瀑布溝水電站電氣二次系統(tǒng)總體設計介紹

周業(yè)榮，嚴映峰，宋 柯，劉立春，王蓓蓓

（國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川漢源 625304）

瀑布溝水電站電氣二次系統(tǒng)總體設計介紹

周業(yè)榮，嚴映峰，宋 柯，劉立春，王蓓蓓

（國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川漢源 625304）

為了確保電站主要機電設備安全穩(wěn)定運行，設計中對電氣二次系統(tǒng)主要包括監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、220 V直流系統(tǒng)、接入系統(tǒng)、微機五防系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)、門禁及安防系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、主設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的主要技術問題和技術方案進行了認真的比選和研究。著重介紹瀑布溝水電站二次系統(tǒng)的設計目標、原則以及各子系統(tǒng)相關技術問題。

瀑布溝水電站；二次系統(tǒng)；目標及原則；主要技術問題

0 概述

瀑布溝水電站裝有6臺600 MW水輪發(fā)電機組。發(fā)電機和變壓器采用單元接線，設置了發(fā)電機出口斷路器。500 kV開關站設置了2條母線，開關布置為4/3方式，共有4串4/3接線的支路。整個系統(tǒng)通過4條500 kV線路至眉山東坡變電站。針對瀑布溝水電站機組臺數(shù)多、單機容量大以及相應輔助系統(tǒng)設備比較復雜的特點，為了確保電站主要機電設備安全穩(wěn)定運行，設計中對電氣二次系統(tǒng)主要包括監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、220 V直流系統(tǒng)、接入系統(tǒng)、微機五防系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)、門禁及安防系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、主設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的主要技術問題和技術方案進行了認真的比選和研究，下面主要介紹電氣二次系統(tǒng)的設計目標、原則以及各子系統(tǒng)相關技術問題。

1 設計目標和原則

1.1 設計目標

基于瀑布溝水電站的重要性，在電氣二次系統(tǒng)設計時對其方案選擇、設備選型等方面提出了如下目標：

（1）所采用的技術應為當今水電站較為成熟的技術，且在今后較長時間內(nèi)不需要更新?lián)Q代；

（2）為提高電站運行的可靠性和安全性，各子系統(tǒng)盡量選用數(shù)字式設備，便于系統(tǒng)設備運行、操作的智能化管理和監(jiān)視；

（3）從保證電站安全穩(wěn)定運行、改善運維人員的工作環(huán)境和減輕勞動強度出發(fā)，充分利用當今計算機技術和通信技術，盡可能實現(xiàn)各子系統(tǒng)的互聯(lián)，提高電站綜合自動化水平；

（4）實現(xiàn)大渡河流域成都集控中心對本電站的遠方監(jiān)視和控制，使電站達到“無人值班”（少人值守）的自動化水平，提高電站的社會效益和經(jīng)濟效益。

1.2 設計原則

由于瀑布溝水電站機電設備復雜，國內(nèi)外供貨廠家眾多，因此，電站整個二次系統(tǒng)的設計原則考慮如下：

（1）對故障后可能危及機組和電力系統(tǒng)安全的硬件，應按冗余方式進行配置，以確保電站安全穩(wěn)定運行；

（2）對電站主設備事故或故障時的控制和保護系統(tǒng)信息，其作用對象將主要從保證電站主設備自身安全出發(fā)，同時也兼顧系統(tǒng)運行安全的需要進行考慮；

（3）對直接關系到主設備運行安全的信息，應確保其接口的可靠性，除可從通信接口取得外，還應保留I/O硬接線連接方式，如繼電保護故障動作信號、機械故障信號以及主設備的控制及調(diào)節(jié)命令等；

（4）對與電站主設備控制和操作無直接關系的輔助系統(tǒng)，不考慮與現(xiàn)地控制單元直接互聯(lián)。如通風空調(diào)控制系統(tǒng)、微機五防系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、主設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等，將直接與廠站層廠內(nèi)通信服務器互聯(lián)，以確保電站主設備運行的安全性和可靠性。

