1、PAGE PAGEII / NUMPAGES42PAGE II摘要 本文對象為一機械廠，有大量的高低壓供電設備。本文通過分析負荷及增容的具體情況，選出新配電室的具體位置，明確負荷等級，調整母線所接負荷，確定系統運行方案及配電柜參數，運用負荷計算、短路電流計算和動熱穩定校驗計算，選擇并校驗符合條件的電氣設備，設計出二次回路，使變電所一次設備的控制、調節、繼電保護和自動裝置、測量和信號回路以及操作電源系統能有效的運行。在優化系統的過程中，盡量提高電能的利用率和使用效率，采取多種方式降低線損，從而節約能源節約資金，努力降低改造成本。在對供配電系統進行設計的基礎上，根據變配電站實現綜合自動化的現狀，從

2、設計原則、系統配置及結構、功能、技術指標等方面著手，對本廠變配電室綜合自動化系統進行了可行性分析，設計出了符合本廠情況的綜合自動化系統。最后，還進行了綜合自動化系統的軟件設計，使變配電室智能化水平得到了極大地提升。關鍵詞:負荷計算；二次回路；綜合自動化；智能化- PAGE 40 -1緒論一切大規模的現代化工業生產都需要電能。眾所周知，電能是現代工業生產的主要能源和動力。電能既易于由其它形式的能量轉換而來，又易于轉換為其它形式的能量以供應用：電能的輸送的分配既簡單經濟，又便于控制、調節和測量，有利于實現生產過程自動化。因此，電能在現代工業生產及整個國民經濟生活中應用極為廣泛。在工廠里，電能雖然是

3、工業生產的主要能源和動力，但是它在產品成本中所占的比重一般很小(除電化工業外)。電能在工業生產中的重要性，并不在于它在產品成本中或投資總額中所占的比重多少，而在于工業生產實現電氣化以后可以大大增加產量，提高產品質量，提高勞動生產率，降低生產成本，減輕工人的勞動強度，改善工人的勞動條件，有利于實現生產過程自動化。從另一方面來說，如果工廠的電能供應突然中斷，則對工業生產可能造成嚴重的后果。因此，做好工廠供電工作對于發展工業生產，實現工業現代化，具有十分重要的意義。由于能源節約是工廠供電工作的一個重要方面，而能源節約對于國家經濟建設具有十分重要的戰略意義，因此做好工廠供電工作，對于節約能源、支援國家

4、經濟建設，也具有重大的作用。1.1課題背景隨著生產和生活的用電量大幅度增加，電能在給人們的生活和生產帶來極大便利的同時也留下了安全隱患。據中國火災統計年鑒公布，我國主要城市所發生的火災當中，電氣火災已經成為威脅人民生活和生產安全的重要因素。而引起電氣火災的主要原因便是短路和過負載運行所產生的導線超溫情況。而線路絕緣膠皮燃燒產生的氯化氨與空氣中的水分相結合，化合成稀鹽酸附著在電氣設備、儀器裝置上生成導電薄膜，嚴重降低了機電設備和一、二次接線回路的絕緣性能，直接影響機電設備和發電機組的安全運行并縮短其壽命。另外，建筑供配電系統的可靠性，也直接關系到人身安全，任何事故都將造成公共場所秩序混亂，由此產

5、生嚴重的經濟損失乃至政治影響等。該公司原有的供電系統已經很難滿足現有現有生產的要求，況且電氣設備的老化及落后已經極大的制約了新設備的投入。為了保障人身安全，供電可靠，技術先進和經濟合理，供配電系統設計必須從全局出發，統籌兼顧，通過研究負荷性質、用電容量、工程特點和地區供電條件，合理確定設計方案。此次供配電系統的設計應根據工程特點、規模和發展規劃，做到遠近期結合，以近期為主。供配電系統應采用符合國家現行有關標準的效率高、能耗低、性能先進的電氣產品。只進行工廠供配電的設計，使其滿足現有的基本要求，顯然是不夠的。變配電室綜合自動化使供配電系統更具有智能化。20世紀70年代，國外就開展了變配電站綜合自

6、動化的相關研究，技術也相對較成熟。而我國變配電站綜合自動化系統的相關研究開始于20世紀80年代中后期。隨著微電子技術、計算機技術和通信技術的發展，變電站綜合自動化技術也得到了迅速發展。變電站綜合自動化是將變電站二次設備(包括測量儀表、信號系統、繼電保護、自動裝置和遠動裝置等)經過功能的組合和優化設計，利用先進的計算機技術、現代電子技術、通信技術和信號處理技術，實現對全變電站的主要設備和輸、配線路的自動監視、測量、自動控制和微機保護。變電站綜合自動化系統，即利用微型計算機和大規模集成電路組成的自動化系統，代替常規的測量和監視儀表，代替常規控制屏、中央信號系統和遠動屏，用微機保護代替常規的繼電保護

7、屏，變電站綜合自動化系統可以采集到比較齊全的數據和信息，利用計算機的高速計算能力和邏輯判斷功能，可方便監視和控制變電站內各種設備的運行和操作。由此看來，在電力系統自動化技術日新月異的今天，變配電綜合自動化系統在電力生產中發揮著重要的作用。所以，將變配電站的綜合自動化技術應用到電壓等級低一級的供配電室，從而進行工廠供配電室的綜合自動化設計是十分必要的。1.2研究設計的主要內容本課題設計的主要內容如下：一、通過對工廠供配電最優化方案的研究，設計出高壓供電線路，從而確定增容后系統的接線方案。二、優化方案實施過程中，分析系統屬性確定無功補償的方式，根據負荷計算，短路電流計算和動熱穩定校驗計算，選擇出符

