化工廠內(nèi)35kV及以下變電所綜合自動化

中藍連海設(shè)計研究院有限公司 朱中原

1 引言

化工廠內(nèi)35kV 及以下區(qū)域變電所的建設(shè)是工廠內(nèi)非常關(guān)鍵的項目，在建設(shè)過程中，由于技術(shù)要求高、投入資金大、電力設(shè)施較多等因素，對變電所工作人員的各項能力有極高的要求。因此，管理部門要提高變電站的運行和管理水平，使其全面達到自動化，從而提高變電站運行的可靠性和經(jīng)濟效益。

在此背景下，新型微型二次裝置的使用及對傳統(tǒng)分立裝置的替代，使保護、控制、監(jiān)控、遠動等多種功能得以加強，實現(xiàn)了設(shè)備和信息的共享，使變電站設(shè)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(tǒng)采用現(xiàn)代計算機技術(shù)和通信技術(shù)，改造原有的二次設(shè)備結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行大幅簡化，不僅實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，而且其布線結(jié)構(gòu)更加簡便、二次設(shè)備占用空間更少，使得35kV以下變電站呈現(xiàn)全新的面貌[1]。

2 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(fā)展空間。設(shè)計方案為35kV 接線兩回為主的變壓器進線和內(nèi)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(cè)無接地，10kV側(cè)的中性點經(jīng)消弧線圈接地，10kV 側(cè)均為電纜出線。因此，在10kV 側(cè)均為電纜，故而采用消弧線圈進行補償。由于10kV 主變側(cè)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(diào)整各消弧線圈的容量。本方案以300MVA的短路能力為基礎(chǔ)，對短路電流進行了分析，確定了裝置的選型。

主變壓器選用高效節(jié)能、低損耗、有載調(diào)壓變壓器（S11-35 型），容量按供電地區(qū)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(guān)柜，箱體內(nèi)部裝有高壓真空開關(guān)，主變壓器是三相雙繞組自冷卻風機有載調(diào)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(guān)柜，箱體內(nèi)部裝有高電壓的真空開關(guān)。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(lián)電容器和一套消弧線圈設(shè)備。

在大樓樓頂安裝接閃網(wǎng)，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(yōu)良防護性能的金屬氧化鋅避雷器。35kV區(qū)域變電所的調(diào)度和管理工作，應當將遙測、遙信、遙控等信息發(fā)送到上級220kV變電站。將公用的測控設(shè)備，集中于電力監(jiān)控室內(nèi)。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(zhuǎn)換到EPS供電系統(tǒng)。

3 35kV變配電所主接線方案

通過對各種有關(guān)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)采用低損失的節(jié)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(guī)定值時，35kV降壓變電站應優(yōu)先選用有載調(diào)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(nèi)橋、外橋，具體的實現(xiàn)要結(jié)合實際情況來確定[2]。35kV變電站的主接線，需要依據(jù)變電站在電網(wǎng)中的地位、進線和出線回路數(shù)量、設(shè)備特點和負載特性來決定。同時還必須滿足供電可靠、操作靈活、操作維修方便、節(jié)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(jīng)濟的基本需求。其中，安全包含了設(shè)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。靈活運用最小的開關(guān)，可適應多種工況，維修時使用方便，并可以適應負載發(fā)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(nèi)式，另一種是室外式。戶內(nèi)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(nèi)式的優(yōu)勢和室外式的優(yōu)勢相輔相成，因為廠房占地面積有限，所以采用了戶內(nèi)布局，即35kV 和10kV 配電裝置，主變壓器采用戶內(nèi)安裝。

4 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(chǎn)造成一定的影響，還會對設(shè)備形成損害，嚴重時會導致人員傷亡、發(fā)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(chǎn)設(shè)備的運行造成影響，嚴重時會導致關(guān)鍵工序的連續(xù)性，造成重大的經(jīng)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(guān)鍵的用電設(shè)備，必須采用雙回路的供電模式。保證供電質(zhì)量，保證電壓波動的技術(shù)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(chǎn)生一定的影響。《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)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(wǎng)質(zhì)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(shè)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(shè)備的性能，甚至會導致設(shè)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(nèi)對電氣設(shè)備的電壓偏差有明確的規(guī)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%。