2 二次系統(tǒng)介紹

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)

整個電站監(jiān)控系統(tǒng)的I/O量（包括其它數(shù)據(jù)通訊信號）約為39 000點左右。為了提高系統(tǒng)的實時性和可靠性，主要解決監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構型式、現(xiàn)地控制單元配置以及內(nèi)外信息接口方式等問題。

（1）網(wǎng)絡結構。瀑布溝水電站監(jiān)控系統(tǒng)由廠站層（上位機）和現(xiàn)地LCU層（下位機）組成，如圖1所示。采用全開放的分布式星型網(wǎng)絡結構，其主要設備和網(wǎng)絡均采用雙機雙網(wǎng)冗余配置，以構成高可靠的開放式冗余高速網(wǎng)絡型實時閉環(huán)過程控制系統(tǒng)。

圖1 瀑布溝水電站監(jiān)控系統(tǒng)配置

瀑布溝水電站監(jiān)控系統(tǒng)采用功能分布和數(shù)據(jù)庫分布方式，全廠數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫分布在廠站層計算機中，各單元數(shù)據(jù)庫分布在各個現(xiàn)地控制單元LCU中，系統(tǒng)各功能分布在系統(tǒng)的各個節(jié)點上，每個節(jié)點嚴格執(zhí)行指定的任務并通過系統(tǒng)網(wǎng)絡與其它節(jié)點進行通訊。整個系統(tǒng)采用無主結構，操作員工作站中與監(jiān)控有關的實時信息全部直接來自LCU，即使數(shù)據(jù)庫服務器全部故障，也不影響電站設備的監(jiān)視和控制。

（2）現(xiàn)地LCU層結構。LCU實現(xiàn)對各生產(chǎn)對象的監(jiān)控，各LCU的CPU完成各LCU的管理，并帶有其監(jiān)控范圍內(nèi)的完整的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)全開放的分布式系統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫。LCU直接上網(wǎng)，與上級調(diào)度計算機的通信可以不通過主控級設備直接傳送信息。各現(xiàn)地控制單元具備較強的獨立運行能力，在脫離廠站級的狀態(tài)下能夠完成其監(jiān)控范圍內(nèi)設備的實時數(shù)據(jù)采集處理、設定值修改、設備工況調(diào)節(jié)轉換、事故處理等任務。

現(xiàn)地控制單元層采用按單元分布的原則，瀑布溝水電站監(jiān)控系統(tǒng)LCU按被控對象設置，分別為每臺機組、地下副廠房廠用和公用設備、安裝間廠用和公用設備、500kV開關站、地面副廠房廠用和公用設備、進水口閘門、大壩閘門、尼日河首部閘門各設一個LCU，共13個LCU單元。

（3）信息接口方式。對信息量較大的地方，盡量采用現(xiàn)場總線和遠程I/O模塊進行采集，并將遠程I/O設備放置在現(xiàn)地設備附近，如500 kV GIS開關站、大壩閘門等系統(tǒng)；對繼電保護、勵磁以及調(diào)速等系統(tǒng)的重要信息除采用硬接線方式外，還采用了現(xiàn)場總線方式；對與電站主設備運行無直接關聯(lián)的輔助系統(tǒng)信息，除需直接跳閘停機的信號外，一般不直接與LCU進行互聯(lián)，而是與廠站層的廠內(nèi)通信服務器進行通信，如工業(yè)電視系統(tǒng)、消防監(jiān)控系統(tǒng)、微機五防系統(tǒng)、通風空調(diào)系統(tǒng)、主設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等，以減少電纜接線，增加系統(tǒng)可靠性。

2.2 繼電保護系統(tǒng)

