第1分册智能一次设备和在线监测系统设计方案.doc
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1、第一阶段(初赛)国家电网公司输变电工程设计竞赛依托工程东北公司长春南500kV变电站工程勘察设计投标文件技 术 部 分第二册 专题报告第1分册 智能一次设备和在线监测系统设计方案2009年10月勘察设计投标文件总 目 录卷 册 名 称技术部分第一册技术方案说明第二册专题报告第1分册智能一次设备和在线监测系统设计方案第2分册电子式互感器设计方案第3分册自动化系统设计方案第4分册高级应用工程设计研究第5分册全寿命周期管理设计研究第6分册其他智能化创新技术部分(图纸)前 言根据智能电网的发展目标及智能设备在电网中的作用,并参照国家电网公司智能变电站技术导则中有关智能设备的原则要求,对智能设备提出如下
2、总要求:测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化、信息互动化。高压设备是电网的基本单元,高压设备智能化是智能电网的重要组成部分,也是区别传统电网的主要标志之一。本文立足设计,在广泛调研和工程实践的基础上,提出了智能一次设备(变压器、断路器、HGIS、GIS设备等)工程设计应用方案:按变压器、开关设备配置智能单元,根据智能变压器、智能开关设备的监测要求配置在线监测装置,对油色谱、局部放电、SF6气体、套管绝缘等内容进行在线监测,实现变压器、断路器及相关闸刀的信息采集和控制功能。针对在线监测系统进行方案比选,充分整合,最后总结提出全站采用统一的在线监测后台系统,由统一在线监测后台对站内被监测
3、设备进行数据汇总和诊断分析;在线监测系统后台机将已经分析后的结论采用通讯告知计算机监控系统后台,为实现设备状态检修提供技术支撑。随着技术的发展,积极推进在线监测系统与自动化系统的整合。目 录1 工程概况11.1 概述11.2 规模与主接线11.3 主要设备型式32 智能一次设备基本要求33 智能一次设备现状54 智能变压器64.1 概述64.2 技术要求64.3 智能装置94.4 配置原则165 智能变压器在线监测175.1 概述175.2 设备供应现状235.3 配置原则276 智能开关296.1 概述296.2 智能单元306.3 在线监测技术要求326.4 智能开关设备和在线监测现状35
4、6.5 技术要求和配置原则437 其他智能一次设备在线监测477.1 概述477.2 技术要求477.3 配置原则508 智能单元508.1 智能单元配置508.2 智能单元户外汇控柜519 在线监测系统整合539.1 系统方案539.2 推荐意见5610 经济技术分析及全寿命周期管理分析5610.1 本工程综合在线监测系统经济技术分析5610.2 智能一次设备 全寿命周期管理分析5811 结论601 工程概况1.1 概述智能化变电站以智能一次设备和统一信息平台为基础,通过采用先进的传感器、电子、信息、通信、控制、人工智能等技术,实现变电站设备的远程监控、程序化自动运行控制、设备状态检修、运行
5、状态自适应、智能分析决策、网络故障后的自动重构以及与调度中心信息的灵活交互,实现了一二次设备的智能化,运行管理的自动化。智能设备是附加了智能组件的高压设备,智能组件通过状态感知和指令执行元件,实现状态的可视化、控制的网络化和自动化,为智能电网提供最基础的功能支撑。 对于变压器、电抗器、断路器、高压套管、避雷器、GIS等一次设备,由于故障率相对较高,或故障影响较大,对其进行实时检测需求非常明显,而且目前对这些设备的监测已有研究基础和运行经验,本专题针对变压器智能化选择、智能变压器的在线监测选择、HGIS/GIS/断路器等开关设备智能化选择、HGIS/GIS/断路器等开关设备在线监测选择、其他一次
6、设备和在线监测选择及在线监测系统整合等相关的内容进行详细论证分析,根据各个智能化设备技术原则的对比提出本工程实施有效的方案。1.2 规模与主接线长春南500kV变电站站址位于公主岭市,本变电站对四平地区尤其是四平北部地区负荷发展的需要是十分必要的;变电站建成后可以同时为长春西南地区提供电力,满足当地负荷发展需求。长春南500kV输变电工程的建设是东北电网“十一五”主网架结构的重要组成部分,在东北电网中具有十分重要的地位和作用。1.2.1 工程规模:表1.2-1 建设规模一览表 序号名 称本期新建远期1主变压器容量及数量21000MVA41000MVA2500kV出线回路数4回10回其中:至合心
