第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
近年来，随着电力系统的设备不断完善和改进，以及电网规模的持续扩大，使得电网安全、稳定地运行变得非常重要。所以，作为电力系统非常重要的一部分，变电站的可靠、稳定、安全运行已成为非常关心的问题。其中设备作为变电站在供配电时的关键组成部分，其设计和布局的科学合理性，运行时的安全可靠性，都对变电站的发展影响重大[1]。电力系统的运行要尽量避免设备出现故障的情况，否则产生的后果会非常严重，不仅会对设备本身造成直接或间接的损坏，还会对国民经济产生难以估计的亏损，除此以外，还可能影响人身安全，导致电力系统故障。目前，我国一部分变电站中的变电设备存在老化和损坏问题，其绝缘性低，在运行中会产生各种隐患，直接威胁到了变电站的稳定性，影响到电网系统的安全运行[2]。而且，随着人们对老旧变电设备的使用，通过掌握其工作过程和各项特性，结合实际运行状况，发现了很多缺点，如灵敏度低、功率损耗大、可动部位易磨损等。这些老旧的变电站，其一次和二次设备因为长时间服役所产生的问题也不相同。一次设备存在的问题多为设备的腐蚀、损坏和老化非常严重，导致维护和维修的费用高昂，并且工作量连年攀升；二次设备由于数量较多、来源复杂，有不同种类、不同年代的自动装置和继电保护设备在运行，对变电站设备故障的解决造成不必要的复杂性[3]。目前整体的问题表现为：变电站每年都需要配置大量的物力、人力和资金，进行局部改造、整治以及整体的维护，但因为每年都会出现新的问题，所以效果并不理想，与当前采用了新技术的变电站的水平存在较大差距。另外，由于老旧设备生产时期的经济水平不高，设计标准相应地也比较低，目前均不能满足国家电网公司的设计方案中的要求标准。为了从本质上解决该问题，需要对变电站的设备进行彻底、全面的改造。同时，由于新材料和新技术的不断开发、涌现、推广和使用，也为改造工作提供了必要的条件，可以在完善、提高装备水平的基础上，实现无人值班的功能，达到减人增效的结果。所以，针对这些老化设备的改造势在必行。
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1.2 国内外研究现状
改造方案需要随着变电站形式的发展而变化，自二十世纪七十年代起到现在，在国际范围内，变电站的改造经过了综合自动化以及智能化两个改造阶段。1975 年，在关西电工公司和三菱电气的协助下，日本在国内开始进行数字化控制变电站的系统开发，并在 1980 年完成开发工作，开始投入商业运行。1981 年 5 月，第六届国际供电大会会议在英国召开，根据此次会议的资料得知，法国、澳大利亚、西德、意大利等国家在 70 年代末期就着手淘汰本国内老旧变电站中存在的远动装置，并将其更换为全新设计的微机远动的设备[4]。八十年代以后，国际上的众多大型设备制造商都掌握了相关的技术，并生产了相关设备，这些公司有：阿尔斯通（法国）、GE 公司、西屋公司（美国）、西门子、AEG 公司、ABB 公司（德国）等[5]。经过几十年的发展，到了 21 世纪，世界范围内，各个国家的综合自动化变电站的水平已经取得了很高的成绩，涌现出众多的现代电力技术：变电站内运行仿真、在线监测电气设备状态、智能化开关、电压互感器、光电式电流等技术水平成熟。同时，从 2003 年开始，世界上很多发达国家开始进行智能电网的定义及相关应用开发工作，以美国的 Grid 2030 报告为典型代表，而智能化变电站依然是其中的重要的开发对象[6]。到了 2006 年，欧盟理事会发表了能源绿皮书，其中也明确规划了欧洲的能源新时代，将智能电网作为一项重要的能源新技术。同时，在大洋洲和亚洲，诸多国家也紧跟电网的发展步伐，开始了智能变电站和智能电网的研发，而且，其中一些国家已经有具体的投运项目。
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第2章 创意产业基地变电站现状及改造需求分析
