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摘要：本文針對大型工業(yè)企業(yè)變電站的設(shè)計與運行優(yōu)化問題展開研究。通過分析大型工業(yè)企業(yè)變電站的特點和功能，探討了變電站的選址、設(shè)備選型、自動化系統(tǒng)設(shè)計等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時，對變電站的運行管理模式、維護策略和能效優(yōu)化方法進行了深入分析。研究表明，科學(xué)合理的變電站設(shè)計和運行優(yōu)化能夠顯著提高供電可靠性、降低運營成本，為大型工業(yè)企業(yè)的穩(wěn)定運行提供有力保障。本研究為大型工業(yè)企業(yè)變電站的規(guī)劃建設(shè)和運營管理提供了理論指導(dǎo)和實踐參考。
關(guān)鍵詞：大型工業(yè)企業(yè)；變電站設(shè)計；運行優(yōu)化；自動化系統(tǒng)；能效管理
0引言
隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，大型工業(yè)企業(yè)對電力供應(yīng)的可靠性和質(zhì)量提出了更高要求。變電站作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點，其設(shè)計和運行水平直接影響著企業(yè)的生產(chǎn)效率和運營成本。本研究旨在探討大型工業(yè)企業(yè)變電站的設(shè)計原則和運行優(yōu)化策略，以提高變電站的供電可靠性和運行效率。
針對大型工業(yè)企業(yè)特殊需求的變電站設(shè)計與運行優(yōu)化研究仍顯不足。本研究將結(jié)合大型工業(yè)企業(yè)的特點，深入探討變電站設(shè)計與運行中的關(guān)鍵問題，為企業(yè)提供切實可行的解決方案。
大型工業(yè)企業(yè)變電站是為滿足企業(yè)大規(guī)模用電需求而設(shè)計建造的專用變電站。與普通民用變電站相比，它具有負荷集中、容量大、可靠性要求高等特點。這類變電站通常采用高壓或高壓供電，電壓等級可達110kV甚至更高，以滿足企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的電力需求。
變電站的主要功能包括電壓變換、電能分配、功率因數(shù)補償和保護控制等。通過變壓器將高壓電能轉(zhuǎn)換為適合生產(chǎn)設(shè)備使用的電壓等級，并通過配電網(wǎng)絡(luò)將電能分配到各個用電單元。同時，變電站還配備有完善的保護和控制裝置，確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。對于大型工業(yè)企業(yè)而言，變電站不僅是電力供應(yīng)的樞紐，更是保障生產(chǎn)連續(xù)性和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)施。
變電站設(shè)計是確保其安全可靠運行的基礎(chǔ)。首先，選址和布局應(yīng)考慮負荷、進出線方便、地質(zhì)條件等因素，同時要預(yù)留發(fā)展空間。設(shè)備選型是設(shè)計的核心環(huán)節(jié)，需要根據(jù)負荷特性、短路容量等參數(shù)選擇合適的變壓器、開關(guān)設(shè)備、保護裝置等。主變壓器容量應(yīng)滿足負荷需求，并考慮一定的裕度。
自動化系統(tǒng)設(shè)計是現(xiàn)代變電站的重要特征。應(yīng)配置完善的SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、保護和控制功能。同時，可考慮引入智能診斷、負荷預(yù)測等應(yīng)用，提高變電站的智能化水平。此外，還需重視接地系統(tǒng)、防雷保護等安全設(shè)施的設(shè)計，確保人員和設(shè)備安全。
運行管理是變電站發(fā)揮效能的關(guān)鍵。應(yīng)建立完善的運行管理制度，包括值班制度、操作規(guī)程、應(yīng)急預(yù)案等。采用先進的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和異常情況的快速響應(yīng)。維護策略方面，可結(jié)合狀態(tài)檢修和預(yù)防性維護，提高設(shè)備可靠性，降低維護成本。
能效優(yōu)化是變電站運行管理的重要內(nèi)容。可通過優(yōu)化變壓器運行方式、合理配置無功補償裝置、功率因數(shù)等措施提高能源利用效率。同時，可利用能源管理系統(tǒng)對變電站的能耗進行監(jiān)測和分析，找出節(jié)能潛力，制定針對性的改進措施。此外，還可考慮引入新能源和儲能系統(tǒng)，進一步提高變電站的能源利用效率和供電可靠性。
Acrel-1000變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)在邏輯功能上由站控層、間隔層二層設(shè)備組成，并用分層、開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)連接。站控層設(shè)備包括監(jiān)控主機，提供站內(nèi)運行的人機聯(lián)系界面，實現(xiàn)管理控制間隔層設(shè)備等功能，形成全站監(jiān)控，并與遠方監(jiān)控、調(diào)度通信；間隔層由若干個二次子系統(tǒng)組成，在站控層及站控層網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設(shè)備的就地監(jiān)控功能。
針對工程具體情況，設(shè)計方案具有高可靠性，易于擴充和友好的人機界面，較好的性價比，監(jiān)控系統(tǒng)由站控層和間隔層兩部分組成，采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，站控層網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)。站控層網(wǎng)絡(luò)采用單網(wǎng)雙機熱備配置。
