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安科瑞王丹丹acrel2021
摘要：35kV變電站綜合自動化系統的設計，主要遵循電網調度自動化的整體需要，其配置、功能要滿足電網安全、經濟、信息分層傳輸、資源共享等要求。本文以35kV及以下變電站自動化系統的設計為指導思想，對設計工作進行相關討論。
關鍵詞：變電所；配電網；綜合自動化；電氣主接線；互感器
0引言
化工廠內35kV及以下區域變電所的建設是工廠內非常關鍵的項目，在建設過程中，由于技術要求高、投入資金大、電力設施較多等因素，對變電所工作人員的各項能力有較高的要求。因此，管理部門要提高變電站的運行和管理水平，使其達到自動化，從而提高變電站運行的可靠性和經濟效益。
在此背景下，新型微型二次裝置的使用及對傳統分立裝置的替代，使保護、控制、監控、遠動等多種功能得以加強，實現了設備和信息的共享，使變電站設計布局更趨于簡潔、緊湊，運行也更加安全、可靠。變電所集成控制系統采用現代計算機技術和通信技術，改造原有的二次設備結構，對系統結構進行大幅簡化，不僅實現了數據共享，而且其布線結構更加簡便、二次設備占用空間更少，使得35kV以下變電站呈現全新的面貌[1]。
1電氣主接線的方案解析
主接線應該以工作可靠、簡潔明了、易于使用為原則，并且具有發展空間。設計方案為35kV接線兩回為主的變壓器進線和內橋線路，10kV母線采用母線分段配線，10kV出線25條線路，其中2條電容補償線路，10kV線路全部為高壓真空斷路器。變壓器的中性點接地方式是35kV側無接地，10kV側的中性點經消弧線圈接地，10kV側均為電纜出線。因此，在10kV側均為電纜，故而采用消弧線圈進行補償。由于10kV主變側無中性點，故采用了變電站與消弧線圈共用的接地變壓器，并可以調整各消弧線圈的容量。本方案以300MVA的短路能力為基礎，對短路電流進行了分析，確定了裝置的選型。
主變壓器選用有效節能、低損耗、有載調壓變壓器（S11-35型），容量按供電地區的實際負載及計劃負載而定，變壓器容量為20MVA。35kV裝置采用全封閉的復合絕緣金屬鎧裝式開關柜，箱體內部裝有高壓真空開關，主變壓器是三相雙繞組自冷卻風機有載調壓變壓器S11-20000/35，其阻抗電壓Uk%=8.35±3×2.5%/10.5kV。10kV裝置采用金屬鎧裝移動開關柜，箱體內部裝有高電壓的真空開關。從測量準確度的角度來看，變壓器的測量精度都達到了0.2s級。10kV分段母線配有一套并聯電容器和一套消弧線圈設備。
在大樓樓頂安裝接閃網，以防止直接雷擊。在35kV、10kV母線、電容器、10kV出線等處，采用具有優良防護性能的金屬氧化鋅避雷器。35kV區域變電所的調度和管理工作，應當將遙測、遙信、遙控等信息發送到上級220kV變電站。將公用的測控設備，集中于電力監控室內。電力供應采用SBH15-M-630/10變電站的10kV變壓器，并將其與10kV的母線相連接。整個變電所里都安裝了工作燈和意外燈，在斷電情況下，應急照明電路可自動轉換到EPS供電系統。
2 35kV變配電所主接線方案
通過對各種有關數據的分析，發現采用低損失的節電變壓器是減少電力損耗的有效途徑。當電壓偏差達不到規定值時，35kV降壓變電站應優先選用有載調壓變壓器。35kV變電站的主接線通常為單母線、單母線分段、雙母線接線、單元接線、內橋、外橋，具體的實現要結合實際情況來確定[2]。35kV變電站的主接線，需要依據變電站在電網中的地位、進線和出線回路數量、設備特點和負載特性來決定。同時還需要滿足供電可靠、操作靈活、操作維修方便、節約投資以及方便擴建的需要。
變電站的主要線路應滿足安全可靠、靈活、經濟的基本需求。其中，安全包含了設備和人員的安全。可靠度應符合一級負荷和二級負荷對供電可靠性的要求。靈活運用小的開關，可適應多種工況，維修時使用方便，并可以適應負載發展，方便擴展，盡可能簡化接線，減少投資，減少占地，降低運行費用。35kV變電站一般有兩種類型，一種是戶內式，另一種是室外式。戶內式操作簡單，維修簡單，占用空間少。而室外式的建筑成本較低，能安裝報警裝置，散熱狀況良好。由此可見，戶內式的優勢和室外式的優勢相輔相成，因為廠房占地面積有限，所以采用了戶內布局，即35kV和10kV配電裝置，主變壓器采用戶內安裝。
3供電可靠性分析
