【《基于MATLAB的工厂供配电系统设计与仿真运行研究》9100字】

基于MATLAB的工厂供配电系统设计与仿真运行研究摘要随着社会对于工业技术水平的需求的提高，科技发展水平的不断提高，引领着机械加工产业不断向前发展，这便要求我们提高机械加工厂的电力系统水平和一体化进程。供配电系统的主要目的是保证机械加工工厂生产效率的提高，通过对本次加工厂系统的设计，提高了机械生产各个过程的生产效益。在本次毕业论文的设计中，我首先在网上查阅了关于机械加工工厂的有关资料，了解机械加工的生产流程，厂房的布局、负荷的种类，然后根据需要系数法求出总的负荷以及功率，接着根据算出的结果原则合适的变压器进而画出总的电气主接线图，然后算出35KV、6KV、0.4KV侧的短路电流根据计算结果进行供配电系统的防雷与接地系统设计，最后利用MATLAB仿真软件依次进行仿真设计，调试以达到最佳的理想运行状态，完成机械加工厂的电力系统自动供配电系统设计和车间以及生活区的供配电设计。关键词：机械加工厂；变压器；；；仿真运行目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 绪论当前社会，电能已成为现代化工业生产中最主要的技术支持和生产的主要动力，电能从产生到发展包含了发电、输电、变电、用电等几个环节，在电能的传输与分配方面，我们发现电能既简单经济又特别方便控制与调节，进而我们可以看出电能对于经济的增长以及工业化的生产起着重大而又关键的作用。本次毕设的论文课题为机械加工工厂的电力系统的设计，该设计是以工厂供电课程为理论依据，通过对曾经学过的理论、实践专业课知识进行的一套详细汇总，总结出在工厂电力系统设计的过程中，我们必须遵循经济、安全的设计原则，确保设计出质量和性价比高的供配电设备，以防止当工厂监管、保护等保护措施存在问题时，给工厂的经济与效率造成损失。它是一个由相互连接的机器组成的庞大系统，以极高的可靠性向终端用户传输电力然而，无论是在结构上还是在功能上，电力系统都在经历着巨大的转变。这种转变主要是由于各种不同的发电来源的出现，从大型风电场到屋顶光伏发电。这种现象的出现是由于社会对更可持续和更有效的能源组合的渴望，这往往表现为各级政府的政策倡议。为了实现各项计划所设定的目标，需要将可变的可再生资源纳入电力系统。这种整合被证明是重要的，原因有两个为了描述当前的实践，我们简要概述了电网。顶层是连接大型发电机和变电站的网状网络，底层是将电力从变电站输送到最终用户的网络。这些层分别称为传输网络和分配网络。目前，电力系统的主要控制是传输网中的传统发电机(如煤电、核电、水电厂和燃气电厂)这些生成器是承诺和派遣服务加载系统中，通常在实际操作时间提前一天，因为发电机的开/关和增加约束。根据上网查阅关于济宁某机械加工厂的各个加工车间的用电情况的资料，让我们对机械加工厂的供配电有了初步的分析和系统的了解，提高了电力系统分析和设计工厂供配电气系统的一些能力，帮助我们能够更好的通过本次的毕业设计明确系统设计的基本准则，增强了专业知识的灵活性，更好的将理论应用到实践，更好的提高对于专业课知识更深层次的理解与研究。在进行本次设计之前，首先温习了以前学过的《工厂供电》的内容知识，回顾了曾经学过的知识点和计算方法，熟悉了本次设计的流程，找到属于自己的设计思路，安装好本次毕设所需要的一些软件，巩固加强所学过的知识，掌握每一步骤所需要的方法，然后又复习了曾经学过的CAD软件和matable软件的应用方法，熟悉了整个设计所需要的流程，加强了对以前专业知识的理解，并且为本次毕业设计做好了基础，更加明确了配电系统对电力系统的关键核心作用，明确了配电系统在电网中所占的核心地位，以及对于工厂生产以及生活的重要性，对于国家的进步以及生产力的提高，因此，机械加工厂的设计要严格按照其各个厂区和车间的需求、建设的工程特点以及厂区未来的扩建计划用发展的眼光看待问题，做到两者的有机结合与统一，依照就近原则，根据所学负荷的计算、变压器的选择、以及地区供电的优缺点制定出合格的系统的电气设计方案。