500kV变电站电气一次部分及其监控系统设计

共8页，第1页 XX学院毕业设计〔论文〕开题报告

姓 名 专 业 班 级

学 号 指导教师 题目类型

题 目 500kV变电站电气一次局部及其监控系统设计

一、毕业设计的技术背景和设计依据

随着国民经济的持续开展，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〞等新技术开展的新阶段，电力供给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。仅以2021年年初我国南方地区发生的雪灾为例，我国南方地区广西、广东、贵州、湖南等省份的电网大局部受到破坏，短时间内无法恢复电力供给，火车等交通运输工具不能正常运行，对人民的出行和生活带来了极大不便，以及对国家的工业生产造成了极大的破坏。

因而，要实现在21世纪初全面建设小康社会的要求，我国的电力工业必须持续、稳步地大力开展，一方面是要大力加强电源建设，搞好“西电东送〞，以确保电力先行，另一方面，要继续深化电力体制改革，实施厂网分开、竞价上网，并建立起符合社会主义市场经济法那么的、标准的电力市场。

进入2l世纪以来，电力系统正向高参数、大容量、超高压快速开展，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，人们自然提出这样一个问题，是否应该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。

变电站的综合自动化由电脑继电保护和监控系统组成。最明显的特征有以下四个方面：1、功能综合化。2、结构电脑化。3、操作监视屏幕化。4、运行管理智能化。

毕业设计的主要参考文献和技术资料：

[1] 电力工程电气设计手册〔电气一次局部、电气二次局部〕，水利电力出版社，1990

[2] 王锡凡，电力工程根底，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] 宋继成，220～500kV变电所电气接线设计，中国电力出版社，2004

[7] 国家电网公司330kV变电站典型设计，中国电力出版社，2005

[8] 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

二、主要设计内容、功能及技术指标 共8页，第2页 本变电站为500kV枢纽变电站， 500kV进线四回，线路长度分别为250km〔2回〕与200km〔2回〕属于四个独立电源；110kv馈出线8回，距负荷端分别为： 50km〔2回〕、60km〔2回〕、70km〔2回〕、80km〔2回〕。本变电站安装主变四台〔4×370MVA〕，系统按照无穷大考虑。

1.变电站电器一次局部设计

〔1〕、变电所主接线方案设计

〔2〕、主要电气设备选择；

2.监控系统设计实现的主要功能

实时显示变电站综合自动化系统的运行参数〔包括电压、电流、功率、频率、cosφ等参数〕和运行趋势图，故障报警显示，建立实时和历史数据库，实现SCADA功能。实现无人值守变电站综合自动化功能。

3.主要技术指标

变电站运行满足可靠性和经济性要求。

三、主要设计思想

PLC控制器（下位机）变电站一次部分现场设备监控系统（上位机）信号信号

图1-1 变电站一次局部系统框图

本设计主要包括以下几个设计流程：

1. 变电站电气一次局部实现

该局部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。

变电所电气主接线设计是依据变电所的最高电压等级和变电所的性质，选择出一种与变电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根本要求，三者是一个综合概念，不能单独强调其中的某一种特性，也不能忽略其中的某一种特性。但根据变电所在系统中的地位和作用的不同，对变电所主接线的性能要求也不同的侧重。

本次设计的变电所属于系统枢纽变电所。该变电所的主要特点是高压侧连接区域电网并与多个大电源相连接，高压侧有大量电力转送。变电所装有多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，该变电所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。

目前，500kV变电所使用最多的接线方式为双母线分段接线〔如图1-2所示〕和211断路器接线〔如图1-3所示〕。本次设计使用的是211断路器接线方式。

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图1-2 双母线分段接线

图1-3 211断路器接线 共8页，第4页 短路电流的计算通常采用近似标幺值计算。取MWSB100=，各级基准电压为平均额定电压。计算公式为：

kVUnUnUav21.1+=

计算每个绕组的短路电压百分数：

%1SU＝21〔%)21(SU＋%)13(SU－%)32(SU〕

%2SU＝21〔%)21(SU＋%)32(SU－%)13(SU〕

%3SU＝21〔%)32(SU＋%)13(SU－%)21(SU〕

当短路电流通过电气设备时，将产生热效应及电动力效应，因此，必须对电气设备进行热稳定和动稳定校验。

①.热稳定校验

校验电气设备的热稳定性，就是校验设备的载流局部在短路电流的作用下，其金属导电局部的温度不应超过最高允许值。如能满足这一条件，那么所选出的电气设备符合热稳定的要求。