電力供應的可靠性是指不中斷的電力供應。電力供應中斷不但會對化工廠生產造成一定的影響，還會對設備形成損害，嚴重時會導致人員傷亡、發生爆炸，造成嚴重的負面影響。比如，電力供應中斷對主要生產設備的運行造成影響，嚴重時會導致關鍵工序的連續性，造成重大的經濟損失，即便是恢復了電力供應，也需要很長一段時間。為了保證供電的可靠性，對這些關鍵的用電設備，需要采用雙回路的供電模式。保證供電質量，保證電壓波動的技術指標。
交流電的頻率直接影響到交流電機的工作性能，而頻率的變化則會對其速度產生一定的影響。《電能質量電力系統頻率偏差》中，對50Hz額定頻率的交流電要求標準是其頻率與標稱值的偏差不允許超出±0.2~±0.5Hz，也就是±0.4%~±1%[3]。電壓限制是衡量電網質量的另一個重要指標。電壓偏差是指電氣裝置的實際電壓與運行中的額定電壓之間的差異。耗電設備對電壓偏差有一定的適應性，但當電壓偏差增大時，會影響電氣設備的性能，甚至會導致設備故障。例如，白熾燈在超過其額定電壓5%的情況下運行，則會減去一半的使用壽命。因此，國內對電氣設備的電壓偏差有明確的規定。如電機的電壓偏差不得超過額定電壓的±5％，燈泡的電壓偏差不得超過額定值的-3％和-2.5％。
4變電站系統數據鏈路整體設計分析
4.1綜合自動化系統結構
變電站綜合自動化系統采用分層分布式結構，分層分布式監控系統實現了信息資源共享，充分發揮和利用了計算機系統整體資源和效率，是目前監控系統的主流方式。該系統包括一個隔離層和一個站控層，該隔離層與站控層之間采用雙以太網相互連接。符合IEC61850標準。隔離裝置包括：I/0測控裝置、繼電保護裝置、多功能電表、低壓電動機保護器等智能化設備。通過通信管理器和以太網交換器將所有的智能裝置連接到站控層，所有的智能設備支持Modbus通信規約。在間隔層分別設置若干臺通信管理機，該通信管理機應采用嵌入式應用的工業通信計算機，所有的串口設備通過通信管理機（通信協議采用Modbus）和以太網交換機接入站控層，所有的以太網設備通過以太網接口與本地交換機連接后接入站控層，所有的通信接口具有隔離保護功能。
站控層設備主要實現對各類監控圖像、圖形曲線的調用、控制指令的發布、各類報告、操作票、數據庫的產生、管理、打印事故報警、控制間隔層設備的打印、監控、管理、控制間隔層等，構成全站監控、管理中心、與遠程監控中心通信。站控層主要包括監控主站、工程師站、綜合應用服務器、數據庫服務器、保護管理工作站、OPC服務器、通信服務器、打印機、等設備組成。監控主站采用雙機熱備模式，正常情況下由監控主站完成整個變電所監控功能，備用主站處于熱備用狀態。當監控主站一旦出現故障，備用主機立即提升為監控主站，完成監控主站的一切功能，當監控主站恢復正常后，備用主機又將監控權交給監控主站，備用主站繼續處于熱備用狀態，雙機切換無擾動。
4.2控制系統數據流
控制系統按需要分為多層結構，分別為底層的設備層、間隔層、站控層。各層次內部及層次之間采用高速網絡通信，通信媒介為網絡線或光纖。
平臺軟件按作業區、采油區、計量站的管理方式設計，與實際的管理方式吻合。同時還考慮到該系統是一個平臺，各個頁面采取數據庫管理的方式進行管理，非常適應第三方軟件的嵌入等擴展性。
4.3子系統相關說明
4.3.1監控功能
數據的收集與處理：從生產工藝中獲取模擬量、數字量、溫度測量等，其中包括CT、PT、配電設備保護、直流系統、電力系統等。報警處理分為事故報警和預先報警兩類。打印和記錄由電腦站控制系統根據規定的格式，將所需的各項資料，通過打印機向打印紙張輸出。統計計算是統計、分析和計算實時數據。
系統狀態監視是對斷路器位置，隔離開關位置等開關量信號監視，同時還能對裝置本身的自檢、斷路器事故跳閘、母線接地、各種保護動作信號進行監視。操作員工作站能對各回路主要電力參數、通信狀態、故障、保護動作狀態，以數字、文字、圖形、表格、曲線等形式的動態顯示。監控每一環，監控期間的運行參數的變化和狀態都會在顯示屏上顯示。
當通信出現故障時，可將通信中斷時的數據全部自動或喚醒，并在數據出現異常時進行提示，以確保數據的連續、完整、準確。還可以監測多種供電系統參數，除了可以監測電壓、電流、頻率等常規電力參數外，還可以測有功、無功、MD等，諧波分量顯示等，使各回路處在綜自系統的監視之下[4]。
數據庫維護是工程師可以通過互動的方法，在線對數據庫中的數據項目進行修改、添加和刪除。圖形接口是將顯示在顯示屏上的各類信息以報告、圖形、聲光等不同方式向操作人員實時顯示。時鐘同步由變電所控制的電腦監視系統，從導航系統發送的定時信號，并對每一臺有時鐘的設備，如隔離層和站級電腦，進行同步，以確保各部分的時鐘同步率，滿足要求。維護職能是由變電站的管理人員在工作站上進行管理、維護、擴充等工作。事故記錄是保護動作信息，斷路器/斷路器狀態的改變，保護功能的輸入/退出，本地/遠程切換，連鎖控制命令，自動報警等。