7、变电站2回2回至梨树变电站2回2回至公主岭方向2回至德惠方向2回至风电汇集站2回3220kV出线回路数10回16回其中:至公主岭方向2回2回至三家子方向2回2回至西郊方向2回2回至净阳方向2回2回2回至双辽方向2回2回2回预留6回4无功补偿装置其中:66kV并联电抗器2160MVar4360MVar66kV并联电容器4260MVar1.2.2 电气主接线根据系统规划和变电站的建设规模,电气主接线的设计方案为:500kV电气主接线采用一个半断路器接线。500kV远期10回出线,4回主变进线。本期4回出线、2回主变进线。220kV电气主接线采用双母线双分段接线。220kV远期16回出线,本期10回
8、出线。考虑运行方式的灵活性及避免远期扩建时二次回路接线复杂,本变电站220kV电气主接线采用双母线双分段接线,本期母线一次性建成(包括预留主变及线路间隔的母线隔离开关)。66kV电气主接线采用单母线接线,装设总断路器。远期每组主变压器低压侧装设3组60Mvar电抗器和2组60Mvar电容器。本期在#1主变、#4主变低压侧各装设1组60Mvar电抗器及1台站用变压器。1.3 主要设备型式(1)主变压器采用单相、自耦、自然油循环风冷、无载调压变压器(2)500kV设备500kV设备采用HGIS,500kV电压互感器采用电子式互感器,主变、线路间隔设置三相电子式电压互感器,母线按单相电子式电压互感器
9、考虑,取消所有的户外敞开式互感器。500kV避雷器采用敞开式氧化锌避雷器。(3)220kV设备本工程220kV设备采用GIS,220kV母线、线路、主变间隔用电压互感器均采用封闭式电子式电压互感器,均安装于220kV GIS设备内。220kV避雷器采用敞开式氧化锌避雷器。(4)66kV设备66kV断路器推荐采用SF6罐式断路器,采用电子式互感器。66kV并联电抗器推荐采用干式空芯电抗器。2 智能一次设备基本要求2.1 智能设备2.1.1 智能变电站采用智能一次设备。(1)智能设备可由独立运行的一次设备加上外置的一个或多个智能综合组件组成;(2) 智能设备可由一次设备加上内嵌的包含状态监测单元的
10、智能综合组件加上外置的一个或多个智能综合组件组成;(3)智能一次设备可由一次设备加上内嵌的智能综合组件组成。2.1.2 本工程现阶段采用“一次设备+智能单元”方式实现(即3方案)。2.1.3 智能单元配置原则(1)220kV500kV智能单元按冗余配置;(2)66kV智能单元按单套配置;(3)主变高中压侧智能单元按冗余配置,低压侧智能单元按单套配置,主变本体智能单元按单套配置; (4)每段母线智能单元按单套配置;(5)智能单元分散布置于配电装置场地。2.1.4 技术要求(1)智能一次设备1)一次设备应具有高可靠性,尽可能免维护。应留有与智能综合组件的接口。留有安装智能综合组件的空间;2)数据采
11、集宜数字化;3)采集与控制系统就地设置,就地安装时应适应现场恶劣电磁、温度、湿度、沙尘、振动等运行环境要求;4)具有完备的自诊断、自恢复功能,相关信息能以网络方式输出;5)有标准化的物理结构及接口;6)一台设备可对应一个状态监测单元智能组件,不同检测功能模块宜集成到一个统一的硬件平台上。硬件集成方案宜尽量统一设计;7)对于故障模式、影响分析、风险预报等功能可分期实现;8)电力功能元件可采用组合型设备。(2)智能单元1)支持以GOOSE方式上传一次设备的信息量,同时接收来自二次设备的GOOSE下行控制量,实现对一次设备的控制功能;2)GOOSE信息处理时延应满足站内各种网络情况下GOOSE最大传
12、输处理时延为4ms的要求;3)能接入站内同步对时网络,通过光纤接收站内同步对时信号;4)具备GOOSE命令记录功能,记录收到GOOSE命令时刻、GOOSE命令来源及出口动作时刻等内容,并能提供查看方法;5)有完善的闭锁告警功能,包括电源中断、通信中断、通信异常、GOOSE断链、装置内部异常等;6)智能单元安装处宜保留断路器操作回路出口压板;7)具备在线监测功能,应能接收传感器的输出信号,并转换成GOOSE报文上传自动化系统;8)主变本体智能单元宜具有主变本体非电量保护、遥控/闭锁有载调压、起动风冷控制、上传本体各种非电量信号等功能;重瓦斯保护跳闸宜通过控制电缆直跳方式实现,其余非电量保护可通过