总之，毕业设计是我大学生活中的最后一次作业，要用极其认真的态度和清晰的思路去完成它。2机械加工厂负荷情况2.1负荷概述通过参考有关资料我们清楚的认识到任何一个工厂供配电系统设计的项目，我们首要的任务就是要确定工厂所需的总的供电容量，然后通过我们所学的知识精确的计算出各个车间的负荷，合理的确定好与各个车间相适合的变压器型号以及容量，各个变压器开关的大小以及变压器导体的截面积，从而可以帮助我们达到本次项目构建的经济性和效率性，这些因素都是本次设计电气技术人员所要认真考虑的。翻看之前的课本，不难发现，当前我国主要有两种方法计算用电设备的负荷的大小，即我们平时课堂上经常使用的和二项式系数法，该方法将不同负荷的需求系数和同步系数乘以设备性能的产出，同时乘以需要系数和同步系数，然后将设备性能与实际数据相比较，。在本次毕业设计中，更符合设计思路更简便的是需要系数法，下表便是的计算公式。表2.1负荷计算公式有功功率公式无功功率公式视在功率公式计算电流公式其中：负荷容量总和：需要系数：功率因数：功率因数正切值：额定电压2.2负荷调查本机械加工厂有、、、、、、热处理车间、、、、等总计12个车间，另外还有属于工作人员的行政办公区、生活区、休闲区等一些生活休闲娱乐区域，经过上网查阅有关加工厂的一些资料，以及对于各个车间中机器设备的仔细选型综合各个方面的考量，然后运用所学知识，进而确定了各个车间的情况下面是各个车间的统计情况如下表所示：表2.2机加工工厂电力负荷统计表标号车间1机加工车间624000.800.850.622锻工车间618000.550.61.333配料车间616000.800.61.334冷加工车间612000.900.51.735模具车间68000.800.850.626装配车间621000.800.80.757热处理车间613000.700.71.028高压泵房618000.900.750.889空压站69000.900.71.0210煤气站69000.900.71.0211成品车间0.38500.700.800.7512维修车间0.38480.750.830.6713办公区0.38400.800.830.6714生活区0.38220.900.870.5515休闲区0.38250.800.800.72总计——14985———2.3负荷计算机加工车间:P=2400KW,K=0.8,cosØ=0.85,tanØ=0.62有功功率：P=PK=2400×0.8=1920KW无功功率：Q=PtanØ=1920×0.62=1190.4Kvar视在功率：S===2259KV·A电流计算：锻工车间P=1800KW,K=0.55,cosØ=0.6,tanØ=1.33有功功率：P=PK=1800×0.55=990KW无功功率：Q=PtanØ=990×1.33=1316.7Kvar视在功率：S===1647KV·A电流计算：配料车间P=1600KW,K=0.8,cosØ=0.6,tanØ=1.33有功功率：P=PK=1600×0.8=1280KW无功功率：Q=PtanØ=1280×1.33=1702.4Kvar视在功率：S===2130KV·A电流计算：冷加工车间P=1200KW,K=0.9,cosØ=0.5,tanØ=1.73有功功率：P=PK=1200×0.9=1080KW无功功率：Q=PtanØ=1080×1.73=1868.4Kvar视在功率：S===2158KV·A电流计算：模具车间:P=800KW,K=0.8,cosØ=0.85,tanØ=0.62有功功率：P=PK=800×0.8=640KW无功功率：Q=PtanØ=640×0.62=396.8Kvar视在功率：S===753KV·A电流