【文章內(nèi)容簡介】 隨著長江三峽電站的建設投運、西電東送的有效實施， 500kV級電力網(wǎng)已經(jīng)成為骨干網(wǎng)架， 220kV 級電力網(wǎng)逐步形成分層分區(qū)運行的電力網(wǎng)格局。全國電力網(wǎng)正在快速建設發(fā)展之中。在建的某地177。 500kV直流輸電工程輸電電力將達到 7200MW。僅位于蘇南電網(wǎng)負荷中心某地，在建中的 500kV變電所，主變總容量將達到 4000MVA，220kV出線達 16 回，以便輸配三峽送電負荷。由此可見，必將大量新建 220kV及以下的輸配電配套工程，采用新技術、選擇新設備，確保電網(wǎng)變電所的 安全經(jīng)濟運行、可靠供電，以滿足社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活對電力的需求。 變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，起作用是在于變換電壓、匯集和分配電能，而 110kV、 35kV 及以下的變電站一般與電力用戶直接相連，因此，變電站安全可靠運行與國民經(jīng)濟的發(fā)展密切相關。為了達到優(yōu)質(zhì)、安全、可靠、經(jīng)濟的運行要求，必須建立經(jīng)濟合理，技術先進的變電站。 雖然我國電力事業(yè)得到了突飛猛進的發(fā)展，但是，我國電網(wǎng)仍然存在著很多問題，就目前而言，我國的電網(wǎng)結構還不夠穩(wěn)定完善，大部分電網(wǎng)薄弱，變電所數(shù)量少，供電半徑長，線路損耗大，致使線路末端用戶電 壓過低，特別是終端變電所，此類型變電所處在電網(wǎng)的末端靠近用戶，距離電網(wǎng)比較遠，并直接向用戶供電，由于用戶負荷變動較大，所以對電網(wǎng)的影響也比較大，這就要求終端變電所能持續(xù)穩(wěn)定的向用戶供電，不斷提高變電所一次設備和二次設備的運行可靠性，以避免影響人民正常的生活和工業(yè)的生產(chǎn)。 隨著大規(guī)模電網(wǎng)發(fā)行事業(yè)的深入實施，一個優(yōu)質(zhì)、安全、可靠、寬松的供電環(huán)境已逐步形成，我們國家的電力事業(yè)逐漸和國際接軌。通過對理論的學習理解以及實際的工作，我對變電所的原理和設備有了初步的了解。為了適應我國電力事業(yè)的發(fā)展及長春工業(yè)大學學士學位論文 2 將所學的知識運用到實際 生產(chǎn)中去，提高自己的動手能力，為以后的工作打下良好的基礎，我選擇了 66kV 變電所設計。 變電站的發(fā)展趨勢 “ 變電站自動化系統(tǒng) ”(Substation Automation System SAS)，國際電工委員會解釋為 “ 在變電站內(nèi)提供包括通信基礎設施在內(nèi)的自動化系統(tǒng) (SASSubstation Automation System： The SAS provides Automation in a Substation including the Communication infrastructure)” 。在國內(nèi)，我們所說的變電站自動化系統(tǒng)，包含傳統(tǒng)的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，繼電保護、自動裝置等設備，是集保護、測量、控制、遠傳等功能為一體，通過數(shù)字通信及網(wǎng)絡技術來實現(xiàn)信息共享的一套微機化的二次設備及系統(tǒng)。 自 20世紀 90年代以來，變電站自動化技術一直是我國電力行業(yè)的熱點技術之一。目前全國已投入運行的 35~500kV 變電站約 20200 座 (不包括用戶變 )，而且每年新增變電站的數(shù)量約為 3%~5%，也就是說每年都有千百座新建變電站投入電網(wǎng)運行，新建變電站基本上都采用了自動化系統(tǒng)模式，同時每年還有許多老變電站的技術改造 ，也基本上以自動化系統(tǒng)模式為主。 在已采用自動化技術的變電站中，早期采用較多的國外產(chǎn)品有：如 ABB、SIEMENS、 GE 等公司的產(chǎn)品。但隨著國內(nèi)廠家的產(chǎn)品技術含量、工藝水平的提高以及國家產(chǎn)業(yè)政策的支持，目前 220kV 及以下電壓等級變電站的自動化大都采用了國產(chǎn)產(chǎn)品， 330kV及以上電壓等級變電站也大量使用了國產(chǎn)產(chǎn)品。