化工厂内35kV及以下变电所综合自动化

中蓝连海设计研究院有限公司 朱中原

1 引言

化工厂内35kV 及以下区域变电所的建设是工厂内非常关键的项目，在建设过程中，由于技术要求高、投入资金大、电力设施较多等因素，对变电所工作人员的各项能力有极高的要求。因此，管理部门要提高变电站的运行和管理水平，使其全面达到自动化，从而提高变电站运行的可靠性和经济效益。

在此背景下，新型微型二次装置的使用及对传统分立装置的替代，使保护、控制、监控、远动等多种功能得以加强，实现了设备和信息的共享，使变电站设计布局更趋于简洁、紧凑，运行也更加安全、可靠。变电所集成控制系统采用现代计算机技术和通信技术，改造原有的二次设备结构，对系统结构进行大幅简化，不仅实现了数据共享，而且其布线结构更加简便、二次设备占用空间更少，使得35kV以下变电站呈现全新的面貌[1]。

2 电气主接线的方案解析

主接线应该以工作可靠、简洁明了、易于使用为原则，并且具有发展空间。设计方案为35kV 接线两回为主的变压器进线和内桥线路，10kV母线采用母线分段配线，10kV 出线25 条线路，其中2 条电容补偿线路，10kV 线路全部为高压真空断路器。变压器的中性点接地方式是35kV 侧无接地，10kV侧的中性点经消弧线圈接地，10kV 侧均为电缆出线。因此，在10kV 侧均为电缆，故而采用消弧线圈进行补偿。由于10kV 主变侧无中性点，故采用了变电站与消弧线圈共用的接地变压器，并可以调整各消弧线圈的容量。本方案以300MVA的短路能力为基础，对短路电流进行了分析，确定了装置的选型。

主变压器选用高效节能、低损耗、有载调压变压器（S11-35 型），容量按供电地区的实际负载及计划负载而定，变压器容量为20MVA。35kV装置采用全封闭的复合绝缘金属铠装式开关柜，箱体内部装有高压真空开关，主变压器是三相双绕组自冷却风机有载调压变压器S11-20000/35，其阻抗电压Uk%=8.35±3×2.5%/10.5kV。10kV 装置采用金属铠装移动开关柜，箱体内部装有高电压的真空开关。从测量准确度的角度来看，变压器的测量精度都达到了0.2s级。10kV分段母线配有一套并联电容器和一套消弧线圈设备。

在大楼楼顶安装接闪网，以防止直接雷击。在35kV、10kV 母线、电容器、10kV 出线等处，采用具有优良防护性能的金属氧化锌避雷器。35kV区域变电所的调度和管理工作，应当将遥测、遥信、遥控等信息发送到上级220kV变电站。将公用的测控设备，集中于电力监控室内。电力供应采用SBH15-M-630/10变电站的10kV变压器，并将其与10kV 的母线相连接。整个变电所里都安装了工作灯和意外灯，在断电情况下，应急照明电路可自动转换到EPS供电系统。

3 35kV变配电所主接线方案

通过对各种有关数据的分析，发现采用低损失的节电变压器是减少电力损耗的有效途径。当电压偏差达不到规定值时，35kV降压变电站应优先选用有载调压变压器。35kV变电站的主接线通常为单母线、单母线分段、双母线接线、单元接线、内桥、外桥，具体的实现要结合实际情况来确定[2]。35kV变电站的主接线，需要依据变电站在电网中的地位、进线和出线回路数量、设备特点和负载特性来决定。同时还必须满足供电可靠、操作灵活、操作维修方便、节约投资以及方便扩建的需要。

变电站的主要线路应满足安全可靠、灵活、经济的基本需求。其中，安全包含了设备和人员的安全。可靠度应符合一级负荷和二级负荷对供电可靠性的要求。灵活运用最小的开关，可适应多种工况，维修时使用方便，并可以适应负载发展，方便扩展，尽可能简化接线，减少投资，减少占地，降低运行费用。35kV 变电站一般有两种类型，一种是户内式，另一种是室外式。户内式操作简单，维修简单，占用空间少。而室外式的建筑成本较低，能安装报警装置，散热状况良好。由此可见，户内式的优势和室外式的优势相辅相成，因为厂房占地面积有限，所以采用了户内布局，即35kV 和10kV 配电装置，主变压器采用户内安装。

4 供电可靠性分析

电力供应的可靠性是指不中断的电力供应。电力供应中断不但会对化工厂生产造成一定的影响，还会对设备形成损害，严重时会导致人员伤亡、发生爆炸，造成严重的负面影响。比如，电力供应中断对主要生产设备的运行造成影响，严重时会导致关键工序的连续性，造成重大的经济损失，即便是恢复了电力供应，也需要很长一段时间。为了保证供电的可靠性，对这些关键的用电设备，必须采用双回路的供电模式。保证供电质量，保证电压波动的技术指标。

交流电的频率直接影响到交流电机的工作性能，而频率的变化则会对其速度产生一定的影响。《电能质量电力系统频率偏差》中，对50Hz 额定频率的交流电要求标准是其频率与标称值的偏差不允许超出±0.2～±0.5Hz，也就是±0.4%～±1%[3]。电压限制是衡量电网质量的另一个重要指标。电压偏差是指电气装置的实际电压与运行中的额定电压之间的差异。耗电设备对电压偏差有一定的适应性，但当电压偏差增大时，会影响电气设备的性能，甚至会导致设备故障。例如，白炽灯在超过其额定电压5%的情况下运行，则会减去一半的使用寿命。因此，国内对电气设备的电压偏差有明确的规定。如电机的电压偏差不得超过额定电压的±5%，灯泡的电压偏差不得超过额定值的-3%和-2.5%。

