500kV变电站电气一次部分及其监控系统设计设计简介

兰州理工大学毕业设计说明书简介
500kV 变电站电气一次部分及其监控系统设计
摘要
变电站是电力系统中接受电能和分配电能并能变换电压的场所。本次设计的是 500kV 的枢纽变电站，通过降压将其
变为 110kV 并输送给用户。本文针对 500kV 降压变电所进行了一次部分的初步设计，完成了变电所电气主接线的设计，
其中
500kV
侧采用
3 2
断路器接线法，110kV
侧采用双母接线法；然后进行了必要的短路电流的计算，根据短路电流选择
变电站主要的电气设备并进行相应的校验；最后完成了对该变电站的监控系统的设计，实现了能够对该变电站中各个运
行设备的断开和闭合的控制，以及设计了能够实时显示该变电站的部分运行参数的人机界面。 关键词：电气主接线；短路电流；电气设备；监控系统；人机界面
Abstract
The transformer substation is a place in which electrical energy sends to and is distributed or transformed
into other voltage in a electrical system. 500kv substation hub is mainly discussed in the paper, and it can
transform 500kv into 110kv and sends power to users. This article aims at the preliminary design of 500kv side
of the substation, and completes the design of main wiring. In the thesis
3 2
breaker mode of connection is
introduced into 500kv side and the double-busbar into 110kv side; after that necessary short circuit computation,
to which the main electrical device is chosen and checked according, is done; at last the monitoring system
design is completed to realize start or stop control of all device in the substation, and real-time
human-computer interface display of some substation’s parameter.
Key words: main electrical connection; short-circuit current; electric apparatus; monitored control
system; Human-Machine Interface
一、背景
随着国民经济的持续发展，我国的电力工业已开始进入“大电网”、“大机组”、“超高压交、直流输 电”等新技术发展的新阶段，电力供应紧张状况已暂时得到缓解。但随之而来的问题便是输电网薄弱， 电压质量和电网结构难以满足用户对供电质量和可靠性的要求。进入2l世纪以来，电力系统正向高参数、 大容量、超高压快速发展，500kV电网已形成环网并成为我国电网的主网架.随着电力体制改革的逐渐深 入和全国电力系统规模的不断扩大，高电压、大机组、长距离输电、电网互联的趋势，使电网结构越来 越复杂。因此，人们提出了从全局出发来考虑全微机化的变电站的优化设计，提高变电站的可控性，更 多的采用远方集中控制、操作、反事故措施等，提高劳动生产率，减少人为误操作的可能，提高运行可 靠性，这就是变电站综合自动化。本次的设计正是在此大的背景下进行的，最终完成了设计的任务。
二、整体设计思路
通过对设计任务的分析，结合目前国内500kV变电站设计的规则以及已有的成熟经验，最终理清了 设计的思路，该变电站的系统框图如图1所示。
变电站 一次部分现场设备
信号
PLC控制器 （下位机）
信号
监控系统 （上位机）
图1 变电站系统框图
本设计主要包括了三部分的设计，即电气一次部分、PLC控制系统、人机界面等设计。现场设备运 行时可通过上位机界面进行监控，通过PLC对现场设备进行开、断的控制，现场的运行信息也可以通过 PLC传至上位机进行显示，各部分之间可以进行双向的通信。本变电站设计满足可靠性和经济性要求。
1

兰州理工大学毕业设计说明书简介
三、变电站电气一次部分设计
该部分的设计主要包括电气主接线设计、短路电流计算、设备的选择以及动、热稳定校验等方面。 （一）电气主接线设计 变电站电气主接线设计是依据变电站的最高电压等级和变电站的性质，选择出一种与变电站所在系 统中的地位和作用相适应的接线方式。在选择主接线时应满足可靠性、灵活性和经济性三项基本要求。 本次设计的变电站属于系统枢纽变电站。该变电站的主要特点是高压侧与四个大电源相连接，高压 侧有大量电力转送。变电站装有四台大容量降压变压器，从区域电网中下载电力，为地区的中间变电所 提供电源，该变电站电气主接线的可靠性、灵活性要求都很高。因此，应采用可靠性和灵活性都高的接
线方式。通过综合分析各种接线方式，该变电站500kV侧采用
3 2
断路器接线方式，该接线方式具有高度
的可靠性、运行调度灵活、操作检修方便等特点；110kV侧采用双母接线方式，由于出现回路比较多， 因此选用该接线方式，其具有供电可靠、调度灵活、便于扩建等优点。综合以上各个电压级别主接线所 选的接线方式，画出的主接线图如图2所示。
图2 变电站电气主接线图
（二）短路电流计算 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和动稳定、进行继电保护设计和
调整等。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路（ f (3) ）、两相短路（ f (2) ）、两相短路接地（ f (1,1) ）、
以及单相接地短路（ f (1) ）。短路电流计算的是各点最大短路电流，短路类别选择三相短路，短路计算
点应选择通过导体和电气设备的短路电流为最大的那些点。因此，该变电站短路点分别选择为 500kV 母 线、110kV 母线、以及各出线回路线路上。短路电流的计算采用近似计算的标幺值法，其特点是，取系
统各级的平均额定电压为相应的基准电压，即U iB ? U iav ，而且认为每一元件的额定电压就等于其相应
的平均额定电压，从而避免了电压的归算。 （三）电气设备的选择以及校验 选择电气设备的一般原则是“按正常运行条件进行选择，按短路条件进行校验”。按正常条件选择
电气设备一般应满足五个条件，即电压条件、电流条件、机械负载、环境条件、环保条件等。本次设计 只考虑了电压条件和电流条件。
2

