是电力系统自动化 EMS以及 DMS的基 础 2。而随着计算机技术和电子技术的发展，由微机保护、测控
22、装置、远动通信 服务器以及计算机监控系统构成的变电站自动化系统经过上世纪八、九十年代 的快速发展，现在己成为变电站建设的标准。通讯系统已建成以 光纤为媒介的 1 第 1 章绪论 网络，完全满足了变电站自动化系统对数据的实时性以及可靠性的要求，传感 器、开关等过程层设备中适应恶劣环境的电子技术已基本成熟，实现间隔层信 息交换数字化、过程层设备数字化以及间隔层与过程层之间信息交换数字化的 全数字化变电站已成为变电站技术发展的必然趋势。 近年来，随着智能电器和电子传感器的实用化以及网络技术、光通信技术、 微电子技术以及计算机技术的迅速发展，使得变电站自动化系统逐渐进入了数 字化阶段。而随着科学技术的
23、快速发展，通讯技术也已经实现了大容量、超大 容量的数据传输，千兆以太网得到了迅速的推广及应用；高速、超高速的中央 处理器，不仅可以实现纳秒级的处理速度，且功耗低，性能稳定。这些先进的 科学技术正逐渐应用于电力系统，使数字化变电站的建设成为可能。目前，国 内数字化变电站系统的应用尚处于探索阶段，在数字化建设过程中存在着很多 难题需要解决，尤其是对于运行中的常规变电站进行数字化改造方面，可借鉴 的工程实践经验非常少。 1.2国内外研究动态 1.2.1国外数字化变电站的发展与现状 国外的几个大的电力设备公司，如西门子、 ABB等，已经幵发了全套数字 化变电站的一次和二次设备，并已经取得了成功的应用。
24、在 IEC61850标准的制 定过程中，各厂家进行了设备之间的互操作试验，且在示范变电站中得到了应 用。国外厂商己经开发出了符合 IEC61850标准的智能电子设备，其中不但有保 护装置，还有符合该标准的过程层设备，如智能断路器和带数字接口的光电 CT、 PT等。 ABB公司幵发的 PASS系统将智能化开关设备和传感器集成在一起，并 融和了部分保护和测控功能。该系统在国外已经有一定范围的应用。从 1998年 至 2000年的两年间， ABB， SIEMENS和 ALSTOM三家电气设备公司合作在德 国进行了 OCIS (Open Communication in Substations)计划，
25、完成了间隔层设备和主 控站之间的互操作试验。在 2002年 1月， ABB和 SIEMENS在美国进行了采样值 传输互操作试验，同年的 9月，这两个公司又进行了跳闸和采样值互操作性试 验，试验都很成功。 2002年到 2004年之间，ABB、 SIEMENS和 ALSTOM在德 国柏林进行了间隔层设备的互操作试验，此次成功的试验证明了互操作性 以及 简化工程难度的可行性 341。 2 _ 第 1 章绪论 _ 而对于变电站的数字化改造，美国在这方面投入了大量的资金和人力来进 行相关技术的研发工作。 GE公司为美国电力公司在 Ohio的一个 342kV的变电 站进行了数字化改造，成为了一个成功的案
26、例。并且这种改造方法也适用于超 高压公司。该方案的核心元件有几种 ： Hard Fiber， 译为硬核光导纤维 ； IEC 61850 现场过程总线；以及俗称 Brick的模块。 1.2.2国内数字化变电站的发展与现状 数字化变电站在我国发展迅速，从 1995年德国提出制定 IEC 61850的设想幵 始，中国就一直关注 IEC 61850的发展。全国电力系统管理及其信息交换标准化 技术委员会自 2000年起，就将把对 IEC61850的转化作为工作的重点之一。从 CD (委员会草案 )到 CDV， 从 FDIS到正式出版物，标委会及其工作组专家密切 跟踪 IEC标准的进展，用了将近五年的时间