5 变电站系统数据链路整体设计分析

5.1 综合自动化系统结构

变电站综合自动化系统采用分层分布式结构，分层分布式监控系统实现了信息资源共享，充分发挥和利用了计算机系统整体资源和效率，是目前监控系统的主流方式。该系统包括一个隔离层和一个站控层，该隔离层与站控层之间采用双以太网相互连接。符合IEC61850 标准。隔离装置包括：I/0 测控装置、继电保护装置、多功能电表、低压电动机保护器等智能化设备。通过通信管理器和以太网交换器将所有的智能装置连接到站控层，所有的智能设备支持Modbus 通信规约。在间隔层分别设置若干台通信管理机，该通信管理机应采用嵌入式应用的工业通信计算机，所有的串口设备通过通信管理机（通信协议采用Modbus）和以太网交换机接入站控层，所有的以太网设备通过以太网接口与本地交换机连接后接入站控层，所有的通信接口具有隔离保护功能。

站控层设备主要实现对各类监控图像、图形曲线的调用、控制指令的发布、各类报告、操作票、数据库的产生、管理、打印事故报警、控制间隔层设备的打印、监控、管理、控制间隔层等，构成全站监控、管理中心、与远程监控中心通信。站控层主要包括监控主站、工程师站、综合应用服务器、数据库服务器、保护管理工作站、OPC服务器、通信服务器、打印机、GPS 等设备组成。监控主站采用双机热备模式，正常情况下由监控主站完成整个变电所监控功能，备用主站处于热备用状态。当监控主站一旦出现故障，备用主机立即提升为监控主站，完成监控主站的一切功能，当监控主站恢复正常后，备用主机又将监控权交给监控主站，备用主站继续处于热备用状态，双机切换无扰动。

5.2 控制系统数据流

控制系统按需要分为多层结构，分别为底层的设备层、间隔层、站控层。各层次内部及层次之间采用高速网络通信，通信媒介为网络线或光纤。

平台软件按作业区、采油区、计量站的管理方式设计，完全与实际的管理方式吻合。同时还考虑到该系统是一个平台，各个页面采取数据库管理的方式进行管理，非常适应第三方软件的嵌入等扩展性。

5.3 子系统相关说明

5.3.1 监控功能

数据的收集与处理：从生产工艺中获取模拟量、数字量、温度测量等，其中包括CT、PT、配电设备保护、直流系统、电力系统等。报警处理分为事故报警和预先报警两类。打印和记录由电脑站控制系统根据规定的格式，将所需的各项资料，通过打印机向打印纸张输出。统计计算是统计、分析和计算实时数据。

系统状态监视是对断路器位置，隔离开关位置等开关量信号监视，同时还能对装置本身的自检、断路器事故跳闸、母线接地、各种保护动作信号进行监视。操作员工作站能对各回路主要电力参数、通信状态、故障、保护动作状态，以数字、文字、图形、表格、曲线等形式的动态显示。监控每一环，监控期间的运行参数的变化和状态都会在显示屏上显示。

当通信出现故障时，可将通信中断时的数据全部自动或唤醒，并在数据出现异常时进行提示，以确保数据的连续、完整、准确。还可以监测多种供电系统参数，除了可以监测电压、电流、频率等常规电力参数外，还可以测有功、无功、MD 等，谐波分量显示等，使各回路处在综自系统的全面监视之下[4]。

数据库维护是工程师可以通过互动的方法，在线对数据库中的数据项目进行修改、添加和删除。图形接口是将显示在显示屏上的各类信息以报告、图形、声光等不同方式向操作人员实时显示。时钟同步由变电所控制的电脑监视系统，从GPS 导航系统发送的定时信号，并对每一台有时钟的设备，如隔离层和站级电脑，进行同步，以确保各部分的时钟同步率，满足要求。维护职能是由变电站的管理人员在工作站上进行管理、维护、扩充等工作。事故记录是保护动作信息，断路器/断路器状态的改变，保护功能的输入/退出，本地/远程切换，连锁控制命令，自动报警等。

电能管理是能按日/自然月/自然年自动地计算各装置的用电量。通过数据对比，计算出各装置的能效，方便用户添加/减少用电回路。操作票能按工作票自动生成操作票，并具有操作模拟功能，验证操作正确性。仿真培训是运用文字解说、图像、视频、视频、二维动画、虚拟仿真等多种形式，以图文并茂、视听结合、虚拟互动等多种形式进行创作。

5.3.2 管理功能

设备管理：建立统一的动态设备台账，关注所有设备的历史运行状态、制定检修维护计划、检修历史、缺陷信息、更换历史、维护历史、备件情况等数据，通过设备出入库流程、设备安装卸载流程、设备维修维护更换流程对设备台账进行动态更新，保证设备台账与现场设备的实际情况相符，为设备的全生命周期管理提供支撑。

6 结语

化工厂区35kV 变电所综合自动化控制系统，解决了传统保护装置无法与外部通信的不足，将控制、保护、数据采集、监控、数据传输等多个主要模块整合在一起，实现了数据的共享。该系统包括保护装置、数据采集装置、事件和故障录波装置、控制操作闭锁装置、同步装置、通信装置、数据处理及记录装置和自诊断装置等。

近几年，越来越多的化工厂区35kV 变电所采用了计算机集成自动化，并且陆续投入运行，这也充分体现了化工厂区35kV 变电所自动化技术的日趋成熟和无可比拟的优势，达到减人增效、降低工程造价的目的，以保障变电站可靠运行和提高经济效益。