关于厂用变电站的设计仿真

王启洋，张岩雨

（1.甘肃电力公司检修公司庆阳检修分部，甘肃省平凉市 744024；2.华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司人事综合部，浙江省天台县 317200）

关于厂用变电站的设计仿真

王启洋1，张岩雨2

（1.甘肃电力公司检修公司庆阳检修分部，甘肃省平凉市 744024；2.华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司人事综合部，浙江省天台县 317200）

本次设计为对机械厂10kV的变电站进行系统化设计，包括一次系统设计、二次系统设计及其变电站综合自动化的设计。一次系统根据厂用负荷进行分配计算，10kV和0.4kV都采用单母分段接线方式，对负荷进行了无功功率补偿，使得可靠性和经济性满足变电站综合自动化要求。二次系统根据要求对电源进线和备用电源自投进行设计，对进线和变压器采用微机保护的形式，选用合理的变电站综合自动化系统，并对监控程序和界面进行组态设计仿真。

机械厂变电站；微机保护；选型；综合自动化；监控系统仿真

0 引言

本次设计为某机械厂10kV/0.4kV的降压变电站综合自动化。国民经济不断发展，对电力能源需求也不断增大，现在已经大多采用了变电站综合自动化。通过电力监控综合自动化系统，可以使变电站内值班人员或调度中心的人员及时掌握变电站的运行情况，直接对设备进行操作，及时了解故障情况，并迅速进行处理，达到供电系统的管理科学化、规范化，并且还可以做到与其他自动化系统互换数据，充分发挥整体优势，进行全系统的信息综合管理。

1 厂用负荷分配与计算

1.1 负荷分配

工厂进行电力设计的基本原始资料是工艺部门提供的用电设备安装容量。这些用电设备品种多，数量大，工作情况复杂。如何根据这些资料正确估计工厂所需的电力和电量是一个非常重要的问题。估算的准确程度，影响工厂电力设计的质量，如估算过高，将增加供电设备的容量，使工厂电网复杂，浪费有色金属，增加初投资和运行管理工作量。但如估算过低，又会使工厂投入生产后，供电系统的线路及电气设备由于承担不了实际负荷电流而过热，加速其绝缘老化的速度，降低使用寿命，增大电能折耗，影响供电系统的正常可靠运行。计算负荷是根据以知的工厂的用电设备安装容量确定的、预期不变的最大假象负荷。这个负荷是设计时作为选择工厂电力系统供电线路的导线截面、变压器容量、开关电气及互感器等的额定参数的依据，所以负荷计算十分重要。

根据供电要求对负荷进行分配，厂用负荷情况见表1。

表1 厂用负荷情况表

10kV母线上共有出线回路4回，进线柜两台，其中序号1和序号2负荷由10kV引出，其他为低压0.4kV负荷。

0.4kV负荷分配：

1号出线：负荷序号3、4、5、6、10。

总负荷：Pe=600+220+160+60+20=1060（kW）

2号出线：负荷序号7、8、9、11、12、13。

总负荷：Pe=32+210+500+246+10+60=1058（kW）

1.2 负荷计算

负荷计算的公式(采用需要系数法)计算有功负荷时乘以需要系数，当多组用电设备计算负荷时乘以同时系数。

（1）1号出线。

取同时系数：

（2）2号出线。

取同时系数：

（3）3号出线。

取同时系数：

（4）4号出线。

取同时系数：

2 变压器选择和无功补偿

2.1 变压器选择

根据前面计算出来的负荷继续取同时系数可计算出变压器出线容量（过程略），则：

所以对1号出线负荷容量：

对2号出线负荷容量：

则：

带0.4kV负荷要选择两台变压器，单台变压器的容量要撑到总负荷的60%～70%。则有：

根据变压器型号标准所以选择两台额定容量为1600kVA的变压器。查找手册选择型号为SCL-1600/10 三相空气自冷干式变压器，变压器参数为高压10kV、低压0.4kV。