電能管理是能按日/自然月/自然年自動地計算各裝置的用電量。通過數據對比，計算出各裝置的能效，方便用戶添加/減少用電回路。操作票能按工作票自動生成操作票，并具有操作模擬功能，驗證操作正確性。仿真培訓是運用文字解說、圖像、視頻、視頻、二維動畫、虛擬仿真等多種形式，以圖文并茂、視聽結合、虛擬互動等多種形式進行創作。
4.3.2管理功能
設備管理：建立統一的動態設備臺賬，關注所有設備的歷史運行狀態、制定檢修維護計劃、檢修歷史、缺陷信息、更換歷史、維護歷史、備件情況等數據，通過設備出入庫流程、設備安裝卸載流程、設備維修維護更換流程對設備臺賬進行動態更新，保證設備臺賬與現場設備的實際情況相符，為設備的全生命周期管理提供支撐。
5.1概述
基于互聯網＋、大數據、移動通訊等技術開發的云端管理平臺，滿足用戶或運維公司監測眾多變電所回路運行狀態和參數、室內環境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現場設備或環境場景等需求，實現數據一個中心，集中存儲、統一管理，方便使用，支持具有權限的用戶通過電腦、手機、PAD等各類終端鏈接訪問、接收警報，并完成有關設備日常和定期巡檢和派單等管理工作。
5.2應用場所
適用于電信、金融、交通、能源、醫療衛生、文體、教育科研、農林水利、商業服務、公用事業等行業變配電運行維護系統的新建、擴建和改建。
5.3系統結構
系統可分為四層：即感知層、傳輸層、應用層和展示層。
感知層：包含變電所安裝的多功能儀表、溫濕度監測裝置、攝像頭、開關量采集裝置等。除攝像頭外，其它設備通過RS485總線接入現場智能網關RS485端口。
傳輸層：包含現場智能網關和交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過交換機把數據上傳至服務器端口，網絡故障時數據可存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。
應用層：包含應用服務器和數據庫服務器，若變電所數量小于30個則應用服務器和數據庫服務器可以合一配置。服務器需要具備固定IP地址，以接收各智能網關主動傳送過來的數據。
展示層：用戶通過手機、平板、電腦等多終端的方式訪問平臺信息。
5.4系統功能
用能月報支持用戶按總用電量、變電站名稱、變電站編號等查詢所管理站所的用電量，查詢跨度可設置為月。
5.4.2站點監測
站點監測包括概況、運行狀態、當日事件記錄、當日逐時用電曲線、用電概況。
變壓器狀態支持用戶查詢所有或某個站所的變壓器功率、負荷率、等運行狀態數據，支持按負荷率、功率等升、降序排名。
運維展示當前用戶管理的有關變電所在地圖上位置及總量信息。
配電圖展示被選中的變電所的配電信息，配電圖顯示各回路的開關狀態、電流等運行狀態及信息，支持電壓、電流、功率等詳細運行參數查詢。
5.4.6監控
監控展示了當前實時畫面（直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內信息。
電力運行報表顯示選定站所選定設備各回路采集間隔運行參數和電能抄表的實時值及平均值行統計。
對平臺所有警報信息進行分析。
任務管理頁面可以發布巡檢或消缺任務，查看巡檢或消缺任務的狀態和完成情況，可以點擊查看任務查看具體的巡檢信息。
用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、警報事件等進行統計分析，并列出在該周期內巡檢時發現的各類缺陷及處理情況。
5.4.11APP監測
6結語
化工廠區35kV變電所綜合自動化控制系統，解決了傳統保護裝置無法與外部通信的不足，將控制、保護、數據采集、監控、數據傳輸等多個主要模塊整合在一起，實現了數據的共享。該系統包括保護裝置、數據采集裝置、事件和故障錄波裝置、控制操作閉鎖裝置、同步裝置、通信裝置、數據處理及記錄裝置和自診斷裝置等。
近幾年，越來越多的化工廠區35kV變電所采用了計算機集成自動化，并且陸續投入運行，這也充分體現了化工廠區35kV變電所自動化技術的日趨成熟和的優勢，達到減人增效、降低工程造價的目的，以保障變電站可靠運行和提高經濟效益。
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