13、GOOSE方式实现。3 智能一次设备现状随着电力系统越来越高的可靠性及自动化发展的要求,同时现代计算机技术、微电子技术和信息技术的快速发展,使电器设备实现自动化和智能化成为可能。因此,开展一次设备智能化应用研究,对变电站的自动化运行将带来深远的影响和变革,为变电站实现一次设备智能化起到及其重要的作用,具有非常重大的技术和经济意义。近期智能变电站的建设主要是基于IEC 61850的二次设备发展,一次智能设备明显滞后于二次智能设备的发展,一次设备的智能化仅依靠二次设备厂家的附加设备将一次设备智能化后接入数字化变电站二次采集系统,而基于IEC 61850的二次设备取得全面提升。此阶段电子式互感器的应
14、用还处于试用和起步阶段。而数字化变电站的建设和管理正处于积累经验的阶段,开始对基于现阶段技术水平的数字化变电站提出一些运行、管理上的规范。中期智能化变电站的电子式互感器的发展已经较成熟,开始全面应用于数字化变电站,由此带动二次智能设备装置性能提升、功能分布更加合理。有革命性变革的智能一次设备开始逐渐应用于变电站中,但技术和应用程度都有待进一步提高。基于IEC 61850的二次系统更加完善,互操作、网络技术等发展已经趋于成熟和稳定。整个智能化变电站管理体系已经逐渐成熟。远景智能一次设备已经基本发展成熟,在智能化变电站中全面应用,完全意义上的智能化变电站开始出现,基本掌握与之相适应的智能化变电站技
15、术、管理系统。4 智能变压器4.1 概述智能化变电站要求主要一次设备智能化,变压器作为变电所的重要组成部分,实现变压器的智能化对变电站的智能化起到至关重要的作用。目前变压器的智能化基本上基于二次设备就地下放至一次设备场地,智能终端单元实现变压器保护、控制等功能,变压器套管选用电子式互感器(另外专题论证),变压器就地配套二次设备附加设备在线监测等装置可实现变压器的信息监测、数据测量、计量等功能。4.2 技术要求根据智能设备测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化、信息互动化的总体要求。智能化变压器实现测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化、信息互动化几方面的要求,下面就针对这几方面
16、对变压器智能化进行论述。(1)变压器智能化实现数字化测量要求,表4.2-1中这些参量在以往工程中都是由自备非数字化仪表或电缆传送模拟信号至相关装置来测量,智能化变压器则要实现一下参量的数字化测量。表4.2-1 电力变压器数字化测量信息部件测量参量应用技术要求实现功能本体顶层油温过热、冷却器异常1变压器智能化单元气体继电器内部放电、短路,DC4-20mA变压器智能化单元油位上限、下限0误差变压器智能化单元冷却器风扇电机电流、电压分析电源正常、断相、停电、过流和风扇的开启、停运1.5%变压器智能化单元OLTC电源电压操动电源状态1.5%变压器智能化单元切换次数机械寿命0误差变压器智能化单元当前分接
17、位置状态量0差错变压器智能化单元保护进出线及中性点电流保护、状态感知1.0%变压器智能化单元(2)根据控制网络化要求,变压器可控制组件包括冷却系统和有载分接开关。冷却系统控制单元与可控组件之间通过通讯连接,由智能组件进行主控,智能组件与监控后台通讯连接。支持冷却系统控制的信息有顶层油温、底层油温、负载电流(变化率)、环境温度、冷却器状态、绕组温度、铁心电流系统电压等几个测量参量进行控制。 有载分接开关控制单元与智能组件之间也通过通讯连接,由智能组件进行主控,智能组件与后台通讯连接。有载分接开关可以由自备控制单元自动控制,也可以通过智能组件控制,还可以通过网络响应系统指令控制。变压器有载分接开关