作热稳定校验时，以通过电气设备的三相短路电流为依据，工程计算中常用下式校验所选的电气设备是否满足热稳定的要求，即

tItItheq22∞≤

式中，∞I--三相短路电流周期分量的稳定值；

eqt--等值时间〔亦称假想时间s〕；

thI--制造厂规定的在t秒内的电器的热稳定电流〔KA〕；t为与thI相对应的时间〔s〕。

②.动稳定校验

当电气设备中有短路电流通过时，将产生很大的电动力，可能对电气设备产生严重的破坏作用。因此，各制造厂所生产的电器，都用最大允许电流的幅值maxi或最大有效值maxI表示其电动力稳定的程度，它说明电器通过上述电流时，不致因电动力的作用而损坏。满足动稳定的条件为

max≤iish或max≤IIsh

式中shi及shI—三相短路时的冲击电流及最大有效值电流〔冲击电流有效值KA〕。

2.PLC控制系统

PLC实质上是一种工业控制计算机，专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入／输出接口等电路组成。本设计所用的PLC是西门子公司生产的S7-300系列，其系统组成如图1-4所示：

共8页，第5页 编程工具通 讯 设 备功能模块扩展模块人机界面CPU主机

图1-4 S7-300PLC系统组成框图

PLC控制系统的具体设计步骤如下:

①.根据生产的工艺过程来分析控制要求。

②.根据控制要求确定所需要的用户输入／输出设备。确定PLC的型号及I/O点数和组态软件需要监控的地址。

③.分别进行控制系统软件、硬件和人机界面的设计。

④.硬件的选型调试，软件的模拟调试。

⑤.联机调试，对不符合控制要求的局部进行修改，直到符合控制要求为止。

⑥.编写技术文件。

⑦.实验调试。

其流程图如图1-5所示

共8页，第6页 修改软件或硬件确认控制对象及控制任务PLC 及 组 态 软 件 选 择I/O 及 监 控 地 址 分 配监控界面设计软 件 设 计 及 模 拟 调 试电气系统设计联 机 调 试硬 件 选 型模 拟 试 验正 确 否？是否符合控制要求？编 写 技 术 文 件实 验 调 试YNNY

图1-5 PLC控制系统设计流程图

3.上位机监控系统的实现

上位机监控系统的界面采用组态软件进行设计。目前，组态软件的种类比拟多，如MCGS软件、组共8页，第7页 态王6.0等。

MCGS(Monitor and Control Generated System)是由北京昆仑通态自动化软件公司开发的一套基于Windows平台，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。

MCGS能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和平安机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

组态王软件经过七年开发，五年的各种突发环境的真实考验，九千例工程〔钢铁，化工，电力，国属粮库，邮电通讯，环保，水处理，冶金等各行业〕的现场运行〔包括"中华世纪坛"国家标志性工程〕，现已成为国内组态软件的客户首选，并且作为首家国内组态软件应用于国防，航空航天等重大领域。

组态王6.0具有工程管理、画面制作系统、报警和事件系统、报表系统、控件、OPC、通讯系统、平安系统 、网络功能、冗余系统等十大特点。

本次设计的监控平台可以实时显示变电站的的运行参数〔包括电压、电流等参数〕和运行趋势图、故障报警显示、建立实时和历史数据库，实现SCADA功能。

四、解决的关键问题

(1)．对设计题目的分析，认真分析才能得到正确的解决方案。

(2)．学习西门子公司S7-300系列PLC指令以及编程方法等。

(3)．上位机监控系统界面设计，应学习组态王6.0软件。

(4)．学习AutoCAD 绘图软件，从而绘制变电站电气一次局部主接线图、系统流程图以及程序流程图等。

五、拟采用的技术方案

通过对各方面资料的研究，500kV电气一次局部接线采用211断路器接线，该接线方式具有如下优点：

①. 有较高的可靠性。

②. 有高度的运行灵活性。任何一个元件可根据运行的需要接在不同的母线系统中。母线系统

之间的元件可任意分配。其操作程序简单，只需操作断路器，而不需操作隔离开关。

③. 运行操作方便。所有隔离开关均为检修用，没有倒闸操作用隔离开关。隔离开关的操作程

序简单。

④. 设备检修方便。任何设备或母线检修，都不会影响其供电。

PLC控制系统采用德国西门子公司生产的S7-3、良好的扩展性、低廉的价格、丰富的功能模块以及强大的指令系统，可以满足多种多样自动化控制的需要。

上位机监控系统采用组态王6.0软件。该软件适用性强、功能强、运行性能良好，具有工程管理、画面制作系统、报警和事件系统、报表系统、控件、OPC、通讯系统、平安系统 、网络功能、冗余系统等十大特点。

六、毕业设计〔论文〕工作进度安排