巴基斯坦卡洛特水電站電氣二次設計研究

熊曼妮 劉月橋

摘要：卡洛特水電站是巴基斯坦境內吉拉姆河規劃5個梯級電站的第4級，電站裝設4臺18萬kW（180 MW）水輪發電機組，電站接入系統采用500 kV電壓等級。針對卡洛特水電站項目以及巴基斯坦地區的特點，對系統結構、系統配置及系統功能設計等進行簡要介紹，說明了設計中不同于中國國內的設計理念，指出了設計中的特點及亮點，能在水電站安全運行中發揮重要作用，可供借鑒。

關鍵詞：電氣二次系統;計算機監控系統;繼電保護;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TV741文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.021

文章編號：1006 - 0081（2021）11 - 0092 - 05

0 引 言

電氣二次系統是電力系統不可缺少的重要組成部分，它實現了電氣系統的聯系監視、控制及保護，使電力系統能穩定、安全地運行。計算機監控系統控制著整個電站的運行，是后續運行人機交互最多的系統，繼電保護系統在保證電力系統安全運行中起著至關重要的作用。

巴基斯坦卡洛特水電站是吉拉姆（Jhelum）河規劃5個梯級電站的第4級，上一級為阿扎德帕坦水電站，下一級為曼格拉水電站，其供電范圍為巴基斯坦國家電網。卡洛特電站裝設4臺水輪發電機組，總裝機容量為72萬kW（720 MW），采用單元接線方式，將4臺發電機-變壓器組接至500 kV系統，該系統為3/2接線方式，共有2回500 kV出線。

按照巴基斯坦國家電網現行調度管理體制，卡洛特水電站將由巴基斯坦國家電網調度，對水電站進行安全監視和自動發電控制（AGC），以確保巴基斯坦國家電網可靠、安全、優質及經濟地運行。為保證巴基斯坦國家電網安全運行及安全監測，卡洛特水電站的遠動信息將送往巴基斯坦國家電網。

本文針對巴基斯坦地區特點，研究了卡洛特水電站電氣二次系統中的計算機監控系統及繼電保護系統，說明設計中的計算機監控系統及繼電保護系統與中國國內不同的設計理念及其設計中的特點及亮點。

1 計算機監控系統

1.1 設計原則

考慮到卡洛特水電站在系統中的地位以及電站廠房型式特點，為保證電站安全可靠、經濟運行，提高電站運行和管理的自動化水平，電站監控系統的設計遵循以下原則：

（1）電站按初期“少人值班”，最終“無人值班”（少人值守）的原則設計;

（2）電站采用全計算機監控（不設常規監控），即電站集中監控和現地監控單元均采用計算機監控，并在電站設備的現地設就地監控設施;

（3）計算機監控系統應具有高度可靠、完善的監控功能，良好的開放性，以確保系統的可擴展性和移植性，保護用戶的硬、軟件投資;

（4）計算機監控系統應具有容錯功能，主要環節采用冗余配置;

（5）計算機監控系統采用分層分布式結構，保證系統中任何局部設備的故障均不影響監控系統總體功能的實現;

（6）監控系統中的現地控制單元和各就地控制設施應能獨立工作;

（7）機組LCU具有獨立于監控系統的水機保護系統;

（8）采取二次系統安全防護措施，提高自身安全防護可靠性;

（9）滿足接入系統的要求，設置相應的接口設備。

1.2 監控對象

電站監控系統的主要監控對象為：①4臺水輪發電機組及其輔助設備;②4套發電機電壓設備;③4臺機組進水口閘門;④4臺主變壓器;⑤500 kV GIS設備;⑥全廠公用設備（包括廠用電、排水及氣系統等）;⑦上、下游水位計;⑧泄洪閘門;⑨電站其他設備。

1.3 系統結構

為保證電站計算機監控系統具有較強的時效性、可靠性且可利用率高，滿足系統開放性、可擴充性及運行靈活性等方面的要求，實現電站無人值班（少人值守），電站計算機監控系統采用全開放全分布式體系結構。由于該電站500 kV高壓電氣設備（含主變）與發電機、廠用電等其他電氣設備分屬巴基斯坦國家電力輸電公司不同部門調度管理，因此全站監控系統由電站監控系統（CSCS）和500 kV監控系統（SAS）兩部分組成。兩個系統均分成主控級和現地控制級兩層，全廠實時數據庫和歷史數據庫分別分布在主控級計算機中，監控系統各功能分布在系統的各個節點上，每個節點嚴格執行指定的任務，并通過網絡與其它節點進行通信。電站監控系統（CSCS）結構如圖1所示，開關站監控系統（SAS）結構如圖2所示。