计算：装配车间:P=2100KW,K=0.8,cosØ=0.8,tanØ=0.75有功功率：P=PK=2100×0.8=1680KW无功功率：Q=PtanØ=1680×0.75=1260Kvar视在功率：S===2100KV·A电流计算：热处理车间:P=1300KW,K=0.7,cosØ=0.7,tanØ=1.02有功功率：P=PK=1300×0.7=910KW无功功率：Q=PtanØ=910×1.02=928.2Kvar视在功率：S===1299.8KV·A电流计算：高压泵房:P=1800KW,K=0.9,cosØ=0.75,tanØ=0.88有功功率：P=PK=1800×0.9=1620KW无功功率：Q=PtanØ=1620×0.88=1425.6Kvar视在功率：S===2157KV·A电流计算：空压站:P=900KW,K=0.9,cosØ=0.7,tanØ=1.02有功功率：P=PK=900×0.9=810KW电流计算：无功功率：Q=PtanØ=810×1.02=826.2Kvar视在功率：S===1157KV·A电流计算：煤气站:P=900KW,K=0.9,cosØ=0.7,tanØ=1.02有功功率：P=PK=900×0.9=810KW无功功率：Q=PtanØ=810×1.02=826.2Kvar视在功率：S===1157KV·A电流计算：成品车间，，，；有功功率：无功功率：视在功率：S===43.1KV·A电流计算：维修车间，，，；有功功率：无功功率：视在功率：S===43.3KV·A电流计算：办公区，，，；有功功率：无功功率：视在功率：S===38.5KV·A电流计算：生活区，，，；有功功率：无功功率：视在功率：S===22.59KV·A电流计算：休闲区，，，；有功功率：无功功率：视在功率：S===24.6KV·A电流计算：综上所述，利用需要系数法来计算出整个机械加工厂所需的负荷，如表所示：表2.3机械加工厂计算负荷统计表标号车间计算负荷/KW/Kvar/KVA/A1机加工车间624000.800.850.6219201190.422592172锻工车间618000.550.601.339901316.71647158.43配料车间616000.800.601.3312801702.421302054冷加工车间612000.900.501.7310801868.42158207.65模具车间68000.800.850.62640396.875372.46装配车间621000.800.800.751680126021002027热处理车间613000.700.701.02910928.21299.81258高压泵房618000.900.750.8816201425.621572079空压站69000.900.701.02810826.21157111.310煤气站69000.900.701.02810826.21157111.311成品车间0.38500.700.800.753525.243.165.412维修车间0.38480.750.830.673624.1243.365.713办公区0.38400.800.830.673221.4438.558.414生活区0.38220.900.870.5519.810.8922.5934.3215休闲区0.38250.800.800.722014.424.637.3716；—11880.811245.1163581878.2