4.2應(yīng)用場所
適用于公共建筑、工業(yè)建筑、居住建筑等各行業(yè)35kV以下電壓等級的用戶端配、用電系統(tǒng)運行監(jiān)視和控制管理。
Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號。
監(jiān)控系統(tǒng)具有事故報警功能。事故報警包括非正常操作引起的斷路器跳閘和保護裝置動作信號；預(yù)告報警包括一般設(shè)備變位、狀態(tài)異常信息、模擬量或溫度量越限等。
1） 事故報警。事故狀態(tài)方式時，事故報警立即發(fā)出音響報警（報警音量任意調(diào)節(jié)），操作員工作站的顯示畫面上用顏色改變并閃爍表示該設(shè)備變位，同時彈窗顯示紅色報警條文，報警分為實時報警和歷史報警，歷史報警條文具備選擇查詢并打印的功能。
事故報警通過手動，每次確認一次報警。報警一旦確認，聲音、閃光即停止。
次事故報警發(fā)生階段，允許下一個報警信號進入，即次報警不覆蓋上一次的報警內(nèi)容。報警處理具備在主計算機上予以定義或退出的功能。
2） 對每一測量值（包括計算量值），由用戶序列設(shè)置四種規(guī)定的運行限值（物理下限、告警下限、告警上限、物理上限），分別定義作為預(yù)告報警和事故報警。
3） 開關(guān)事故跳閘到該次數(shù)或開關(guān)拉閘到該次數(shù)，推出報警信息，提示用戶檢修。
4）報警方式。
報警方式具有多種表現(xiàn)形式，包括彈窗、畫面閃爍、聲光報警器、語音、短信、電話等但不限于以上幾種方式，用戶根據(jù)自己的需要添加或修改報警信息。
操作員對需要控制的電氣設(shè)備進行控制操作。監(jiān)控系統(tǒng)具有操作監(jiān)護功能，允許監(jiān)護人員在操作員工作站上實施監(jiān)護，避免誤操作。
操作控制分為四級：
第控制，設(shè)備就地檢修控制。具有優(yōu)先級的控制權(quán)。當(dāng)操作人員將就地設(shè)備的遠方/就地切換開關(guān)放在就地位置時，將閉鎖所有其他控制功能，只進行現(xiàn)場操作。
級控制，間隔層后備控制。其與第三級控制的切換在間隔層完成。
第三級控制，站控層控制。該級控制在操作員工作站上完成，具有遠方/站控層的切換。
第四級控制，遠方控制，優(yōu)先級。
原則上間隔層控制和設(shè)備就地控制作為后備操作或檢修操作手段。為防止誤操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即選擇、返校、執(zhí)行，并在站級層設(shè)置操作員、監(jiān)護員口令及線路代碼，以確保操作的安全性和正確性。對任何操作方式，保證只有在上一次操作步驟完成后，才進行下一步操作。同一時間只允許一種控制方式。
納入控制的設(shè)備有：35kV及以下斷路器；35kV及以下隔離開關(guān)及帶電動機構(gòu)的接地開關(guān)；站用電380V斷路器；主變壓器分接頭；繼電保護裝置的遠方復(fù)歸及遠方投退連接片。
3）定時控制。操作員對需要控制的電氣設(shè)備進行定時控制操作，設(shè)定啟動和關(guān)閉時間，完成定時控制。
4） 監(jiān)控系統(tǒng)的控制輸出?？刂戚敵龅慕狱c為無源接點，接點的容量對直流為110V（220V）、5A，對交流為220V、5A。
系統(tǒng)設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能，通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作系統(tǒng)可以定義不同操作權(quán)限的權(quán)限組（如管理員、維護員、值班員組等），在每個權(quán)限組里添加用戶名和密碼，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
4.5系統(tǒng)硬件配置
應(yīng)用場合 | 型號 | 圖 片 | 保護功能 | ||
35kV變電站綜合自動化系統(tǒng) | Acrel- 1000 |
| 可顯示變電站主接線圖，模擬配電網(wǎng)絡(luò)運行，實現(xiàn)無人值班模式；根據(jù)順序事件記錄、歷史曲線、故障錄波，協(xié)助運維人員實現(xiàn)快速故障分析、定位和排除問題，盡量縮短停電時間；實時采集各回路、設(shè)備的電流、電壓、功率、電能以及諧波、電壓波動等參數(shù)，對配電系統(tǒng)和用電設(shè)備進行用能分析和能效管理 | ||
網(wǎng)關(guān) | ANet- 2E8S1 |
| 8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協(xié)議的數(shù)據(jù)接入，ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT 等協(xié)議上傳，支持斷點續(xù)傳、XML、JSON進行數(shù)據(jù)傳輸、支持標準8GB SD卡（32GB）、支持不同協(xié)議向多平臺轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；每個設(shè)備的多個報警設(shè)置。輸入電源：AC/DC 220V，導(dǎo)軌式安裝。 | ||
35kV/10kV/6kV 弧光保護 | ARB6-A6 |
| 動作時間： 弧光單判據(jù)≤3.8ms 弧光電流雙判據(jù)≤7.8ms | 0.4kV~35kV：每段母線配置1臺主機。 | |
ARB6-A12 | |||||
ARB6-A18 | |||||
ARB6-A24 | |||||
ARB6-A30 | |||||
選配 | 2、3路以太網(wǎng)接口 | ||||
ARB-S0 |