監控系統采用全開放分層分布式網絡結構，系統采用傳輸速率為1 000 Mbps 的工業以太網結構，系統內各節點全部接入該網絡。該網絡為雙冗余熱備。配置2 臺工業以太網交換機，分別與每個現地LCU控制拒的2 臺工業以太網交換機通過光纖接口連接，形成冗余連接方式，當主用鏈路出現斷點時，在500 ms之內切換到備用鏈路。

現地控制級按監控對象分布設置現地控制單元。現地控制單元采用現場總線連接遠程I/O及現地智能監測設備。現場總線采用開放、通用的協議;傳輸介質采用光纖。

1.4 系統配置

電站監控系統（CSCS）廠站層主要配置有：4臺信息管理服務器，2臺操作員工作站，1 臺工程師工作站，1 臺培訓仿真工作站，2 臺調度通信工作站，1 臺廠內通信服務器，2 臺Web數據服務器，2 臺Web發布服務器，10臺顯示器，2套對時時鐘裝置（GPS和北斗各一套），1 套大屏幕顯示系統，2套激光打印機，2臺監視終端、UPS電源，1套控制臺等。

CSCS現地控制單元節點配置有：4套機組LCU （LCU1-4 ） ，1套公用LCU（LCU5） ，進水口閘門及大壩公用設備LCU （LCU6）等。

開關站監控系統（SAS）廠站層配置有：2臺操作員工作站、1臺工程師工作站、2臺調度通信工作站、2臺對時時鐘裝置（GPS）、2套骨干網絡交換機、1套黑白打印機、UPS電源、1套控制臺等組成。

SAS現地控制單元（BCU）級按被控對象配置3套開關站間隔單元 （BCU1，BCU2，BCU3）。

BCU負責完成現地被控對象的過程控制，實時采集現地設備的各種信息，進行設備狀態監視，完成開關站及線路上各斷路器、刀閘的投/切等操作，并與廠站層進行通信。BCU分別配置通信接口，完成與保護系統設備之間的通信。

1.5系統特點

根據巴基斯坦電網調度要求，全站監控系統具有如下特點：

（1）電站監控系統（CSCS）和500 kV監控系統（SAS）相對獨立，又相互聯系。CSCS主站層兩臺交換機分別同時經兩臺規約轉換器與SAS主站層兩臺交換機相互通信。CSCS和SAS 主站層設備可分別同時監視全站信息，但是兩個系統的操作員工作站僅能對本轄區的電氣設備進行遠程控制操作。

（2）機組LCU、公用LCU和進水口閘門及大壩公用設備LCU采用單模光纜以雙網結構接入CSCS站控層交換機;發電機保護柜、變壓器保護柜內的每臺保護裝置以及發電機故障錄波器的以太網接口與發電機故障錄波柜內的交換機經網線連接，信號匯總后經單模光纜接入電站監控系統的通信管理機;發電機故障錄波柜內的另一臺交換機同樣匯總上述裝置的信號后經單模光纜接入全廠保護及故障信息管理子站。

（3）500 kV開關站現地控制單元（BCU1～BCU3）采用單模光纜以雙網結構接入SAS站控層交換機;開關站共有4塊故障錄波柜，其中PFR2，PFR3柜分別裝設1套交換機，用多模光纜采集開關站所有保護裝置和開關站故障錄波的信息，匯總后經單模光纜接入SAS站控層的兩臺交換機，實現網絡冗余;PFR4柜裝設1套交換機，用多模光纜匯總開關站所有保護裝置和開關站故障錄波的信息，再經單模光纜接入全廠保護及故障信息管理子站。

