綜合自動化系統在電解鋁整流供電過程中應用策略

青銅峽鋁業股份有限公司寧東鋁業分公司 趙 祥

現階段，國內電解鋁項目普遍表現出了電壓等級高、產能及規模較大的特點，要想使電解鋁的優勢得到充分發揮，關鍵是要對其進行整流供電。事實證明，對維護難度低、質量良好的綜自系統加以運用，不僅能夠降低電解鋁因故停運的概率，還可使其生產效能得到顯著提升，引入綜自系統勢在必行。

1 項目概況

2008年，寧東鋁業分公司展開了對整流一所供電系列進行建設的工作，項目于2009年竣工并正式投運。該項目所包含設備的種類較多，主要有整流機組、分配電室和動力變，數量分別為7臺、6個以及2臺。2011年，整流二所供電系列正式投運，該項目的建設重點為整流變，通過新增6臺整流變的方式，使供電系列整體性能變得更加理想。上述供電系列均搭載330kV進線，兩條進線由徐家莊變電站提供，另外兩條進線則由臨河電廠提供，站內母線所采取供電模式為雙分段、雙母供電。供電車間動力變壓器容量為50000kVA，由新疆變壓器廠提供，隨著動力變壓器的加入，進線所提供電能由最初的330kV降為10kV，通過總配電室進行輸送，確保各分配電室均能夠獲得運行所需電能。

350kA直流供電配有7套整流設備，每套包括1臺變壓器組、2臺整流器，其中變壓器組的規格為117000kVA。400kA直流供電則配有6套整流設備，對應變壓器組的規格為136200kVA。350kA的7號機組為共用機組，一般情況下，該機組均依托350kA系統進行運行，若400kA所配置機組故障不能立即處理或檢修機組不能立即恢復，在確保350kA 7臺整流機組運行的情況下，則需要將該機組轉入400kA系統，但要注意一點，即該機組不參與穩流控制工作[1]。

2 電解鋁整流供電問題

2.1 二次線有待優化

電解鋁整流供電的電壓較高，仍沿用以多股銅線為代表的常規二次線，考慮到二次小線所具有性能往往會給整流柜運行產生較大影響，存在難以保證系統運行穩定且可靠[2]。

2.2 保護設計效果仍有改進空間

要想使保護效果更加理想，通常需要做到三管齊下，具體做法如下：一是新增逆流保護專業設備，當某臺整流機組短路故障，其他機組通過直流大母線向故障機組短路點反向輸入大電流，可以防止其他機組因短路造成設備損壞，同時對設備所處運行狀態進行測試。另外，出于對變壓器所具有靈敏度提供保護的考慮，還應新增對反向限過流進行保護的裝置，使保護效果最大限度接近預期。二是對離極保護裝置進行安裝，通過及時切斷開關的方式，對事故影響范圍加以控制，降低電解槽爆炸的概率，同時避免整流柜元件受損。與此同時，還應增設相應的總停開關，以便于工作人員手動切換電源啟閉狀態，避免事態進一步惡化。三是給予弧光保護充分的重視，借助電流閉鎖削弱電流所形成磁場給保護程序所造成不良影響，為系統所具有可靠性及穩定性提供保證。

3 綜合自動化系統的應用策略

3.1 系統概述

3.1.1 供電系統

電解鋁供電的作用主要是為電解系統提供其正常運行所需的電能，常見供電方式如下：基于三相硅整流裝置、有載變壓器對交流電進行轉換，使其成為電解所需直流電[3]。該系統通常需要配備開關、變壓器和硅整流裝置等設備，其中整流器還配有自控系統，可通過細調飽和電阻器與粗調有載開關相結合的方式，使直流電流更加穩定。

3.1.2 綜自系統

寧東鋁業分公司供電車間綜自系統，其定位是以計算機技術和現代網絡為基礎的、兼具多種功能的自動組態軟件。其中，PecStar軟件主要負責為市政建設、工業企業、商業用戶和電力系統提供所需服務，確保建筑電氣、電能得到有效管理。現階段，該軟件已在電力系統和市政建設等領域得到了廣泛運用，基于該軟件所衍生出的生產自動管理、工業電能管理等系統，均為社會的發展貢獻了力量。由此可見，綜自系統的特點在于其充分運用了現有的計算機及網絡技術，強調以自控技術為前提，以監控、保護裝置為基礎，憑借集中組屏、分散安裝對數據進行采集并管理，這里需要注意一點，該系統所搭載網絡通信和微機均為模塊化結構。詳細配置見圖1。

