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摘要：随着我国电力事业的飞速发展 ,电网规模不断扩大 ,高电压等级特别是 5 0 0 k V等级的变电站得到了迅速发展并逐步成为区域电力枢纽或骨干节点 ,这些变电站一般都具有占地规模大、配电间隔多、运行工况信息量大等特点 ,对运行设施和保障电网安全的技术手段提出了更高的要求。本文主要探讨变电站电气一次部分的合理设计和稳定运行直接影响变电站电气系统的工作性能, 结合500kV超高压枢纽变电站系统的特点, 对变电站电气一次部分及其监控系统进行设计研究。
关键词: 变电站; 电气一次部分; 主接线设计; 监控系统;
Abstract: With the rapid development of China's power industry, the continuous expansion of network scale, high voltage level especially substation 500 K class V has been developing rapidly and become a regional power hub or backbone nodes. It puts forward higher requirements for the operation of the facilities and ensuring network security technology. This paper mainly discusses the operation of a reasonable design and stable electrical substation directly influence the working performance of electrical system for substation, combined with the characteristics of 500kV EHV substation system, design of substation electrical part and its monitoring system.
Keywords: substation; electrical part; the main wiring design; monitoring system;
中图分类号:TM411+.4文献标识码：A文章编号：
1 变电站电气一次部分设计
以500kV 枢纽变电站为例说明电气一次部分设计。500kV 超高压变电站容量大、电压高、出线回路数多, 是电力输送的枢纽性变电站。该枢纽变电站包含500kV 进线四回, 线路长度分别为200km ( 2回)与300km( 2回)属于四个独立电源; 110kV 馈出线8 回, 距负荷端分别为: 40km ( 2 回)、50km ( 2回)、60km( 2回)、70km( 2回)。变电站安装主变四台( 4 370MVA ) , 系统按照无穷大考虑。
1. 1主接线设计
变电站电气一次部分的设计主要是主接线的设计。主接线是由高压电器设备通过连接线组成的接受和分配电能的电路, 它反映各电气设备的作用、连接方式和各回路间的相互关系, 构成了变电站电气部分的主体。主接线是电力系统按接线组成中的一个重要部分, 它的确定直接影响着电力系统的安全、稳定、灵活以及配电装置的布置、继电保护的配置、自动装置和控制方式的选择, 因此, 它的设计必须满足工作可靠、调度灵活、运行检修方便且具有经济性和发展的可能性等要求。
1. 2主变压器容量选择
变压器容量的选择至关重要, 容量选择小了, 不满足负荷增长的要求。容量选择大了, 变压器空载损耗大, 起不到降低损耗的要求。因此, 变电所主变压器的容量一般按变电所建成后5~ 10年的规划负荷考虑, 并应按照其中一台停用时其余变压器能满足变电所最大负荷Smax的60% ~ 70%选择。变电站主变压器容量为370MVA, 型号选择SFPZ -370000 /500 的变压器。
1.3电气设备选择
1.3.1母线选择
母线选择时, 要首先选择母线的材料, 500kV 电压等级, 一般选择择钢芯铝绞线, 然后按经济电流密度选择母线截面, 选择满足母线截面要求的母线型
号, 按最小截面积法校验母线的热稳定和电晕条件校验母线的临界电晕电压, 最终确定母线的型号。母线选择LG JQT- 1400mm2 型钢芯铝绞线。
1.3.2500kV断路器的选择
依据断路器装设地点和构造类型,选择户外式少油断路器,由额定电压选择Ue≥500kV;额定电流选择Ie≥897.22A;额定开断电流选择Iekd Idt = I"= Ix = 2. 202kA。查《电力工程设计手册》选用LW 12- 500型户外式少油断路器, 见表1。
表1、LW 12- 500型户外式少油断路器主要技术参数
校验: 额定电压: Ue = 500kV = UN;额定电流: I= 4000A > 897. 22A。
1)额定开断电流校验:
500kV 母线短路次暂态电流= 12.64kA
LW12- 500断路器的额定开断电流为63kA >12. 64kA 符合要求。
2)动稳定校验:
500kV 母线短路冲击电流: Ish = 32. 232kA;LW12- 500 断路器的极限通过电流: Iet = 125kA, Ish< Iet符合动稳定要求。
3)热稳定校验:
设后备保护时间为1. 9s, 根据所选断路器的参数可知, 其断路器的固有分闸时间为0. 02s, 选择的熄弧时间为t= 0. 03s。
则设备短路时的持续时间为: t1 = 1.9s+ 0.03s+ 0.02s= 1.95s。
短路时的热效应: QK 500 =·t1 = ( 12. 64kA )2×1.95s= 31. 55kA2·s; 允许的热效应: Q´K 500 =( 63kA )2 ×5s= 19845kA2·S> QK 500。所以, 该断路器满足热稳定性的要求。其余断路器选择方法与500kV 断路器方法类似。
1. 3. 3 110kV侧隔离开关的选择
1)为保证电氣设备和母线检修安全, 选择隔离开关带接地刀闸。
