扭子水電站電氣二次結構分析

郭琳

（陜西省水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況

扭子水電站位于甘南藏族自治州卓尼縣城上游約20.1km處的洮河干流上，距蘭州市約360km，電站裝機三臺，單機容量10MW流轉槳式水輪發(fā)電機組，電站總裝機容量30MW，多年平均發(fā)電量1.35億kW·h，年利用小時數4484h。

電站建成后以發(fā)電為主。扭子水電站出線電壓為110kV，出線一回，送電至擬建的110kV臨潭開關站，并入地區(qū)電網運行。電站按“無人值班、少人值守”的原則設計，采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、控制電源系統(tǒng)、廠內生產調度管理通信系統(tǒng)及火災報警系統(tǒng)等。

2 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計原則及主要任務

采用全計算機監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控方案，僅在現(xiàn)地設置必要的常規(guī)監(jiān)控設備，全電站的監(jiān)控和控制功能完全由計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)。整個監(jiān)控系統(tǒng)應有較高的可靠性、實用性、實時性和可擴充性。中央控制室、計算機室布置在副廠房內。其主要任務，完成對電站設備的自動監(jiān)控和調節(jié)，包括：準確、及時地對整個電站設備運行信息進行采集和處理。對電站機組及主要機電設備進行實時監(jiān)控，保證電站安全運行并實現(xiàn)電站運行與管理自動化。提高電力系統(tǒng)的安全經濟運行水平，保證供電電能質量；改善運行人員的工作條件，減少值班人員，提高電站的運行管理水平；為電站逐步實現(xiàn)無人值班（少人值守）創(chuàng)造條件。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)結構

電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用開放式、分層全分布系統(tǒng)結構。整個系統(tǒng)分為電站主控級和現(xiàn)地控制級兩層，數據分布管理。主控級采用功能分布結構，現(xiàn)地控制級按監(jiān)控對象設置現(xiàn)地控制單元。

電站主控級和現(xiàn)地控制單元之間采用以太網總線，網絡介質為光纖。各現(xiàn)地控制單元可實現(xiàn)對本控制單元所屬的電氣設備進行控制和監(jiān)視。各現(xiàn)地控制單元與所屬分散單元均采用實時、可靠的現(xiàn)場控制總線連接，與不帶通信口的裝置和設備則采用I/0摸件連接，分別采用屏蔽雙絞線、同軸電纜或光纜。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)配置

電站主控制級為電站實時監(jiān)控中心，負責整個電站設備的控制、管理和對外部系統(tǒng)通信等。電站主控制級配置為：主機、操作員工作站兩套，系統(tǒng)采用雙機熱備的主、備方式，操作員工作站配高分辨率彩顯、鍵盤、鼠標及兩臺激光打印機；工程師工作站一套，用于系統(tǒng)軟件開發(fā)，維護和修改，以及運作仿真軟件進行人員培訓；廠內通訊工作站一套，實現(xiàn)電站管理信息系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，電量計費系統(tǒng)等的通信；遠程通訊工作站一套，實現(xiàn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)與調度中心的數據通訊；時鐘同步系統(tǒng)，系統(tǒng)采用GPS衛(wèi)星同步對鐘對時；網絡設備一套；UPS電源裝置一套。

現(xiàn)地控制級是電站生產過程的基礎，負責實現(xiàn)電站設備的控制，監(jiān)視并與電站主控級實時通訊。本電站共設五套現(xiàn)地控制單元（LCU），1#～3#機組各設一套LCU，全廠公用油、氣、水系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)設一套LCU，110kV變電站設一套LCU。每套LCU設置必要的人機接口設備，承擔現(xiàn)地控制級所屬設備的全部監(jiān)控任務。在脫離電站主控級時，可獨立承擔本單元的全部監(jiān)控任務。人機接口采用觸摸彩色顯示屏。每套機組LCU均配置溫度測量模件或裝置，微機準同期裝置以及轉速測量裝置等。全廠公用系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)及110kV系統(tǒng)變電站LCU亦應配置電氣測量裝置，微機準同期裝置等。全廠公用設備及機組輔助設備的現(xiàn)地控制系統(tǒng)設備均采用PLC。并與相應的LCU進行通訊接口。接受電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控指令。當與相應的LCU失去聯(lián)系時，仍可獨立完成所屬設備的控制及監(jiān)視任務。