3无功功率补偿及变压器选择3.1无功功率补偿概述若要满足整个机械加工厂工厂的，在整个系统运行的过程中就需要大量的无功电源来辅助整个系统的平稳运行，在整个设计的过程中需要我们将电压稳定在一个正常的水平内。3.2无功功率补偿计算高压侧低压侧；由无功补偿规范可知，要求的功率因数，因为变压器本身其的损耗相对于的损耗要小，通常两者关系大约为，低压侧与高压侧大致相同，我们取计算的功率因数为。（1）机械加工厂的高压侧补足的容量值：取，因此选取型号为的并联电容器，则补偿个数为：；经过补偿高压侧容量：变压器有功功率的损耗：；变压器无功功率的损耗：；补偿后的高压侧计算负荷：；；；补偿后的功率因数：；这一功率因数满足要求。（2）机械加工厂的低压侧补足的容量值：取，因此选取型号为的并联电容器，则补偿个数为：；经过补偿低压侧容量：；变压器有功功率损耗：；变压器无功功率损耗：；补偿后低压侧计算负荷：；；；补偿后的功率因数为：；这一功率因数满足要求。3.3变压器选择当我们选择工厂主变压器时，要根据工厂的现实基础用电器材以及变电所实际所具有的特点进行综合考量，在本次工厂设计中综合各个方面考量，我们最后采用的是降压变电所更符合本次机械加工厂的设计，我们针对工厂的供电需求分有35KV、6KV、0.38KV三个电压等级，由于本次供电过程设计中电力分配的各个电力指标都比较明确，更能确保用电安全。我们初步选定了双绕组变压器，并且上网查阅了我国电力系统双绕组变压器的运转法则，可以得出以下结论：我们发现现阶段我国变压器在绕组方面的接线方式一共有两种，第一种是Ｙ型连接，第二种是△型连接。对于这两种连接方式多方面的比较，和反复推敲琢磨，我们找到了最符合本次毕业论文主接线设计的方法是Yo/Yo/△的这种接线方式，所以本次我们选择的的中YNd11型最符合本次设计的要求。本次设计的低压侧主变压器容量为：。并且保留工厂未来对于扩建厂房具有一定的发展需求。查表选择6台型号为的主变压器，使其组合使用。选择低压侧主变压器容量为，查表选择2台型号为的主变压器，使其单独使用。变压器参数如下表所示：表3.1主变压器参数表数量（台）联结组标号（KW）(空载)阻抗SG11-4500/3564500YNd1135±5%6.34.32/31.380.48%7%SG11-200/62200YNd116.3±5%0.40.5/2.53.5%4.5%4短路电流计算4.1短路电流概述短路电流的计算方法：

（1）的计算阻抗计算：；；阻抗计算：；；阻抗计算：；；阻抗换算：；。（2）标幺值法基准值的计算：基准容量的选取：基准电压：；基准电流计算：；基准电抗：；元件标幺值：电抗的计算：；电抗的计算：；电抗的计算：；短路电路的计算：； ；；；三相短路计算：。4.2短路电流计算在变电站里面假如有三个短路点：选取短路点1为：的主变压器侧选取。选取短路点2为：的主变压器侧选取。选取短路点3为：的主变压器侧选取。加工厂的短路线路图，如下：图4.1等效线路图首先确定基准值：取，，，；则基准电流为：；；；（2）确定元件标幺值为：经过查表可以得出，选择的断路器值为，因此电抗标幺值为：；电力变压器为：，即，；电抗标幺值为：，所以；变电站，如下图所示：图4.2等效电路图K-1点：短路电流的计算：；；；； ；三相短路容量为：；K-2点：短路电流计算为：；；；；；三相短路容量为：；K-3点：短路数值计算：；；；；；三相短路容量：；短路电流计算结果如下表：表4.1短路电流计算结果短路点三相短路容量4.34.34.3116.5277.812121230.618.12133.36.266.266.26169.454.35

5电气主接线设计5.1电气主接线概述代表了电气设计内容的整体的一个设计方向。当然我们在设计电气主接线时候也有一些需要注意的设计规则，要确保工厂发生部分线路电气发生故障时，其他非故障电气部分可以正常的运行，确保工厂的经济效益和工作人员的安全问题，以及工厂整个电力负荷的稳定供给。5.2电气主接线方式电气主接线想要达到的工厂需求，就需要满足一些负荷不停电需求，在车间设备发生故障和不正常运行的情况下就要求动作要快和输送的电能满足工厂需求三方面。同时主接线图的设计也是整个工厂电气设计部分的高电压、大电流等方面的重要组成部分，是整个毕业设计的核心，在整个设计中占据主导地位，电气接线方式直接影响到整个工厂电力系统的生产运行对于工厂的经济效率。