摘 要
大连长兴岛地区是一个高耗能、高新技术产业集中的区域,电能需求量大,因此10kV 电压等级的缺点逐渐凸显出来.采用 20kV 电压进行供电,可以极大程度的缓解10kV 电压等级供电过程中电能传输能量小,能量传输效率低,服务区域小等缺陷,具有很高的应用价值.
本篇论文首先对 20kV 配网系统的国内外研究现状进行分析,对大连长兴岛地区的配网现状进行重点研究,对升级改造 20kV 配电网的可行性进行分析,完成了对 20kV配电网的规划设计,提出了 20kV 配电网电源"放射+联络"升级方案和配电网网格规划方案,采用"分层分级"的 20kV 配电网网络架构设计,并对配电网的通信及自动化系统进行设计,最后对大连长兴岛地区 20kV 配电网的实际运行情况进行总结分析,着重从经济指标和可靠性指标两个方面对 20kV 和 10kV 配电网进行对比.
全文对 20kV 配网系统在长兴岛地区的应用进行深入研究,总结了 20kV 配电网的实际运行经验,可以在其它地区相同规模的配电网进行推广应用.
关键词:20kV配电网,长兴岛电网,配网规划
Abstract
Dalian Changxing Island has many high-tech enterprises and emerging industries, and therequirements of power supply reliability and power quality are constantly improving.Thedemand of electric energy is large, so the disadvantage of using 10kV power supply is graduallyhighlighted. After using 20kV voltage for power supply, it can greatly alleviate theshortcomings of small energy transfer energy, low energy transmission efficiency and smallservice area in the 10kV voltage level power supply process, which has high application value.
This paper first analyzes the research status of 20kV distribution network system at homeand abroad, focusing on the status of distribution network in Changxing Island, analyzing thefeasibility of upgrading 20kV distribution network, and completing the distribution of 20kVdistribution network. The planning and designing of the network proposes the "radiation +contact" upgrading scheme for the 20kV distribution network power supply and the lightningprotection planning for the distribution network with the "sense arrester intelligent monitoring"as the core, and the "stratified grading" 20kV distribution network architecture design. Anddesigning of the communication and automation system of the distribution network, finallysummarizing the actual operation of the 20kV distribution network in Changxing Island, Dalian,focusing on the 20kV and 10kV distribution network from two aspects: economic indicatorsand reliability indicator. comparing.
In this paper, the 20kV distribution network system in Changxing Island area in-depthstudy, summing up the actual operating experience of the 20kV distribution network, which canbe promoting and applying in the distribution network of the same scale in other regions.
Key Words:Intelligent Distribution Network; Changxing Island Power Grid; Distributionnetwork planning
目 录
摘 要 ............................................................................................................................. I
Abstract ............................................................................................................................. II
1 绪论 .............................................................................................................................. 1
1.1 20kV 配电网国内外研究现状 ......................................................................... 1
1.1.1 20kV 配电网国外研究现状 .................................................................. 1
1.1.2 20kV 配电网国内研究现状 .................................................................. 2
1.2 本文主要工作 ................................................................................................... 3
2 20kV 配电网可行性分析 ............................................................................................ 5
2.1 大连长兴岛地区配网现状分析 ....................................................................... 5
2.2 20kV 配电网升级后关键指标变化 ................................................................. 7
2.3 20kV 配电线路改造可行性分析 ..................................................................... 8
2.3.1 20kV 配电线路档距及杆塔 .................................................................. 9
2.3.2 线路绝缘子、金具等辅助设备 ............................................................ 9
2.3.3 20kV 电力电缆可行性分析 ................................................................ 10
2.4 本章小结 ......................................................................................................... 10
3 20kV 配电网规划方案 .............................................................................................. 11
3.1 20kV 配电网整体规划 ................................................................................... 11
3.1.1 20kV 配电网规划基本原则 ................................................................ 11
3.1.2 20kV 电压等级升压改造原则 ............................................................ 12
3.1.3 20kV 配电网电源"放射+联络"升级方案 .......................................... 14
3.1.4 20kV 配电网中性点智能接地方案 .................................................... 16
3.2 20kV 配电网网格化规划 ............................................................................... 18
3.2.1 网格化总体思路及建设要点 .............................................................. 18
3.2.2 供电网格(单元)划分原则及思路 .................................................. 19