圖1 綜自系統配置圖

3.2 應用方案

綜自系統所搭載結構類型主要分為兩種，分別是網絡型、分散式，其中網絡型的特點是以分散綜自結構為基礎，利用現有通信模式及網絡技術對過程層、間隔層進行優化，使過程層所涵蓋智能設備成為網絡主要組成部分。而分散式監控的對象通常以整流所、變電站電氣間隔為主。現階段，電解鋁領域所用綜自系統多為分散式結構，系統往往配有兩臺性能完全相同的監控機，同時保證各主機獨立運行，這樣設計的目的是確保即使某臺監控機出現故障，另一臺監控機同樣能夠承擔起相應的責任，保證系統平穩且高效地運行。系統間隔層采用單元配置模式，保護單元及測控單元分別經由對應通道與主站層相連，通訊所用介質以光纖為主，同時借助PLC對監控機加以控制，確保系統能夠高效完成實時監控、采集數據等工作。另外，相關人員還根據現有監控主站所具有功能，對相應的工程師站進行了配置。

3.3 系統配置

戶內配電裝置所搭配供電系統為雙母線系統，該系統設有兩回進線，兩組互感器，一個母聯。同時，兩回進線分別配有相應的互感器，配電裝置所設置間隔的數量較多，在配電裝置所對應間隔內安裝保護單元。另外，出于增強系統所具有可靠性及穩定性以及降低日后電氣維護難度的考慮，相關人員選擇將單個間隔作為主體，對相應的監控進行設置，杜絕多個間隔接入相同保護單元的情況發生。保護單元所采取核心技術為交流采樣，其特點在于可快速完成測量以及計量電參數的工作，同時新增錄波、分析高次諧波等功能[4]。

3.3.1 網絡結構

該系統配有雙通信網及雙微機，此舉在一定程度上增強了系統所具有的可用性、可靠性。對系統結構進行分析不難看出，各個監控裝置及保護裝置均能夠憑借通信網絡連接微機，而對監控微機進行雙冗余設計的初衷，主要是將通路故障給系統運行所造成不良影響降至最低。考慮到兩臺微機啟動條件、功能完全一致，在對其加以應用時，工作人員可通過發布不同操作口令的方式，使二者所存在差別得到體現。事實證明，雙機獨立運行的優點主要是任一微機既能夠承擔起全部的工作，同時二者互為備用，系統所具有可靠性自然能夠得到大幅提高。

3.3.2 軟件配置

綜自系統所選用監控軟件具有容量大、兼容性良好的特點，將其與整流供電相結合，可使該軟件的優勢得到更加充分的發揮。其特點主要體現在以下幾方面：一是安全性。該軟件可做到長期穩定運行，確保數據一致且不存在遺漏，將誤操作和人為失誤出現的概率降至最低。現階段，搭載該軟件的綜自系統已正式投運，且未發生系統崩潰、微機死機等問題。二是實時性。該軟件從接收指令到給出響應的時間極短，在實時性方面具有突出表現。三是開放性。該軟件既能夠和其他系統進行無縫連接，同時還可以和監控中心或調度中心互聯。四是友好性。軟件交互界面直觀且簡潔，在一定程度上降低了用戶的使用難度。五是完備性。該軟件既保留了監控軟件的基本功能，同時又新增了防誤操作、分時計費還有分析電能質量等多項功能，無論是在運行管理，還是在內部審核方面，均具有極為重要的作用。

3.3.3 硬件配置

在硬件配置方面，該系統同樣對冗余技術進行了應用，旨在通過打造雙服務器的方式，為自身穩定且可靠的運行奠定基礎。兩臺服務器互為備用，除特殊情況外，信息處理工作均交由主服務器負責，另一臺服務器則需要密切關注主服務器運行情況，并根據主服務器情況對自身所存儲數據進行自動更新。若主服務器因故停止運行，另一臺服務器需要承擔起信息處理的任務。