8、合條件的電氣設備。三、根據供配電一次回路的特點，設計出變配電系統的二次回路，同時，采取必要的節能措施以減少改造成本。四、通過工廠供配電系統的可行性分析，設計出符合本廠供配電的綜合自動化系統。五、采取有力措施提高變電站綜合自動化系統的可靠性。六、根據工廠實際情況，設計出本廠的變配電室綜合自動化系統軟件。3工廠供配電系統設計3.1高壓供電線路設計3.1.1配電室選址一、配電所的設計要求:1、供電可靠，技術先進，保障人身安全，經濟合理，維修方便。2、根據工程特點，規模和發展規劃，以近期為主，適當考慮發展，正確處理近期建設和原期發展的關系，進行遠近結合。3、結合負荷性質，用電容量，工程特點，所址環境，

9、地區供電條件和節約電能等因素，并征求建設單位的意見，綜合考慮，合理確定設計方案。4、變配電所采用的設備和元件，應符合國家或行業的產品技術標準，并優先選用技術先進，經濟適用和節能的成套設備及定型產品。5、地震基本強度為7度及以上的地區，變配電所的設計和電氣設備的安裝應采取必要的抗震措施。二、變配電所選址：變配電所地址選擇應根據下列要求綜合考慮確定：1、 接近負荷中心；2、 接近電源側；3、 進出線方便；4、 運輸設備方便；5、 不應設在有劇烈震動或高溫的地方；6、 不宜設在多塵或有腐蝕性氣體的場所；7、 不應設在廁所，浴室或其他經常積水場所的正下方，也不宜與上述場所相貼鄰；8、 不應設在地勢低洼

10、和可能積水的場所；9、 不應設在有爆炸危險的區域里；10、不宜設在有火災危險區域的正上方或正下方。3.1.2負荷等級的劃分一、符合下列情況之一時，應為一級負荷：1、中斷供電將造成人身傷亡時。2、中斷供電將在政治、經濟上造成重大損失時。例如:重大設備損壞、重大產品報廢、用重要原料生產的產品大量報廢、國民經濟中重點企業的連續生產過程被打亂需要長時間才能恢復等。3、中斷供電將影響有重大政治、經濟意義的用電單位的正常工作。例如:重要交通樞紐、重要通信樞紐、重要賓館、大型體育場館、經常用于國際活動的大量人員集中的公共場所等用電單位中的重要電力負荷。在一級負荷中，當中斷供電將發生中毒、爆炸和火災等情況的負

11、荷，以及特別重要場所的不允許中斷供電的負荷，應視為特別重要的負荷。二、符合下列情況之一時，應為二級負荷：1、中斷供電將在政治、經濟上造成較大損失時。例如:主要設備損壞、大量產品報廢、連續生產過程被打亂需較長時間才能恢復、重點企業大量減產等。2、中斷供電將影響重要用電單位的正常工作。例如:交通樞紐、通信樞紐等用電單位中的重要電力負荷，以及中斷供電將造成大型影劇院、大型商場等較多人員集中的重要的公共場所秩序混亂。不屬于一級和二級負荷者應為三級負荷。根據工廠的生產特性，并考慮中斷供電對其所產生的影響情況，故將本廠的用電負荷劃分為二級負荷。3.1.3對接線方案的選擇一、主接線方案設計原則與要求變電所的

12、主接線，應根據變電所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，并應滿足安全、可靠、靈活和經濟等要求。1、安全 應符合有關國家標準和技術規范的要求，能充分保證人身和設備的安全。2、可靠 應滿足電力負荷特別是其中一、二級負荷對供電可靠性的要求。3、靈活 應能必要的各種運行方式，便于切換操作和檢修，且適應負荷的發展。（4、經濟 在滿足上述要求的前提下，盡量使主接線簡單，投資少，運行費用低，并節約電能和有色金屬消耗量。二、常見主接線方案1、只裝有一臺主變壓器的變電所主接線方案只裝有一臺主變壓器的變電所，其高壓側一般采用無母線的接線，根據高壓側采用的開關電器不同，有三種比較典型的主

13、接線方案：（1）高壓側采用隔離開關-熔斷器或戶外跌開式熔斷器的主接線方案；（2）高壓側采用負荷開關-熔斷器或負荷型跌開式熔斷器的主接線方案；（3）高壓側采用隔離開關-斷路器的主接線方案。2、裝有兩臺主變壓器的變電所主接線方案裝有兩臺主變壓器的變電所的典型主接線方案有：（1）高壓無母線、低壓單母線分段的主接線方案；（2）高壓采用單母線、低壓單母線分段的主接線方案；（3）高低壓側均為單母線分段的主接線方案。三、主接線方案確定1、10kV側主接線方案的擬定由工廠負荷計算表（見附錄三）可知，高壓側進線有一條10kV的公用電源干線，為滿足工廠二級負荷的要求，又采用與附近單位連接高壓聯絡線的方式取得備用電