随着文化创意产业的蓬勃发展，中关村创意产业基地电力负荷供应日渐紧张，对电力能源的需求量不断增加，园区内各 50 年代建设的变电站都已不能满足目前的安全需要和使用要求，老化的电气设备对电网安全运行提出了极大的挑战，因此需要不断开展对现有电力系统设备的更新改造建设。本章着重分析该园区电力设备运行，为设备的更新和改造提出具体要求。
2.1 创意产业基地变电站现状分析
中关村创意产业基地电力系统包括正东集团 51 总变电站及多个变电站（10站、24 站、31 站、41/2 站、44 站、60 站、71 站和 72 站），51 总变电站通过直埋敷设 10kV 电缆从电力系统的东北郊变电站获得电源，经 2 台 10MVA 降压变压器接入 6kV 配电系统。其他变电站通过 6kV 电力电缆从 51 总变电站获得电源，再通过降压变压器获得 380V 电源。目前，变压器的容量已经不能满足日益繁荣的中关村创意产业基地的用电需求，同时又存在开关接触不良，线圈的绝缘材料老化严重等。电气主接线方面，51 总变电站 10kV、6kV 和 380V 采用单母线分段接线方式。其他变电站 6kV 采用单母线或单母线分段接线，380V 采用单母线或单母线分段接线。其中，10kV 电缆为从东北郊变电站至 51 总站；6kV 电缆包括各变电站内部使用，51 总站至 10 站、24 站、31 站、41/2 站、44 站、60 站、71站和 72 站之间，71 站至动力南厂（77 站）的 6kV 电缆；380V 电力电缆包括各站内部使用及至供电负荷的电缆。由表 2.1 可知，变电站多采用单母线和单母线分段接线形式，随着电网规模的不断扩大，以及综合自动化系统的不断发展，单母线接线形式已经不能满足电网对灵活性等的高要求。同时，断路器的大多数备品配件早已用尽，介损值在每年的预防性实验中都表现出逐年增大的趋势，遮断容量不能满足发展迅速的园区用电要求。
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2.2 变电站设备改造需求分析
根据对中关村创意产业基地变电站运行情况的分析，从负荷情况来看，随着该地区用电性质的改变，以及政府对该地区的后续规划，现有容量已经不能满足日益增长的用电需求，同时考虑到在正常运行时，变压器的最大效率，在铁损和铜损相等时效率最高，这时的负荷率约为 65%。所以，需要对该园区的负荷历史数据进行统计，然后对未来负荷进行预测，依据预测结果对变电站设备进行增容改造。如表 2.3 所示为园区负荷历史数据统计表。从安全运行情况来看，目前该园区的变电站设备已经连续运行超过六十年，远超规划的使用年限，由于生产年代久远，以及新技术新材料的不断开发，目前市场上对变电站设备的标准已全面更新，经过厂内几次大修的情况来看，发现设备老化严重，有很多潜在的安全威胁，所以，需要对变电站设备进行全面更新。所以，需要对创意产业基地变电站的变压器进行更新，同时根据每个变电站的实际需求，进行是否需要增容的判定。
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第 3 章 创意产业基地变电站设备改造方案设计............14
3.1 增容改造方案设计 ..........14
3.1.1 电力负荷预测方案...........14
3.1.2 创意产业基地变电站增容负荷预测.....16
3.2 主接线改造方案设计 ......18
3.2.1 主接线方式介绍....18
3.2.2 主接线方式选择及应用..............19
3.3 保护及配电设备改造方案设计 ............23
3.4 改造实施方案选择 ..........24
3.5 本章小结 .....29
第 4 章 创意产业基地变电站设备改造效益分析............30
4.1 经济效益分析 ........30
4.1.1 经济效益评价指标概述..............30
4.1.2 经济效益评价结果分析..............31