对于电气设备的选择与校验等方面都有积极作用、所以确保设计良好的主接线是整个设计的关键，以下是常用的几种接线方式。这种接线方式具有以下的好处：(1)首先可以保证供电系统的可靠性，并且可以确保并列运行时的稳定性(2)而且这种接线具有非常好的灵敏度，当发生故障时，能够迅速反应故障点的位置，具有良好的选择性，使操作更加简单(3)并且该接线方式回路数比较少，操作简单。对于采用该接线方式的工厂里的变电所通常选用两条回路输电的供电线路。(1)单母线接线单母线的接线方式应用在供电过程比较简单方便、有利于以后企业扩建，而且需要的资金少。(2)双母线连线此接线方式供电可靠性特别好。调度也比较灵活，对于工厂扩建比较方便，方便设计，但也有许多缺点，例如开关电器也比较多，在每个会路上配电装置复杂，占地面积大增加了投资，所以该接线方式不适合一般配电所。(3)桥式接线，所以当加工厂采用两回路进线时，选用此接线方式。(4)线路一变压器组接线配电装置也比较简单，节约了建设所用的投资资金。在本次设计中，我们选取是比较合适。上述如下图所示：图5.1 图5.2图5.3 图5.4 图5.5 图5.6满足设计工厂设计标准的技术指标以及规范程度方面，充分考虑到机械加工厂各个车间的表5.2图5.7

6电气设备选择电气设备概述电气设备的选择对于本次毕业论文的设计非常关键，它要求我们要在满足本次机械加工厂设计基础理论的前提下，根据机械加工工厂各个车间的环境条件不一样、所要求的各个参数不同，全面的考虑各个状况和有可能发生的故障。来进行系统的选出最适合本次毕业设计机械加工厂的电气设备，保证本次机械加工厂设计方案的可行性，严格依照选择要求挑选出最适合的电气设备，然后对挑选出的电气设备进行检验短路情况下的各个电气设备的稳定参数，保证本次设计符合规范。（1）首先要满足各种各种运行要求，并考虑好工厂远景的发展目标；（2）而且要按照工厂的，综合考虑可能受到环境影响的因素进行校验；（3）应保持协调；（4），方便整个工厂的运行管理要求；（5）我们选用的设备应。的所有相关的设备，其中主要包括的是各种各样的电气设备例如：负荷开关、熔断器、安排设备。断路器的主要作用：负荷开关的主要作用：隔离开关的作用：熔断器的作用：的作用：具有一定比例的二次电流。电压互感器的作用：低电压的标准的二次电压。的校验：不能超过设备允许的最大值。热稳定的校验：，不可以超过其现行标准下的最大值。进行和的目的是由于导电元器件本身具有，高压的状态下会产生大量的热，最终进行热、动稳定校验是更好的为了接触点在热能状态下仍能保持稳定工作而不发生断电现象。选择情况，如下表：表6.1的选择及性能校验表设备名称额定电压额定电流开断能力短路电流校验环境条件其它动稳定热稳定断路器√√√○○○操作性能负荷开关√√○○○操作性能隔离开关√√○○○操作性能熔断器√√√○上、下级间配合电流互感器√√○○○电压√○二次负荷、准确等级母线√○○○注：表中“√”为，“○”为校验项目。在本次设计中，我们选择了35KV、6KV、0.4KV三种等级的电压，综合车间的工作环境对上述电气设备进行依照标准的选择，然后测试短路情况下的电气设备的和进行分析，判断出最符合本次设计的要求的电气设备，进而可以得出机械加工厂电气设备最终的选择结果。最终结果如下表所示：表6.2电气设备的最终选择表设备名称35KV6KV0.38KV开关柜JYN1-35KYN2-6PGL2-40断路器SN10-35I/630SN10-6I/1000DW15-630负荷开关FZN12-35/T630FZN12-6/T1000HGL-160隔离开关GN-35T/600GN-6T/1000熔断器RW10-35/0.5RW10-6/0.5RM10-15LCZ-35LQJ-10LMZ1-0.5JDZXF9-35JDZJ-6避雷器FZ15-35FZ15-6FZ15-0.38母线LGJ-120LMY-185LMY-40