3.2.3 配电网基础架构设计及建设标准 ...................................................... 21
3.3 20kV 配电网一次及二次设备规划设计 ....................................................... 24
3.3.1 20kV 配电网运行原则 ........................................................................ 24
3.3.2 20kV 配电线路走廊分析 .................................................................... 24
3.3.3 20kV 配电改良式开关规划设计 ........................................................ 25
3.3.4 20kV 配电二次设备规划设计 ............................................................ 29
3.4 采用"分层分级"的 20kV 配电网网络架构设计 ...................................... 30
3.4.1 20kV 配电网标准要求及主站规划 .................................................... 30
3.4.2 20kV 配电网硬件及软件架构 ............................................................ 32
3.4.3 20kV 配电网配电系统终端设置 ........................................................ 33
3.5 本章小结 ......................................................................................................... 34
4 长兴岛地区配电网通信设计 .................................................................................... 35
4.1 改造前配电网通信状况 ................................................................................. 35
4.1.1 10kV 电力网架结构现状 .................................................................... 35
4.1.2 DMS 系统现状 .................................................................................... 36
4.1.3 通信系统需解决的问题 ...................................................................... 36
4.2 长兴岛地区 20kV 配电网通信系统特点 ...................................................... 36
4.3 "骨干层+接入层"通信整体架构设计 ........................................................... 38
4.3.1 20kV 配电自动化系统信息流程 ........................................................ 39
4.3.2 20kV 配电网骨干层的通信方式 ........................................................ 41
4.3.3 20kV 配电网接入层通信方式 ............................................................ 41
4.4 本章小结 ......................................................................................................... 42
5 大连长兴岛 20kV 配电网的实际运行状况 ............................................................. 43
5.1 20kV 配电网常态运行分析 ........................................................................... 43
5.2 20kV 系统实际改造运行状况 ....................................................................... 44
5.2.1 线路实际传输容量 .............................................................................. 44
5.2.2 线路实际间距 ...................................................................................... 45
5.2.3 线路绝缘子与金具 .............................................................................. 45
5.2.4 线路避雷器 .......................................................................................... 46
5.2.5 20kV 配电变压器 ................................................................................ 46
5.2.6 20kV 开关柜 ........................................................................................ 47
5.2.7 20kV 环网柜 ........................................................................................ 49
5.3 升级 20kV 配电网系统与 10kV 系统的效果对比 ....................................... 49
5.3.1 经济指标验证 ...................................................................................... 49
5.3.2 可靠性指标验证 .................................................................................. 51
5.4 20kV 配电网运行经验 ................................................................................... 53
5.5 本章小结 ......................................................................................................... 54
结 论 .......................................................................................................................... 55
参 考 文 献 .................................................................................................................... 56
附录 A 长兴岛单元划分图 .......................................................................................... 58
致 谢 .......................................................................................................................... 59
大连理工大学学位论文版权使用授权书 ...................................................................... 60
1 绪论
目前,国家电网公司对坚强的网架结构提出了更高的要求,而网架结构的坚强不仅仅体现在超高压和特高压电网,其中配电网的网架结构是坚强电网的基础,没有坚强的配电网,坚强电网概念无从谈起.通过对 20kV 配电网进行合理规划,在电网故障时符合"N-1"原则,及时隔离区域故障,精准定位故障区域,快速恢复区域供电,有助于提升电网可靠性和用户满意度.
早在九十年代初,相关学者已经开始对 20kV 配电网进行研究分析,当时受制于通信系统传输速度和准确度的影响,故障定位判断的准确率并不高,影响了系统的整体评价.配电设备的可靠性不高,当出现配网故障后,系统很难准确定位故障位置.伴随着计算机,特别是通信技术的快速发展,现代通信技术不断普及,20kV 配电网的系统规划开始了新的篇章.
本文通过总结大连长兴岛地区配电网的需求,对长兴岛地区 20kV 电网的结构进行了新的规划设计,有助于提高 20kV 配电网的供电可靠性,通过规划、应用、总结、分析、提升模式,对 20kV 配电网规划进行提炼总结,可为其它地区 20kV 配电网规划提供了理论和技术支持.
1.1 20kV 配电网国内外研究现状
1.1.1 20kV 配电网国外研究现状
早在 20 世纪 40 年代,发达国家的相关学者已经对 20kV 的配电网进行研究分析,由于当时电力负荷需求小,对 20kV 配电网的重视程度还不够高.到了 20 世纪 50 年代,伴随着工业负荷的急剧增加,美、英、法等国相关学者已经将 20kV 配电网规划应用于当地配电网中[1].
