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1、某公司依托工程基建新技术推广应用实施国家电网公司依托工程基建新技术推广应用实施目录（2011年版）国家电网公司基建部二0一0年十二月编号：JXYM-2011-AA-B-01一、成果名称50OkV智能变电站高压设备综合在线监测系统研究二、项目组织及实施单位项目组织单位：东北电网有限公司项目承担单位：东北电力科学研究院有限公司三、实施依托工程500kV长春南变电站工程四技术原理在线监测系统一直以来都没有统一的规范可循，在线监测技术的进展与应用受到了一定制约。在智能化背景下，在线监测系统应具有安全、可靠的体系结构。本项目要紧研究智能变电站在线监测系统的装置功能及性能要求、系统体系结构、网络通信、接口
2、规范与模型规范等内容,从而规范智能变电站在线监测系统的建设。根据长春南变电站的一次设备配置情况与型式,对国内外成熟的在线监测技术应用效果进行分析比较，形成了调研分析报告，确定了一次设备在线监测项目、在线监测装置与传感器的形式及技术参数。其中变压器要紧使用了油色谱、局部放电、铁芯及夹件接地电流、绕组温度、油温等监测项目；GIS/HGIS要紧使用了SFe气体、局部放电监测等项目；氧化锌避雷器使用了阻性电流、动作次数、全电流监测等项目。按照有关的智能化导则与IEC61850标准的要求，结合在线监测系统自身的特点，通过分析数据交换功能与性能的要求，比较多种设计方案，对智能变电站中在线监测系统的架构、网
3、络通信、服务接口、系统模型等进行了全面的设计，形成了多个规范性成果，对在线监测系统的安全分区、对时方案、网络结构、装置的结构分层、各层网络应使用的通信协议、服务接口、信息模型、通信模型、装置模型等进行了全面的描述与规定。五、功能及应用领域项目要紧完成了在线监测产品调研分析报告、智能变电站在线监测系统实施方案、变电设备状态检测系统12接口规范、变电站在线监测数据模型规范、智能变电站在线监测系统站内接口规范、智能变电站在线监测系统功能分布规范。各个成果的功能与应用领域如下。1.在线监测产品调研分析报告结合长春南智能变电站的在线监测项目与在线监测产品的选型工作，编制了在线监测产品调研分析报告，分析了
4、国内外要紧在线监测厂家及其产品的进展现状，并给出推荐厂家及产品列表。2.智能变电站在线监测系统实施方案实施方案对系统的整体设计做出了具体规定，要紧包含如下内容：1）：将整个状态监测系统放入安全Hl区即综合数据网中，不与站内其他系统交互；2）：使用单星形网络，带宽100比3）：系统分为站控层、间隔层与过程层；4）：网络使用SNTP对时方式；5）：站控层网络使用MMS协议，过程层使用IODBUS协议；6）：使用报告服务、日志服务与文件服务。7）：编制了一套常用变电设备状态监测的信息模型规范。8）：主变配置单个主IED,SF6与避雷器监测多个设备配置一个主IED。9）：按最优布线原则确定IED的分布
5、策略。10）：只配备站控层交换机。实施方案同时对各类设备监视功能组的结构、连接方式、通信形式等做了具体要求，对每类设备的主IED、子IED、监测装置、传感器等的功能与性能做了全面的要求，明确了每种设备的实施细节。涉及到的对象要紧包含监测后台、交换机、变压器、电抗器、GIS/HGIS.MOA等被监测设备，下面对要紧内容进行概略性的介绍：1）：全面的规定了状态监测后台的软件所使用的技术、框架结构、功能需求、性能需求等；给出了状态监测后台的硬件形式与性能要求；2）：指出了交换机配置的台数，交换机的具体参数与应具有的通信功能与保护功能等等。3）：配置主IED及子IED,相互之间使用光纤通信，过程层通信
