《某风电场电气主接线及二次系统设计》10000字（论文）

某风电场电气主接线及二次系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u140731工程问题的背景描述 1204712毕业实践的工作目标与工作进程 2138403风电场设计方案 311443.1风电场设计现状 369983.2主变台数的选择 310013.3小结 4267114电气一次系统设计 5121684.1电气主接线 520403第一，是巡检断路器及其他电气设备时必须保证电能的顺利产出； 521606（2）经济性 6868（1）主接线的基本形式及其优缺点 6146164.2电气总平面布置及配电装置布置 887374.3防雷接地及绝缘配合 946205电气二次系统设计 1094525.1二次接线 10228745.2计算机监控系统 11302275.3风电场继电保护装置 1211852（1）220kV母线保护 1225895（2）主变压器保护 1216880（3）220kV侧后备保护 121974（4）35kV侧后备保护 13167536评价所学专业与工程的关联 13217087谈谈专业的前景与应用 14297087.1智能技术电网的应用 14311097.2远程控制技术的应用 14127657.3电力计量中的应用 155948参考文献 161工程问题的背景描述伴随科学技术的发展和人类社会的进步，工业革命爆发，大量消耗了煤、石油和天然气等非可再生能源，导致氟利昂、一氧化碳和二氧化碳等排放量极大增加。然而，化石燃料的储藏与使用并不是无穷无尽的，因此，人类开始探索对可再生能源的开发与利用。尤其是在1970年爆发的丹麦石油危机中，能源危机问题进一步引发了人类的思考，寻找替代有限的化石能源的新能源也成为了人类刻不容缓的任务。进入二十一世纪后，世界能源结构已发生巨变，数字化，经济化和智能化高质量发展时代随之而来，传统化石能源的发电形式已不再成为主流，利用现有的创新设计方法和技术实现可再生能源发电势不可挡。针对风力发电中存在的不足，增强风电场的运行稳定性，文章将从风电场选址、风力发电机选择和接地点模式选择等方面入手，主要围绕电气设备选型和风电场优化设计展开了论述，希望本文的研究能够提高风能资源的利用率，并促进风电场运行可靠性的提高，从而保证电力系统的安全运行。本次风电场的设计包括风力发电场区和220kV升压站，分成两个部分开展，分别是电气一次系统和电气二次系统进行研究。而由于外部环境因素，除去电气设计外的进站道路规划、给排水设施以及系统通信问题，并不属于本次设计范围内。在本次风电场的主接线设计中，必须满足的首要条件是风力发电与电网之间的适应性，基于此再坚持标准一致、技术先进、运行高效和投资合理的原则。考虑到未来风电场的检修维护和再规划问题，风电场的设计需要保证方案尽可能普遍化、风电接入尽可能规范化、升压变电站尽可能标准化和集电线路尽可能模块化，并且预留一定的扩展容量。立足风电场主接线的设计原则和要求，参考当前风电场设计中的一般方法，设计主接线的具体方案，以电压匹配为切入点，风力发电机和箱式变压器的低压出线侧设置为690V，高压出线侧设置为35kV；再从线路走廊和运行维护的视角出发，33台单机容量1.5MWWTG3风力发电机均分成三组，每组11台。2毕业实践的工作目标与工作进程通过对毕业论文的写作学会综合应用所学的理论知识，收集和利用相关资料，分析风电场电气主接线及二次系统设计存在的问题与对策研究。通过实践提出问题发现问题，并能有效的分析问题。同时，在论文工作中提高自己，为以后工作打下更坚实的基础，并且能为有关单位提供参考。要通过毕业论文体现专业知识学习运用的水平、创新精神和实践能力。