2.2 无功补偿

工厂中普遍采用并联电容器来补偿供电系统中的无功功率。常采用高压集中补偿，低压集中补偿，低压分散补偿3种方式。本设计采用0.4kV侧低压集中补偿。其中：

进行时，考虑到变压器损耗设低压侧补偿后的功率因素为0.92来计算，需补偿的容量为420.7kvar。

查表选取电容器柜型号为PGJ1-1，实际补偿容量QCC=450kvar。

补偿后计算负荷及功率因数为：

变电站高压侧总的计算负荷为：

补偿后变电站高压侧的功率因数为0.901，满足要求。

电容器的选择：由以上计算本设计选用10台型号为CLMD53/45KVAR 的并联电容器。

3 主接线与设备选择

3.1 变配电站的主接线

变配电站的主接线根据变配电站在供电系统中的地位、进出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并应满足可靠性、灵活性和经济性的基本要求。本厂的电源进线电压是10kV，电能先经过高压配电站集中，再由高压配电线路将电能分送给各车间变电站。车间变电站内装设有电力变压器，将10kV的高压降低成一般用电设备所需的电压220/380V。然后由低压配电线路将电能分送给各用电设备使用（其中0.4kV负荷用两台变压器）。而1号、2号抽油杆热处理机组和抽油杆模锻自动线等高压用电设备，则由高压配电站10kV线路直接配电。所以本厂10kV和0.4kV均采用单母线分段接线，高压母线加装微机备用电源互投装置。而且对二级等级以上的负荷都采用备用供电，本厂对抽油杆热处理机和锻模自动线大容量设备加装了备用线路。主接线仿真图如图1所示。

图1 仿真监控系统主接线图

3.2 设备的选择

为了减轻短路的严重后果和防止故障扩大，需要计算出短路电流，以便正确地选择和校验各种电气设备、计算和整定保护短路的继电保护装置及选择限制短路电流的电气设备。本文先选择3km架空线路计算线路阻抗和A站变压器阻抗，画最大运行方式和最小运行方式的等值电路图，选取K1、K2两个短路点分别进行计算。计算结果如表2所示。

表2 短路电流计算结果表

由经济电流密度法选择导线和电缆以及母线，高压侧选择KYN28A-12型高压开关柜，电流互感器采用两相式接线，电压互感器采用V-V型和Y0/Y0/Y0型，右侧架空线引入，左侧电缆引出。分别有进线柜、计量柜、互感器柜和2个出线柜。低压侧选择GCS型成套开关柜，两台无功电容补偿柜，由两台PGJ1-1型无功功率自动补偿屏组成。通过额定电流、额定电压、开断电流和动稳定校验查阅柜体手册选择断路器、隔离开关等设备。

3.3 二次回路与继电保护设计

本文对测量、保护、控制与信号回路的设计不在具体陈述。测量回路包括：计量测量与保护测量。控制回路包括：就地手动合分闸、防跳连锁、试验、互投连锁、保护跳闸以及合分闸执行部分。信号回路包括开关运行状态信号、事故跳闸信号与事故预告信号。

此次设计对10kV进线线路和降压变压器都采用微机保护装置。微机保护在具备电流速断、过电流及重合闸的基础上，还应具备低压（或复压）闭锁、时限速断等功能，以适应线路及负荷变化对保护方式的不同要求。10kV线路保护设置为电流速断、过电流、单相接地保护、低周减载以及三相一次重合闸构成，本设计采用MMP-1L系列微机型线路保护装置，转换精度高。整机设计紧凑可靠，采用大屏幕中文液晶显示器，整定直观简便，无需代码和换算系数，极大地方便了继保运行人员的使用和维护。装置主要用于由断路器控制的35kV及以下线路保护，适用于发电厂、变配电站等场合。装置体积小，重量轻，密封性好，抗干扰能力强，便于集中组屏组柜，也可直接装于开关柜上。变压器保护选择MTPR-10H2微机型变压器保护系统。变压器保护设置有温度保护、定时限过电流保护、电流速断保护以及过负荷保护。同时，为了满足备用电源微机自投的功能，选用MBZT-10H微机型备用装置。

4 变电站防雷与接地

4.1 变电站防雷

本机械厂10kV及以下的线路上一般不装设避雷线。为了提高线路本身的绝缘水平在架空线路上，可采用木横担、瓷横担或高一级的绝缘子，以提高线路的防雷水平，这是10kV及以下架空线路防雷的基本措施。线路上装设自动重合闸对防雷保护也有作用。对变电站的防雷措施为：