5 變電站系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路整體設(shè)計分析

5.1 綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變電站綜合自動化系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了信息資源共享，充分發(fā)揮和利用了計算機系統(tǒng)整體資源和效率，是目前監(jiān)控系統(tǒng)的主流方式。該系統(tǒng)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(wǎng)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(shè)備。通過通信管理器和以太網(wǎng)交換器將所有的智能裝置連接到站控層，所有的智能設(shè)備支持Modbus 通信規(guī)約。在間隔層分別設(shè)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(yè)通信計算機，所有的串口設(shè)備通過通信管理機（通信協(xié)議采用Modbus）和以太網(wǎng)交換機接入站控層，所有的以太網(wǎng)設(shè)備通過以太網(wǎng)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(shè)備主要實現(xiàn)對各類監(jiān)控圖像、圖形曲線的調(diào)用、控制指令的發(fā)布、各類報告、操作票、數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)生、管理、打印事故報警、控制間隔層設(shè)備的打印、監(jiān)控、管理、控制間隔層等，構(gòu)成全站監(jiān)控、管理中心、與遠程監(jiān)控中心通信。站控層主要包括監(jiān)控主站、工程師站、綜合應用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、保護管理工作站、OPC服務(wù)器、通信服務(wù)器、打印機、GPS 等設(shè)備組成。監(jiān)控主站采用雙機熱備模式，正常情況下由監(jiān)控主站完成整個變電所監(jiān)控功能，備用主站處于熱備用狀態(tài)。當監(jiān)控主站一旦出現(xiàn)故障，備用主機立即提升為監(jiān)控主站，完成監(jiān)控主站的一切功能，當監(jiān)控主站恢復正常后，備用主機又將監(jiān)控權(quán)交給監(jiān)控主站，備用主站繼續(xù)處于熱備用狀態(tài)，雙機切換無擾動。

5.2 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

控制系統(tǒng)按需要分為多層結(jié)構(gòu)，分別為底層的設(shè)備層、間隔層、站控層。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信，通信媒介為網(wǎng)絡(luò)線或光纖。

平臺軟件按作業(yè)區(qū)、采油區(qū)、計量站的管理方式設(shè)計，完全與實際的管理方式吻合。同時還考慮到該系統(tǒng)是一個平臺，各個頁面采取數(shù)據(jù)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。

5.3 子系統(tǒng)相關(guān)說明

5.3.1 監(jiān)控功能

數(shù)據(jù)的收集與處理：從生產(chǎn)工藝中獲取模擬量、數(shù)字量、溫度測量等，其中包括CT、PT、配電設(shè)備保護、直流系統(tǒng)、電力系統(tǒng)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(tǒng)根據(jù)規(guī)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(tǒng)計計算是統(tǒng)計、分析和計算實時數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視是對斷路器位置，隔離開關(guān)位置等開關(guān)量信號監(jiān)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(jiān)視。操作員工作站能對各回路主要電力參數(shù)、通信狀態(tài)、故障、保護動作狀態(tài)，以數(shù)字、文字、圖形、表格、曲線等形式的動態(tài)顯示。監(jiān)控每一環(huán)，監(jiān)控期間的運行參數(shù)的變化和狀態(tài)都會在顯示屏上顯示。

當通信出現(xiàn)故障時，可將通信中斷時的數(shù)據(jù)全部自動或喚醒，并在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時進行提示，以確保數(shù)據(jù)的連續(xù)、完整、準確。還可以監(jiān)測多種供電系統(tǒng)參數(shù)，除了可以監(jiān)測電壓、電流、頻率等常規(guī)電力參數(shù)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(tǒng)的全面監(jiān)視之下[4]。

數(shù)據(jù)庫維護是工程師可以通過互動的方法，在線對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)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(jiān)視系統(tǒng)，從GPS 導航系統(tǒng)發(fā)送的定時信號，并對每一臺有時鐘的設(shè)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(tài)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(shù)據(jù)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(jié)合、虛擬互動等多種形式進行創(chuàng)作。

5.3.2 管理功能

設(shè)備管理：建立統(tǒng)一的動態(tài)設(shè)備臺賬，關(guān)注所有設(shè)備的歷史運行狀態(tài)、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(shù)據(jù)，通過設(shè)備出入庫流程、設(shè)備安裝卸載流程、設(shè)備維修維護更換流程對設(shè)備臺賬進行動態(tài)更新，保證設(shè)備臺賬與現(xiàn)場設(shè)備的實際情況相符，為設(shè)備的全生命周期管理提供支撐。

6 結(jié)語

化工廠區(qū)35kV 變電所綜合自動化控制系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)保護裝置無法與外部通信的不足，將控制、保護、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄠€主要模塊整合在一起，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享。該系統(tǒng)包括保護裝置、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(qū)35kV 變電所采用了計算機集成自動化，并且陸續(xù)投入運行，這也充分體現(xiàn)了化工廠區(qū)35kV 變電所自動化技術(shù)的日趨成熟和無可比擬的優(yōu)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(jīng)濟效益。