27、，以及经过二十多位专家的辛勤工作， 最终完成了 IEC61850到行业标准 DL/T860的转化。未来，在智能电网建设的大 背景下，数字化变电站的快速发展 将是必然趋势，但我们还必须解决电子式互 感器的可靠性问题、网络交换机的可靠性问题等障碍。目前，我国己建成或者 在建的数字化变电站同国外的数字化变电站相比，有着不同的特点：国内数字 化变电站更重视可靠性问题，故较多采用了冗余网络方式。国内数字化变电站 较多采用 IEC61850-9-1标准，但该标准未来非 IEC的主流推荐，国内需尽快开 发基于 IEC61850-9-2的系统。因为技术成熟度的问题，国内对电子式互感器的 应用还比较保守。 IE
28、C61850是面向未来的变电站自动化技术标准，也是全世界 关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系，目前我国投运的数字化 变电站均以 IEC 61850为统一标准，但在对该标准的理解、执行等方面还需进一 步的统一规范。 IEC61850的概念思想非常的先进，应该讲具有很强的生命力。 电力系统的其他领域都很重视 IEC 61850，有的直接引用其文本形成本领域的标 准，有的吸收其思想，编制相关标准。 IEC61850这一套标准要涵盖电力系统的 各个方面是不现实的，但它的先进思想和部分技术一定会被广泛的引用。由于 ffiC61850标准体系庞大，也渐渐暴露出了一些问题。 如 IEC61850
29、标准本身描 述并不完全一致；各厂家对标准的理解并不完全相同；对应用时的一些细节未 作要求。要解决这些问题，应该由多方共同努力完成：首先，国内的用户和设 备制造商要有统一标准的共同愿望；其次，标委会要加强组织协调，发挥公正 平台的作用，进一步细化完善国内工程实施技术规范，配套建立其他如功能规 3 第 1 章绪论 范、设计规范、验收规范等。随着技术的不断进步和完善，我国数字化变电站 的试点建设已经有了相当数量 5且已投运的数字化变电站的运行状态都良好， 稳定性强。这样就出现了大量的传统变电站面临着数字化改造的任务。而就目 前来说，国内还没有供应商在进行变电站数字化改造方面做过研究，仍都在研 究数字
30、化变电站的实现，相对于国外来说更热衷于新建一个数字化变电站。 1.3本文的工作 本文结合设计手册和设计任务书等相关资料，首先对某 35kV变电站进行设 计，包括电气主接线、短路电流计算、变压器容量及型号选择、电气设备的选 择与校验、防雷接地的设计、变电站的布置以及二次部分的设计等方面；之后 通过结合国内外数字化变电站的发展现状及趋势，对传统变电站的相关方面进 行数 字化改造，包括变电站一次设备智能化以及二次系统数字化的改造，并设 计了相应的组网方式，为现存的常规变电站向数字化变电站的改造提供了一些 设计实例及方案；并通过对改造前后的优劣对比，得出相关结论，为其实践及 后续的研究及发展提供了一些
31、参考；最后在第五章中通过运用 SketchUp软件设 计了对未来数字化变电站的构想图，为数字化变电站的未来发展做出了先行性 的探索和研究。 4 第 2 章 35kV变屯站设计 第 2 章 35kV变电站设计 2.1分析原始数据 2.1.1某 35kV变电站建设的必要性 为了某县经济发展，提高供电网络的可靠性。县供电局决定将某县 35kV供 电网络形成环网供电。为此需新建某 35kV变电站。 2.1.2所址概况 农网完善工程 某 35kV变电站项目建设基地选址于某镇的北部，在县乡 公路的西侧，距镇区约 3.9km。 建设基地现状为旱地，南北长为 49m， 东西宽为 42m,用地面积 2058m2