4.2 社会效益分析 .......32
4.3 可靠性分析 ...........33
4.4 本章小结 .....36
第 5 章 总结与展望.....37
5.1 总结 ............37
5.2 展望 ............38
第4章 创意产业基地变电站设备改造效益分析
制定方案的目的就是为了工程应用，第 3 章经过从理论联系到设计，最终到为每个变电站都设计选择了合适的改造实施方案。本章将综合分析该方案实际应用后的经济效益，分为经济效益和社会效益，来分析该方案是否达到预期效果。
4.1 经济效益分析
中关村创意产业基地变电站设备改造工程关系该地区人们的生产生活，对其经济增长影响重大，所以，改造后的变电站，十分有必要评估其经济效益。经济效益分析就是将改造工程前后的所得收益与成本支出分别进行比较[41]，证明改造项目是否最终达到了解该地区盈利能力，同时控制成本的目的。基准收益率——i：该因素由投资者或者行业来决定，代表投资方案所应该达到的最低收入水平。在此次设计中，将 i 取值 8%。该取值考虑了本行业内的平均收益率，同时还参考了资金限制、投资风险以及资金成本等因素[42]。计算期：将项目的寿命确定为 21 年，这包括了前期建设 1 年，以及建成后投入生产的 20 年，同时按 20 年进行折旧，最终的残值率为 3%。投资回收期：我们主要考虑的是静态的投资回收期，指的是将所投入的全部资金收回所需要的时间。净现值——NPV：用于对项目进行盈利能力评价的绝对指标。如果NPV<O ，表明项目是不可行的；如果 NPV=0 ，表明该项目的设计有待改进；如果 NPV>0，表明该项目不仅能满足基准的收益率要求的盈利，还能够有超额的利益，说明项目可行。
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总结
中关村创意产业基地随着文化创意产业的迅速发展，已成为文化交流的重要基地，用电需求也随之迅速提高。而该地区变电站的设备早已超过运行年限，在近几年的大修中检查出很多安全隐患，如设备严重老化、损坏、绝缘性低等，所以，需要采用合适的新型设备、安全可靠的方式，对变电站设备进行更新改造。本文研究的重点分为 3 个部分，分别是变电站现状及改造需求分析、设备改造方案设计以及设备改造效益分析。变电站设备改造的需求分析先从变电站的现状入手，分析其布置、运行及经济情况。共得出三个重点需要改造的内容：变压器增容需求、电气主接线需求、保护需求。变电站设备的改造方案设计根据第二章提出的需求，分别进行了方案设计。在增容改造方案设计中，首先明确了电力负荷预测方案，然后对创意产业基地变电站增容负荷进行预测，从而确定了 51 总站以增容为前提的改造更新方案；在主接线改造方案设计中，首先明确了单母线接线、单母线分段接线、双母线分段接线、外桥接线等接线方式各自的优缺点及适用情况，然后根据各个变电站的不同情况进行电气主接线设计；在保护及配电设备改造方案中，主要是将老式的继电保护设备改为综保保护设备，同时确定配电系统的改造方案。然后，本章进行了改造实施方案的选择，分别对电力增容模式的改造方案、利用主接线方式倒闸操作的改造方案、通过改变运行方式的改造方案以及新增临时设备措施的改造方案共 4 种改造方案进行实际应用研究分析，对比它们的优缺点及适用情况，最后根据各个变电站的实际情况选择各自合适的改造实施方案。变电站设备改造方案的实际应用部分分为三个模块：经济效益分析、社会效益分析、可靠性分析。经济效益给出评价指标，并结合指标及测算值、运行统计值，分析得出该项目可行；社会效益是对该项目运行后的社会反映信息进行收集，看是否得到了积极的效果，结果显示改造后的园区发展更好，社会效益显著；可靠性分析衡量该变电站在确保供电质量和数量前提下时的故障率，最终计算结果表明改造后该变电站的供电可靠性大幅度提高。
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参考文献（略）