（1）電站繼電保護系統(tǒng)具體配置，各設備電氣量保護詳見表1所示，非電量保護配置詳見表2所示。

表1 瀑布溝水電站設備電氣量保護配置表

（2）差動保護用電流互感器型號選擇。發(fā)電機、主變、電抗器、線路差動保護均采用TPY級電流互感器。TPY級互感器鐵心帶有氣隙，因而磁阻較大，增長了互感器到達飽和的時間，不易飽和，即有更長的時間可保持線性轉換傳變關系，使暫態(tài)特性大大改善。互感器時間常數(shù)減少，鐵心面積可減少；剩磁減少也有利于暫態(tài)特性的改善，因而TPY級可在準確限值條件下保證全電流的最大峰值瞬時誤差ε=10%。因此，TPY級互感器具有較好的暫態(tài)特性和限制剩磁的作用，以保證保護區(qū)外不誤動、保護區(qū)內(nèi)正確動作。并且，符合《DLT866-2004電流互感器和電壓互感器選擇及計算導則》選型要求。

表2 瀑布溝水電站設備非電量保護配置表

2.3 勵磁系統(tǒng)

瀑布溝發(fā)電機采用自并勵靜止勵磁系統(tǒng)。勵磁功率柜配置為n-1冗余模式。當其中任意一組整流橋故障時，其余三組仍能滿足各種運行工況的要求，當兩組整流橋故障時，限制強勵。

調(diào)節(jié)控制是由高速可編程控制器完成的，為提高可靠性采用雙通道系統(tǒng)并聯(lián)運行，雙通道數(shù)據(jù)采集相對獨立。正常運行時，勵磁調(diào)節(jié)采用自動電壓調(diào)節(jié)方式AVR，手動調(diào)節(jié)勵磁電流FCR方式用于調(diào)試和試驗，一般情況下手動通道自動跟蹤自動通道，可實現(xiàn)無擾動切換。

為了保證設備安全穩(wěn)定運行，勵磁系統(tǒng)具備以下功能：V／F限制、過勵限制（最大勵磁電流限制、過勵側定子電流限制）、欠勵限制（P／Q限制、欠勵側定子電流限制、最小勵磁電流限制）。并且，為改善系統(tǒng)阻尼特性，還設有PSS電力系統(tǒng)穩(wěn)定器功能。

為了達到更好的滅磁效果，作了以下兩方面重點考慮：

（1）滅磁開關。依據(jù)瀑布溝水電站發(fā)電機勵磁系統(tǒng)參數(shù)，分別對額定空載滅磁、額定負載滅磁、正常強勵跳閘滅磁、空載誤強勵滅磁、負載誤強勵滅磁以及機端三相短路滅磁等情況進行分析計算，瀑布溝機組選用的DC滅磁開關為瑞士SECHERON公司的直流接觸器，其直流滅磁開關在額定最大電壓下的最大分斷能力為75 kA，可滿足各種工況要求。除直流側設置滅磁開關外，未在交流側設置斷路器。

（2）滅磁電阻。瀑布溝水電站選用碳化硅（SiC）非線性電阻主要基于以下考慮：1）單片閥片使用能容大，并聯(lián)支路少，體積小，易于安裝。2）由于其較軟的伏安特性，無需苛刻的支路并聯(lián)條件。3）其失效模式為開路，不必串聯(lián)熔斷器，無爆炸危險。4）維護工作量小，可減輕維護和檢修人員的勞動強度。

2.4 調(diào)速系統(tǒng)

瀑布溝水電站調(diào)速系統(tǒng)具有開度、功率、頻率三種模式。并有開停機和緊急停機控制、快速同步、導葉開度限制、適應式變參數(shù)、在線自診斷及處理等功能。具備投入一次調(diào)頻功能，當電網(wǎng)頻率波動時，自動參與一次調(diào)頻，并且滿足《華中電網(wǎng)發(fā)電機組一次調(diào)頻技術管理規(guī)定（試行）》（華中電監(jiān)市場[2006]32號）的技術要求。具備AGC功能，滿足電網(wǎng)調(diào)整要求。