目前，國產(chǎn)產(chǎn)品廠家主要有：南瑞集團、北京四方、許繼電氣、國電南自等。 我國變電站自動化發(fā)展階段 變電站二次部分傳統(tǒng)按功能分為四大類產(chǎn)品：繼電保護、故障錄波、當?shù)乇O(jiān)控和遠動。按系統(tǒng)模式 出現(xiàn)順序可將變電站自動化發(fā)展分為三個階段： 第一階段：面向功能設計的集中式 RTU加常規(guī)保護模式 80 年代及以前，是以 RTU為基礎的遠動裝置及當?shù)乇O(jiān)控為代表。該類系統(tǒng)實際上是在常規(guī)的繼電保護及二次接線的基礎上增設 RTU 裝置，功能主要為與遠方調(diào)度通信實現(xiàn) “二遙 ”或 “四遙 ”(遙測、遙信、遙控、遙調(diào) )；與繼電保護及安全自動裝置的聯(lián)結通過硬接點接入或串行口通信較多。此類系統(tǒng)稱為集中 RTU 模式，目前在一些老站改造中仍有少量使用，此階段為自動化的初級階段。 第二階段：面向功能設計的分布式測控裝置加微機保護模式 第 二階段始于 90 年代初期，單元式微機保護及按功能設計的分散式微機測控裝置得以廣泛應用，保護與測控裝置相對獨立，通過通信管理單元能夠?qū)⒏髯孕畔⑺偷胶笈_或調(diào)度端計算機。特點是繼電保護 (包括安全自動裝置 )按功能劃分的測控裝置獨長春工業(yè)大學學士學位論文 3 立運行，應用了現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡技術，通過數(shù)據(jù)通信進行信息交換。此系統(tǒng)電纜互聯(lián)仍較多，擴展性功能不強。 第三階段：面向間隔、面向?qū)ο?(ObjectOriented)設計的分層分布式結構模式 第三階段始于 90 年代中期，隨著計算機技術、網(wǎng)絡及通信技術的飛速發(fā)展，采用按間隔為對象設計保護測控單元， 采用分層分布式的系統(tǒng)結構，形成真正意義上的分層分布式自動化系統(tǒng)。目前國內(nèi)外主流廠家均采用了此類結構模式。 110kV以下電壓等級變電站，保護測控裝置要求一體化、 110kV以上電壓等級保護測控大多按間隔分別設計，對超高壓變電站的規(guī)模比較大的系統(tǒng)，為減少中間環(huán)節(jié)，避免通信瓶頸，要求裝置直接上以太網(wǎng)與監(jiān)控后臺通信，甚至要求保護和監(jiān)控網(wǎng)絡獨立組網(wǎng)，由于采用了先進的網(wǎng)絡通信技術和面向?qū)ο笤O計，系統(tǒng)配置靈活、擴展方便。 運行管理模式 （ 1） 保護和遠動專業(yè)管理模式對變電站綜合自動化技術發(fā)展的影響 由于變電站綜合 自動化系統(tǒng)源于傳統(tǒng)的 “四遙 ”并在微機保護、遠動基礎上發(fā)展起來的，保護和遠動分屬不同的部門和專業(yè)，運行管理是分開的，隨著變電站自動化技術的發(fā)展，特別是近階段，在中低壓站已經(jīng)采用保護和測控合一的綜合裝置， 許多廠家在研制高壓和超高壓站的裝置時，已經(jīng)考慮將保護、測控、故障錄波等功能綜合在一個裝置內(nèi)。因此，各自獨立運行的管理、思維方式已經(jīng)不能適應變電站綜合自動化技術發(fā)展要求，有些供電企業(yè)已將兩專業(yè)合并為綜合自動化專業(yè)，在技術和管理上實現(xiàn)了保護和監(jiān)控的統(tǒng)一 。 （ 2） 無人值班的運行管理模式與變電站自動化技術的關系 目 前已實現(xiàn)無人值班的變電站，并不都是采用所謂的綜合自動化系統(tǒng)。但是應該看到，自動化技術的發(fā)展，為無人值班或少人值班變電站提供了更先進的技術支持，使變電站設計更加合理，布局緊湊，運行更加可靠，更利于無人值班的管理，新建的變電站甚至國內(nèi)第一個 750kV變電站都將按無人值班的模式設計。 （ 3） 保護信息管理系統(tǒng)的出現(xiàn)是變電站當前運行管理的需求 隨著微機保護、故障錄波器在電網(wǎng)中的普遍使用，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時使保護和故障錄波器具備了以數(shù)據(jù)方式向電網(wǎng)調(diào)度中心傳輸故障信息的可能。