14、源，因此，變電所高壓側有兩條電源進線，一條工作，一條備用，同時為保證供電的可靠性和對擴建的適應性所以10kV側可采用單母線或單母線分段的方案。2、380V側主接線方案的擬定由原始資料可知，工廠用電部門較多，為保證供電的可靠性和靈活性可采用單母線或單母線分段接線的方案，對電能進行匯集，使每一個用電部門都可以方便地獲得電能。3、方案確定根據前面章節的計算，若主變采用一臺S11型變壓器時，總進線為兩路。為提高供電系統的可靠性，高壓側采用單母線分段形式，低壓側采用單母線形式，其系統圖見圖3.1。若主變采用兩臺S11型變壓器時，總進線為兩路，為提高供電系統的可靠性，高壓側采用單母線分段形式，兩臺變壓器在

15、正常情況下分裂運行，當其中任意一臺出現故障時另一臺作為備用，當總進線中的任一回路出現故障時兩臺變壓器并列運行。上表3.1是兩種主接線方案的比較，從上表可以看出，按技術指標，裝設兩臺主變的主接線方案優于裝設一臺主變的方案。從經濟指標來看，裝設一臺主變的方案優于裝設兩臺主變的方案。由于集中負荷較大，已經大1250kVA,低壓側出線回路數較多，且有一定量的二級負荷，考慮今后增容擴建的適應性，從技術指標考慮，采用于裝設兩臺主變的方案。3.1.4配電柜選擇對于配電柜選擇的選擇，應滿足下列要求:一、高壓開關柜的結構應保證工作人員的安全和便于運行、維護、檢查、檢修和試驗。二、高壓開關柜的結構應有足夠的機械強

16、度，以保證在操作一次設備時，二次設備不會產生永久性變形和影響性能的彈性變形。三、開關柜內必須有工作位置、試驗位置、以保證手車處于以上位置時，不能隨意移動。四、開關柜內手車的推進與拉出應靈活方便，不產生沖擊力，相同規格的手車應具有互換性。五、沿所有開關柜整個長度延伸方向應設有專用的接地導體。六、“五防”聯鎖要求:斷路器手車只能在試驗或工作位置時，斷路器才能進行合、分闡操作。當接地開關處于分閘狀態時，手車才能從試驗或斷開位置移到工作位置。手車處于工作位置時，接地開關操作軸被鎖定，接地開關不能合閘。當斷路器處于合閘狀態時，絲桿被鎖定，不能移動手車。只有當接地開關合上，電纜室門才能打開檢修電纜。斷路器

17、在工作位置，二次插頭不能撥下。七、二次回路導線應有足夠的截面，從而不致影響互感器準確度，應使用銅導線，其截面電流回路采用不小于2.5mm、電壓回路不小于1.5 mm.八、開關柜電纜室門要求做成帶絞鏈，并與斷路器聯鎖，滿足五防功能。九、電流互感器的安裝要求便于拆裝和做試驗。十、高壓開關柜的結構必須是中置式開關柜，斷路器室下部必須是一個獨立小室，中間加隔板完全分開。對于原有系統，采用的是固定式開關柜，柜內繼電保護主要是電磁式繼電器，操作復雜，穩定性差，制約生產因素多，屬于落后產品，且防護等級已經達不到現有要求，不能滿足現有生產的需要。綜合比較現有的多種配電柜，研究其各自的特點，最終采用了KYN系列

18、開關柜，此柜采用中置式結構，節約了斷路器室約50%的空間，更有利于電纜的安裝，且技術含量高，容量大，結構設計合理，牢固，外型美觀，安全可靠，防護等級高，維修量小等特點，還可以與微機接口，實現配電站的自動化。3.2無功補償工廠供配電系統中，功率因數的高低是衡量一個工廠電能質量的重要指標，功率因數偏低就意味著系統中無功電源不足，會導致系統電壓降低而造成電能損耗增加，用電效率降低，限制了供電線路的送電能力。供電部門一般要求工廠的月平均功率因素達到0.9以上，當企業的自然總平均功率因數較低，單靠提高用電設備的自然功率達不到要求時，應采用必要的無功功率補償設備進一步提高工廠的功率因數。本工廠中，采用電力

19、電容器進行無功功率補償。補償方式有兩類：一、高壓集中補償高壓集中補償是將并聯電容器集中裝設在高壓配電所的高壓母線上，這種補償方式只能補償高壓母線前邊所有線路上的無功功率，而高壓母線后面的無功功率得不到補償，這種補償方式只適合于大中型企業。3.4設備的選擇與校驗供配電系統中的導線及電氣設備包括電力變壓器，高低壓開關電器，互感器等，均需要依據正常工作條件，環境條件及安裝條件進行選擇，部分設備還需要依據故障情況進行短路電流的動穩定度，熱穩定度校驗，在保障供配電系統安全可靠工作的前提下，力爭做到運行維護方便，技術先進，投資經濟合理。供配電系統中的電氣設備按正常工作條件進行選擇，就是要考慮電氣設備裝設的

20、環境條件和電氣要求：環境條件是指電氣設備所處的位置(戶內或戶外)，環境溫度，海拔高度以及有無防塵，防腐，防火，防爆等要求;電氣要求是指電氣設備對電壓，電流，頻率等方面的要求；對開關電器及保護用設備，如開關，熔斷器等，還應考慮其斷流能力。電氣設備短路情況進行校驗，就是要按最大可能的短路故障(通常為三相短路故障)時的動，熱穩定度進行校驗。但熔斷器和有熔斷保護的電器和導體(如電壓互感器等)，以及架空線路，一般不必考慮動穩定度，熱穩定度的校驗，對電纜，也不必進行動穩定度的校驗。在供配電系統中盡管各種電氣設備的作用不一樣，但選擇的要求和條件有諸多是相同的。為保證設備安全，可靠的運行，各種設備均應按正常工