| 無源型廣角寬光譜探頭 （不含電池、免維護） 自帶濾光功能 全絕緣、不含金屬成分 （沒有電氣安全隱患） 配套雙股阻燃光纖（20米） | 高壓柜：母線室配置1個弧光探頭，手車室和電纜室可按需各配置1個弧光探頭。 低壓柜：正對主母排處配置1個弧光探頭。 | ||
ARB-S1 |
| 無源型廣角紫外光探頭 （不含電池、免維護） 自帶濾光功能 ST標準接口 （國網(wǎng)應(yīng)用） 配套雙股阻燃光纖（20米） | |||
35kV/10kV/6kV 進線柜電能質(zhì)量 在線監(jiān)測 | APView500 |
| 相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內(nèi)存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網(wǎng)接口（＋1維護網(wǎng)口）＋1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù)，支持61850協(xié)議。 | ||
35kV/100kV/6kV 間隔智能操控、 節(jié)點測溫 | ASD500 |
| 5寸大液晶彩屏動態(tài)顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕預(yù)分預(yù)合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應(yīng)、柜內(nèi)照明控制、1路以太網(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4～20mA輸出； | ||
35kV/10kV/6kV 間隔電參量測量 | APM830 |
| 三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實時及需量，本月和上月值，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD顯示； | ||
變壓器繞組 溫度檢測 | ARTM-8 |
| 8路溫度巡檢，預(yù)埋PT100，RS485接口，2路繼電器輸出； | ||
變壓器接頭測溫低壓進出線柜接頭測溫 | ARTM-Pn-E |
| 無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊； | ||
ATE400 |
| 合金片固定，CT感應(yīng)取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125C，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米； | |||
應(yīng)用場合 | 型號 | 圖 片 | 保護功能 | 其他功能 | |
35kV/10kV/ 6kV進線 | AM6-L |
| 三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環(huán)保護、斷路器失靈保護； | 操作回路、 雙以太網(wǎng)口、 雙485口、 2路4-20mA變 送輸出、 故障錄波、 GPS對時、 全電量測量 直流量測量 | |
35kV/10kV/ 6kV饋線 | AM6-L | 三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環(huán)保護、斷路器失靈保護； | |||
35kV主變 （2000kVA以上） | AM6-D2/ AM-3 | 兩圈變/三圈變差動速斷保護、比例制動差動保護； | |||
AM6-TB | 變壓器后備保護測控、三段式過流保護（帶方向、復(fù)合電壓閉鎖）、非電量保護、啟動通風(fēng)保護、PT斷線告警、遙調(diào)升檔、遙調(diào)降檔、遙調(diào)急停； | ||||
35kV/10kV/ 6kV廠用變 | AM6-S | 三段式過流保護（帶方向、復(fù)合電壓閉鎖）、零序過流、過負荷保護（告警/跳閘）、控故障告警、PT斷線告警、非電量保護； | |||
35kV電機 （2000kW以上） | AM6-MD | 差動速斷保護、比例差動保護、過流、過負荷、堵轉(zhuǎn)等電機綜合保護； | |||
10kV/6kV 異步電機 | AM6-M | 兩段式過流/零序過流/負序過流保護、過負荷保護（告警/跳閘）、低電壓保護、PT斷線告警、堵轉(zhuǎn)保護、啟動超時、熱過載保護、電壓不平衡； | |||
35kV/10kV/6kV PT監(jiān)測 | AM6-UB | PT并列/解列、PT監(jiān)測； | |||
10kV/6kV 電容器 | AM6-C | 兩段式過流/零序過流保護、過負荷保護（告警/跳閘）、PT斷線告警、過電壓/欠電壓跳閘、不平衡電壓/電流保護； | |||
35kV/10kV/ 6kV母聯(lián) | AM6-B | 兩進線備投/母聯(lián)備投/自適應(yīng)備投、聯(lián)切備投、三段式過流保護（帶方向、復(fù)合電壓閉鎖）、PT斷線告警、過負荷聯(lián)切/告警、檢同期、合環(huán)保護； | |||
科學(xué)合理的變電站設(shè)計是確保其安全可靠運行的基礎(chǔ)，應(yīng)關(guān)注選址布局、設(shè)備選型和自動化系統(tǒng)設(shè)計；運行管理策略和能效優(yōu)化措施能夠顯著提高變電站的運行效率和經(jīng)濟效益；未來，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，大型工業(yè)企業(yè)變電站將朝著更加智能化、自動化的方向發(fā)展，為企業(yè)提供更加可靠的電力供應(yīng)。
【1】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊 2022.05版
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