7继电保护选择7.1继电保护的概况我们常用的电流保护装置主要有一些断路器，熔断器等一些电气设备，当系统发生故障，或者短路时，能迅速切断电源，保护整个电路的安全，防止对整个设备造成损坏，危害人身安全，导致工厂的经济效率下降，减少不必要的财产损失，所以为了提高工厂线路供电的稳定性，消除潜在因素产生的危害后果。7.2电力线路的保护方式I段：动作比较迅速、速度也比较快、所用时间短、而且响应速度高。II段：确保装置的安全可靠性和装置灵敏性较好，但是不能够很好的对整个线路保护，并且负荷也会随着电源距离的变化而发生变化。III段：，能够对整个线路进行保护，保护范围较广，总体效果是最好的。图7.1三段式电流保护装置当被保护的范围内中发生的时候，和发生瞬时动作时，该装置触点闭合，使产生跳闸反应，便可以切除短路故障。7变压器保护不可避免的出现各种故障以及异常情况，所以我们要对变压器添加保护装置，以保证整个设计电路安全可靠的运行，发生短路故障时一般常用、相间短路的后备保护、等保护方式。在本次设计中，电力系统选择的护方式是瓦斯保护，纵差保护。对于车间油箱内出现的各种各样的故障能迅速做出响应，而且可以将出现的各种故障及时消除，虽然这种保护有许多好处，但是也存在着诸多缺陷，最重要的一点就是不能对油箱外面的引出线或者套管上出现的故障及时的做出响应。因此该保护作为唯一的主保护时我们需要考虑线路的安全隐患，可以作为短路信号，本次设计采用的时瓦斯保护和纵差保护结合，以保证运行可靠。根据运行原理的要求，将位于两侧不同依次连接，通过判断环路电流的变化来检验存在的故障，然后迅速做出对于故障检验的响应，尽可能的缩小故障发生后所产生的影响。图7.3变压器纵差保护电气原理图变压器纵差保护电气原理图，如下图所示：图7.4变压器纵差保护电气原理图基于以上结论，该保护涵盖了两侧的所有范围，即受到保护的元器件，当故障发生地超出保护范围时，该保护装置不发生动作。发生的时间和动作值上进行整合，就可以实现整个线路的并且能够及时的排除故障。

8仿真运行9.1仿真运行概述本次毕业系统设计的最后一步便是仿真运行，通过整个设计进行供配电方面的仿真，方便我们通过模拟分析出该系统在实际运行情况下可能出现的状况，使得方案的可行性分析更加准确，使得系统更加安全可靠，通过模拟运行的调试分析可以得出相对准确的参数，帮助我们更加准确的分析出整个设计的优缺点及时的改进不足，更好的完善整个系统的设计。在本次仿真中应用的是MATLAB软件，找到合适的算法从而实现整个设计的完整的模拟运行。Simulink是整个模块用于控制理论的仿真设计，在整个设计的检验过程中起到关键作用，在模拟的过程中我们本次没有应用复杂的程序，只选取需要的组件进行仿真，更改一些组件的参数，进而完善提高整个系统的性能确保方案在正常状态下实施的可行性，正是由于这些优点，可以帮助我们更直观的展示出设计的整体运行，所以该软件已成为日常应用最广泛的软件之一。9.2仿真运行图8.2变压器运行仿真图图8.3三相正常运行时电压波形图8.4三相正常运行时电流波形由上图可知，电路正常运行时，电压和电流的波形都为正弦波。图8.5变压器短路电流仿真图8.6单相短路时电压波形图8.7单相短路时电流波形当发生单相短路时，相电压变为零，其他两相仍为正常的正弦波；发生故障的相电流激增加，后又渐渐为零，正常路电流不变。图8.8两相短路时电压波形图8.9两相短路时电流波形当发生两相短路时，变为零，其他一相保持不变；两个增大大，然后慢慢靠近零，另外一相的电流不变。图8.10三相短路时电压波形图8.11三相短路时电流波形上图可知，三相短路时，均变为零；变大，然后逐渐衰减变为零。结论在本次设计中对于遇到的整个设计中的问题，要具体问题具体的分析，当然小组的