ETAP机场供配电系统解决方案


一、机场供配电系统特点



机场供配电系统是一个机场重要的能源保障。供电系统可靠与否,它是直接关系到飞机飞行是否安全的重要保障。机场供配电系统主要有以下特点:



1)     机场电力负荷要求最高级别的安全性和可靠性,出于安全考虑,控制塔台、机场跑道和航站楼的电力供应不能间断;



2)     负荷类型复杂,非线性负荷比例特别高,电能质量问题比较严重,因此在机场供配电设计时必须考虑供配电系统的谐波治理;




3)     三相负荷不平衡问题比较严重,不仅降低了线路和配电变压器的供电效率,而且会引起三相电压不平衡,造成电器绝缘击穿、缩短电器使用寿命等。




4)     系统中存在大量直流电源和整流变频装置,由于负载持续性的动态变化,导致供电系统电压波动比较严重,因此在机场供配电系统设计阶段必须进行仿真分析,预先提供解决措施。

二、
ETAP综合解决方案



ETAP是国际通用的电力及电气系统分析计算商业软件,由美国ETAP公司于1984年开发1986年正式发布。目前产品和服务已经涵盖全世界100多个国家,全球有5,000多家用户,50,000多个许可证授权,70多家分公司及代理。同时ETAP也是功能全面的综合型电力及电气分析计算软件,能为发电系统、输电系统、配电系统、微电网系统以及工业电力电气系统提供从规划到设计,从分析、计算、仿真到实时运行控制全面、强大的解决方案。



针对机场电气系统的特点和要求,ETAP软件可以提供一整套全面、可靠的解决方案。例如在机场供配电系统设计阶段,我们可以采用ETAP下列离线分析计算模块辅助设计:

     电缆选型

     短路计算

     谐波分析

     保护设备配合和动作序列

     蓄电池容量估计和放电

     ……


在机场运行维护阶段,我们可以在离线模型的基础上,通过通讯的方式,可以将配电系统的所有采集仪表或者保护测控装置的电气和非电气数据采集过来,结合ETAP强大的分析计算引擎,对整个机场的供电系统提供一套完整强大的能量管理解决方案,实现如下这些高级功能:


     eSCADA高级监测功能

     状态估计和负荷分配

     预测模拟

     事件回放

     能量计量

     ……


鉴于ETAP强大的功能以及各种权威机构的认证,目前在中国已经有相当大一批航空设计院用户正在使用ETAP帮他们解决电力系统的各种问题,比如中国航空规划建设发展有限公司、中国航天科工飞航技术研究院等目前在国内一些重大工程的电气设计过程中都使用了ETAP软件。另外一些国际知名的航空、航天公司也都是ETAP多年的忠实用户,比如美国的NASA(美国国家航空航天局)、波音公司,法国的空客公司等一直使用ETAP设计其电源供电系统。



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三、离线解决方案



下图是某机场供电系统的主接线图,接下来我们通过这个实例介绍一下ETAP如何帮助电气工程师在机场规划和设计阶段,高效、可靠地对机场供配电系统进行分析研究,以及对电气设备的设计选型。




图1某电气系统接线图


     
电缆选型


ETAP电缆载流量计算功能是按照IEC60364、BS7671、IEEE399、ICEA P-54-440以及NEC等标准规定的各种电缆敷设方式,然后结合电缆自身的参数来完成载流量的分析。对于ETAP电缆选型功能,主要基于载流量、电压降、短路、谐波和过载保护等条件来选择合适的截面积。



设计需求:电缆容量计算,电缆成本经济性、可靠性评估。




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图2电缆Cable1选型报告图



结论:如图2计算报告,电缆Cable1负荷电流为4398 A,短路电流为127.2 kA,经ETAP仿真原来需要10根300mm2的电缆优化后只需要8根就可以完全满足设计要求,可节约很大的经济成本。


     短路计算及开关校验


ETAP短路计算模块依据IEC60909和IEC61363标准,既可以计算三相对称短路也可以计算三相不对称短路,计算结果包括初始对称有效值、峰值电流、直流分量、全电流有效值等。为您进行开关设备选型、继电保护整定带来极大的便利。


设计需求:以图3为例,负荷短路时CB10、CB11、CB12分断能力校验。评估负荷短路时对发电机组、市电变压器的保护能力。




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图3短路计算结果显示图




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图4短路概要报告



结论:通过ETAP短路分析,CB10、CB11、CB12如果使用施耐德NW32H1开关分断能力达不到要求,必须调整为NW32H2开关才能在发生负荷故障时有效保护发电机和变压器。


     保护设备配合


ETAP Star过流保护及配合模块提供一个直观的时间-电流特性曲线(TCC)分析方法,来进行保护设备的定值整定及校验。易于使用的图形用户界面、准确的保护设备建模、设备设置报告以及大量的经过V&V认证的保护设备数据库全部都包括在一个集成的、基于保护整定原则设计的分析模块中。下图是水泵支路和上级开关保护配合视图,在图中可以直观的看到各元件保护配合关系,另外ETAP还可以模拟故障发生后各开关的动作顺序,进而对保护整定值进行进一步校验。


设计需求:以图5为例,在网络中一级断路器为CB1,二级断路器为CB158,三级断路器为CB159和CB160,需要实现:1)水泵故障,CB159跳闸但CB160不跳闸;2)风扇故障,CB160跳闸但CB159不跳闸。




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图5保护设备配合曲线及动作序列图



结论:利用ETAP保护设备配合模块,将CB159、CB160、CB158及CB1的TCC曲线在STAR视图进行调整配合,最后在水泵和风扇上依次插入三相故障,开关跳闸顺序完全满足预设要求。