（4）數據采集。SAS網絡支持IEC-61850 V2協議，可以實時對保護設備及BCU設備的運行狀態和運行參數自動進行采集。

（5）與上級調度通信。按照調度要求采用IEC60870-5-104 或IEC60870-5-101規約。

（6）SAS設備對時。支持IEEE-1588 V2對時協議。

（7）系統設備支持IEC 62439-3 PRP通信協議。

2 繼電保護系統

2.1 發電機保護

發電機保護按雙套保護系統分別組成A，B兩面屏柜的原則配置，每面屏柜配置完整的主、后備保護，保護功能完全獨立。

（1）發電機保護A柜配置：①縱差保護（87G-A）;②裂相橫差保護（87GUP-A）;③橫差電流保護（87GN-A）;④定子一點接地保護（64G-A）;⑤定子過電壓保護（59G-A）;⑥定子過負荷保護（51G-A）;⑦負序電流保護（46G-A）;⑧失磁保護（40G-A）;⑨發電機后備保護（50/51G-A）;⑩轉子一點接地保護（64E-A）;11發電機出口斷路器失靈保護（50BF-A）;12誤上電保護（60/27G-A）;13失步保護（78-A）;14逆功率保護（32G-A）;15過激磁保護（24G-A）;16軸電流保護（38/51-A）;17勵磁變速斷保護（50ET-A）;18勵磁變過流保護（51ET-A）;19勵磁變過負荷保護（51ETL-A）;20TA/TV二次回路斷線保護（95-A）。

（2）發電機保護B柜配置：B盤上配置與A盤完全相同的保護，要求及作用對象同A盤，定子一點接地保護、轉子一點接地保護、失磁保護采用不同原理實現。

2.2 變壓器保護

變壓器電氣量保護按雙套保護配置，分別裝于兩面保護屏內。每面屏柜配置一套完整的變壓器主保護及后備保護，能反映被保護設備的各種故障及異常狀態，并能動作于跳閘或發信號。

主變壓器及高壓廠用變壓器的非電量保護單獨設置一面保護屏。

（1） 變壓器保護A柜配置：①主變壓器縱差保護（87T-A）;②主變高阻抗零差保護（87NT-A）;③變壓器過激磁保護（24T-A）;④變壓器方向過流保護（51/67T-A）;⑤主變壓器中性點過流保護（51NT-A）;⑥廠用變壓器差動保護（87ST-A）;⑦廠用變壓器過電流保護（51ST-A）;⑧廠用變過負荷保護（51STL-A）;⑨TA/TV二次回路斷線保護（95 -A）。

（2） 變壓器保護B柜配置：發電機保護B柜的保護原理、動作對象和輸出信號與A柜中的完全相同。

（3） 變壓器保護C柜配置：①主變壓器重瓦斯保護（80TH）;②主變壓器輕瓦斯保護（80TL）;③主變壓器溫升保護（49T）;④主變壓器壓力釋放保護（63T）;⑤主變壓器冷卻器故障保護（54T）;⑥廠用變壓器溫升保護（49ST）;⑦勵磁變壓器溫升保護（49ET）。

2.3 500 kV系統保護

（1） 500 kV母線保護。每組500 kV母線配置兩套不同廠家的微機型差動保護（87B-A、87B-B），兩組母線共設置4套。每套母線保護設置一面單獨的保護屏柜，保護動作后均瞬時跳開與母線相連接的所有斷路器。

（2） 開關間短引線差動保護。在每個主變進線或500 kV出線的兩個斷路器之間區域分別設置一套短引線差動保護（87S），在進線或出線退出時自動投入運行。

（3） 500 kV斷路器保護。500 kV斷路器保護主要實現斷路器失靈保護功能，同時根據巴基斯坦電網要求，增加了斷路器同期合閘期間壓差、頻差、相角差分別滿足同期合閘條件的信號輸出功能。每臺500 kV斷路器設置一面斷路器保護柜，邊斷路器保護則與開關間短引線差動保護共同組屏安裝。

（4） 500 kV線路保護。每回500 kV線路配置兩套不同廠家的微機型高頻距離保護作為主保護，自帶距離II段、距離III段作為后備保護，分別獨立組盤安裝。第一塊線路保護柜另配3套獨立的過壓保護裝置分別實現低定值長延時、高定值短延時以及反時限過壓保護功能;第二塊線路保護柜另配一套反應相間及相地故障的方向過流保護裝置作為后備。此外，每塊線路保護柜分別配置1套重合閘裝置，在線路故障時每套重合閘裝置能獨立對與線路相連的兩個斷路器分別進行重合閘操作，在非線路保護動作時，重合閘功能被可靠閉鎖。