微機調(diào)速器采用雙ABB調(diào)節(jié)器冗余容錯系統(tǒng)加電手動操作系統(tǒng)。冗余系統(tǒng)中的每一個通道，即從輸入至輸出以及電源，均應采用相同配置，且為相互完全獨立，在運行過程中，即使將其中一個通道退出也不會影響調(diào)速系統(tǒng)的正常工作，且退出的通道能進行停電檢修。各調(diào)節(jié)器與各電液轉換單元之間是交叉冗余控制。傳感器信號包括導葉位置、轉速、功率、水頭等信號均交叉冗余送入調(diào)節(jié)器。

2.5 220 V直流系統(tǒng)

從設備檢修維護角度考慮，直流設備不宜過多；同時，考慮如果直流設備太少，將會增設較長電纜，增大對地電容，擴大拉合電源時的干擾范圍，綜合考慮以上原因，全廠共布置五套220 V直流系統(tǒng)，分別為1～3號機組直流系統(tǒng)、4～6號機組直流系統(tǒng)、地下副廠房直流系統(tǒng)、地面副廠房直流系統(tǒng)、進水口直流系統(tǒng)。并且，各設備按就近原則布置。

每套充電裝置均設置有微機監(jiān)控裝置，能根據(jù)蓄電池的特性曲線和環(huán)境溫度變化自動實現(xiàn)蓄電池的均衡（衡流/衡壓）充電、浮充電、直流母線電壓調(diào)整（自動均壓功能）、蓄電池的活化等功能。

2.6 接入系統(tǒng)

根據(jù)國家和四川省電力公司調(diào)度運行管理的要求，瀑布溝水電站分別建立和實施電能量采集及發(fā)電計劃申報系統(tǒng)、繼電保護信息管理系統(tǒng)子站、電力調(diào)度自動化等接入系統(tǒng)。

發(fā)電計劃申報當?shù)叵到y(tǒng)通過撥號連接省調(diào)發(fā)電計劃申報系統(tǒng)建立網(wǎng)絡連接，發(fā)電計劃申報人員使用發(fā)電計劃申報系統(tǒng)軟件，生成發(fā)電計劃申報數(shù)據(jù)文件，通過遠程網(wǎng)絡連接，上報發(fā)電計劃申報數(shù)據(jù)和從省調(diào)獲取計劃電量數(shù)據(jù)和成交電量、電價數(shù)據(jù)，完成交易，以及獲取電力市場其它信息。

繼電保護信息管理系統(tǒng)子站負責自動采集500 kV線路、500 kV線路小區(qū)、500 kV斷路器、500 kV母線、500 kV電抗器、500 kV電纜、500 kV主變壓器保護裝置及500 kV開關站故障錄波裝置的運行信息。并將運行信息進行統(tǒng)一接入和集中管理，將集中采集的數(shù)據(jù)，按運行部門的要求分別進行處理，形成統(tǒng)一有序的數(shù)據(jù)格式，然后按省調(diào)要求將500kV系統(tǒng)保護、開關站故障錄波裝置的信息通過通信通道送到省調(diào)主站系統(tǒng)。

為確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，瀑布溝水電站接受四川省電力公司調(diào)度中心和華中電網(wǎng)調(diào)度中心的統(tǒng)一調(diào)度，并根據(jù)省調(diào)和華中網(wǎng)調(diào)的要求向上級組織反映電站運行情況的各種實時數(shù)據(jù)，以供上級調(diào)度部門對電站實現(xiàn)遠方監(jiān)控。通過兩臺專用通信工作站與省調(diào)和華中網(wǎng)調(diào)進行通信，將本站遠動信息直接送到省調(diào)和華中網(wǎng)調(diào)的主站，即直采直送方式，省調(diào)對瀑布溝水電站的控制和調(diào)節(jié)命令也通過該遠動通信工作站直接發(fā)到各現(xiàn)地控制單元LCU，由現(xiàn)地控制單元完成其控制任務。