18、自动控制信息参量有 有载分接位置、输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、设备状态等用于控制的参量。(3)根据状态可视化要求,由智能组件通过状态感知元件对宿主设备状态参量进行就地自动实时检测是一次设备智能化的基础。表4.2-2 列出了我国油浸式电力变压器事故的统计分析和对应的诊断技术。根据这一结果,对于油浸式电力变压器,推荐进行自检测的状态参量见表4.2-3。推荐的原则是具有检测价值、技术相对成熟并有一定应用经验。随着技术的进步,会逐步扩展自检测项目。表4.2-2 油浸式电力变压器故障及诊断技术故障部位故障比例检测技术(A:带电检测;B:暂不能带电检测)绕组及绝缘70%A局部放电、DGA、绕组
19、温度、油中水分B绕组电阻、短路阻抗、绕组介质损耗、介质响应、绕组频响、空载损耗、电压比等套管15%A声学指纹、机构电机电压和电流波形B各分接位置接触电阻、动作特性OLTC10%A声学指纹、机构电机电压和电流波形B各分接位置接触电阻、动作特性铁心5%A铁心接地电流、DGA、油温B负载损耗、铁心绝缘表4.2-3 油浸式变压器自检测参量一览表检测部位自检测参量应用价值本体油中溶解气体(DGA)放电或过热性缺陷油含水量绝缘受潮局部放电放电性缺陷光纤绕组温度过热、老化顶层油温过热、老化底层油温过热、老化气体继电器DC4-20mA综合分析参考油压综合分析参考干燥剂自动再生系统减少人工作业套管套管电容套管屏
20、间击穿套管介质损耗套管绝缘缺陷侵入波分析绝缘状态OLTC声学指纹分接开关故障电机电流波形分接开关故障铁心铁心接地电流综合分析参考系统电压综合分析参考电流综合分析参考(4)根据表4.2-2、表4.2-3反应的各个变压器参量的检测,下面针对智能变压器的油中溶解气体分析、局部放电、有载开关监测、冷却系统监测等内容进行详细分析。4.3 智能装置4.3.1 智能变压器成套装置系统介绍智能变压器是能够在智能系统环境下,通过网络与其他设备或系统进行交互的变压器。其内部嵌入的各类传感器和执行器在智能化单元的管理下,保证变压器在安全、可靠、经济条件下运行。出厂时将该产品的各种特性参数和结构信息植入智能单元,运行
21、过程中利用传感器收集到实时信息,自动分析目前的工作状态,与其他系统实时交互信息,同时接收其他系统的相关数据和指令,调整自身的运行状态。智能变压器主要组成部件:变压器主体、智能化单元、检测各种状态的传感器和装置、执行器、智能化辅助设备、通讯网络等几个主要部分组成。图4.3-1 智能变压器网络拓扑结构图根据保定天威变压器厂提供的智能变压器资料,目前主流产品框图如下:图4.3-2 智能变压器主流产品框图各个智能装置与智能化集控单元之间通过TCP/IP协议通信,目前作为过渡阶段各个监测装置与智能化集控单元之间的通信仍沿用各个厂家的私有协议。等到以后IEC 61850在系统中广泛应用后,变压器智能化结构
22、有所调整,详见下图所示。图4.3-3 智能变压器第二代产品框图4.3.2 智能变压器成套智能化单元介绍(1)变压器智能化单元功能描述:变压器智能化单元,接收各种状态监测传感器、智能化辅助设备、合并单元的数据,完成数据管理、综合统计分析、推理判断、状态评估、问题决策、信息交互等全部功能。变压器出厂时将各种技术参数、极限参数、结构数据,推理判据等,通过知识库的数据组织形式植入智能化单元。用标准协议与其他智能系统交换信息。各种传感器、执行器通过各自的数字化或智能化单元接入。一些简单的模拟量、开关量可直接接入变压器智能化单元。变压器智能化单元能够支持标准通讯协议: IEC 61850 和TCP/IP,
23、能够与智能变压器保护系统协同操作。等到第二代产品的广泛应用,具有互操作性,能够与同一厂家或不同厂家的监测装置互联。内嵌Web维护界面,支持远程维护功能。带有跟踪自诊断功能,确保系统异常后实时报警。壳体要求:满足室外长期运行要求,必须保证能够在恶劣环境或极端环境和变电站强电磁干扰环境下,安全可靠运行。 基本技术要求如下:1)根据实时获取的电压电流参数,计算、记录、统计传输容量、负载率、负荷电流、电源质量、励磁状态、实际损耗、变压器效率等。超过设定的极限参数,主动发出消息或指令。2)根据实时获取的油箱顶部温度、底部温度、环境温度、负荷电流评估绕组的热点温度和寿命损耗(IEC 60354,IEC 7
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