2)该隔离开关安装在户外, 故选择户外式。
3)该回路额定电压为110kV, 因此, 所选的隔离开关额定电压Ue≥110kV, 且隔离开关的额定电流大于流过断路器的最大持续电流897. 22A。
4)所以, 选择GW4- 110 /1000 型单接地高压隔离开关主要技术参数, 见表2。
表2、GW4- 110 /1000 型单接地高压隔离开关主要技术参数
2 监控系统设计
变电站电气一次部分监控系统的设计对电网安全稳定运行, 降低变电站造价两方面起着重要的作用。应用于变电站的监测系统应能在信息技术和通讯技术的协助之下, 实时监测变电站电气一次部分设备的状态和运行数据, 在获取相关信息后, 应对监控信息进行必要分析, 并以图表显示、音响通知等直观的形式提交到监控终端, 为管理者和运行人员的决策提供直观的依据。
2. 1PLC的选择和设计
PLC的高可靠性和稳定性适合于实时控制, 编程方式简单, 可以用指令或是梯形图来进行编程。因此, 选用PLC 来实现变电站电气一次部分监控。在选择PLC 的型号和配置时, 要分析控制对象, 对I/O 的点数进行统计, 还需在实际I/O 点数的基础上留出20% ~ 30% 的备用量, 使系统具备扩展能力。分析该系统的控制任务, 选用西门子公司的S7- 300系列产品能满足控制系统的要求, S7 -300采用模块化结构, 运行速度快, 各种模块可进行广泛的组合, 实现控制功能。
PLC 系统模块选型为: CPU 模块选择CPU315- 2 DP, 该新型CPU 集成一个PROFINET接口, 支持TCP / IP协议, 能较容易地和包括IPC 在内的其它支持以太网的设备之间自由通信。数字量输入模块选择SM321 ( D I 32 x DC24V ), 数字量输出模块选择SM322 ( DO 32 x DC24V /0. 5A ) , 模拟量输入模块选择SM331 ( DO 32 x DC24V /0. 5A ), 电源模块选择PS307 10A, 接口模块选择IM360 /361。
2. 2 组态软件的设计
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件, 它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境, 使用灵活的组态方式, 为用户提供快速构建自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
为监控变电站一次部分设备和参数采用“组态王”进行人机界面的工程设计。设计步骤: ( 1)设计图形界面, 建立PLC 设备; ( 2) 创建实时数据
库, 使检测数据点与PLC中的数据对应起来。这些数据包括PLC 采集的变电站监控数据和组态软件写入PLC 的命令标志位; ( 3)制作圖形界面, 用于显示设备的工作状态和报警信号的状态, 显示操作按钮; ( 4)动画连接。建立图形和数据的对应关系, 使图形随着数据的变化而改变其外观, 可用于发出声光报警; ( 5)动作脚本。对设备进行控制时, 按下操作按钮引发鼠标事件, 执行脚本程序, 将相应的标志位置位等。
2. 3 组态软件与PLC的通信
组态王软件与S7- 300PLC 通信有专门的驱动程序, 用户不必熟悉二者之间的通信协议, 在PLC中也无需进行任何的编程和网络设置, 即可实现二者的通信。__该系统面临的主要问题是将PLC 设计为软冗余结构, 当PLC 的工作由主CPU 切换至备用CPU时, 组态软件必须切换到正确的通信对象, 进而保证数据交换。为实现这一功能, 在组态软件设计图形界面, 建立PLC 设备时中, 需要进行合理的设备配置, 建立PLC设备后, 在实时数据库中定义一个数据点, 作为冗余切换标志, 数据类型选择为“冗余切换标志”, 默认处理为16位无符号数, 正常状态下这个点的值为0, 当它的值为1时, 组态软件会根据这个值切换至PLC 的另一IP地址, 切换后, 数据点的值将自动清零。
3、结论
随着我国经济建设的高速发展, 能源需求的不断扩大, 输变电工程电压等级不断升高, 电网结构日趋复杂, 电网实时信息传送量成倍增多, 对电网运行的可靠性要求也越来越高, 变电站运行的可靠性成为变电站设计的重要目标。变电站电气一次部分主接线设计的稳定性、可靠性直接影响整个变电站电气系统的工作安全性,本论文研究设计500kV 电气一次部分主接线, 满足设计技术要求, 可靠、经济、灵活。其设计与主要设备选择方法对于其它电压等级的变电站具有一定借鉴和指导意义, 在理论和实践上具有推广应用价值。
关键词: 变电站; 电气一次部分; 主接线设计; 监控系统;
Abstract: With the rapid development of China's power industry, the continuous expansion of network scale, high voltage level especially substation 500 K class V has been developing rapidly and become a regional power hub or backbone nodes. It puts forward higher requirements for the operation of the facilities and ensuring network security technology. This paper mainly discusses the operation of a reasonable design and stable electrical substation directly influence the working performance of electrical system for substation, combined with the characteristics of 500kV EHV substation system, design of substation electrical part and its monitoring system.