（1）装设避雷针或避雷器。变配电站及其屋外配电装置，应装设避雷针以防护直击雷。

（2）高压侧装设避雷器，这主要用来保护主变压器，以免雷电冲击波沿高压线路侵入变电站，损坏了变电站的这一最关键的设备。为此要求避雷器应尽量靠近主变压器安装。

（3）低压侧装设保护间隙本厂在0.4kV低压架空线出线杆上，装设保护间隙，或将其绝缘子的铁脚接地，用以防护沿低压架空线侵入的雷电波。

4.2 变电站接地

在电力系统中，为了保证人身安全和电气设备的正常运行，必须设有接地装置。电力系统中的接地根据其目的可分为保护接地、工作接地和防雷接地。目前国内10kV接地形式有：不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地。若采用D，Y（10/0.4）直接接地，只要发生了接地，要求是直接开断线路。但是，基于工艺或人员，财物安全方面的考虑，有时不允许直接开断（实际上，不开断对人身安全是有威胁的，等电位是必须的），就采用了阻抗接地，阻抗接地设备有电流警报型与电压警报型。告知现场，进入停机程序。本厂是由A站的110kV三相变压器引入，根据上级变电站本厂对10kV变压器采用中性点直接接地，10kV架空线经过塔杆和架空地线进行保护性接地。接地网作为变电站交直流设备接地及防雷保护接地，对系统的安全运行起着重要的作用。本厂配电接地方式采用TN-S系统。

5 综合自动化与监控软件设计

5.1 变电站综合自动化

变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备（包括继电保护、控制、测量、信号、故障录波、自动装置及远动装置等）的功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。本设计采用分层分布式结构按变电站的控制层次和对象设置全站控制级——变电站层（站级测控单元）和就地单元控制级——间隔层（间隔单元）的二层式分布控制系统结构。也可分为3层，即变电站层、通信层和间隔层。本文采用CSC 2000系列综合自动化系统。

5.2 监控软件设计

5.2.1 软件概述

本文设计中采用组态王电力版进行系统数据运行模拟仿真。该系统在组态王通用版的基础上为用户提供了大量的电力专用控件、电力图库、电力通信规约驱动等，以实现电力客户特有的数据库显示、负荷曲线、开关控制、漫游、缩放等需求，具有专业性强、自动化程度高、易使用、高性能、高可靠等特点。系统可广泛适用于变电站管理系统、各级电力调度系统等电力自动化系统。组态王电力版可对变电站系统、供电系统、电力调度系统、电力负荷等实现远距离测量、监视与操作。它可以随时发现与处理事故，减少停电时间，各种遥测数据、合分闸操作，开关检修及系统事故均可存盘保存，并可打印记录，从而减轻了值班人员的劳动强度。通过遥测和遥控可以合理调配负荷，实现优化运行，有效节约电能，并有高峰与低谷用电记录，从而为能源管理提供了必要条件。

它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层3个层次结构。其中，监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利地生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

5.2.2 组态王的设计仿真

（1）使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：一是设计接线图图形界面，二是构造数据库，三是建立动画连接，四是对设计界面和数据进行运行和调试。

（2）使用组态王软件开发设计的特点。

仿真实验全部用软件来实现，只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统的仿真，从而大大减少购置仪器的经费。该系统是中文界面，具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言，操作简单易学且编程简单，参数输入与修改灵活，具有多次或重复仿真运行的控制能力，可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线，能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线，这些很强的交互能力使其在自动控制系统的仿真设计中可以发挥理想的效果。

（3）在采用组态王开发系统仿真设计过程中要考虑以下3个方面：

1）图形，是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。

2）数据，就是创建一个具体的数据库，并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性，比如电压、负荷等。

3）连接，就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。

本文设计中采用组态王电力版进行系统数据运行模拟仿真，实时显示变电站综合自动化系统的运行参数和运行趋势图，故障报警显示，建立了实时和历史数据库，实现了SCADA功能。组态监控系统界面图及相关运行仿真图见图2～图4。

图2 运行中监控系统仿真1

图3 运行中监控系统仿真2遥测报警

图4 运行中监控系统仿真3遥测棒图

6 结束语

本次设计对机械厂10kV的变电站进行系统化的设计，包括一次系统设计、二次系统设计及其变电站综合自动化的设计。本次设计的难点是综合自动化部分，经过查找料研究学习，运用组态王6.5软件进行监控软件的设计及图形界面的设计，若组态软件点数足够，可以模拟出变电站的综合系统运行。本次设计不仅实现了常规变电站的要求，通过补偿功率因数满足0.9以上，而且采用备用电源和微机备自投，加上10kV线路微机保护、变压器微机保护，选用变电站综合自动化装置，实现了实时显示变电站和自动化系统的运行参数和运行趋势图，故障报警显示，建立了实时和历史数据库，实现SCADA功能，最终达到了变电站安全及经济运行、少人值班或者无人值班的要求。

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王启洋（1985—），男，本科，助理工程师，主要研究方向：变电站设计规划、电网输变电运维。E-mail:wangqiyangg@163.com

张岩雨（1982—），男，本科，工程师，主要研究方向：电站运行管理。

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