     谐波分析



谐波分析模块可以做系统中各点的谐波污染分析、滤波器设计和频率扫描研究。通过使用谐波分析模块,用户可以发现目前系统条件下各点电压电流的谐波含量和波形畸变度,设计滤波器使系统中各点谐波含量在允许的范围内。通过频率扫描研究用户可以得到不同频率下的系统阻抗,避免发生共振现象,确保系统安全。在以上系统中假定伺服变频器为系统唯一谐波源,通过ETAP分析可以算出系统中各母线及支路的谐波畸变度以及各次谐波的含量。另外ETAP还可以生成各母线的频谱图和波形图。


需求:机场供电系统大量整流器、变频器及UPS的使用,使系统电压、电流产生较大波形畸变,Ithd和Uthd较高,导致用电设备运行不稳定,保护装置经常误动作。



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图6系统谐波计算结果图及母线Bus6频谱、波形图



结论:利用ETAP谐波分析模块,可得母线Bus6三次谐波为0.23%,五次谐波为1.94%,7次谐波为0.30%,建议:1)采用APF有源滤波器降低各次谐波含量;2)设计前期考虑发电机绕组谐波产生的热效应;3)继电保护整定,开关选型应考虑谐波因素。


     蓄电池容量估计与放电校验


ETAP蓄电池容量估计与放电校验遵从IEEE485标准,根据直流系统的负荷设备容量、工作周期计算需要的最小蓄电池容量,并根据确定的蓄电池容量和负荷工作周期模拟蓄电池在整个工作周期里的放电情况,给出详细的计算报告和放电曲线。计算过程考虑了温度、老化等影响蓄电池容量的因数。下图给出了蓄电池4放电曲线及容量估计结果。




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图7  ETAP蓄电池电流                  图8  ETAP蓄电池电压

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图9  ETAP蓄电池容量估计结果



四、实时解决方案



ETAP电力系统监测和模拟(PSMS)是ETAP实时解决方案的核心。对于机场供电系统来说,PSMS是最理想的选择。PSMS利用电气和物理参数、负载以及发电水平、网络拓扑和控制逻辑,能够对各种改变和扰动做出适当的系统响应。另外,PSMS能够确定潜在问题的根源并能提出纠正动作的建议,从而避免断电的发生。PSMS主要包括高级监测、状态估计、事件回放、预测模拟、能量计量等功能。






◆  高级监测



通过智能的图形化用户界面、单线图和数字仪表提供直观、完整的实时监测。监测功能包括校验系统网络状况、估计缺失的系统状态、检测网络异常、趋势测量值和报警通知。




PSMS可以用事件日志和报警工具跟踪并记录不正常的动作。操作员可以在临界故障发生之前发现并通知问题。另外系统信息的变化可以图形化的显示和记录下来。它可将计算结果同测量值作比较,对有缺失数据和存在越限数据的设备将弹出报警框。




PSMS还拥有状态估计功能。电力系统实时运行和控制需要掌握系统的真实运行工况,由于测量和数据通信等方面的原因,得到的数据难免存在误差,甚至出现坏数据,ETAP状态估计能在一定程度上剔除坏数据,准确地实时掌握系统的拓扑结构,提高数据的精度。


◆  事件回放和历史分析


事件回放可以图形化展示系统的历史存储数据,还可以按照指定的时间间隔动态的回放历史事件,事件回放的主要信息包括:系统拓扑、系统负荷(有功、无功)、状态和负荷估计的结果、发电(有功、无功和机端电压)、潮流(线路、变压器和馈线的功率和电流)以及报警和警告等。


事件回放和历史分析主要用于:(1)分析事故或故障的原因和影响;(2)系统运行方式的改进;(3)各种可能的操作探究;(4)“操作预演”案例的讨论。


◆  
预测模拟


预测模拟是一个强大的分析工具,通过使用实时和存档数据,它可以预测系统对操作员动作和事件的系统响应。例如分析在当前系统运行方式和负荷状况下操作员的动作(例如断路器打开或关闭),或者事件(例如a、某些大功率电机的起动;b、假定系统发生大扰动如短路、切机、与主网脱离等)。当然,也可以在事件回放模式下使用存档数据重现系统运行方式和负荷状况来分析操作和事件的系统响应。


◆  
能量计量


ETAP能量跟踪及统计功能可以提供基于地区的关键负荷、不间断电源连接的负荷、配电板以及配电设备的能量损耗,同时可以基于用户定义的成本函数跟踪相关的能量成本。其中能量报告可以增强数据中心整个系统的的性能标准如DCiE(数据中心基础架构效率)及PUE(电源使用效率)。





五、结束语



随着我国民用航空机场的高速发展,机场航站楼和调度中心对电源系统的供电可靠性和电能质量要求越来越高。ETAP民航机场解决方案不仅可以提供从设计到具体设备选型、人员安全风险保证、防止异常断电、电能质量分析及治理等方面的分析计算功能,还能对整个机场的供电系统进行高级监测和优化控制,最大程度保证供电可靠性、安全性。

核心优势

  • 绿色数据中心优化
  • 数据中心专用HMI & 客户显示界面
  • 电力系统管理 & 控制
  • 环境情况监测
  • 安全系统监测 & 评估
  • 仿真预测
  • 序列切换与工作
  • 负荷保持 & 恢复
  • UPS系统监测 & 控制
  • 分布式冗余 & 高可靠性
  • 实时系统可靠性评估
  • 重要设施故障模型 & 影响分析
ETAP电力系统综合解决方案