21、作條件下的額定電壓和額定電流選擇，并按短路故障條件校驗其動穩定度和熱穩定度。3.4.1 一次設備選擇與校驗的條件為了保證一次設備安全可靠地運行，必須按下列條件選擇和校驗：一、按正常工作條件，包括電壓、電流、頻率、開斷電流等選擇。二、按短路條件，包括動穩定和熱穩定來校驗。三、考慮電氣設備運行的環境條件和溫度、濕度、海拔以及有無防塵、防腐、防火、防爆等要求。3.4.5高壓側斷路器的選擇與校驗對于高壓側斷路器，以前使用的是II型少油斷路器。經過多年的使用發現，10kV少油斷路器運行中存在檢修次數頻繁、檢修工作量大，滲漏問題較難處理問題，在一定的條件下會產生高壓可燃的氣體，乃至發生爆炸，所以在電力發展

22、過種中，這種斷路器越來越不能滿足社會發展的需要。由于放置在室內，且其開斷能力較大，故使用真空斷路器。研究發現，真空斷路器與少油斷路器相比較有著明顯的優勢:一、真空斷路器維護簡單，無爆炸危險，無污染，噪音低，檢修費用低，故障率低。二、滅弧室開斷后介質恢復快，不需要冷卻和更換，熄弧能力底，無損耗，觸頭壓力小。三、開斷電流大，主回路接觸電阻小，并適合于頻繁操作等比較苛刻的工作條件。四、真空斷路器使用壽命長，一般可達20年左右，可靠性高。相比各種真空斷路器，VS1的機械傳動設計的比較好，可靠性高，選擇型號為VS1-12的真空斷路器，且與配電柜為成套產品。對于高壓側斷路器的校驗，只需其開斷能力大于短路電

23、流即可。由于其為成套產品，查產品樣本，斷路器的選擇均滿足要求。而斷路器的速斷保護、過電流保護、零序保護、高溫報警等，均與二次回路有關。從圖中可以看出各種回路雖然保護對象不同，但只要保護的對象發生異常情況，都可以根據觀察信號燈，操作控制開關來進行各一次回路上斷路器的合閘與跳閘。而且從燈的顏色也可以辯明事故信號，預告信號等重要信息。這樣，保護裝置和監測裝置動作后都要發出相應的信號提醒或提示運行人員，從而保障供電的安全性。3.6節能措施為了提高電能的利用率和使用效率，節約能源節約資金，工廠的節電工作涉及面很廣，既包括配電系統的節能改造，也包括電動機、風機、水泵等用電設備的節能改造。其中，配電系統的電

24、能損耗率(簡稱線損率)是工廠一項重要的電氣綜合技術經濟指標，電氣管理人員必須切實做好線損管理工作。工廠的配電系統電能損耗與廠內的負荷分布、網絡結構、無功配量、運行方式、用電構成、電壓等級以及一、二次設備的技術性能等因素有關。配電網損耗理論上由三部分組成，即發生在線路導線電阻上的電能損失，發生在配電變壓器高低壓繞組電阻上的電能損失和發生在配電變壓器鐵心上的電能損失。本工程中采用如下幾種措施降低配電系統的損耗:一、改造迂回線路隨著工廠的發展，負荷的變化，配電線路的延伸，廠內逐年自然形成的電網不一定合理，甚至有迂回送電的情況，所以，對迂回線路必須進行改造。在線路走向改造時，主干線要接近負荷中心，分支

25、線角度不能超過90度角。二、改造卡脖子線，增大導線截面隨著生產發展的需要，廠內線路有的增大了負荷，增加了大的用戶，有的由于電源的重新布點，使原來線路的末端變成了首端，有的由于建廠時線路建設標準低，形成了卡脖子線。改造時應增大這些導線的截面，既保證供電容量，又降低線路電阻，達到降損節能的目的。改造卡脖子線的標準是使線路導線截面在最大負荷時，其電流密度不大于11.5A/mm。當線路的導線截面一定時，在條件允許時采用己有的雙回路并聯工作和盡量利用備用線路供電，通過間接增大配電線路的導線截面，降低導線電能損耗。三、改造導線的接續方法線路導線接續不好會使接續點發熱，并損耗能源。我們對導線的接續采取了如下

26、的措施:1、導線接續盡量避免纏繞法，改為炮接、有張力時的鉗接和無張力時的設備線夾連接。2、不同導線接續在耐張桿的引流或設備上完成，應該用鋁銅過渡線夾。3、導線或設備線夾在安裝前就處理好，無銹蝕，安裝時要緊固好。四、采用無功補償，提高功率因數由于有功損耗與成反比，又由于功率因數的改善，也將引起網絡電壓的上升，所以采用無功補償，提高功率因素可大大降低損耗。同時，功率因素的提高，在輸送相同的有功功率時，也可降低配電變壓器及配電線路的負荷電流。配電系統進行無功補償時堅持全面規劃，合理布局，分散補償，就地平衡的原則。由于本工程中大量采用同步電動機，很多情況下其總的功率因素已經達到要求，只有在較少的情況下