6、能够根据监测项目的特点采取多种形式。电抗器与变压器结构类似，但监测项目较少。4）：按照就近原则，将多个SFs监测与MoA监测数据接入到一个主IED中，过程层使用485总线通信。5）：给出了各类传感器的全面的测量精度、测量原理、产品形式、数量、安装、抗干扰等方面的要求3 .变电设备状态检测系统12接口规范给出了变电设备状态监测系统站内后台（CAC）与远方主机（CAG）之间的信息交换逻辑与约定。要紧内容如下：给出了接口制定的基本原则；明确了变电站内在线监测系统中各层装置之间的体系结构；给出了站内后台（CAC）与远方主机（CAG）之间的交互逻辑；接口规范部分介绍了基于webservice技术与XML
7、语言的接口定义与举例，具体包含uploadCCRegisternUploadCACData与down1oadCAGCIrl接口与相应的输入输出参数格式、相应的操纵命令等等，通过这三个接口就能够实现站内后台与远方主机之间所有的交互动作。4 .变电站在线监测数据模型规范变电站在线监测数据模型规范统一了站内在线监测信息的建模，弥补了IEC61850在此方面不足。本规范保留了IEC61850-7.4中关于在线监测方面的数据建模，尽可能保留原有的逻辑节点命名，对其进行数据扩展以满足在线监测系统的需要。关于没有逻辑节点定义的监测设备，则增加了新的逻辑节点，并相应的增加了所需的数据定义。所有的命名与建模都严
8、格遵循IEC61850所要求的建模与扩展原则。5 .智能变电站在线监测系统站内接口规范站内接口规范要紧Fl的是针对智能变电站内的在线监测系统各层网络的通信接口进行全面的规范与定义，以IEC61850标准为基础，结合在线监测的信息交互特点，除了针对站控层网络的站控层与间隔层之间的基于IEC61850标准的接口进行了规范以外，还对过程层网络即监测装置/传感器到主IED的之间基于传统通信协议的接口也进行了规范。通过这些接口规范，明确了在线监测系统所有环节的通信与交互要求,确保整个系统的信息无缝连接。6 .智能变电站在线监测系统功能分布规范在实施方案的基础上，对整个在线监测系统中所有的装置应具有的功能
9、进行全面的描述，明确各类数据的来源、装置应具有安全、操纵、分析、管理、配置等各个方面的功能及应达到的性能。本项目成果适用于IlOkV及以上智能变电站中变电设备在线监测系统实施方案,不一致电压等级的在线监测配置按照有关规定执行。六、要紧技术性能指标本项目的系统整体指标要求满足IEC61850规范关于系统性能的规定。考虑在线监测系统通信的特点，对网络带宽、对时精度等给出了特定的要求。另外，还给出了现场所有装置与传感器的环境习惯性要求。项目还对各类设备的监测功能组提出了具体的性能要求,下面要紧给出变压器在线监测项目的技术性能指标。1.变压器局放性能指标1）使用内置UHF传感器。2）传感器应与变压器进
10、行一体化设计，由变压器制造商在变压器本体选择适当位置植入，在出厂时同变压器一起完成出厂试验。3）传感器的引出部分应使用合适的密封手段与固定手段，以免影响变压器的整体密封与强度。传感器的引出信号线的布置不能影响变压器的整体美观。4） UHF传感器的数量不应少于4只，安装位置应合理，以满足局放定位的要求。5） UHF传感器的寿命应很多于15年6） UHF传感器的带宽通常在300MHz-1500MHzo2.油中溶解气体监测1）取样方法应为色谱法或者光谱法。2）变压器应有符合色谱法或者光谱法取样要求的专门管路，并能在变压器不停电条件下进行保护，且不得降低变压器本身的密封性能。整个监测系统应能承受变压器
