關于廠用變電站的設計仿真

王啟洋，張巖雨

（1.甘肅電力公司檢修公司慶陽檢修分部，甘肅省平涼市 744024；2.華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司人事綜合部，浙江省天臺縣 317200）

關于廠用變電站的設計仿真

王啟洋1，張巖雨2

（1.甘肅電力公司檢修公司慶陽檢修分部，甘肅省平涼市 744024；2.華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司人事綜合部，浙江省天臺縣 317200）

本次設計為對機械廠10kV的變電站進行系統化設計，包括一次系統設計、二次系統設計及其變電站綜合自動化的設計。一次系統根據廠用負荷進行分配計算，10kV和0.4kV都采用單母分段接線方式，對負荷進行了無功功率補償，使得可靠性和經濟性滿足變電站綜合自動化要求。二次系統根據要求對電源進線和備用電源自投進行設計，對進線和變壓器采用微機保護的形式，選用合理的變電站綜合自動化系統，并對監控程序和界面進行組態設計仿真。

機械廠變電站；微機保護；選型；綜合自動化；監控系統仿真

0 引言

本次設計為某機械廠10kV/0.4kV的降壓變電站綜合自動化。國民經濟不斷發展，對電力能源需求也不斷增大，現在已經大多采用了變電站綜合自動化。通過電力監控綜合自動化系統，可以使變電站內值班人員或調度中心的人員及時掌握變電站的運行情況，直接對設備進行操作，及時了解故障情況，并迅速進行處理，達到供電系統的管理科學化、規范化，并且還可以做到與其他自動化系統互換數據，充分發揮整體優勢，進行全系統的信息綜合管理。

1 廠用負荷分配與計算

1.1 負荷分配

工廠進行電力設計的基本原始資料是工藝部門提供的用電設備安裝容量。這些用電設備品種多，數量大，工作情況復雜。如何根據這些資料正確估計工廠所需的電力和電量是一個非常重要的問題。估算的準確程度，影響工廠電力設計的質量，如估算過高，將增加供電設備的容量，使工廠電網復雜，浪費有色金屬，增加初投資和運行管理工作量。但如估算過低，又會使工廠投入生產后，供電系統的線路及電氣設備由于承擔不了實際負荷電流而過熱，加速其絕緣老化的速度，降低使用壽命，增大電能折耗，影響供電系統的正常可靠運行。計算負荷是根據以知的工廠的用電設備安裝容量確定的、預期不變的最大假象負荷。這個負荷是設計時作為選擇工廠電力系統供電線路的導線截面、變壓器容量、開關電氣及互感器等的額定參數的依據，所以負荷計算十分重要。

根據供電要求對負荷進行分配，廠用負荷情況見表1。

表1 廠用負荷情況表

10kV母線上共有出線回路4回，進線柜兩臺，其中序號1和序號2負荷由10kV引出，其他為低壓0.4kV負荷。

0.4kV負荷分配：

1號出線：負荷序號3、4、5、6、10。

總負荷：Pe=600+220+160+60+20=1060（kW）

2號出線：負荷序號7、8、9、11、12、13。

總負荷：Pe=32+210+500+246+10+60=1058（kW）

1.2 負荷計算

負荷計算的公式(采用需要系數法)計算有功負荷時乘以需要系數，當多組用電設備計算負荷時乘以同時系數。

（1）1號出線。

取同時系數：

（2）2號出線。

取同時系數：

（3）3號出線。

取同時系數：

（4）4號出線。

取同時系數：

2 變壓器選擇和無功補償

2.1 變壓器選擇

根據前面計算出來的負荷繼續取同時系數可計算出變壓器出線容量（過程略），則：

所以對1號出線負荷容量：

對2號出線負荷容量：

則：

帶0.4kV負荷要選擇兩臺變壓器，單臺變壓器的容量要撐到總負荷的60%～70%。則有：

根據變壓器型號標準所以選擇兩臺額定容量為1600kVA的變壓器。查找手冊選擇型號為SCL-1600/10 三相空氣自冷干式變壓器，變壓器參數為高壓10kV、低壓0.4kV。

