SIMARIS design 优化工业和民用配电设计
西门子能源管理集团TIP技能中心的研究人员何友林，在2014年《电气技术》杂志增刊上撰文，目前工业和民用配电设计存在如下问题：配电网络计算参数不够精确，设备选型不合理，上下级配电保护定值配合优化不够，设计工作量大等。西门子提供了配电设计软件SIMARIS design。
该软件能够帮助电气设计师在项目设计各个阶段，很大程度上减轻日常繁琐的计算工作，比如，短路电流计算、电压降计算、负荷计算、无功补偿等，并且优化设备选型，比如，断路器、熔断器、电缆等，以及优化上下级开关设备的保护定值，避免越级跳闸风险。
随着国民经济的快速发展，电力消耗逐年增大，电力用户对用电的要求也越来越高，可靠、高效的供配电系统是个永恒的话题。对于工业行业，比如，电力、石化、冶金、电子厂房等，如果工厂的电能供应意外突然中断，或者越级跳闸，以及电能质量问题等，都可能对工业生产和人身安全造成严重的后果。
对于基础设施和建筑领域，比如，地铁、铁路、机场、数据中心、高层或者超高层建筑、医院、大型体育场馆等，避免电气火灾、防止人身触电、可靠持续供电等问题贯穿整个电气设计过程。
对于工业和民用项目，如何减少电气设计师日常繁琐的工作量，并且确保配电系统安全、可靠、经济？我想这也是每一个电气设计师关心的话题。那么，一个辅助的配电设计工具软件是必不可少的。
西门子配电设计软件SIMARIS design能够设计从中压进线、到低压配电直到终端配电系统，协助配电规划设计人员，管理配电设计各个阶段，极大减少电气设计时间，同时，得到一个安全、可靠、经济的配电系统。
1 工业和民用配电设计需求
设计工业和民用配电项目，需要考虑很多方面，其中有几个关键设计要求如下：
1）负荷统计
负荷总体来说可以分为两大类：动力负荷和照明负荷。动力负荷主要是以马达带动相关用电负载的动力设备，通过统计工厂车间、各个楼层等的动力负荷，以及考虑负荷的需用系数和同时系数，最终确定项目总体动力负荷的大小。照明负荷主要是各类照明和插座，依据各个场所照度的要求，结合相应的应用面积，估算照明负荷的大小。最终，确定项目总的负荷需求。
2）短路电流计算
配电系统短路电流计算是为了进行正确合理的配电设备选型以及优化配电保护设备的保护整定灵敏度，因此，此工作在电气设计中是必不可少，也是非常重要的一个环节。依据系统不同运行方式，计算出线路或者用电设备可能发生短路故障的电网参数，比如，三相短路、两相短路、单相以及相间短路等。
3）电压降计算
电力流过电力线路和设备，会产生电压损失。对于用电设备来说，比如，动力负荷和照明，当电压损失太多时，将影响用电设备的正常工作。因此，电压降计算工作对于电气设计师来说，也是个必不可少的环节。
4）功率因数计算
用电单位通常会和电力公司签订购电合同，合理的功率因数指标是电力公司要求用电单位的一个方面。因此，电气设计师在项目设计阶段，依据项目负荷的状况，计算变电所内变压器低压侧的功率因数，再计算出补偿电容器的规格和数量，来提供无功功率，改善功率因数，达到供电部门的要求。
5）设备选型
综合负荷计算、短路电流计算、选择性配合等电网参数和要求，选择合理的配电设备，比如，断路器、熔断器、隔离开关、母线、电缆、避雷器、互感器、开关柜等。并根据需要进行动热稳定检验。
6）选择性配合
当配电保护设备选择好后，需要设定保护设备的整定值，比如，过载定值、短延时定值、瞬动定值等。在整定保护定值的过程中，需要综合考虑当前线路或者设备的保护，以及上下级保护设备之间整定值的配合问题。
2 SIMARIS design设计功能
工业和民用配电设计需要综合考虑不同的供电方案和网络架构，需要做大量而细致的负荷统计工作，需要进行复杂而烦琐的电网参数计算，在此基础上，结合配电系统的安全性和经济性进行合理的设备选型。
配电设计选型软件SIMARIS design设计选型遵行IEC标准规范，它的主设计界面如图1所示，主要功能如下。
1）电网参数计算：负荷电流计算；短路电流计算；线路电压降计算；无功补偿计算；电缆载流量计算；有功功率/无功功率/视在功率/功率因数计算。