27、根據實際變化采用電容器自動投補的方式進行無功補償。五、選擇同步電動機在擴容時綜合考慮采用同步電動機。由于同步電動機為容性負荷，其功率是可以超前的。通過調節勵磁電流在超前的功率因數下運行，有利于改善電網的功率因數。功率因數越高，用電電流就越小，從而減少用電量，節約電能。六、逐步更新高能耗變壓器由于建廠時間長，同時也由于受財力和物力的限制，改造前工廠仍在使用SJ、SL，等系列的高能耗變壓器，對這些高能耗變壓器應逐步淘汰。所以當更新或新增變壓器時，我們選擇S、S和S-等系列的低損耗變壓器，使用這些低損耗變壓器可大幅度降低空載損耗和短路損耗。當工廠變壓器數量較多時，我們確定了新型變壓器數量和容量，及時

28、投入和退出，使之達到合理運行。在負荷較低時，我們盡量減少空載變壓器的臺數，特別是節假日、停產檢修時，我們對配電系統進行了認真調度。七、增建二次變壓所，縮小供電半徑隨著生產的發展變化，工廠的變電所有的已經逐漸遠離負荷中心，根據實際情況，增建二次變電所，將變電所依舊設置在負荷中心，通過縮短供電線路長度，降低線路的電能損耗。4工廠變配電室綜合自動化設計4.1變配電室綜合自動化的可行性分析4.1.1傳統變配電室存在的問題變配電室擔負著電能轉換和電能重新分配的重要任務，對一個企業的安全和經濟運行都起著舉足輕重的作用。如果仍依靠原來的人工抄表、記錄、人工操作為主，依靠原來變電站的舊設備，會存在以下幾方面的

29、缺點。一、安全性、可靠性不能滿足現代電力系統高可靠性的要求。二、供電質量缺乏科學的保證。三、占地面積大，從而影響整個工礦企業的長遠利益。四、不適應電力系統快速計算和實時控制的要求。五、維護工作量大，設備可靠性差，同時給每年的校驗保護定值工作帶來了困難。4.1.2變配電室綜合自動化技術的優越性與技術支持通過采用先進的技術，提高變配電室綜合自動化水平，增加遙控、遙測、遙信、遙調四遙功能，會體現出以下幾方面的優越性:一、提高供電質量，降低損耗。二、提高變配電室的安全、可靠運行水平，突出四遙裝置的特點。三、提高電力系統的運行及管理水平，避免人為的主觀干預，運行人員只要通過觀看CRT屏幕，對變配電室主要

30、設備和各輸、配電線路的運行工況和運行參數一目了然。四、縮小變配電室占地面積，降低造價，減少總投資。五、減少維護工作量，減少值班員的工作量，實現減人增效。由于變配電室所是變配電系統中的重要環節。降低變配電室造價，提高變配電室的供配電電能質量和供電可靠性，減少變電所值班人員，盡量避免誤操作，縮短事故處理時間是現代化智能變電所有的功能。所以，實現變配電室綜合自動化勢在必行。隨著計算機技術的飛速發展，變配電室傳統的電磁式繼電保護裝置正逐步被微機綜合保護裝置所取代。新一代的微機綜合保護器，不僅涵蓋了傳統繼電保護和自動裝置的全部功能，而且能對變配電回路的開關狀態，電流、電壓等模擬信號，事故下的脈沖信號，以

31、及一些非電量信號進行采集、儲存和運算。計算機技術的發展，影響了整個電器制造行業的產品革新，高低壓電器產品正向著智能化的方向發展，在滿足各類電器基本功能的同時亦具備了各種電量和非電量信號的采集、儲存和處理功能。現代控制技術和現代通信技術在電力(電氣)行業的應用，使上述電器產品一般均具備了數據通信接口，為各個電氣控制節點間的數據進行交換、整合，實現信息資源共享，實施實時監測、集中管理乃至遠程控制提供了可能。變配電所綜合自動化裝置，包含了上述集保護、測量計量、控制、通信于一體的智能化前端設備，將這些前端設備的通信接口連接起來的現場總線，進行通信預處理的通信管理單元以及經過組態的上位機單元(遠方工作站

32、、維護工程師站、數據庫工作站等)。通過上述設備或單元的連接，實現變配電所運行數據的采集、儲存、交換，并經過預置軟件程序的支持對變配電所實現自動化遙測、遙信、遙控和遙調。傳統的繼電保護和自動裝置，其結構基本上都是采用各類電磁式繼電器構筑。它們的結構特點決定了信息資源不可能共享，硬件配置繁多，接線復雜，精度低，穩定性和可靠性差，并由此造成維護、校驗工作量繁重裝置誤動、拒動的概率大。即便是上世紀80年代出現的電子式繼電保護和自動化遠動裝置亦未能徹底解決信息資源的共享問題。由于工藝技術的不成熟，此類裝置的穩定性和可靠性遠遠不夠理想，并且在遠動的通信上抗干擾能力差、誤碼多。在當時的科技發展條件下，工廠變

33、配電室的”四遙”和無人值守的運行方式，僅僅是工廠電力工作者的初步試探和美好的期待。變配電室綜合自動化裝置是基于現代計算機技術、現代控制技術和現代通信技術，對變配電所電力系統進行保護和控制，是傳統電力自動化模式的重大改革。它的應用徹底改變了傳統繼電保護和自動裝置的結構模式，大大提高了變配電所運行的本質安全性，減少了自動裝置和人為誤動的概率，減少了繁重復雜的檢修和維護工作量。在變配電所綜合自動化的基礎上，可進一步構筑工廠變配電綜合自動化系統，實現整個工廠變配電系統的自動化，從而大大降低工廠變配電系統的運行成本，提高工廠變配電系統運行的安全性和經濟性。4.2綜合自動化系統設計方案本課題中設計的第一步