為了貫徹《國家電力公司電網(wǎng)二次系統(tǒng) “十五 ”規(guī)劃》的要求，切實提高電網(wǎng)安全運行的調(diào)度系統(tǒng)信息化、 智能 化水平，在電網(wǎng)發(fā)生故障時能為調(diào)度提供實時故障信息，有效地快速恢復系統(tǒng)，電機工程學會繼電保護運行技術分專委會特制定了《繼電保護、安全自動裝置和故障錄波器信息處理系統(tǒng)》技術規(guī)范，已有多個變電站自動化系統(tǒng)生產(chǎn)廠家研制出該類系統(tǒng)并投入電網(wǎng)使用。該系統(tǒng)是專為保護管理部門設計的，當保護和故障錄波裝置在故障時，由于信息量較大原因而采用單獨組網(wǎng)模式。 長春工業(yè)大學學士學位論文 4 繼電保護 技術的發(fā)展 談到變電站自動化，必須關注繼電保護技術的發(fā)展，關注保護與監(jiān)控當前及今后在自動化技術發(fā)展中的相互融合關系。 （ 1） 繼電保護技術的發(fā)展史 從 90 年代初至今，不同原理、不同機型的微機線路和主設備保護各具特色，為電力系統(tǒng)提供了一批性能優(yōu)良、功能齊全、工作可靠的繼電保護裝置。隨著微機保護裝置的深入研究，在微機保護軟件、算法等方面也取得了很多理論成果。微機保護已成為電力系統(tǒng)保護、監(jiān)控、通信、調(diào)度自動化系統(tǒng)的重要組成部分。 （ 2） 繼電保護的現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)繼電保護的發(fā)展已達到甚至超過國外同行業(yè)的水平。 在保護硬件構成方面，國內(nèi)的微機保護經(jīng)歷了 8 位 CPU、 16 位 CPU 等幾個階段，當前已發(fā)展到利用DSP 進行信號處理、 32 位 CPU冗余設計、高精度模數(shù)變換、裝置內(nèi)采用網(wǎng)絡通信技術、硬件模塊化設計 等先進水平階段。在電磁兼容設計方面均有獨到之處，具有很高可靠性 。 在保護的原理方面，國內(nèi)微機保護的水平很多方面已領先于國外的同類產(chǎn)品。尤其在高壓線路保護方面，經(jīng)多年研究，微機保護的性能比較完善，可以適應復雜的運行及故障條件。由于通信通道技術的限制，早期的全線速動縱聯(lián)保護主要由專用閉鎖式或允許式縱聯(lián)方向保護和縱聯(lián)距離保護構成 。隨著通信技術的發(fā)展，分相式光纖電流縱聯(lián)差動保護由于原理簡單可靠而廣泛應用。主設備保護方面，與線路微機保護相比，雖然起步較晚，經(jīng)過多年的研究已克服了早期的元件微機型保護可靠性不高，靈敏度低，動作速度慢， TA 飽和影響較大等缺點。 在 110kV 及以下電壓等級的變電站綜合自動化系統(tǒng)中，主變后備保護、線路 (饋線 )保護、電容器保護等繼電保護裝置普遍采用保護測控一體化技術，即所謂的四合一裝置。每個四合一裝置不但可完成繼電保護功能，而且還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通信功能，成為整個電力系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡上的一個 智能 設備。 IEC61850 標準的推廣應用 IEC 61850 是國際電工委員會 TC57 制定的《變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)》系列標準，為基于網(wǎng)絡通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一國際標準，也是國家電力行業(yè)相關標準的基礎。 IEC 61850 制定的思路是： （ 1） 提高互操作性，工程實現(xiàn)方便； （ 2） 面向?qū)ο螅疵嫦蛟O備； （ 3） 滿足應用技術迅猛發(fā)展要求； （ 4） 應對通信技術和網(wǎng)絡技術發(fā)展的挑戰(zhàn)。 長春工業(yè)大學學士學位論文 5 指導 工作方向為：適應現(xiàn)代技術水平的通信體系，實現(xiàn)完全的互操作，體系向下兼容，基于現(xiàn)代技術水平的標準信息和通信技術平臺， 通過標準化數(shù)據(jù)交換接口實現(xiàn)開放式系統(tǒng)，例如該標準應用于所有類型的分布式 SCADA 系統(tǒng)。 IEC 61850 不僅用于變電站內(nèi)通信，而且可用于變電站和控制中心通信。 IEC 61850 標準經(jīng)過多年的醞釀和討論，至 2020 年已正式發(fā)布大部分內(nèi)容。 