32、。 不占用农田，进出线比较方便，位于公路旁，交通运 输十分便利。 2.1.3自然条件 变电站所在地属亚热带湿润气候，气候温和，雨量充沛，光照充足，年平 均气温 18.8 C， 降水量 1527毫米，円照小时数 1748小时，无霜期 292天。基本 风压 0.30kN/m2， 基本雪压 0.35kN/m2。 2.1.4设计范围及建设规模 本工程设计范围为新建 35kV变电站的电力设计及相应的控制、保护、变电 站自用电和照明、电缆敷设和防雷接地等等。 2.1.5接入系统方案 新建 35kV变电站接入系统方案如下： a)电压等级：采用 35/10.5kV二级电压接系统。 (2) 出线规模以及接入系统
33、方案： 35kV电源进线破口接于古富线 35kV线 路，破口点距该变电站约 12公里，导线采用 LGJ-120/20mm2型； 10kV出线为 6 回。 5 第 2 章 35kV变电站设计 2.2主变压器容量及型号的选定 2.2.1主变压器的设计原则 为了保证负荷每年按 10%的增长，并且能满足 10年内的要求，设计时按以 下方案进行综合考虑： (1) 明备用方式，即 2台主变压器的容量都满足要求，任何情况下都只有 1台运行，两台主变压器互相备用。 (2) 暗备用方式，即 2台主变压器的容量之和满足要求。正常情况下两台 主变运行，故障情况下一台运行，因此，每台变压器的容量应满足安全用电的 要求
34、，即保证 I、 II类负荷的供电，一般要求能满足全部负荷的 70% 80%。 (3) 在设计中，运行初期主变压器可采用明备用方式，随着负荷的增加和 发展，后期可采用暗备用方式 7。 2.2.2主变压器台数的选择 (1) 对于大城市郊区的一次变电站，在中、低压侧己构成环网的情况下， 变电站台数以两台为宜； (2) 对于孤立的一次变电站或大型工业专用变电站，在设计时要考虑设三 台主变压器的可能性； (3) 对于规划只有两台主变压器的变电站，其变压器等级宜按大于变压器 容量的 1 2级设计，以便负荷发展时更换变压器的容量 8。 2.2.3主变压器容量的选择 主变压器容量必须满足网络中各种可能运行方式
35、时的最大负荷的需要，考 虑到负荷的发展，主变压器的容量应根据 5 10年的规划负荷来进行选择，并考 虑变压器允许的正常过负荷能力，使变压器容量选得切合实际的需要。为此， 设计时首先要正确地估算变电站的最大计算负荷，然后根据上述原则来选择主 变压器的额定容量 8。 (1) 变电站计算负荷：在变电站主接线设计中是根据计算负荷来选择主变 压器容量的。负荷调查统计出的变电站供电范围内的所有用电设备的额定容量 总和要比实际变动负荷大，因为用电设备实际负荷一般小于其额定容量，而且 各种 用电设备并非同时运行，其中有些设备停运，有些则可能在检修。考虑到 这些因素计算出来的负荷称为计算负荷。用计算负荷作为依据
36、来选择主变压器 6 _ 第 2 章 35kV变屯站设计 _ 容量切合实际。变电站设计的计算负荷用下式进行计算： SJS=K,S,(l + X%) 0.1) 式中一变电站设计时的计算负荷， kVA; &一各用户 (下级变电站 )的计算负荷， kVA; K, 同时系数，一般取 0.85 0.9; X% 线损率，高低压网络的综合线损率为 8% 12% ; 用户计算负荷的确定方法：目前广泛采用需要系数法求变电站各用户计算 负荷，即： S, =KxlSei (kVA) (2.2) 式中足 ,一各用电设备的额定容量， kVA; ，一各用电设备的需要系数，从有关设计手册查得。 5 10年的负荷增长，可按自然增长率估算，认为负荷在一定阶段按某一 指数关系增长。因此，计及负荷增长后的变电站最大计算负荷为： 则 (kVA) (2-3) 式中 年数； w 年平均负荷增长率，根据历史资料确定。 (2) 根据计算