2.4 計算機監(jiān)控系統(tǒng)功能

電站級監(jiān)控系統(tǒng)在完成最優(yōu)發(fā)電計算后，根據電站各設備的狀況和約束條件，確定各機組負荷分配、開機臺數、機組組合和機組間負荷分配，并執(zhí)行閉環(huán)或開環(huán)操作。

現(xiàn)地控制單元LCU即作為電站監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地控制層，向電站級上行發(fā)送采集的各種數據和事件信息，接受電站級的下行命令對設備進行監(jiān)控，又能脫離電站級獨立工作。因此在系統(tǒng)總體功能分配上，數據采集和控制操作的主要功能均由LCU完成。其他的功能如電站運行監(jiān)視、事件報警、與外系統(tǒng)通訊、統(tǒng)計記錄等功能則由電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)完成。

主控級負責協(xié)調和管理各現(xiàn)地控制單元的工作，記錄和計算整個電站的運行信息，并把經過處理的數據存入數據庫中。

為實現(xiàn)對各自生產對象的監(jiān)控，各LCU的CPU完成各自LCU的管理，并實現(xiàn)全開放的分布式系統(tǒng)的數據庫和實現(xiàn)LCU直接上網。各現(xiàn)地控制單元具備較強的獨立運行能力，在脫離主控級的狀態(tài)下能完成其監(jiān)控范圍內設備的實時數據采集處理、設定值修改、設備工況調節(jié)轉換、事故處理等任務，要求處理速度快、有容錯、糾錯能力，并帶有其監(jiān)控范圍內的完整的數據庫。所有LCU均采用交流/直流兩回電源供電，任一回路有電時，LCU均能正常工作。LCU均為智能I/O模板。

3 繼電保護系統(tǒng)

3.1 繼電保護的設計原則

發(fā)電機及勵磁變壓器、主變壓器、110kV線路及廠用變保護均采用成熟、可靠的微機保護裝置。保護裝置內部有完整的自檢功能。采取可靠的抗干擾措施，防止大氣過電壓和電磁波侵入裝置內部造成元件損壞和保護誤動，確保在電廠強電磁干擾下保護正確工作。保護裝置具有同監(jiān)控系統(tǒng)通訊的接口，便于與機組控制單元通信。

3.2 繼電保護配置

（1）發(fā)電機保護。選用許繼公司WFB-811型微機式成套保護裝置，含勵磁變保護和ZSZ-811型斷路器三相操作箱。每臺機設1面屏，布置在機房。具體配置為：發(fā)電機縱聯(lián)差動、90%定子一點接地、定子過電壓、定子過負荷、電流記憶的低壓過流、發(fā)電機失磁、轉子一點接地、故障分量負序方向、勵磁變電流速斷、勵磁變過電流等保護。

（2）主變壓器保護。選用許繼公司的一套WBH-81#型微機變壓器電量保護裝置（含失靈保護）、一套WBH-815型微機變壓器非電量保護裝置。每臺變壓器設1面屏，布置在機房。具體配置為：主變縱聯(lián)差動、復合電壓啟動過流、電流閉鎖電壓啟動速斷、主變過負荷、主變零序保護、主變重瓦斯保護、主變輕瓦斯保護、主變冷卻器故障、主變壓力釋放、主變溫度高、主變油位異常等保護。

（3）10kV近區(qū)變、廠用變及隔離變保護。全廠設有三個獨立廠用電源，其中從兩段發(fā)電機10.5kV電壓母線上分別經一組斷路器引接一臺SC(B)10-400的廠用變壓器，廠用變高壓側采用真空斷路器LZZJB9-10GYW1。此外，將原作為施工電源的自地區(qū)引至扭子水電站的一回10kV線路，在發(fā)電后改為廠用備用電源，單獨設置母線，并通過兩個分段開關分別與T21和T22兩段廠用電源母線連接。兩個分段開關分別加裝了備自投，使互為備用。具體配置為：廠用變速斷、過流、低壓側零序電流、變壓器過負荷、溫度、10kV備用廠用變母線絕緣監(jiān)察裝置等。