IEC 61850 標準是全世界唯一的變電站網(wǎng)絡通信標準，也將可能成為電力系統(tǒng)中從調(diào)度中心到變電站、變電站內(nèi)、配電自動化無縫通信標準，還可望成為通用網(wǎng)絡通信平臺 的工業(yè)控制通信標準。當前， 生產(chǎn)相關產(chǎn)品的國內(nèi)外各大公司都在圍繞 IEC 61850 開展工作，并提出 IEC 61850 的發(fā)展方向是實現(xiàn) “即插即用 ”，在工業(yè)控制通信上最終實現(xiàn) “一個世界、一種技術、一個標準 ”。 為適應未來數(shù)字化變電站發(fā)展的趨勢， IEC61850 標準按通信體系及設備功能將變電站自動化系統(tǒng)分為 3 層：變電站層、間隔層、過程層。變電站層設備由帶數(shù)據(jù)庫的計算機、操作員工作臺、遠方通信接口等組成；間隔層設備由每個間隔的控制、保護或監(jiān)視單元組成；過程層設備典型的為遠方 I/O、智能傳感器和執(zhí)行器等。 變電站自動化系統(tǒng)向高集成化、數(shù)字化、標準統(tǒng)一化方向發(fā)展 隨著集成電路和計算機技術的飛速發(fā)展，各種新型的大規(guī)模集成電路將會進一步應用在繼電保護和測控裝置上，如 32 位 CPU、數(shù)字信號處理芯片 DSP、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、嵌入式實時操作系統(tǒng)、大容量 Flash、可編程邏輯器件 CPLD、 FPGA 等。這些新器件的應用將使保護和測控裝置的電路板更加小型集成化，裝置通信、數(shù)據(jù)存儲及處理能力更強。將間隔的控制、保護、故障錄波、事件記錄和運行支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理等功能，通過模塊化設計集成在一個統(tǒng)一的多功能數(shù)字裝置內(nèi)是可行的 ，間隔內(nèi)部和間隔間以及間隔同站級間的通信可統(tǒng)一用一層網(wǎng)即光纖以太網(wǎng)來實現(xiàn)。高集成化系統(tǒng)的發(fā)展，無疑能降低成本，提高系統(tǒng)可靠性，有利于實現(xiàn)統(tǒng)一的運行管理。目前在許多中低壓站已實現(xiàn)。 變電站自動化系統(tǒng)最終向數(shù)字化發(fā)展，指的是 智能 化電氣的發(fā)展，如 智能 開關設備、光電式電壓和電流互感器、智能電子裝置 (IED)等的出現(xiàn)，使變電站 自動化技術進入了數(shù)字化階段。智能化一次設備的數(shù)字化傳感器、數(shù)字化控制回路逐漸取代傳統(tǒng)的一次回路， 使變電站層、間隔層、過程層最終用網(wǎng)絡聯(lián)接起來，并實現(xiàn)統(tǒng)一的通信標準。 總之，變電站自動化技術是伴隨著現(xiàn)代科技技術發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡技術、計算機軟、硬件技術及超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展而不斷進步， 自動化系統(tǒng)以按對象設計的全分層分布式為潮流， 朝著二次設備功能集成化，一次設備智能數(shù)字化方向發(fā)展；運行管理朝著各專業(yè)協(xié)調(diào)統(tǒng)一和站內(nèi)無人值班模式發(fā)展。同時經(jīng)濟性和可靠性也是變電站自動化技術發(fā)展所要考慮的實際問題。 IEC61850 標準的實施應用，電能質(zhì)長春工業(yè)大學學士學位論文 6 量監(jiān)測管理，一次設備的在線監(jiān)測，網(wǎng)絡安全技術，數(shù)字式視頻圖像監(jiān)控技術，基于同步相量測量裝置的電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測， 以及如何融入變電站自動化系統(tǒng)， 都是變電站自動化技術發(fā)展所要研究的課題 。 系統(tǒng)性能指標 地理位置及氣象 、 地質(zhì)條件 （ 1） 變電所位于 延吉 市 鐵南市場 附近，交通運輸方便。 （ 2）海拔 178m， 屬三面環(huán)山的盆地地區(qū) ，周圍環(huán)境較清潔，不受各類污染的影響。 （ 3）本區(qū)年最低溫