本文第一部分介绍工程问题的背景描述；本文第二部分阐述毕业实践的工作目标与工作进程；本文第三部分阐述风电场设计方案；本文第四部分阐述电气一次系统设计；本文第五部分阐述电气二次系统设计；本文第六部分评价所学专业与工程的关联；本文第七部分谈谈专业的前景与应用；3风电场设计方案3.1风电场设计现状在本次接线设计中，将33台风力发电机平均分成3回，每回11台。在每台机组出口处通过1kV电压等级的电缆线连接到变电箱，将出口电压690V升至35kV，连接到35kV母线上。35kV母线再通过220kV电压等级、容量为100MW的主变压器与220kV母线相连，把电压35kV提高至220kV。然后初步制定本次风电场的设计方向。在本次风电场的主接线设计中，必须满足的首要条件是风力发电与电网之间的适应性，基于此再坚持标准一致、技术先进、运行高效和投资合理的原则。考虑到未来风电场的检修维护和再规划问题，风电场的设计需要保证方案尽可能普遍化、风电接入尽可能规范化、升压变电站尽可能标准化和集电线路尽可能模块化，并且预留一定的扩展容量。3.2主变台数的选择本风电场设计中在主变压器型号选择，台数选择及容量选型时，需实现当前风电场电气设计工作，为后续扩建工程奠定基础，重点考虑变压器有无两线圈，有无三相，损耗及噪音小等技术参数以及有载调压及自然油循环风冷电力系统所需功能的实现情况。因具体地说，需要满足下列3点：第一，确保了主变压器选择原则的合理性。在电力线路负载较高，或对一，二级负载电力线路选用2台及2台以上主变压器以确保电能传输安全稳定，降低电力线路故障率及减少电力线路维修成本，在电力线路负载较低时选用1～2台主变压器以确保电力系统运行平稳，避免电能浪费的情况，保证工程上的经济效益。第二，保证主变压器的台数选择准确。主变压器的台数选择与风电场所在地区的主要用电量有关。若风电场所在地区为城市或城郊，用电量较大，应先了解该地的中低压环网情况，一般选择两台主变压器；若风电场所在地区为工业区或开发区，或者位置较为偏僻，通常选用3台及3台以上主变压器，以确保供电安全，减少电力线路故障的发生。第三，确保了主变容量的选取是正确的。目前，国内大多数的变电站都是按照电网的结构、负荷量、以及将来的负载规划来确定主变压器的容量。因此，必须考虑风电场所在地区的以上影响因素进行主变压器的容量选择。同时，主变压器接地方式应采用220kV中性点接地，35kV采用消弧线圈接地。在此基础上，本风电场设计还要考虑风电场所处区域的实际情况，思考后保养与维修情况，尽量减少开支。本风电场设计时，分析变压器市场产品，选用技术先进和运行高效的主流变压器；根据风力发电机装机容量，风电场所在区域地形地貌，建设难易程度及经济效益情况确定主变压器台数。参考变压器设计方案中的惯例，制定了以下两种设计方案。方案一：目前采用一台容量为50MVA的主变压器，之后风电场进行扩建时再投入变压器。这个方案在扩建时将增加电力系统回路数。方案二：目前采用一台容量为100MVA的主变压器，之后风电场进行扩建时共用本台变压器。这个方案在扩建时将减少电力系统回路数。对比方案一和方案二，方案二所需要的配电装置明显较少。考虑到单台不同容量的主变压器在占地面积上只有细微的区别，因此，第二个方案比第一个方案更经济，而且投入也很少。为此，在本次风电厂的主变压器设计中，采用了方案二的50MVA主变压器，之后扩建风电场时也不会增加回路。3.3小结本章基于风电场的设计现状，初步制定了本次风电场的设计方向，确定设计范围，即电气一次系统和电气二次系统的规划建设。在此基础上，结合之后扩建的实际情况制定本次风电场的设计原则和要求，确定主变压器的设计方案。4电气一次系统设计4.1电气主接线4.1.1主接线设计原则在电气一次系统的设计上，其中最为关键的步骤是主接线设计，由于电气主接线与电力系统选用不同设备、不同模块有关，关系到电力系统是否能够正常工作。所以，本风电场主接线设计，需要在保证发电系统的可靠安全、并网系统的高效稳定和输出优质的电能的基础上，同时保证接线尽可能简单，便于后续维护和检修，甚至扩建，提高工程经济效益。