34、，便是確定適合于本題的綜合自動化系統結構。通常，綜合自動化有三種結構:集中式，分散分布式和分層分布式，第一種只適合于保護比較簡單的情況，且有如下一些問題的存在:前置管理機任務繁重、引線多，降低了整個系統的可靠性，若前置機故障，將失去當地及遠方的所有信息及功能;軟件復雜，修改工作量大，系統調試煩瑣。組態不靈活，對不同主接線或規模不同的變電站，軟、硬件都必須另行設計，工作量大并且擴展一些自動化需求的功能較難。第二種不利于整體監視控制。而第3種采用分層分布式智能單元(IED)，即把整個生產過程的控制功能、管理功能分散開，讓控制系統由不同規模、不同功能的智能單元連接而成。且分層分布式結構，有利于集中控

35、制多個變配電室。綜合考慮本工廠發展前景，選擇第三種方式為本系統的結構。變配電所綜合自動化裝置，采用分層分布式的系統結構加圖4.1所示，由現場保護測控層、通信管理層構成。圖4.1 變配電室綜合自動化裝置圖一、現場保護測控層現場保護測控層包括采用分散式就地安裝，集保護、測量計量、控制、通信于一體的電動機測控保護單元、變壓器測控保護單元、線路測控保護單元、同期合閘單元、備自投單元、重合閘單元等各種功能的10kV微機綜合保護、測控裝置，通過現場總線與通信管理層中的主控機相連。變配電所內各類高低壓智能設備，如直流電源裝置、小電流接地選線裝置、消諧裝置以及0.4kV的智能開關裝置等，亦可通過相應的通信接口

36、與通信管理層中的主控機相連。所有回路的綜合保護裝置均可按需要配置DCS接口，將各種電氣運行狀態和運行參數直接接入電氣或化工的DCS，實現跨系統的資源共享。具體設計的內容包括:1、對于電氣一次設備（1）變電站主要一次設備大多為油斷路器，其可靠性較差，將其更換為真空斷路器，以便實施聯動控制。（2）主變壓器中性點隔離開關由手動操作改為電動操作。2、對于電氣二次設備對于電氣二次設備的改造有條件的變電站應全部改造為綜合自動化系統，具體如下:（1）取消全站的常規控制、保護屏，在各開關對應的控制回路中(開關柜或保護屏)設就地操作功能及紅綠燈，增設微機五防閉鎖功能，設置“當地”、“遠方”切換開關。（2）取消當

37、地測量儀表。（3）組建站內自動化系統及分布式通信網絡。（4）10kV線路開關選用微機保護，安裝于高壓開關柜上。（5）改造主變壓器的溫度測量回路，以適應測溫的需求。（6）更換站內舊式電能表為智能式電能表，電能量通過電度表電能采集裝置上傳至綜合自動化系統及地調。（7）更換站內直流系統為高頻開關電源，帶有通信485接口，實現與微機綜合自動化系統的接口通信，電池采用免維護的鉛酸蓄電池。（8）繼電保護配置按設計規程配置，要求面向控制對象獨立設置，所有間隔智能單元功能相對獨立，互不牽連。凡可以就地完成的功能決不依賴通信網。本系統繼電保護按被保護的電力設備(間隔)分別獨立設置，直接由相關的TA及TV輸入電氣

38、量，動作后由接點輸出，直接操作相應的斷路器跳閘線圈;其它一些重要的控制設備，例如備用電源自動投入裝置，通過設置專用的裝置，放在相應間隔上。（9）更換站用電系統，使之具有備用電源自動投入及遙控功能。（10）保護裝置設置有通信接口，接入站內通信網以便在保護動作后向變電站層微機設備提供報告等，但保護功能完全不依賴通信網。這里，10 kV部分采用“四合一”(集保護、控制、測量、通信為一體)裝置，主變間隔配置專用的測控單元，實現保護和測量嚴格分開。小電流接地選線由10kV開關柜上的智能單元、開口三角電壓監測點和主站構成。各智能單元實時計算當前的，向量，當系統接地導致升高時，母線開口三角電壓監測點向主站報

39、選線接地信號，主站則在接到接地信號后調各裝置內的，向量，進行比較從而實現接地選線功能，節省了常規的小電流接地選線裝置。備自投功能采用專用的備用電源自動投入裝置，通過該裝置實現10kV母線分段開關自動投入，提高供電的可靠性和連續性。同時，還要注意數字量和模擬量的輸入與輸出。在變電站綜合自動化系統中，需要采集的信息很多，但從它們的性質來分，可分為模擬量、開關量、脈沖量和廣義讀表數等四大類。一般來說，針對計算機而言，處理的都是數字量，對模擬量的處理，也是必須先轉換成數字量才能進行處理的。而對于模擬量的輸入與輸出，變電站的電流、電壓、有功功率、無功功率、溫度等都是模擬量，這些模擬量都是隨時間連續變化的