2.2 無功補償

工廠中普遍采用并聯電容器來補償供電系統中的無功功率。常采用高壓集中補償，低壓集中補償，低壓分散補償3種方式。本設計采用0.4kV側低壓集中補償。其中：

進行時，考慮到變壓器損耗設低壓側補償后的功率因素為0.92來計算，需補償的容量為420.7kvar。

查表選取電容器柜型號為PGJ1-1，實際補償容量QCC=450kvar。

補償后計算負荷及功率因數為：

變電站高壓側總的計算負荷為：

補償后變電站高壓側的功率因數為0.901，滿足要求。

電容器的選擇：由以上計算本設計選用10臺型號為CLMD53/45KVAR 的并聯電容器。

3 主接線與設備選擇

3.1 變配電站的主接線

變配電站的主接線根據變配電站在供電系統中的地位、進出線回路數、設備特點及負荷性質等條件確定，并應滿足可靠性、靈活性和經濟性的基本要求。本廠的電源進線電壓是10kV，電能先經過高壓配電站集中，再由高壓配電線路將電能分送給各車間變電站。車間變電站內裝設有電力變壓器，將10kV的高壓降低成一般用電設備所需的電壓220/380V。然后由低壓配電線路將電能分送給各用電設備使用（其中0.4kV負荷用兩臺變壓器）。而1號、2號抽油桿熱處理機組和抽油桿模鍛自動線等高壓用電設備，則由高壓配電站10kV線路直接配電。所以本廠10kV和0.4kV均采用單母線分段接線，高壓母線加裝微機備用電源互投裝置。而且對二級等級以上的負荷都采用備用供電，本廠對抽油桿熱處理機和鍛模自動線大容量設備加裝了備用線路。主接線仿真圖如圖1所示。

圖1 仿真監控系統主接線圖

3.2 設備的選擇

為了減輕短路的嚴重后果和防止故障擴大，需要計算出短路電流，以便正確地選擇和校驗各種電氣設備、計算和整定保護短路的繼電保護裝置及選擇限制短路電流的電氣設備。本文先選擇3km架空線路計算線路阻抗和A站變壓器阻抗，畫最大運行方式和最小運行方式的等值電路圖，選取K1、K2兩個短路點分別進行計算。計算結果如表2所示。

表2 短路電流計算結果表

由經濟電流密度法選擇導線和電纜以及母線，高壓側選擇KYN28A-12型高壓開關柜，電流互感器采用兩相式接線，電壓互感器采用V-V型和Y0/Y0/Y0型，右側架空線引入，左側電纜引出。分別有進線柜、計量柜、互感器柜和2個出線柜。低壓側選擇GCS型成套開關柜，兩臺無功電容補償柜，由兩臺PGJ1-1型無功功率自動補償屏組成。通過額定電流、額定電壓、開斷電流和動穩定校驗查閱柜體手冊選擇斷路器、隔離開關等設備。

3.3 二次回路與繼電保護設計

本文對測量、保護、控制與信號回路的設計不在具體陳述。測量回路包括：計量測量與保護測量。控制回路包括：就地手動合分閘、防跳連鎖、試驗、互投連鎖、保護跳閘以及合分閘執行部分。信號回路包括開關運行狀態信號、事故跳閘信號與事故預告信號。

此次設計對10kV進線線路和降壓變壓器都采用微機保護裝置。微機保護在具備電流速斷、過電流及重合閘的基礎上，還應具備低壓（或復壓）閉鎖、時限速斷等功能，以適應線路及負荷變化對保護方式的不同要求。10kV線路保護設置為電流速斷、過電流、單相接地保護、低周減載以及三相一次重合閘構成，本設計采用MMP-1L系列微機型線路保護裝置，轉換精度高。整機設計緊湊可靠，采用大屏幕中文液晶顯示器，整定直觀簡便，無需代碼和換算系數，極大地方便了繼保運行人員的使用和維護。裝置主要用于由斷路器控制的35kV及以下線路保護，適用于發電廠、變配電站等場合。裝置體積小，重量輕，密封性好，抗干擾能力強，便于集中組屏組柜，也可直接裝于開關柜上。變壓器保護選擇MTPR-10H2微機型變壓器保護系統。變壓器保護設置有溫度保護、定時限過電流保護、電流速斷保護以及過負荷保護。同時，為了滿足備用電源微機自投的功能，選用MBZT-10H微機型備用裝置。