11、本体油压，不能有渗漏油的现象。所使用的油气分离方式不得存在将外部气体带入变压器本体的风险，不消耗、不污染变压器油。3）应能测量H2、CH八CzH,、C2H2.C2H6.C02.CO、H2O,并可扩展测量O24）各参量的测量指标如下表：序号特征气体最小可检量测量范围精确度1H2IOppm02000ppmmax(10%,20ppm)2C2H20.5ppm0100ppmmax(10%,1ppm)3CH4、C2HkC2H61ppm01000ppmmax(10%,lppm)4CO50ppm02000ppmmax(10%,50ppm)5CO250ppm010000ppmmax(10%,50ppm)6H2O
12、2%RH2%100%RH2%RH7O2100ppm10050000PPmIppm5）最小使用周期应不大于1小时，且监测周期可调。6）应提供RS485通信方式，并支持MoDBUSRTU通信协议。7） RS485的地址、波特率、数据位、停止位、校验位等应可配置。8）波特率应至少支持9600bitsSo3 .铁心接地电流监测1）使用穿心式CT进行信号的获取。2）铁心接地线应保持一致的通流能力，不应过度延长。3）穿心式CT应紧固于适当位置，符合防锈、美观与不影响变压器运行保护的要求。4）最小可测量应不大于ln,最大可测量应不小于5A,测量不确定度不大于2.5%。5）最小监测周期应不大于Inlin,监测
13、周期可调。6）具有掉电非易失存储器，能够存储至少1年的数据（最小监测周期）。7）应具有足够的抗干扰能力与自恢复功能，能够长期稳固运行。8）应提供RS485通信接口，遵循MODBUSRTU通信协议。9） RS485的地址、波特率、数据位、停止位、校验位等应可配置。10）波特率应至少支持960ObitS/S。11）数据长度应为12个字节。应提供数据解析要求。4 .油温及绕组温度监测1）油温与绕组温度的测量直接从变压器自带的油温及绕组温度表获取420mA（机械表）信号或者RS485通信的数字信号（数字表）。2）油温应测量2个上层油温与2个下层油温。绕组温度为1个。3）温度的测量不确定度应不大于4）最
14、小监测周期应不大于hnin,且周期可调。5）使用掉电非易失存储器。应能存储1年以上的监测数据（最小监测周期）。七、应用实例本项目成果要紧应用于长春南50OkV智能化变电站的在线监测系统建设。下面列出长春南的在线监测项目表:序号监测项目监测参量被监测设备1油色谱在线监测H2、CH4、C2H2C2H4C2H6.CO、Co2、H2O主变压器、66kV电抗器2铁心接地在线监测铁心接地电流主变压器3局部放电在线监测放电量、放电次数、放电类型、放电位置主变压器4油温在线监测油温度主变压器5绕组温度在线监测绕组温度主变压器6SF6气体在线监测气体压力、密度、微水、温度GIS、HGIS7便携式局放测量放电量、
15、放电次数、放电类型、放电位置HGIS8避雷器在线监测泄漏电流、阻性电流、阻性电流角、动作次数避雷器aiXIED 04主堂主IED tn电抗器主IED在线监测系统的网络结构图如下:22VIEDl P6MOAIED2SOOkV5COCkVSF6及MOA主IEDISF6及MoA主IEM变压器监测功能组结构图如下:SF6及避雷器监测功能组结构图如下:MOA传硼1MoA传感器2MOA传客SnSFa专限禺1SF6ftM2SF6传感器nRS485420mA贿八、推广应用建议该项目的研究成果要紧是结合在线监测技术的特点与IEC61850规范的要求，确保在线监测系统既智能化的要求，又能够在工程应用中落到实处。具