Keywords: substation; electrical part; the main wiring design; monitoring system;
中图分类号:TM411+.4文献标识码：A文章编号：
1 变电站电气一次部分设计
以500kV 枢纽变电站为例说明电气一次部分设计。500kV 超高压变电站容量大、电压高、出线回路数多, 是电力输送的枢纽性变电站。该枢纽变电站包含500kV 进线四回, 线路长度分别为200km ( 2回)与300km( 2回)属于四个独立电源; 110kV 馈出线8 回, 距负荷端分别为: 40km ( 2 回)、50km ( 2回)、60km( 2回)、70km( 2回)。变电站安装主变四台( 4 370MVA ) , 系统按照无穷大考虑。
1. 1主接线设计
变电站电气一次部分的设计主要是主接线的设计。主接线是由高压电器设备通过连接线组成的接受和分配电能的电路, 它反映各电气设备的作用、连接方式和各回路间的相互关系, 构成了变电站电气部分的主体。主接线是电力系统按接线组成中的一个重要部分, 它的确定直接影响着电力系统的安全、稳定、灵活以及配电装置的布置、继电保护的配置、自动装置和控制方式的选择, 因此, 它的设计必须满足工作可靠、调度灵活、运行检修方便且具有经济性和发展的可能性等要求。
1. 2主变压器容量选择
变压器容量的选择至关重要, 容量选择小了, 不满足负荷增长的要求。容量选择大了, 变压器空载损耗大, 起不到降低损耗的要求。因此, 变电所主变压器的容量一般按变电所建成后5~ 10年的规划负荷考虑, 并应按照其中一台停用时其余变压器能满足变电所最大负荷Smax的60% ~ 70%选择。变电站主变压器容量为370MVA, 型号选择SFPZ -370000 /500 的变压器。
1.3电气设备选择
1.3.1母线选择
母线选择时, 要首先选择母线的材料, 500kV 电压等级, 一般选择择钢芯铝绞线, 然后按经济电流密度选择母线截面, 选择满足母线截面要求的母线型
号, 按最小截面积法校验母线的热稳定和电晕条件校验母线的临界电晕电压, 最终确定母线的型号。母线选择LG JQT- 1400mm2 型钢芯铝绞线。
1.3.2500kV断路器的选择
依据断路器装设地点和构造类型,选择户外式少油断路器,由额定电压选择Ue≥500kV;额定电流选择Ie≥897.22A;额定开断电流选择Iekd Idt = I"= Ix = 2. 202kA。查《电力工程设计手册》选用LW 12- 500型户外式少油断路器, 见表1。
表1、LW 12- 500型户外式少油断路器主要技术参数
校验: 额定电压: Ue = 500kV = UN;额定电流: I= 4000A > 897. 22A。
1)额定开断电流校验:
500kV 母线短路次暂态电流= 12.64kA
LW12- 500断路器的额定开断电流为63kA >12. 64kA 符合要求。
2)动稳定校验:
500kV 母线短路冲击电流: Ish = 32. 232kA;LW12- 500 断路器的极限通过电流: Iet = 125kA, Ish< Iet符合动稳定要求。
3)热稳定校验:
设后备保护时间为1. 9s, 根据所选断路器的参数可知, 其断路器的固有分闸时间为0. 02s, 选择的熄弧时间为t= 0. 03s。
则设备短路时的持续时间为: t1 = 1.9s+ 0.03s+ 0.02s= 1.95s。
短路时的热效应: QK 500 =·t1 = ( 12. 64kA )2×1.95s= 31. 55kA2·s; 允许的热效应: Q´K 500 =( 63kA )2 ×5s= 19845kA2·S> QK 500。所以, 该断路器满足热稳定性的要求。其余断路器选择方法与500kV 断路器方法类似。
1. 3. 3 110kV侧隔离开关的选择
1)为保证电氣设备和母线检修安全, 选择隔离开关带接地刀闸。
2)该隔离开关安装在户外, 故选择户外式。
3)该回路额定电压为110kV, 因此, 所选的隔离开关额定电压Ue≥110kV, 且隔离开关的额定电流大于流过断路器的最大持续电流897. 22A。
4)所以, 选择GW4- 110 /1000 型单接地高压隔离开关主要技术参数, 见表2。