兰州理工大学毕业设计说明书简介
电气设备校验主要包括动稳定和热稳定校验。进行热稳定校验时，以通过电气设备的三相短路电流
为依据，本设计中利用下式校验所选的电气设备是否满足热稳定的要求，即
I
t2
? eq
?
I
2 th
t
式中， I ? --三相短路电流周期分量的稳定值；
teq --等值时间（亦称假想时间 s）；
I th --制造厂规定的在 t 秒内的电器的热稳定电流（kA）；t 为与 I th 相对应的时间（s）。
动稳定校验是指该电气设备应满足其最大允许电流的幅值 imax大于短路时最大冲击电流的幅值 ish ，
即 ish
?
im
。
ax
四、控制系统设计
根据任务要求所设计的控制系统能够实现对现场的断路器、隔离开关等电气设备进行控制以及能够 实时采集现场运行时的电压、电流等模拟信号并进行处理。本次控制器选用的是西门子公司的S7-300系 列PLC，所用的编程软件为Step7_V5.4。该控制系统的数字量输入点数为322点、输出点数为161点；模 拟量输入点数为48点。考虑10%～15%的冗余量，最终选用型号为SM323 DI16/DO16×24VDC的数字量模块 11个、型号为SM321 DI32×24VDC的数字量模块6个、型号为SM331 AI8×13bit的模拟量模块7个。本设 计完成了对PLC各模块的选型以及各模块的外接线图的设计。各模块的配置安装图如图3所示。
IM361 SM321(1) SM321(2) SM321(3) SM321(4) SM321(5) SM321(6)
3#机架
3
4
5
6
7
8
9
368电缆
≤10m
IM361 SM331(3) SM331(4) SM331(5) SM331(6) SM331(7)
2#机架
3
4
5
6
7
8
368电缆
≤10m
IM361 SM323(9) SM323(10) SM323(11) SM331(1) SM331(2)
1#机架
3
4
5
6
7
8
368电缆
≤10m
PS307 CPU314 IM360 SM323(1) SM323(2) SM323(3) SM323(4) SM323(5) SM323(6) SM323(7) SM323(8)
0#机架
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 图3 PLC各模块的配置安装图
该系统的程序主要包括两大部分，分别为数字量的处理部分和模拟量的处理部分。数字量的处理主 要是对各个断路器、隔离开关及接地刀等的断开和闭合；模拟量处理部分主要是对各母线以及出线线路 处的电压、电流等进行采集、处理并送至上位机进行显示。在数字处理部分中，断路器、隔离开关及接 地刀断开和闭合时都要遵循一定的规律，即严格执行操作票制度，另外为了防止误操作，还在程序控制
3

兰州理工大学毕业设计说明书简介
中对隔离开关和相应的断路器、接地刀进行闭锁和自锁等控制。 五、人机界面设计
人机界面的设计使用了组态王 6.01 软件，该软件是运行在 Windows98/NT/2000 上的一种组态软件。 “组态王”软件包由工程管理器（组态王）、工程浏览器、画面运行系统、信息窗口等四部分组成。其 中，工程管理器用于新建工程、工程管理等。本次主要完成了三个界面的设计，即 500kV 侧的监控界面、 110kV 侧 1～4 回监控界面、110kV 侧 5～8 回监控界面等。该界面能够对现场的电气一次部分主接线进 行模拟显示，显示其各个电器开关的运行情况以及线路中电压、电流的值。通过该监控界面可以对现场 的设备进行远程控制。 六、总结
本次设计的变电站是一个枢纽变电站，500kV 进线四回，110kv 馈出线 8 回，主变采用 4 台 370 MVA 的变压器。变电站电气部分具有可靠性、灵活性和经济性等特点。500kV 侧采用 3/2 断路器接线，该接 线形式具有高度的可靠性、 运行调度灵活、操作检修方便等特点；110kV 侧采用双母接线，该接线形 式具有供电可靠、调度灵活、便于扩建等优点。在监控系统的设计中，控制部分采用了西门子 S7-300 系列的 PLC 对变电站的断路器、隔离开关、接地刀等设备的断开与闭合进行了控制，以及对现场运行 时的电压、电流等数据进行处理并可在上位机进行显示。人机界面主要完成了对变电站电气一次部分现 场运行进行模拟监控。
参考文献
[1] 电力工程电气设计手册（电气一次部分）.水利电力出版社，1990 [2] 王锡凡.电力工程基础.西安交通大学出版社，1998 [3] 丁书文等.变电站综合自动化原理及应用.中国电力出版社，2003 [4] 黄益庄.变电站综合自动化.中国电力出版社，2000 [5] 丁毓山等.中小型变电所实用设计手册.中国水利水电出版社，2000 [6] J.Duncan Glover. Power System Analysis and Design. China Machine Press.2004 [7] 宋继成.220～500kV 变电所电气接线设计.中国电力出版社，2004 [8] 国家电网公司 330kV 变电站典型设计.中国电力出版社，2005 [9] 吴作明.工控组态软件与 PLC 应用技术.北京航天航天大学出版社，2006
4