16、体的推广应用建议如下：1）在线监测装置或者传感器与主IED的连接与通信（过程层部分与过程层网络）应首选IEC61850规范，但是，考虑当前在线监测产品的技术进展现状，仍使用工业总线等传统通信形式。随着技术的不断完善与成熟，应逐步过渡到完全使用1EC61850规范的形式。2）站控层网络要求使用IEC61850规范。但是，IEC61850规范要紧的应用领域是变电站自动化系统，关于在线监测系统的模型、接口规范等都没有有关的规定。因此，该项目根据在线监测系统自身的特点与性能要求，编制了多个规范，弥补了这方面的空白，这些规范应在长春南工程试点成功后进行推广应用。3）长春南智能变电站在线监测系统的实施方案
17、全面地对系统各个方面进行了规定与描述，明确了系统的实施细节。此方案所确定的结构体系能够适用于IIOkV及以上变电站的在线监测系统，在长春南工程试点成功后能够作为指导性规范进行推广应用。九、联系方式项目承担单位：东北电力科学研窕院有限公司联系人:高强耿宝宏电话：024-2310210523102102电子邮箱：编号：JXYM-2011-AA-B-02一、成果名称高土壤电阻率变电站接地系统研究二、项目组织及承担单位项目组织单位：四川省电力公司项目承担单位：西南电力设计院、清华大学三、实施依托工程木里50Okv变电站新建工程四、技术原理基于土壤电阻率工程应用测试技术原理及电磁场分析方法,从理论分析及
18、仿真计算两条途径研究土壤勘测深度及范围。通过研究如图1所示的故障电流路径，建立如图2所示的短路故障等效电路。使用电磁场分析方法获得等效电路的具体参数，通过电路分析求得各处电流分布。研究各类因素对分流系数的影响，计算分析典型50OkV变电站的分流系数，并应用于项目依托工程。图1变电站内故障时的电流路径示意图图2短路故障时的等效电路图使用场路耦合方法建立多层土壤中接有电缆的接地系统参数不等电位计算模型。通过仿真分析研究大型接地网二次系统的接地与保护方式、接地系统降阻措施、高电位引出或者低电位引入的隔离措施与依托工程接地系统优化方案。通过深入分析变电站地电位分布，总结其对变电站内外一次设备、二次设备
19、与人身安全的影响，提出合理的降阻目标与解决措施。五、功能及应用领域本成果属于输变电工程的接地设计领域。研究成果对输变电工程的接地系统设计具有重要指导意义：1 .指导土壤电阻率的测量，确定土壤勘测深度及范围，保证接地分析的可靠性。2 .指导确定变电站故障电流分流系数，关于高土壤电阻率变电站，分流系数对接地电阻的确定具有重要作用，应进行分析计算。3 .指导确定经济合理的降阻目标值，在确保安全可靠前提下，提高接地系统的经济性。4 .指导确定经济合理的接地系统降阻措施。5 .指导确定变电站高电位引出或者低电位引入的危害及消除危害的措施。六、要紧技术性能指标项目的总技术性能指标如表1所示。表1项目技术性
20、能指标指标研究前新研究成果效果土壤勘测深度通常通过钻探方式估计地下20米内土壤结构与电阻率使用等距四极法测试，最大极间距至少为接地网对角线长度1倍：测试场地比较小时，可使用电磁测深法。接地电阻分析准确度高，误差在15%以内。分流系数按经验取0.5能够准确计算分流系数。分流系数与线路参数、数量、变电站接地电阻密切有关，接地电阻大时入地电流小。通过分流系数与接地电阻关系，确定分流系数与接地电阻限值。系地与方次接式护式二统方保二次电缆双端接地的优势认识不深二次电缆双端接地可有效减少其芯皮电位差，为保护二次电缆不受大电流流过的危害，需并铺铜排。铜接地网可有效减少二次电缆芯皮电位差与流过二次电缆的故障电
21、流。保证了二次电缆的安全.降阻目标2000V/I满足人身及设备安全在保证设备与人身安全前提下，降阻目标更加科学合理，节约降阻成本。地电位升5kV校核接触电压与跨步电压，作好绝缘地坪，保证人身安全；作好站内外高低电位的隔离；保证站内避雷器的安全。盲目降阻，降阻成本大总结各类降阻措施的特点、适用范围与经济性影响因素（如表2所示），因地制宜选择降阻措施，并与降阻目标相结合有针对性降阻，节约降阻成本。50OkV木里变电站接地按常规设计，达不到要求深化土壤电阻率测试，分析站址地区的环境条件，在保证人身与设备安全前提下，综合考虑分流系数、地电位升、降阻目标有目的降阻，在满足设备与人身安全要求下节约成本。方