2）设备选型：断路器；熔断器；隔离开关；电缆/母线槽；变压器/发电机。
3）选择性配合评估
当一个项目设计完好后，软件能够输出全部的设计文档，包括各类网络单线图、负荷清单、选择性整定值清单、短路电流清单以及和AUTOCAD兼容的DXF/DWG格式输出文件。软件能够输出一个接口文件，该文件信息导入SIMARIS project，很快自动生成低压柜的排列布置图，得出配电柜以及所占空间的需求。
图1. SIMARIS design 设计界面
3优化设计工业和民用配电系统
当前，在工业和民用配电设计过程中，在一些关键设计环节，确实还存在着如下一些问题：电气网络计算不精确，选型不合理，保护整定没有做好等。这些环节没有做好，就可能会导致配电项目投资过大、配电系统存在安全隐患。
接下来，我将重点介绍配电设计软件SIMARIS design优化配电系统设计的几个方面。
3.1全面详细的短路电流计算
目前无论工业还是民用配电设计，低压短路电流计算普遍存在着短路电流计算不够精细，主要体现在如下方面：
1）没有计算分配电回路的短路电流。低压配电系统分支回路很多，计算工作量很大，并且项目设计过程中，技术参数变动频繁，使得电气设计师很难有这个时间去做精确地计算。
2）没有计算最小短路电流。计算最小短路电流对于低压配电来说，也是非常繁琐和很大的工作量，对于广大电气设计师也是很难在实际设计过程中进行全面和精确的计算。
3）没有计算电动机反馈电流。如果这些短路电流值不计算会产生哪些后果呢？配电设备选型偏大，增加不必要的投资；配电设备选型偏小，出现短路故障，损坏配电设备，甚至影响人身安全和火灾风险；
4）保护设备的灵敏度整定缺乏依据，存在越级跳闸隐患，扩大故障范围。
SIMARIS design计算短路电流遵循IEC60909标准规范。在配电系统网络架构搭建完成，输入负荷参数，设定系统供电方式后，软件能够自动计算各级配电系统的短路电流，在短路电流单线图上显示各级的最大和最小短路电流，以及电动机的反馈电流，见如图2所示。
图2单线图上显示的IKmax为最大短路电流，比如，进线IKmax = 3164 A;Ikmin为最小短路电流，比如，进线Ikmin = 1244 A；对于电动机来说，还会计算反馈电流IKmotor，比如，电机负载IKmotor = 158 A。有些这些参数，断路器的选型和整定就有了科学的依据。
图2. 短路电流单线图
3.2全面详细的电压降计算
在工业和民用配电设计中，需用计算配电设备和线缆的电压损失，确保电压偏差满足负荷正常运行的需求。在工业系统中，有大量的电动机负荷，如果电动机侧的电压太低，就有可能影响电动机的启动运行。对于一般的固定负载，计算线路的静态电压降也就可以了，但对于电动机负载，还得考虑启动时刻的动态电压降。
当前工业和民用配电设计，往往很多情况下，只核算最长的线路电压降，认为把最极端情况考虑了就算了。因此，也是普遍存在着电压降计算不够全面精细的问题，尤其是需要考虑电动机的启动期间动态压降问题。
配电设计软件SIMARIS design在计算配电线路电压降时，除了能够计算各级配电线路累计的静态电压降外，针对电动机负载，还能够计算电动机侧的动态电压降。当配电网络搭建好，软件自动计算得出各级配电系统的线路电压降。
图3为网络负荷单线图，在该图上可以看到配电柜进线侧累积的电压降为5.27%，负载L 1.1A.1.1累积的静态电压降为5.62%，电机负载M 1.1A.1.3累积的静态电压降为6.24%，考虑电机启动电流情况的动态电压降为12.6%。
图3. 网络负荷单线图
3.3无功优化计算
无功补偿对节能降损，提高设备出力，改善电压质量等方面有重要作用。SIMARIS design软件可非常方便改变负载，调整线路参数，优化电能消耗和电能质量的相关参数，动态仿真和测试未来的运行工况。
运行SIMARIS design软件后，可从软件界面的单线图上察看每一回路的能量消耗、功率因数和电压降, 如发现无功功率偏大、功率因数偏低、线路电压降超限、不能满足电能质量基本要求时，可通过软件对整个系统或局部配出回路进行无功功率补偿，添加相应的电容补偿线路，通过软件快速计算，在单线图界面上将立即显示无功补偿的效果。