在本次风电场的的主接线设计上，尤其应该指出，当电网发生故障后，能不能准确查找到故障的部位，并且快速排除故障设备出线，以便维护人员及时发现故障原因并及时修复。。4.1.2主接线设计要求（1）可靠性主接线可靠性是确保生活生产供电质量最根本的原则，它由宏观可靠性与微观可靠性两部分组成，宏观可靠性即电气一次系统与电气二次系统配合可靠度，微观可靠性即主接线可靠度。其中最为关键的就是电气设备的可靠性问题，一个可靠的电气设备会极大地降低对电力线路方面的投入。在主接线可靠性问题上，具体提出了如下4点要求：第一，是巡检断路器及其他电气设备时必须保证电能的顺利产出；第二，检修母线、断路器等电气设备时，应针对一、二级负荷分开对待；第三，就风力发电机组和大容量发电机组而言，要保证电能的稳定；第四，是如风电场电能上游供给侧一定要确保电能可靠。灵活性主接线的灵活性主要是应对随时可能发生的调度不同、日常检修和扩展容量等问题，具体有以下三点要求：第一，调度时需要保证一定的灵活性。只有发电机、电力线路和变压器实现灵活地投切，才能与电力系统的负荷的不确定性和发生故障时的不确定性相适应。第二，检修时需要保证一定的灵活性。任何电气设备在保证不间断供电的基础上灵活地投切，才能同时实现供电与检修。第三，扩容时需要保证一定的灵活性。电力线路之间实现灵活地修改，才能在新的机组与旧的机组之间达到融合。（2）经济性主接线的经济性取决于其可靠性与灵活性，若不能兼顾其可靠性与灵活性，则其经济性就更不用说了。关于主接线的经济性具体有以下三点要求：第一，投资尽可能少。首先，在主接线上选择最为节省线材的设计，从而减少主接线上的保护设备，例如避雷器和互感器等。其次，在主接线的设计上尽可能保证二次接线的简易。第二，占地面积尽可能小。风电场的设计不仅有一次设备的安装，还有二次设备的安装。因此，考虑到其他二次设备的布置，必须保证主接线设计的占地面积较小。第三，电能损失尽可能少。主要表现为升压站主变压器选型中，若能采用一级升压则尽量不用二级升压。4.1.3主接线设计方案（1）主接线的基本形式及其优缺点单母线接线变电站的电气主接线设计一般都是单母线接线。单母线接线是用一只开关来控制与这一组母线相连的全部电源及回路，所有的电气设备均串联在该组母线上运行。单母线接线的最大好处是接线比较简单、操作更方便、连接设备更少、经济性较高、且母线易于向两端伸出、易于扩建；最大的缺点在于可靠性不高、灵活性较差、母线或母线侧的隔离开关检修或失效、全部装置及回路必须停止工作。所以单母线接线形式在出线回路少、电能供应可靠性要求不高的变电站应用。双母线接线双母线接线是指两套母线同时工作，并由母联断路器并列运行，均分电源与负荷的接线。双母线的主要优势在于电源可靠，在对一组母线进行维修时，另一组母线可以用倒闸操作来完成。，不影响正常供电；调度灵活，不同电源与回路负荷根据电力系统的实际情况随意分配到任一组母线中；方便扩建，扩建母线时不影响其正常工作。主要不足之处在于加大母线长度，配电装置结构不合理，增加占地面积，提高工程成本；当改变主接线形式后，倒闸操作极易造成操作失误；检修回路断路器，回路会停电；任一母线故障集合短时断电，母联发生故障后，2组母线全部断电。桥形接线桥形接线有外桥和内桥两种。其中，外桥接线最大的好处就是调节变压器比较方便，不需要更多的装置；而主要不足在于当断路器发生故障后，变压器工作不得不停下，对正常电能供应有直接影响。内桥接线最大的好处就是高压断路器数量少，开关的路线比较简单；主要不足在于当断路器发生故障后，需要的检修时间过长，且线路必须要处于断电的状态。角形接线角形接线最大的好处就是在线路或者设备出现故障的情况下，有效地降低了投资成本，只需切除故障元件，且不影响电力系统的正常运行；主要缺点是选择电器设备时考虑的影响因素较多，不利于后续扩建变电站。变压器—线路单元接线变压器—线路单元接线最大优势在于操作简单、连接设备较少、有效地降低了投资成本，最大劣势在于线路或者变电站电气设备发生故障后线路不得不停电，极大地影响到了供电。