40、物理量，由于計算機只能識別數字量，所以模擬信號必須通過模擬量輸入通道，轉換成相應的數字信號才能輸入到計算機中進行處理。另一方面，為了實現對生產過程的控制，有時還需要輸出模擬信號，其中要涉及到模擬量輸入輸出通道的組成、數模轉換器、模數轉換器、多路轉換器、采樣保持器、高集成度的數據采集系統、采樣方式等等。二、通信管理層變電站內通信網絡連接各設備層，使獨立的各自分散的設備形成協同工作的有機總體，并與外部系統緊密相連。這一層我們定義為通信管理層。變電站綜合自動化系統的總體性能在很大程度上取決于此層的性能。通信管理層(亦稱下位機系統)的主要配置為具有通信管理功能的主控機。主控機一般采用單元組合設計，每個

41、主控單元均可提供若干個RS485/ 232/ 422串行接口，用以接入各種智能設備，通過規約轉換，各設備可方便地接入通信系統(或接入以太網)。RS422/ 485接口總線網見圖4.2圖4.2 RS-422/485接口總線網智能設備的接入一般采用面向對象的設計原則，以保證接入的智能設備有清晰的各種功能分布界面，便于設計、控制、維護和管理。某些類型的主控單元還可分別通過RS485串行接口與DCS相連。主控單元通過現場總線分別與10kV微機綜合保護測控裝置、變配電所內各類高低壓智能設備通信。主控單元與上位機系統可采用普通通信電纜配以調制解調器連接，在設置局域網的系統中，亦可采用以太網連接方式，以光纖

42、作為傳輸介質。變配電綜合自動化系統是一個在線進行數據采集和數據交換的系統，系統中各種不同功能的設置之間，實時進行著大量的信息交流。因此需要確定統一的數據交換格式，遵守共同的通信規約。數據通信包括兩方面的內容:一是綜合自動化系統內部各子系統或各功能模塊間的信息交換，二是變電站與控制中心間的通信。而采用以上的通信網絡，運行狀態穩定，故障率較低。且該網絡系統無需增加其他設備即可直接實現雙機備份，所有設備可提供獨立的雙網接線，通信互不干擾，可組成雙通信網絡，通信可靠性較高。 4.3提高變配電室綜合自動化系統可靠性的措施4.3.1綜合變電站帶來的問題變電站綜合自動化確實給我們的工作帶來了效益，可在目前來

43、看，它還屬于是一種新生事物，特別是不少工作在變電站第一線的技術人員與運行人員，對它的技術和系統結構還不了解，對其可靠性問題還比較擔心;另一方面，變電站綜合自動化系統內部各個子系統都為低電平的弱電系統，但它們的工作環境是電磁干擾極其嚴重的強電場所，確實會影響到各個元器件的正常工作。4.3.2采取的措施一、抑制干擾源的影響，采取屏蔽措施、減少強電回路的感應禍合等。二、接地和減少共阻抗禍合，采取一次系統接地、二次系統接地、變電站綜合自動化系統的工作接地等。三、隔離措施1、模擬量的隔離2、開關量輸入、輸出的隔離四、濾波濾波是抑制自動化系統模擬量輸入通道傳導干擾的主要手段之一。五、計算機供電電源的抗干擾

44、措施采用變壓器隔離、電源濾波器，采用不間斷電源UPS等有效方法。4.4工廠變配電綜合自動化系統功能工廠變配電綜合自動化系統的測控和管理功能，因不同廠商開發的軟件及用戶的要求不同而有所差別，但一般應滿足以下的主要功能或要求。一、實時數據的采集與處理功能二、數據庫的建立與維護功能三、故障報警功能四、事件順序記錄和事故追憶功能五、監視屏畫面實時生成和顯示功能六、在線計算、自動制表及輸出功能七、友好的人一機界面和對話功能八、系統自診斷與自恢復功能九、電能計算十、其他功能4.5變電站綜合自動化系統的軟件可靠性研究較之常規的變電站自動化系統，變電站綜合自動化系統的主要優越性體現在其借助通信，實現各個斷路器

45、間隔中的保護測控單元、變電站計算機系統、電網控制中心自動化系統之間的信息交換和信息共享，從而提高變電站運行的可靠性。可靠的通信一方面依賴于可靠的IED裝置、計算機硬件、傳輸介質、接口設備、網絡拓撲結構以及相關的抗干擾技術，另一方面依賴于實現各種功能的軟件系統的可靠運行。衡量軟件系統的質量需要相關的數學模型和指標，而軟件可靠性模型恰好能滿足這種需要，它能定性和定量地評價軟件系統的可靠性，評價和預測可靠性走向，在軟件產品的開發、運行和維護的各個階段都能發揮其指導性作用。JM模型(Jelinski and Moranda Model)是Z. Je2linski和P. Moranda于1972年提出的

46、，它把故障間隔時間看成一種隨機過程，符合一定的分布，分布參數依賴于各間隔時間內程序中的殘留故障數。模型基本假設如下:一、軟件中的初始故障個數為一個未知但固定的常數，用N表示。二、故障一旦被查出即被完全排除，且不引入新的故障于是每次排錯之后，N就減1。三、任何時候的故障率都與軟件中的故障剩余個數成正比，其單位故障率用表示。設，表示相繼出現的并被改正的故障之間的時間區間樣本，則第次故障發生的時間服從參數的負指數分布，其故障密度函數可以表示為: （4.1）JM模型的數學表示簡單，假設比較合乎直覺，數據要求也較為簡單。但是其假設二不完善，因而缺乏廣泛適用性。本文對假設二做出修改，建立一個適用于變電站綜