如图4所示，每一步投入的无功功率为25KVAr，电容器模块数为10，投入的模块数为6，计算出补偿后的功率因数为0.955，当然，这些参数根据实际需求可以调整，计算出满足要求的功率因数。无功补偿除了可以提供功率因数外，同时也降低线路电压降、减少负荷电流。
图4 无功补偿计算
3.4合理的设备选型
在配电系统的设计过程中，当电网参数都计算好后，正常设计需要花大量时间进行设备选型。当前配电设计选型结果，参数通常偏大，比如所选择的断路器的额定电流、分断能力。为了配电系统的可靠性，考虑设计余量是可以理解的。但是，如果网络计算不精确，配电选型不合理就不可避免了。举例，末端配电系统使用的小型断路器，分断能力通常有4.5KA, 6KA, 10KA, 15KA等更多，如果没有计算末端配电箱进线侧的短路电流，就无法选择合适的分断能力。
使用SIMARIS design软件，设备选型变得很容易完成，且合理。线路保护设备的选型除考虑与额定电压、额定电流、额定频率、使用场所的环境相适应等情况外，还必须考虑短路条件下的动稳定和热稳定的要求，必须同时满足以下条件：
1）安装点的最大短路电流I”scmax 小于断路器的断路器额定极限分断能力Icu；
2）安装点的最小短路电流I”scmin 大于断路器的短路短延时电流Isd或者瞬动电流Ii；
3）断路器短路接通能力Icm必须大于安装点的短路电流的峰值Ip；
4）B类断路器必须能够在一段时间内承受安装点发生的短路电流，此短路电流和时间用于考核断路器的Icw；
5）短路条件下的动稳定和热稳定要求：S2K2>=I2t。
图5为SIMARIS design的产品数据库界面，当配电网络搭建好后，软件依据馈线负荷电流、短路电流等条件，自动选出合理、经济的配电线路保护设备，当软件的自动选型在有必要调整的情况下，再进入SIMARIS design的产品数据库，进行手动调整选型。
图5. 产品数据库
3.5 优化配电系统选择性
优化选择性配合在工业和民用配电系统中尤其重要。当前，很多配电设计没有进行详细的短路电流计算，尤其是算出每个回路的最小短路电流，因此，配电保护设备之间的选择性优化就很难做到。优化配电系统的选择性需要综合考虑当前线缆上会发生的最大和最小短路电流，以及上级配电保护设备下限的保护包络线，和下级保护设备的上限的保护包络线。
选择性的类别主要有：电流选择性 (电流级差配合)、时间选择性 (时间级差配合)和ZSI (区域选择性联锁)。验证配电系统的选择性必须在配电系统计算基础之上，综合考虑过载、短路、接地(漏电)、电压降、失电等故障情况下保护设备之间的配合。
图6. 选择性配合曲线
图6是SIMARIS design直观明了的选择性配合特性曲线，配电单线图上选型的断路器是3WL，在右边的时间电流坐标上，显示有蓝色、绿色和红色三条保护曲线，其中，绿色保护曲线代表当前3WL断路器的保护特性曲线，蓝色代表中压进线开关的保护特性曲线，红色代表下级所有线路保护设备的保护特性曲线的上线包络线。
在坐标轴上还显示了当前线路的最大和最小短路电流。在进行选择性配合的时候，首先比较当前的短路短延时电流和线路最小短路电流，然后，比较各个曲线的电流大小，最后，再进行时间比较，实现配电系统的选择性配合。
从图上可以看到，短路短延时电流32kA<44.95kA，满足要求；然后比较电流大小可以看出也是满足要求的；最后，短延时的时间为0.4秒，远大于下级包络线时间，满足要求。
4结论
针对当前工业和民用配电设计存在的问题，比如，设计计算不够精细、选型不合理、选择性没有优化等，电气设计师可以利用西门子配电设计选型软件SIMARIS design，全面优化配电系统设计，获得一个安全可靠、经济合理的配电系统。
并且，它非常方便于项目设计过程不断变化和深化，可以作为一个项目管理工具，应用于项目方案设计阶段开始，管理项目设计一直到施工和运行维护。