在 20kV 配电网规划中,首先研究的问题是 20kV 开关的线路保护.此时应用较多的线路的三段式保护.瞬时速断保护出口短路,瞬时切除故障;限时速断保护线路全长,延时切除故障;过电流保护作为后备保护.通过应用重合闸等功能,快速切除瞬时故障并恢复供电,对调度系统、当地监控机的要求并没有明显提高[2].
随着计算机和通信技术的不断发展,后来出现了地调中心、配调中心和当地监控机.基本原理为利用信息通道和交换机,将保护、测控装置采集到的配电网基础信息分别上传至配调中心和当地监控机,通过计算机对电网的运行状态进行实时监控,一旦发现配网系统出现故障,在保护装置相继动作切除故障后,配调中心和当地监控机都能够监测到故障发生的时间、位置,在现场人员确认故障消除后,通过远方操作恢复系统运行.
20kV 配电网在国外应用现状如下:
英国配电网以 11 kV 电压等级为主,近年来随着经济发展,在负荷密集区域,原有的 11 kV 电压等级难以满足负荷需求,过载和重载线路、变压器逐年增多,因此将负荷密集区域电压等级升级至 20kV,可以有效提升供电能力.新建 20kV 配电网与原有 11 kV 配电网相互独立运行[3].
意大利配电网电压等级统一为 20kV,可以满足意大利配电网现有电能需求,20kV电压等级为意大利标准电压等级[4],该地区 20kV 配电网电源采用"放射型"网络结构.
德国早在十九世纪七十年代,对国内配电网进行了一次升级,重点是将 6kV 电压等级配电网升级至 10kV,由于此时多种配电电压等级并存,运行管理十分不便,因此又将电压等级升级至 20kV.相对于其他电压等级配电网,20kV 电压等级传输容量大,供电范围广,因此其他欧洲国家学习德国 20kV 中压配电网建设运行经验,将20kV 作为中压配电网的标准电压等级[5].
日本是亚洲最早使用中压配电网的国家,在中心城区采用 20kV 配电网供电,在离中心城区较远的负荷密集区多采用 20kV 配电线路进行供电[6].
英国 20kV 配电网与 11 kV 配电网独立运行,系统分散,不利于系统和整体可靠供电;意大利直接采用 20kV 配电网,可靠性高;德国对配电网进行了两次升级,积累了丰富的配电网建设经验,改造费用较高;日本山区多,负荷分散,全部采用 20kV 配电网供电,改造费用较高.
如今,国外大多数厂商已经能够将配电网自动化功能集成到配调中心和当地监控机,实现故障发生后的告警、定位、隔离和远方操作恢复功能,实现配电网监控和操作的高级应用[7].
1.1.2 20kV 配电网国内研究现状
早在 20 世纪 80 年代,随着我国经济和社会的不断发展,我国相关学者开展了对20kV 配电网技术的研究,然而,在当时的试验中,受制于计算机和通信技术的影响,试验结果不够令人满意[8].
在早期的研究过程中,我国相关学者以研究发达国家的相关资料为主,也购置了一批国外配电自动化设备,此时主要应用的是线路三段式保护,该方法仅仅能够隔离故障,但难以定位故障位置和故障类型[9].
九十年代以来,信息传输技术发展较快,信息传输实时性和可靠性都有了明显提升,能够保证配调中心与 20kV 配电网设备之间的数据通信,通过远程进行数据综合分析,在隔离故障的同时,能够定位故障发生的位置,故障类型并提出解决方案,同时对配电网的实时数据进行监测,发现设备异常能够及时安排处理[10].
我国在 20kV 中压配电网方面取得的进展主要有:
2003 年,南方电网公司确定了 20kV 配电网设计标准,2004 年批准了 20kV 配电网的研究项目,这主要得益于广东沿海城市经济发展速度快,负荷要求较高,采用20kV 电压等级能够更好地满足当地用电需求,此时 20kV 配电网与 10kV 配电网并列运行,可靠性并不高.
2005 年以来,苏州工业园区 20kV 配电网首先获得立项,随后天津、哈尔滨等城市经济开发区也纷纷建立 20kV 配电网新区.2015 年,昆明新建的 20kV 配电网"世纪城"项目是目前比较成功的 20kV 配电网.该项目高峰负荷为 100MW,变压器容量160MVA,该地区采用 20kV 配电网有效提升了电能质量和供电可靠性[12].