2.7 微機五防系統(tǒng)

為實現(xiàn)部頒五防要求：防止誤拉合斷路器；防止誤入帶電間隔；防止帶負荷拉隔離開關；防止帶電掛地線或合接地刀閘；防止帶地線（接地刀閘）合隔離開關。瀑布溝水電站在斷路器、隔離開關、接地開關、快速接地開關操作機構及接地線、設備柜門等一次設備加裝鎖具，對現(xiàn)地手動操作實施強制閉鎖，只有在微機五防系統(tǒng)中模擬通過后以正確順序進行的操作方可解鎖操作，從而達到五防的目的。

通過建立無線網(wǎng)絡區(qū)實現(xiàn)電腦鑰匙與主系統(tǒng)信息及時、可靠交互，電腦鑰匙實時地把每一步操作信息上傳給防誤主機，防誤主機通過與計算機監(jiān)控系統(tǒng)通信的方式獲取一次設備的實時狀態(tài)，同時在主界面上顯示每一步操作任務的執(zhí)行情況，方便監(jiān)控人員實時監(jiān)視。

2.8 火災自動報警系統(tǒng)

考慮到電站廠房結構復雜，電氣設備多，消防設備的種類多，監(jiān)控點分布廣，信息量大，電站的火災自動報警系統(tǒng)采用總線式系統(tǒng)結構，分別在地面副廠房的中控室內(nèi)和地下副廠房的二次盤室內(nèi)各設置一臺火災報警控制器，并在地面副廠房的中控室內(nèi)設置消防計算機監(jiān)控終端，在電站的地下主廠房、地下副廠房、主變室、GIS樓、地面副廠房、溢洪道、進水口、尼日河首部等，分別設置相應類型和數(shù)量的火災探測器。系統(tǒng)采用兩總線制，所有的探測器、監(jiān)視模塊、控制模塊等設備，分別就近連接到消防配線箱（模塊箱），各配線箱通過總線電纜、光纖或通過MSTP設備與設置在地面電站中央控制室內(nèi)的火災報警控制器或地下二次盤室內(nèi)的火災報警控制器相連。

根據(jù)《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》的有關規(guī)定，消防監(jiān)控系統(tǒng)采用獨立的網(wǎng)絡，不允許與其它系統(tǒng)混合使用同一網(wǎng)絡，且消防監(jiān)控系統(tǒng)使用專用的功能軟件，進行數(shù)據(jù)采集、參數(shù)分析、實時報警、聯(lián)動控制等任務，因此在設計上，采用獨立的網(wǎng)絡布線。

設置在各個部位的火災探測器，在檢測到火情時，自動向火災報警控制器報警，報警控制器在接收到報警后，通過信息處理，在報警控制器上以數(shù)碼和液晶顯示方式，顯示出火災的部位，并通過接口，在消防計算機監(jiān)控終端的CRT上自動顯示出火災的部位編號及該層的平面布置圖，提示出火災的處理措施；所有火災事故的報警信號都能在控制室內(nèi)發(fā)出聲光報警信號，并能在工業(yè)電視系統(tǒng)上調(diào)出相應部位的視頻圖像，以確認火情。同時，根據(jù)火災部位的不同，手動或程序自動對相應的滅火設備、防排煙設備、電梯、疏散指示、工業(yè)電視等設備進行控制和管理。

2.9 門禁及安防系統(tǒng)

對地下主、副廠房各部位主要電氣設備房間、公用系統(tǒng)設備房間、地面副廠房設備房間、GIS樓、崗哨等重要部位加強管理防護力度。并能實現(xiàn)與消防監(jiān)控及聯(lián)動控制系統(tǒng)的聯(lián)動功能，在發(fā)生火災自動報警時，門禁及安防系統(tǒng)主動接收報警信號，并解鎖防火通道門，方便人員緊急疏散。