升压站电气主接线该风电场220kV升压站采用单母线接线方式进行电气主从线。由于220kV升压站的出线为1次，因此，当电力线路出现故障时，整个升压站就会断电，因此，出线上安装断路器似乎是画蛇添足，且增加了工程成本，提高了电气设备故障率。风电场电气主接线从前面所选风力发电机WTG3中可以看出，它的出口电压是690V，并通过安装升压变压器以及一系列升压过程接至220kV变电站中。其中，装设升压变压器有两个方案，分别是将690V升至10kV或35kV。当风力发电机为兆瓦级时，若将690V升至10kV，每回10kV的汇流母线上可接3-4台风力发电机；若将690V升至35kV，每回35kV的汇流母线上可连接更多的风力发电机。由此可知，将690V升至35kV的升压方案更加合适，减小线损，节省电力线路投资成本，提高工程经济性。为此，综合考虑风电场主接线设计原则及要求，并参照目前风电场设计通用做法，进行了主接线方案设计，首先从电压匹配角度考虑，风力发电机与箱式变压器低压出线侧设690V,高压出线侧设35kV;其次从电能输送经济性角度考虑，33台单机容量1.5MWWTG3风力发电机均分成三组，每组11台。最终实现本风电场的电能供应。风电场的电气主接线图如图4-1所示。图4-1风电场的电气主接线图4.2电气总平面布置及配电装置布置4.2.1220kV配电装置220kV电气设备和配电装置通常都装在室外。考虑到风电场所处区域地理条件，本风电场设计为户外安装、分相中型型式、单列排列、共设四个区间、每区间13m。4.2.235kV配电装置和220kV电气设备相似，35kV配电装置通常都设置在室外。考虑到风电场所处区域自然资源，本风电场设计为户外安装及一般中型型式，共设九个区间，每区间5.5m。该设计虽然占地面积较大，但布置简单，运行高效，母线的检修较为方便，且建设工作量小，建设时间短，具有良好的经济性。4.2.3配电装置由于电力线路的交叉将影响风电场的正常运行，故配电装置的布置应系统规划，间隔设置。4.2.435kV无功补偿装置35kV无功补偿装置紧贴风电场35kV电气设备布置。4.2.5380/220V场用配电装置因380/220V场用配电装置和其他低压设备的电压等级偏低，为保证其经济效益，需要与用电端临近布置。4.2.6风机塔箱式变压器风机塔箱式变压器与风力发电机组临近布置。4.2.7电缆设施当风电场内电压等级是220kV的电力线路时，需跨越围墙，电缆设施通常是由绝缘套管或者地下高压电缆排列。该风电场主变压器出站220kV电力线路电缆需埋设于地下，也可在井下修建电缆通道，地下修建电缆通道时，需要用桥架将电缆固定起来。因电缆利用开关柜和配电盘进入室内，所以要使用防火绝缘的材料，将电缆路径进行封堵。4.3防雷接地及绝缘配合4.3.1防雷保护结合风电场所在地区的具体情况可知，本风电场处于露天环境，由于雷电极易直接击中现场的电器设备，引起雷击过电压，设备损坏，甚至是意外，所以在风电场中应装设避雷针。按照《交流电气装置的过电压和绝缘配合》DL/T7620-1997的参考标准，本次风电场的设计是装设七根避雷针构成防雷保护，其中在主变电站装设两根220kV用避雷针，在风电场其余位置装设五根避雷针。除此之外，还要在母线安装一套复合绝缘氧化锌避雷器，以防雷电侵入波引起电能质量恶化，主变压器高、低侧安装氧化锌避雷器，旨在保证安全。4.3.2接地保护根据《交流电气装置的接地》DL/T621-1997参考标准，发现主变压器在接地时，需要和地保持一定的水平距离，并且在更高的电压等级下，采用水平和垂直相结合的接地方式，确保热稳定性。装设完主变压器接地保护后，需在主变电站的人流活动区装设均压装置，防止跨步电压导致事故。5电气二次系统设计5.1二次接线5.1.1二次接线设计规则该风电场电气二次系统设计所分综合楼的主控室和电子设备。