22、案值与降阻措施等，推荐接地电阻目标值按不大于4欧，降阻措施考虑离子接地极、局部换填低电阻率土壤或者降阻剂等，使用铜接地网减小压差等措施。表2变电站降阻措施分类总结序号降阻措施原理习惯性分析经济性分析1降阻剂改变土壤电阻率、减小土壤接触电阻可作为降阻辅助手段，推荐用于地网边沿及垂直接地极处0.4万元/吨2换土改变土壤电阻率只有换土层达到相当厚度才能明显降低接地电阻，换填量比较大，通常工程难以找到大量可供换填的土壤，同时加大地基处理工程量，通常不推荐。为减小接地导体与土壤的接触电阻，推荐沿主接地导体敷设少量低电阻率土壤。粘土与运距有关，1.5元kmm1o3电解离子接地系统或者接地模块改变土壤电阻率
23、在难以找到低电阻率土壤或者不易开挖的地方，使用离子接地系统较换土经济，但考虑到其时效性，推荐沿主接地网外沿敷设。3m长离子接地极，6000元/根。4扩大接地网面积扩大接地网横向占地面积扩网是降阻的有效方法之一，但受限于周边条件，需要征地，且围墙外地网保护及安全均比较困难。若地网使用60X8扁钢，6702元t,征地费用15万/亩。5外引接地扩大接地网横向占地面积、并联一低电阻区域假如站址周边（不超过2km,最好Ikin范围内），有低阻区域，低阻区域与变电站间路径具备引接条件。假如使用埋地敷设，应注意外引水平接地带沿线的跨步电压不超过安全限值。需要征地与后期保护管理。外引线路40万元lkm,接地极
24、另考虑征地费用。6增加地网埋设深度增加接地网纵向跨越深度冻土地区使用效果较好。通常地区降阻效果不明显，且增加了接触电压，但可减小跨步电压，工程中需平衡考虑。埋深增力少土石方35元/m,o7长垂直接地极增加接地网纵向跨越深度适用于地下浅层土壤电阻率比表层低的情况。大面积接地网降阻效果较差，密集使用23米的垂直接地棒能够改善季节对接地系统的影响。480元/根8深井接地增加接地网纵向跨越深度，改变土壤电阻率适用于深层有低电阻率或者含水层的地方，接地体要深入低阻区域，降阻效果显著，站内保护管理方便，有条件推荐优先使用。100in深井，2000元/m。9深斜井接地扩大接地网横向占地面枳、增加纵向跨越深度
25、兼顾扩网与长垂直接地极的特点，在接地网面积受限的接地工程中可起到很好的降阻效果。比深井接地略高10爆破接地技术增加接地网纵向跨越深度，改变土壤电阻率适于常规方法降阻困难的地区，特别在高土壤电阻地区，效果明显，但应考虑对地基影响。比深井接地费用稍高，仅增加少量炸药费用七、应用实例本课题研究成果拟在木里500kV变电站新建工程的接地系统设计中应用，下面对木里50OkV变接地设计作简单介绍。木里变站址原始地形地貌如下图所示:图7-1木里50OkV变电站站址全貌本站最终2台三相一体主变压器，500kV出线7回，22OkV出线8回，500kV与22OkV均使用户外GIS,35kV使用油浸电抗器，围墙内占
26、地面积L5h11250OkV侧最大接地短路电流约为28.2kA,22OkV侧约为33.4kA0通过我院勘测对表层40m范围土壤电阻率初步测试结果，建议的土壤电阻率2200P.mo假如仅敷设水平接地网，不采取特殊降阻措施，接地电阻8.5。，地电位升按常规经验计算，入地电流站内短路分流系数取0.5,站外短路取0.1,地电位升达139kVo大大超过规程同意值，完全不能保证人身与设备安全，且造成接地系统难以设计。根据本课题研究成果，尽管深层土壤对接地电阻的影响呈指数下降趋势，但实际上深层土壤电阻率对接地电阻影响也较大，同时考虑为后续降阻措施提供根据，有必要对深层土壤电阻率进行测量，测量深度为IoOOn