表2、GW4- 110 /1000 型单接地高压隔离开关主要技术参数
2 监控系统设计
变电站电气一次部分监控系统的设计对电网安全稳定运行, 降低变电站造价两方面起着重要的作用。应用于变电站的监测系统应能在信息技术和通讯技术的协助之下, 实时监测变电站电气一次部分设备的状态和运行数据, 在获取相关信息后, 应对监控信息进行必要分析, 并以图表显示、音响通知等直观的形式提交到监控终端, 为管理者和运行人员的决策提供直观的依据。
2. 1PLC的选择和设计
PLC的高可靠性和稳定性适合于实时控制, 编程方式简单, 可以用指令或是梯形图来进行编程。因此, 选用PLC 来实现变电站电气一次部分监控。在选择PLC 的型号和配置时, 要分析控制对象, 对I/O 的点数进行统计, 还需在实际I/O 点数的基础上留出20% ~ 30% 的备用量, 使系统具备扩展能力。分析该系统的控制任务, 选用西门子公司的S7- 300系列产品能满足控制系统的要求, S7 -300采用模块化结构, 运行速度快, 各种模块可进行广泛的组合, 实现控制功能。
PLC 系统模块选型为: CPU 模块选择CPU315- 2 DP, 该新型CPU 集成一个PROFINET接口, 支持TCP / IP协议, 能较容易地和包括IPC 在内的其它支持以太网的设备之间自由通信。数字量输入模块选择SM321 ( D I 32 x DC24V ), 数字量输出模块选择SM322 ( DO 32 x DC24V /0. 5A ) , 模拟量输入模块选择SM331 ( DO 32 x DC24V /0. 5A ), 电源模块选择PS307 10A, 接口模块选择IM360 /361。
2. 2 组态软件的设计
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件, 它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境, 使用灵活的组态方式, 为用户提供快速构建自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
为监控变电站一次部分设备和参数采用“组态王”进行人机界面的工程设计。设计步骤: ( 1)设计图形界面, 建立PLC 设备; ( 2) 创建实时数据
库, 使检测数据点与PLC中的数据对应起来。这些数据包括PLC 采集的变电站监控数据和组态软件写入PLC 的命令标志位; ( 3)制作圖形界面, 用于显示设备的工作状态和报警信号的状态, 显示操作按钮; ( 4)动画连接。建立图形和数据的对应关系, 使图形随着数据的变化而改变其外观, 可用于发出声光报警; ( 5)动作脚本。对设备进行控制时, 按下操作按钮引发鼠标事件, 执行脚本程序, 将相应的标志位置位等。
2. 3 组态软件与PLC的通信
组态王软件与S7- 300PLC 通信有专门的驱动程序, 用户不必熟悉二者之间的通信协议, 在PLC中也无需进行任何的编程和网络设置, 即可实现二者的通信。__该系统面临的主要问题是将PLC 设计为软冗余结构, 当PLC 的工作由主CPU 切换至备用CPU时, 组态软件必须切换到正确的通信对象, 进而保证数据交换。为实现这一功能, 在组态软件设计图形界面, 建立PLC 设备时中, 需要进行合理的设备配置, 建立PLC设备后, 在实时数据库中定义一个数据点, 作为冗余切换标志, 数据类型选择为“冗余切换标志”, 默认处理为16位无符号数, 正常状态下这个点的值为0, 当它的值为1时, 组态软件会根据这个值切换至PLC 的另一IP地址, 切换后, 数据点的值将自动清零。
3、结论
随着我国经济建设的高速发展, 能源需求的不断扩大, 输变电工程电压等级不断升高, 电网结构日趋复杂, 电网实时信息传送量成倍增多, 对电网运行的可靠性要求也越来越高, 变电站运行的可靠性成为变电站设计的重要目标。变电站电气一次部分主接线设计的稳定性、可靠性直接影响整个变电站电气系统的工作安全性,本论文研究设计500kV 电气一次部分主接线, 满足设计技术要求, 可靠、经济、灵活。其设计与主要设备选择方法对于其它电压等级的变电站具有一定借鉴和指导意义, 在理论和实践上具有推广应用价值。