其中，综合楼的主控室装有风力发电机组的计算机监控系统，在计算机监控系统操作台和图像监控操作台间设置电子设备间操作电源，并设置继电保护装置等二次设备。通过计算机控制系统对该风电场进行监测和控制。电力系统在正常工作的情况下，计算机系统下达控制命令。另外，风电场中还安装了监测/手动转换开关，旨在监测部分的备用操作控制指令。5.1.2信号为保证计算机监控精度，需要对该风电场重点部位采取关键点分别获取。例如主变电站，高压侧断路器和其他电气设备信号使用独立点对点通信，而低压侧仅需要串口通信。5.1.3测量该风电场将三相四线制全电子多功能电能表安装于主变压器220kV出线侧，35kV出线侧及剩余的变压器及其它节点处进行信号采集并测得电压值及电流值。5.1.4电量本风电场通过数字式电量表连接计算机控制系统，实现对电压值和电流值的采集。5.1.5“五防”系统为了确保电力系统安全运行，本次风电场二次系统的设计需满足“五防”要求：一是避免带负荷分和合隔离开关；二是避免带电挂（合）接地线（接地开关）；三是避免误分、合断路器；四是以防误入带电间隔；五是避免带地线送电。具体措施是：一是为避免通电时后门打开，35kV开关柜后门和地刀或者智能操控装置间设电气闭锁；二是为避免母线接地后断路器合闸，主要是指35kV开关柜内断路器与母线接地手车装设的电气闭锁；三是以免手车在工作位或负载侧通电时合上地刀而将地刀及手车及智能操控装置设电气闭锁；四是为避免线路通电或接地时向手车推入，断路器手车和各自的断路器以及35kV开关柜内地刀间的电气闭锁；五是每35kV开关柜内母线接地手车、断路器手车及母线带电显示器间安装电气闭锁，当35kV开关柜柜中的断路器手车全部位于试验位，母线未通电时即可推接地手车。5.2计算机监控系统5.2.1风电场监控系统风电场监控系统包括设置在综合楼主控室的在线风力发电机组的控制器及集中监控装置。风力发电机组的控制器还具有电源单元和计算机单元，其中，电源单元的作用主要在于使异步风力发电机位于电网的同一时期，计算机单元则旨在为了达到控制风力发电机组工作的目的。在综合楼主控室中，集中监控装置的对象为33台单机容量为1.5MW的WTG3型风力发电机，可对其实现远程手动开机或停机以及向顺时针或逆时针旋转，它主要由中央监控层、风机现地监控层和场内通信设备等组成。而在这之中，所述中央控制层被配置为操作员站、后台监控软件、服务器和打印机，风力发电机组主控及偏航系统配置在风力发电机组现地面监控层，完成箱变监控系统变频及变桨控制系统的设计。5.2.2升压站监控系统所述风电场升压站内系统包括站控层和间隔层，并且辅之以网络设备。站控层被配置为主机兼操作员的工作站，远动工作站和公用接口装置，主机和远动工作站可靠地计量了站内全部电气设备，并进行了监视与控制，在具有遥测、遥信、遥控等功能的基础上，同时达到时钟同步，二遥调及其他功能则实现了与电网中各个调度中心的信息传递与交流。保护测控装置及二次设备在区间内均有配置，包括35kV系统监测保护一体化设备的就地数据采集与监测。5.3风电场继电保护装置5.3.1主变电站保护（1）220kV母线保护利用纵联电流进行差动保护，其中通信方式为安装独立观测屏光纤通信观测信号。（2）主变压器保护主变压器的变比为35/220kV，且高低电压侧均为单母线接线，高压侧主要为中性点直接线，低压侧以小电流方式为主。主保护：微机差动保护作用。（3）220kV侧后备保护主变高压侧：在电力系统过电流情况下，复合电压将过电流闭锁，并切断主变压器的两侧断路器；主变低压侧：在电力系统过电流情况下，复合电压将过电流闭锁，切断主变压器两侧断路器，并起到过载保护作用。零序电流保护：在主变高压侧主要保护发生拒动时，作为后备保护；间隙零序电流和电压保护：在发生单相接地故障时，中性点不工作的情况下，间隙的零序电流、电压保护功能，以及主变压器开断。