27、1。测量结果说明，浅层电阻率属于中高电阻率，大约在15004000.m,其深度范围大约在。150m左右；第二层为一高土壤电阻率层，大约在10000-50000.m,其深度范围大约在150500m左右；高阻层下有一低阻层，电阻率小于200.m.使用接地分析软件进行计算，不采取特殊措施，接地电阻6.6。为保护雷击时二次系统可靠运行及有关规程要求，本站接地电阻不应大于4Q。根据木里站出线情况，计算分流系数与接地电阻之间关系（如图7-2所示）。当接地电阻为4Q时,入地电流约为短路电流的6%,考虑到不确定因素，保守取10%,地电位升15kV,入地电流远低于按常规经验计算值。1.0110.8-b%：ZWI
28、r0.6-*I0.5-I,I,I,I,I,01234接地电阻（Q）图7-2木里50OkV变电站分流系数与接地电阻关系曲线由于接地电阻目标值低于计算值，需采取降阻措施。降阻措施的选择，首先考虑可靠，实施后不影响主接地网的安全，然后考虑运行保护管理方便，经济，实施难度不大。（1）有条件使用长垂直接地极、深井接地或者深斜井接地极作为降阻措施，通常情况应优先选择。根据对本站址深层土壤电阻率的测量结果说明，500m深度范围内无低阻层，使用长垂直接地极、深井接地或者深斜接地极、爆破接地、增加地网埋设深度等降阻方案效果差，技术经济性差，本站不推荐使用。（2）扩大接地网面积、外引接地。该站建于山腰，场地极为狭
29、小，无法大幅扩大接地网面积；站址邻近没有可供外引接地的低电阻率场地，只有2km以外有一木里河，通过计算降阻效果差、投资高、运行保护管理不方便，不予推荐。（3）换土。若单纯使用换土降阻，初步估计其厚度应大于30m才可能将接地电阻降到安全值，该站地处偏远地区，交通不便，周边无可供换填土壤，需要到外地购买，成本极高。大面积换土不现实，不予推荐。为减小接地导体与土壤的接触电阻，推荐沿主接地导体敷设少量低电阻率土壤，即采取局部换土。（4）电解离子接地系统或者接地模块。受本站场地及周边环境条件限制，可使用的措施有限，利用电解离子棒或者接地模块改变土壤电阻率的方法降阻，经济性相对较好。考虑到电解离子接地系统
30、的时效性，木里变电站拟使用沿围墙四周敷设离子接地棒，在有冲击电流入地处加装垂直接地极辅以降阻剂，沿主接地导体局部换填低电阻率土壤，将接地电阻降低到不大于4Q,地电位12.5kV为保证人身安全，全站敷设碎石地坪。降阻措施总投资200万元左右。八、推广应用建议该研究成果可作为高土壤电阻率地区工程接地设计的参考。通过本课题的研究，提出下列建议：（1）关于一定大小的接地网，土壤电阻率越高，深层土壤电阻率对接地网的接地电阻影响越大，为提高接地电阻的计算准确性，建议土壤电阻率测量深度不小于接地网的对角线长度。（2）高土壤电阻率变电站接地系统设计时，应准确计算分流系数的大小。使用估算方式易造成入地电流、地电
31、位升计算值过大，难以满足接触电压及跨步电压要求，从而对变电站接地系统的接地电阻提出过高的降阻要求。（3）高土壤电阻率变电站应合理确定降阻目标，盲目降阻将造成巨大的经济浪费。降低接地电阻不一定能降低地电位升，由于接地电阻的降低将使得入地电流增大，地电位升相应增大。（4）降阻措施的使用应因地制宜，合理选用，应避免简单的堆积及组合。（5）高土壤电阻率变电站接地系统设计时，应采取隔离措施，避免高电位引出或者低电位引入，建议加强地电位升限值的研窕。由于变电站环境的多样性与复杂性，建议在成果推广应用过程中，把握项目研究成果的适用条件，做到因地制宜、科学应用。九、联系方式西南电力设计院联系人：黄晓明13980051678清华大学联系人：张波13522687489