4 變電站防雷與接地

4.1 變電站防雷

本機械廠10kV及以下的線路上一般不裝設避雷線。為了提高線路本身的絕緣水平在架空線路上，可采用木橫擔、瓷橫擔或高一級的絕緣子，以提高線路的防雷水平，這是10kV及以下架空線路防雷的基本措施。線路上裝設自動重合閘對防雷保護也有作用。對變電站的防雷措施為：

（1）裝設避雷針或避雷器。變配電站及其屋外配電裝置，應裝設避雷針以防護直擊雷。

（2）高壓側裝設避雷器，這主要用來保護主變壓器，以免雷電沖擊波沿高壓線路侵入變電站，損壞了變電站的這一最關鍵的設備。為此要求避雷器應盡量靠近主變壓器安裝。

（3）低壓側裝設保護間隙本廠在0.4kV低壓架空線出線桿上，裝設保護間隙，或將其絕緣子的鐵腳接地，用以防護沿低壓架空線侵入的雷電波。

4.2 變電站接地

在電力系統中，為了保證人身安全和電氣設備的正常運行，必須設有接地裝置。電力系統中的接地根據其目的可分為保護接地、工作接地和防雷接地。目前國內10kV接地形式有：不接地、經消弧線圈接地、經小電阻接地。若采用D，Y（10/0.4）直接接地，只要發生了接地，要求是直接開斷線路。但是，基于工藝或人員，財物安全方面的考慮，有時不允許直接開斷（實際上，不開斷對人身安全是有威脅的，等電位是必須的），就采用了阻抗接地，阻抗接地設備有電流警報型與電壓警報型。告知現場，進入停機程序。本廠是由A站的110kV三相變壓器引入，根據上級變電站本廠對10kV變壓器采用中性點直接接地，10kV架空線經過塔桿和架空地線進行保護性接地。接地網作為變電站交直流設備接地及防雷保護接地，對系統的安全運行起著重要的作用。本廠配電接地方式采用TN-S系統。

5 綜合自動化與監控軟件設計

5.1 變電站綜合自動化

變電站綜合自動化系統是利用先進的計算機技術、現代電子技術、通信技術和信息處理技術等實現對變電站二次設備（包括繼電保護、控制、測量、信號、故障錄波、自動裝置及遠動裝置等）的功能進行重新組合、優化設計，對變電站全部設備的運行情況執行監視、測量、控制和協調的一種綜合性的自動化系統。本設計采用分層分布式結構按變電站的控制層次和對象設置全站控制級——變電站層（站級測控單元）和就地單元控制級——間隔層（間隔單元）的二層式分布控制系統結構。也可分為3層，即變電站層、通信層和間隔層。本文采用CSC 2000系列綜合自動化系統。

5.2 監控軟件設計

5.2.1 軟件概述

本文設計中采用組態王電力版進行系統數據運行模擬仿真。該系統在組態王通用版的基礎上為用戶提供了大量的電力專用控件、電力圖庫、電力通信規約驅動等，以實現電力客戶特有的數據庫顯示、負荷曲線、開關控制、漫游、縮放等需求，具有專業性強、自動化程度高、易使用、高性能、高可靠等特點。系統可廣泛適用于變電站管理系統、各級電力調度系統等電力自動化系統。組態王電力版可對變電站系統、供電系統、電力調度系統、電力負荷等實現遠距離測量、監視與操作。它可以隨時發現與處理事故，減少停電時間，各種遙測數據、合分閘操作，開關檢修及系統事故均可存盤保存，并可打印記錄，從而減輕了值班人員的勞動強度。通過遙測和遙控可以合理調配負荷，實現優化運行，有效節約電能，并有高峰與低谷用電記錄，從而為能源管理提供了必要條件。