47、合自動化系統的改進的JM可靠性模型。本文根據某變電站綜合自動化系統軟件的測試數據，利用基于改進的JM模型的軟件可靠性模型預測出單位故障率，軟件設計中存在的初始故障數及其查出時間。模型的仿真軟件為Matlab6. 5，其算法流程如圖4.3所示。其中，當前累積故障數表示到當前時間為止系統累積發生故障的次數；下一故障發生率為監測程序根據當前狀況預測下一故障發生的概率；下一故障時間表示預測下一故障最有可能發生的時間;初始故障數為估計出的軟件設計和編碼中存在的原始故障個數。由于該模型的參數方程是非嚴格單調的，本文采用了步長為0.1的試探性數值求解法，以保證在較短時間內求得參數的滿意解。通過對變電站綜合自

48、動化系統的軟件可靠性的模型的研究，可以做以下工作：1、對所開發的軟件進行可靠性預測，并根據可靠性指標判斷其是否能滿足實際運行需要；2、可以利用該模型估算測試成本。針對目前電力系統對軟件可靠性的研究相對薄弱的情況，本文對變電站綜合自動化系統軟件的開發測試階段建立了軟件可靠性模型并提出了相應的算法，提出的改進JM模型在原有JM模型的基礎上引入了故障消除概率，從而克服了原模型對于排錯過程估計過于樂觀的不足。該算法能估計出軟件初始故障數、單位故障率，并能預測出軟件下一故障發生的概率及最可能出現的時間，為判斷產品的質量達標與否提供理論依據。4.3 算法流程圖5結論本文遵循電氣工程設計的一般步驟和方法，按

49、照相應的要求，對一機械廠供配電及綜合自動化系統進行了詳細的設計，從而不僅使此化肥廠的供電系統能完全滿足改造后的要求，并且其配電室自動化水平也更具智能化。在供電可靠性，安全性，經濟性及變配電室的科技含量等方面都有很大的提高。論文所完成的主要工作和取得的一些成果包括:一、調查了供電系統原有的結構，確定了現有系統的供電方案。同時，優化原有系統的不足之處，調整負荷分配，明確補償方式。二、通過負荷計算、短路電流計算和動熱穩定校驗計算得出相應的數據，查閱相關規范和書籍，并且以最優化為原則，綜合考慮，多方面比較，選擇出了能保證供電安全可靠的電氣設備。三、設計出了二次回路，時刻檢測電氣參數，使其具有對一次設備

50、的控制、調節和保護，從而保證供配電的安全可靠性。在優化原有系統的同時采取多種措施及技術減少改造成本。四、通過可行性分析，結合實際情況，設計出了符合本廠條件的綜合自動化系統。同時，采取有力措施提高變電站綜合自動化系統的可靠性。五、對變電站綜合自動化系統軟件的開發測試階段建立了軟件可靠性模型并提出了相應的算法。參考文獻1l中國航空工業規劃設計研究院，工業與民用配電設計手冊(第三版)，北京:中國電力出版社，2005.2 編寫組，工廠常用電氣設備手冊(第二版).北京:中國電力出版社，1997.3 楊岳，電氣安全，北京:機械工業出版社，2003.4 雍靜，供配電系統，北京:機械工業出版社，2003.5

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57、396.38 Hsu Y Y, Kuo H C. Dispatch of capacitors on distribution system using synamic programming.IEE. Proceedings-C, 1993, 140(6):433-438.致謝本論文的研究工作是在我的老師梁*的精心指導和悉心關懷下完成的，在我的學業和論文的研究工作中，無不傾注著老師辛勤的汗水和心血，在此成文之際，謹向梁老師致以最衷心的感謝和最崇高的敬意！從尊敬的導師身上，我不僅學到了扎實、寬廣的專業知識，也學到了許多做人的道理。導師的嚴謹治學態度、淵博的知識、無私的奉獻精神給我留下了深刻的印

58、象，并將使我終身受益。另外，我還要感謝所有學習期間曾給我幫助的老師、同學和朋友。衷心的感謝在百忙之中評閱論文和參加論文答辯的各位老師!署名：*二零一零年五月附錄一變電所10kV高壓一次系統圖：附錄二變電所380V低壓一次系統圖：附錄三機械廠負荷計算表：序號名稱類別設備容量需要系數cos計算負荷1鑄造車間動力3000.40.71.02120122.4照明100.80.90.4883.8小計310128126.2179.82732鍛壓車間動力2800.30.61.3384111.7照明100.70.90.4873.4小計29091115.1146.72233倉庫動力300.40.850.62127

59、.4照明50.80.90.4841.9小計12169.318.5284電鍍車間動力2000.50.850.6210062照明80.80.90.486.43.1小計208106.465.1124.71895工具車間動力2500.30.651.177587.8照明100.90.90.4894.3小計2608492.1124.71896組裝車間動力2000.40.71.028081.6照明260.80.90.4820.810小計226100.891.6136.22077維修車間動力3000.20.61.336079.8照明130.80.90.4810.45小計31370.484.8110.21678

60、金工車間動力3500.20.651.177081.9照明80.80.90.486.43.1小計35876.485.0114.31749焊接車間動力8500.30.451.98255504.9照明260.80.90.4820.810小計876275.8514.9584.188710鍋爐房動力2000.70.80.75140105照明40.80.90.483.21.5小計204143.2106.5178.527111熱處理車間動力5000.60.71.02300306照明100.80.90.4883.8小計510308309.8436.866412生活區照明2000.70.90.4814067.2