（5）500 kV電抗器保護。500 kV電抗器配置雙重化的差動保護、高阻抗零差保護、過流及接地保護，兩套保護分別組盤安裝。電抗器回路斷路器的失靈保護裝在第一塊保護盤內，電抗器非電量保護裝在第二塊保護盤內。

（6）遠方跳閘保護。與線路相連的兩個斷路器失靈保護長延時動作、線路過壓保護動作時，經復用載波通道遠跳對側斷路器。

（7）故障錄波系統。每個發變組單元設置1套故障錄波裝置，共4套;500 kV系統設置多套西門子的故障錄波裝置，分別裝于4塊盤內。整個電站發生故障或振蕩的準確時間和電氣量的波形以及保護動作信息、斷路器狀態變化均可以實時得到準確記錄。

2.4 保護及故障信息管理系統

卡洛特水電站設置1套保護及故障信息管理系統，對全站所有保護裝置和故障錄波裝置（包括發變組、500 kV開關站等保護及故障錄波設備）進行在線管理、監視與維護，并對事故、故障信息進行監視、分析、打印并將信息送至電站計算機監控系統和上級調度部門。

各保護裝置及故障錄波裝置經電口或多模光口與交換機組網后，由交換機經單模光纜與保護及故障信息管理系統聯接。保護及故障信息管理系統具有與電站綜合自動化系統的數據通訊接口及與上級調度部門的遠傳通訊接口。

2.5 系統特點

卡洛特水電站繼電保護系統的設計遵循巴基斯坦國家電網輸配電公司的技術規范《NTDC 500 KV Specification （Final） P 204 2008》，某些方面有別于中國國內的做法，其特點如下：

（1）線路過壓保護采用3套相互獨立的非線路保護內置的保護裝置;

（2）雙重化配置的每套線路保護，均要啟動兩個保護通信接口裝置（PLC）將欠范圍允許動作信號傳到對側。任一PLC正常工作，都能確保線路兩端的保護協同工作;

（3）線路單相故障時，先跳三相而非單相，習慣于三相重合閘;

（4）母線保護具有EFP功能：某串邊斷路器斷開情況下，母線保護所連CT與該斷路器之間發生短路故障，EFP僅切除與該邊斷路器相連的線路或機組，并跳開該串中間斷路器。無需斷開與母線相連的所有斷路器;

（5）變壓器或電抗器的非電量保護均啟動斷路器失靈;

（6）電抗器保護屏配有1套過零點投切裝置，實現并聯電抗器回路斷路器每相正常操作時過零點投切;

（7）雙重化配置的保護，每套保護均動作于斷路器的雙跳線圈;

（8）所有保護動作，均有常閉接點輸出閉鎖相關斷路器的手動合閘;

（9）所有保護柜電流電壓、保護動作出口采用TEST BLOCK試驗端子盒，取消所有保護及跳閘出口壓板;

（10）所有保護盤柜均設直流雙電源切換裝置;

（11）PT開口引出電壓回路設有空開及其常閉接點：一次不接地系統發生單相接地、且PT開口二次回路短接情況下，可避免PT燒損事故;常閉接點引出報警，避免了空開斷開時零序電壓未引入引起的疏忽。這一條值得國內借鑒推廣。

3 結 論

對巴基斯坦而言，卡洛特水電站規模較大，在電網中占據著重要的地位，因此巴方NTDC和工程監理工程師對于涉網二次設備要求極為嚴格，上述設計方案都是經過多次反復討論研究形成的。該水電站系統結構更復雜，可靠性更高，值得借鑒。實踐表明：該電氣二次系統設計對卡洛特水電站安全、可靠、穩定運行發揮了重要的作用。

（編輯：李 晗）

Study on electric secondary design of Karot hydropower Station

XIONG Manni，LIU Yueqiao

（Changjiang Survey，Planning， Design and Research Co.，Ltd.， Wuhan 430010，China）

Abstract：Karot hydropower station is the fourth cascade of planned five power stations on the Jhelum River in Pakistan.The power station is equipped with four 18×104 kW （180 MW） hydrogenerator sets， and the power station access system adopts 500 kV voltage grade.According to the characteristics of Karot Hydropower station and Pakistan， this paper briefly introduces the system structure， system configuration and system function design， explains the design concept different from the domestic design， and points out the characteristics and highlights of the design， which can play an important role in the safe operation of hydropower station and can be used as a reference.

Key words： electric secondary system; computer monitoring and control system; relay protection system;Karot Hydropower Station; Pakistan