它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點。通常可以把這樣的系統劃分為控制層、監控層、管理層3個層次結構。其中，監控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現對現場的實時監測與控制，且在自動控制系統中完成上傳下達、組態開發的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數據、動畫。通過對監控系統要求及實現功能的分析，采用組態王對監控系統進行設計。組態軟件也為試驗者提供了可視化監控畫面，有利于試驗者實時現場監控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構成監控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利地生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態方式、數據鏈接功能。

5.2.2 組態王的設計仿真

（1）使用組態王實現控制系統實驗仿真的基本方法：一是設計接線圖圖形界面，二是構造數據庫，三是建立動畫連接，四是對設計界面和數據進行運行和調試。

（2）使用組態王軟件開發設計的特點。

仿真實驗全部用軟件來實現，只需利用現有的計算機就可完成自動控制系統的仿真，從而大大減少購置儀器的經費。該系統是中文界面，具有人機界面友好、結果可視化的優點。對用戶而言，操作簡單易學且編程簡單，參數輸入與修改靈活，具有多次或重復仿真運行的控制能力，可以實時地顯示參數變化前后系統的特性曲線，能很直觀地顯示控制系統的實時趨勢曲線，這些很強的交互能力使其在自動控制系統的仿真設計中可以發揮理想的效果。

（3）在采用組態王開發系統仿真設計過程中要考慮以下3個方面：

1）圖形，是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業現場和相應的工控設備。

2）數據，就是創建一個具體的數據庫，并用此數據庫中的變量描述工控對象的各種屬性，比如電壓、負荷等。

3）連接，就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現場設備的運行，以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令。

本文設計中采用組態王電力版進行系統數據運行模擬仿真，實時顯示變電站綜合自動化系統的運行參數和運行趨勢圖，故障報警顯示，建立了實時和歷史數據庫，實現了SCADA功能。組態監控系統界面圖及相關運行仿真圖見圖2～圖4。

圖2 運行中監控系統仿真1

圖3 運行中監控系統仿真2遙測報警

圖4 運行中監控系統仿真3遙測棒圖

6 結束語

本次設計對機械廠10kV的變電站進行系統化的設計，包括一次系統設計、二次系統設計及其變電站綜合自動化的設計。本次設計的難點是綜合自動化部分，經過查找料研究學習，運用組態王6.5軟件進行監控軟件的設計及圖形界面的設計，若組態軟件點數足夠，可以模擬出變電站的綜合系統運行。本次設計不僅實現了常規變電站的要求，通過補償功率因數滿足0.9以上，而且采用備用電源和微機備自投，加上10kV線路微機保護、變壓器微機保護，選用變電站綜合自動化裝置，實現了實時顯示變電站和自動化系統的運行參數和運行趨勢圖，故障報警顯示，建立了實時和歷史數據庫，實現SCADA功能，最終達到了變電站安全及經濟運行、少人值班或者無人值班的要求。

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王啟洋（1985—），男，本科，助理工程師，主要研究方向：變電站設計規劃、電網輸變電運維。E-mail:wangqiyangg@163.com

張巖雨（1982—），男，本科，工程師，主要研究方向：電站運行管理。

The Design of the Plant Substation Simulation

WANG Qiyang1，ZHANG Yanyu2
（1.The Gansu Grovince Electric Power Company Equipment Company Qingyang Overhaul Division，Pingliang 744024,China；2.East China Tongbai Pumped Storage Power Generation Co. Ltd. General Department of Personnel，Tiantai 317200，China）

The design of mechanical plant 10KV substation for the systematic design，including a system design，the secondary substation automation system design and its design. A system based on distribution of plants with the load of calculation，10KV and 0.4KV are sub-wiring a single mother，on the load of reactive power compensation makes the reliability and economy to meet the requirements of substation automation. Secondary system as required for power line and the stand by power source for design，use of the line and transformer in the form of computer protection，rational use and integrated substation automation system configuration control procedures and interface design.

machinery plant substation；computer protection；selection；integrated automation；monitor and control system simulation