目前国家电网公司实现了将配网调度中心与配电设备信息全面互联互通,同时应用故障录波器系统、网络分析仪系统对故障进行全面监测和定位,实现前期预警,实时告警,故障诊断,恢复操作一体化管理.通过在大连长兴岛地区进行试点,将原有10kV 配电网提升至 20kV 配电网统一调度,实现全部配电网可控、能控、在控[13].
1.2 本文主要工作
本文首先介绍了 20kV 配电的国内外研究现状,对 20kV 配电网的可行性指标进行分析,通过技术指标分析和供电可靠性比较,分析升级至 20kV 电网的可行性.在20kV 配电网具体规划设计方面,详细研究了中性点接地方式、防雷保护、继电保护、一次设备改造和网架结构设计,并对配电网的通信系统进行了设计.通过将理论知识与实际应用相结合,实现了大连长兴岛地区 20kV 配电网的规划设计.
本文的主要结构为:
第 1 章为绪论,总结了国内外研究现状,为全文的研究内容做好铺垫.
第 2 章为 20kV 配电网可行性分析,通过技术指标和可靠性指标研究,确认 20kV配电网的可行性.
第 3 章为 20kV 配电网规划设计,分别包括整体规划、架构规划、一次及二次设备改造、网络架构设计.在配电网电源规划方面,提出了"放射+联络"的升级方案,提升供电可靠性;提出了长兴岛地区配电网网格化规划方案,提出了"分层分级"的设计理念,既保证了传输的速率和可靠性,又具有大幅降低了建设成本.
第 4 章为 20kV 配电网通信系统设计,包括通信整体架构和通信规约选择,以及具体的建设方案.在通信系统设计过程中,提出了"骨干层+接入层"的设计理念,实现了信息通信可靠传输.
第 5 章为 20kV 配电网在大连长兴岛地区的应用,并在经济指标和可靠性指标方面与原有 10kV 系统进行对比.
…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件
结 论
20kV 配电网直接为用户提供电能,是电网的最后一个环节,也是电网供电可靠性的基础,做好配电网规划,合理规划网架结构和配电设备,可以大幅提升配电网的可靠性水平.通过对 20kV 配电网合理规划,解决 10kV 配电网中的难题,优化 20kV 配电网网络架构,打造坚强的 20kV 配电网.
本文以长兴岛地区 20kV 配电网改造为基础,首先总结了 20kV 配电网的国内外研究现状,并对大连长兴岛地区的配网现状进行研究,从技术指标分析得知,无论是传输容量、传输距离、电压降落、电能损耗等方面,20kV 配电网都具有明显优势,对架空导线和电力电缆进行升级改造的可行性分析.对 20kV 配电网进行规划设计,重点从整体架构规划、一次及二次设备和网络结构规划方面进行研究,并对通信系统进行了规划设计,最后介绍了 20kV 配电网的实际运行状况,对升级 20kV 配电网系统与10kV 系统的效果进行重点对比.具体结论如下:
(1)20kV 配电网改造过程中,要充分利用原有的 10kV 设备,但必须经过试验合格后方可使用,未到期且不能应用于 20kV 的设备可调换至其它 10kV 配网区域.分近期、中期、长期进行 20kV 配电网规划,同时给出 20kV 电压的合理架构,提出了20kV 配电网电源"放射+联络"升级方案.
(2)对 20kV 配电网中性点接地方式进行研究,同时给出了配电线路和变压器的防雷设计方案,研究配电设备升级改造原则,如何调整配网运行方式,降低重、过载线路比例,分析了继电保护配置方案,并对线路走廊进行分析,制定了一次设备改造方案,并给出了网络架构设计方案,提出了网格化规划方案和采用"分层分级"的20kV 配电网网络架构设计.
(3)对长兴岛地区配电网通信系统进行规划,首先分析了改造前配电网通信状况,总结了 10kV 电力网架结构和配电自动化系统需解决的问题,随后分析了 20kV 配电网通信系统的特点,研究了"骨干层+接入层"双层网络结合实施的具体方案.
(4)对升级 20kV 配电网系统与 10kV 系统的效果进行重点对比,确认 20kV 配电网在经济指标和运行可靠性方面都具有一定优势.
本文以长兴岛地区 20kV 配电网改造为实例,研究分析 20kV 配电网的优势,从网络架构、通信系统、自愈系统等方面给出了 20kV 配电网规划设计的具体流程和细节,升级改造至 20kV 配电网后,对于供电可靠性有明显提升,该规划方案可以应用于其它地区相同规模的配电网,具有一定参考价值.
参 考 文 献
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