整個系統(tǒng)采用分布式結構。通過每個房間內(nèi)的門禁讀卡器模塊、門禁控制器及上位機系統(tǒng)，實時記錄門禁讀卡信息，并結合工業(yè)電視系統(tǒng)，實現(xiàn)對各個人員、車輛出入進行分區(qū)域、分時段、分權限管理，具有實時報警、聯(lián)動控制功能。

2.10 工業(yè)電視系統(tǒng)

對地下主、副廠房各部位主要電氣設備、公用系統(tǒng)設備、進廠大門、地面副廠房、GIS樓、壩區(qū)閘首、尼日河首部等重要部位加強防護力度，及時了解現(xiàn)場情況。能實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)、消防監(jiān)控及聯(lián)動控制系統(tǒng)和門禁及安防系統(tǒng)的聯(lián)動控制功能，當發(fā)生異變或報警時，在不超過2s內(nèi)將報警信號傳送至管理服務器，報警服務啟動存儲服務器進行錄像，且將該信號傳送到監(jiān)控中心，并在監(jiān)控中心發(fā)出聲光提示、自動錄像等；中心作出反應，可通過網(wǎng)絡對報警點的聯(lián)動控制的設備進行遠程報警處理。

瀑布溝水電站工業(yè)電視系統(tǒng)的設計和布局主要圍繞以下兩個問題：

（1）工業(yè)電視點的選擇：需要傳送特定信息的地方，如生產(chǎn)過程中的關鍵部位，容易或經(jīng)常發(fā)生事故及故障的地方，出于安全保衛(wèi)需要的地方等。

（2）為了滿足瀑布溝水電站工業(yè)電視系統(tǒng)既應適用于現(xiàn)地中央控制室顯示，又要適用于與瀑布溝樞紐MIS系統(tǒng)、遠方調(diào)度指揮系統(tǒng)的遠程監(jiān)視和控制的要求。對用于中控室監(jiān)視圖像信號采用模擬傳輸為主、數(shù)字傳輸為輔；對用于梯調(diào)遠距離傳輸或與MIS系統(tǒng)互聯(lián)圖像信息采用全數(shù)字信號。

2.11 主設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

瀑布溝水電站主設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用PSTA2003系統(tǒng)平臺，每臺機組配備一套狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)，通過對水力機組的振動、擺度、壓力脈動、定轉子氣隙、磁場強度、定子線棒振動、主變油中氣體濃度等物理量的在線監(jiān)測，同時聯(lián)合監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測信息，利用各種分析、診斷策略和算法，針對瀑布溝水電站的六臺機組及主變，建立功能全面、實用性強的跟蹤分析系統(tǒng)，提供監(jiān)測、報警、狀態(tài)分析、故障診斷等一系列工具和手段，實時掌握機組及主變健康狀態(tài)，為安全運行，優(yōu)化調(diào)度和檢修指導提供有力的技術支持，為狀態(tài)檢修提供輔助決策并實現(xiàn)與其它系統(tǒng)的信息共享。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由上、下位機兩部分組成。為保證各個網(wǎng)段之間的連通性以及支持Internet，通訊協(xié)議使用TCP/IP。

3 結語

目前，瀑布溝水電站6臺機組中的4臺已經(jīng)投產(chǎn)運行，從整體運行情況來看，瀑布溝水電站整個二次系統(tǒng)運行良好，設計達到了預期的目標，實現(xiàn)了電站監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、220 V直流系統(tǒng)、接入系統(tǒng)、微機五防系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)、門禁及安防系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、主設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的有機結合和協(xié)調(diào)運行。作為一個單機容量大、機電設備復雜、國內(nèi)外供貨廠商多、且在短時間內(nèi)投運多臺機組的大型水電站，整個二次系統(tǒng)的設計是合理的，采用的技術是先進的，選購的設備是經(jīng)濟可靠的。

TM645.2

B

1672-5387（2010）06-0028-06

2010-10-08

周業(yè)榮（1972-），男，廠長，高級工程師，從事水電廠生產(chǎn)管理工作。