（4）35kV侧后备保护35kV复合电压闭锁过电流保护：先将35kV一侧断路器切断，然后为该段的断路器，最后，在220kV侧开断；过负荷保护：当电力系统过负荷时动作，一般每相独立运行。5.3.235kV母线保护为了保护风电场内的回流母线，本次风电场的设计在35kV母线中装设母线差动保护。5.3.3小结该章主要对风电场电气二次系统进行设计，其中包括计算机监控系统设计、继电保护装置配置，只有规划好风电场内的通信对接与保护装置一体化，才能实现风电场的网络化与数字化，保证整个风电场安全可靠地运行。6评价所学专业与工程的关联我国风能资源比较丰富，风力发电产业前景广阔。不但如此，当前我国高度重视新能源的开发，并给予了巨大的政策支持和财政补贴，为实现风能在我国的有效利用以及风电场设计的优化创造了良好的条件，风能开发已经成为建设我国能源体系中不可阻挡的主力军。本论文从具体区域地理环境出发，运用场区特征对某风电场进行了规划，并对其电气一次系统设计以及电气二次系统设计。本文在目前国内外风力发展现状的基础上，分析风力发电的发展前景，从风电场所在地的风能资源出发，结合风力发电的相关技术要求，选出合适的风力发电机型号——WTG3，对风电场的电气系统进行规划设计，包括电气一次系统和电气二次系统的设计，实现风电场的稳定运行。未来的研究可以为该风电场的后期维修和扩建提供参考，并将其应用于多个能源系统的整合，以提高其实际应用价值和经济效益。7谈谈专业的前景与应用7.1智能技术电网的应用人工智能可以通过计算机操作模式的优化来分析，计算机智能可以通过计算机技术进行分析。利用计算机数据，计算机技术可以模拟人脑的反应和动作，智能技术可以行动。人工智能作为现代社会的不可缺少的关键部分，将在我国各行各业中发挥关键作用。电力是中国经济的关键支柱，其中电力公司更应该重视人工智能，并不断完善电气化自动化。人工智能可以有效的提高能源行业的自动化程度，大大降低对于人力资源相关的浪费，降低误报的可能性，从而进一步提升企业的工作效率。人工智能技术能够在电力系统中实现系统智能化、自动化操作，降低队伍负荷。人工智能还能帮助能源公司减少对环境造成污染。停电时，经24小时多次排查得以解决，保证了厂房正常生产。因此，在能源工业中，人工智能是最重要也是最难处理的部分之一。目前，能源企业普遍采用人工方式对相关人员进行管理。这种模式存在很多弊端：工作量大、容易出错等。如今，通过人工智能技术的应用，能够自主地对相关的设备进行巡检，并提供相应的数据与资料。基于最后反馈信息，小组将及时地分析和确定各类问题的解决办法。据有关试验表明，人工智能技术能够杜绝能源企业因为效率问题而带来的损失，极大地提升了企业效率、降低了企业成本、推动了能源行业发展。7.2远程控制技术的应用远程控制技术是电力系统自动化技术应用的重要组成部分，广泛应用于开发、传输、转换、流通等领域。远程技术的应用主要是终端、信道和终端的传输。每个部分都连接到计算机系统和现代计算机系统，系统的所有部分都连接到同一个操作系统。供电系统的传输系统实际上是计算机内部程序（C语言），它插在计算机系统内执行信道解码与信道编码，电力系统控制的电阻及其他信息由电站经电力系统调制解调器向电站发送。工厂对电气系统信息进行采集与开发，并把远程操作信息转换成成功率系统中各阶段对信息要求的成果。随着科学技术发展和生产自动化程度提高，人们对电能质量提出了更高要求。电力系统作为我国国民经济建设的基础部门，其供电可靠性直接关系着国家经济安全。在电力系统运行过程中需要实现自动控制。远程控制系统旨在把传统单输出操作系统改造成自动控制系统。远程控制系统将能够随时监测系统信息，以确保现代电气系统结构的全面和科学发展。7.3电力计量中的应用电力公司在承担着生产与供电的同时，还要使用电力运输的方式来保证居民的用电需求能够得到基本的满足。因此，供电企业必须做好节能工作。而电能计量是电力企业节约成本、提高经济效益的重要手段之一，也是衡量电力企业管理水平高低的标准之一。所