（4）閉鎖保護有電壓互感器斷線閉鎖和電流互感器斷線閉鎖。

（5）110kV故障錄波保護。微機型故障錄波裝置屏1面。記錄系統(tǒng)大擾動如短路故障、系統(tǒng)振蕩、頻率崩潰、電壓崩潰等發(fā)生后的有關系統(tǒng)電參量的變化過程及繼電保護與安全自動裝置的動作行為。

4 勵磁系統(tǒng)

4.1 基本原則

勵磁系統(tǒng)采用勵磁系統(tǒng)選用自并勵靜止可控硅勵磁裝置。1#～3#號機組的勵磁變接于發(fā)電機斷路器側。勵磁系統(tǒng)共計9面屏，置于機旁。

4.2 系統(tǒng)設計

（1）勵磁系統(tǒng)性能參數。額定勵磁電壓153V；額定勵磁電流525.3A；空載勵磁電壓58.5V；空載勵磁電流293.3A。

（2）勵磁系統(tǒng)的組成。勵磁系統(tǒng)為自并激硅晶閘管整流勵磁系統(tǒng)，包括勵磁變壓器、硅晶閘管功率柜、勵磁調節(jié)器柜、滅磁開關柜及過電壓保護裝置柜、控制和繼電保護裝置等部分。

5 控制電源系統(tǒng)

系統(tǒng)包括直流控制電源系統(tǒng)和交流控制電源系統(tǒng)兩部分。直流控制電源由蓄電池組及相應的充電設備組成；交流控制電源由廠用交流電源和UPS組成。

（1）直流控制電源系統(tǒng)。電站設置一套直流控制電源系統(tǒng)，系統(tǒng)配置兩組200Ah蓄電池、兩套由高頻開關電源模塊組成的充電/浮充電裝置、采用單母線分段接線方式；蓄電池和充電/浮充電裝置掛在動力母線上；控制母線經調壓裝置同動力母線連接。在母線上裝設一套微機型直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置，以監(jiān)視直流系統(tǒng)的絕緣水平。全廠事故廠用電全停時間按1h計算。

（2）交流控制電源系統(tǒng)。本電站設置一組獨立的10kVA UPS交流電源裝置，裝置不配帶蓄電池。正常工作時，由交流220V廠用電供電，裝置帶無觸點旁路開關，當UPS整流-逆變單元故障時，應能自動切換至交流旁路電源（經穩(wěn)壓），切換時間應不大于5ms；220V直流電源用作熱備用，當交流電源中斷時，無時限地切換至直流電源，并進行逆變，以確保交流輸出不間斷。

6 廠內生產調度管理通信系統(tǒng)

鑒于扭子水電站屬于小型水電站，在廠內不設置獨立的生產管理和生產調度兩套通信系統(tǒng)，廠內選用128門程控調度總機一套。

為使電站運行人員及時掌握扭子水電站各個設備的運行情況，該電站內設置工業(yè)電視系統(tǒng)。攝像點安放在運行設備的關鍵部位，如電站主、副廠房、變電站、閘門、進水口……等30個攝像點，攝像機罩要具有防破壞功能；同時，配備專用防盜系統(tǒng)，以便及時報警。電站工業(yè)電視系統(tǒng)可與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)通訊。

7 火災自動報警系統(tǒng)

采用“控制中心報警”控制方式，集中火災報警裝置及管理微機集成在一面柜子里，安裝在中控室。系統(tǒng)選用一臺智能化和自動化較高的多功能型集中報警控制器，包括火災報警探測系統(tǒng)、火警電話系統(tǒng)、火警廣播音響系統(tǒng)以及火警聯(lián)動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以集中報警控制器為中心，以總線方式連接、控制系統(tǒng)內各探測報警器和控制設備。另外，火災自動報警系統(tǒng)通過串口方式與電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行數據通訊，重要信息可上送電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

8 結語

扭子水電站于2010年2月份發(fā)電運行以來，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全可靠，其自動化水平和繼電保護水平與當前國內外發(fā)展水平相適應。通過選用完備功能的微機綜合自動化系統(tǒng)，以其直觀、運行操作簡便的工作方式，為提高電站的管理水平奠定基礎，同時也成為“無人值班、少人值守”成功運行電站的范例，可為類似水電站二次設計提供借鑒。陜西水利

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