3.4 系統功能

3.4.1 采集數據

采集各設備、各回路溫度、諧波及其他相關數據。基于PLC對整流系列各項數據進行采集，包括但不限于冷卻器狀態、偏移/直流電流。采集隔離刀閘和開關的狀態量，調壓開關所處位置以及接點狀態還有保護信號，提供CAD圖，如實記錄設備狀態和變化趨勢。

3.4.2 設置定值

實時顯示現有機組對應偏移繞組電流以及控制繞組電流。控制整流機組、直流電流，同時對溫流參數進行設定。對于單機組，可通過細調電流的方式，將其給直流總電流所造成不良影響降至最低。對保護定值進行設置，實時跟進保護的退出與投入情況，通過上位機加以展示。

3.4.3 事故報警

按照事故發生順序進行記錄（可精確到1ms），針對開關量變化發布預警并進行報警，啟動針對報警事件的追憶、錄波。根據上位機情況設定限值，在上位機達到限值的第一時間報警，按照類別對報警時間還有事件性質進行準確記錄。記錄系統設置人為操作、已發生的通信故障、保護動作、測量諧波，同時對是否存在越限情況進行監視。

3.4.4 四遙遠動

綜自系統具有微機測控、遠動保護等多項功能，可通過四遙的方式，有序開展采集并分析數據、微機保護、安全監視等工作。事實證明，對該系統加以運用，一方面可使電解鋁整流供電所具有自控水平得到顯著提高，另一方面能夠減少工作量，通過全過程管理的方式，為供電系統可靠性及安全性提供保證，將人為事故發生的概率降至最低。

3.4.5 統計分析

提供數據計算所需工具，對采集所得電量數據進行實時記錄并分類保存。以年/月/日/時為單位，對電能進行統計。以用戶所提供報表為依據，對全新報表進行生成，可保留兩年的歷史數據，供工作人員查詢或使用。記錄每日有載分接開關的啟閉頻次、歷史啟閉頻次，同時對斷路器的啟閉頻次進行準確記錄，分時計費。用戶以自身情況為依據，對最小/最大值進行定義，同時對電壓的負荷率以及合格率進行統計，打印全部畫面。

3.5 整流機組保護

3.5.1 概述

供電車間一所內共有7臺整流機組，均配有SEL+西門子的雙套保護裝置。整變設過電流保護、過負荷保護及電流速斷保護，配置1臺SEL-501-2和兩臺西門子7SJ600；調變設變壓器零序保護、電流速斷保護及電壓閉鎖保護，配置1臺SEL-351A和1臺西門子7SJ681。

3.5.2 SEL裝置

該裝置由過流繼電器負責提供保護功能，各組保護均有輸入/輸入光電隔離的接點對應。

3.5.3 西門子裝置

本項目所使用西門子裝置多被用于對電動機、配電系統進行保護，此外還可被用來對變壓器進行后備保護。

3.6 弧光保護

3.6.1 系統概述

弧光保護裝置可被用來對整流柜進行保護，本項目所選用弧光保護裝置可被拆分成弧光保護單元和繼電器，各機組均配有1臺繼電器、3臺保護單元，連接6根單模光纖，任一光纖均能夠為整流柜的4個臂提供保護。保護單元負責將檢測所得光信號向電信號進行轉換，再將電信號上傳至對應繼電器，隨后由繼電器負責對跳閘信號進行上傳。

3.6.2 跳閘說明

在出現弧光故障且總控柜各組跳閘柜的鑰匙均位于ON位時，機組跳閘。若有任一機組鑰匙處于OFF位，則只有該機組正常運行，其余鑰匙處于ON位的機組跳閘。

3.7 應用效果

本文所討論綜自系統以現有通信技術、計算機技術為基礎，將變電站常規二次設備模式打破，搭載間隔設備均為保護單元，強調根據保護對象實際情況，對相關設備進行分散安裝，并借助光纖對通信網絡進行建立，真正做到了間隔、計算機信息實時共享。現階段，該系統已正式投運并取得了突出的成績，未來應加大對該系統推廣的力度，由此來為國內電解鋁的發展助力。

4 結論

事實證明，相較于常規的監控系統，綜自系統的優點主要體現在以下幾方面：一是通過控制二次電纜使用量的方式，減少系統占地面積，同時使造價更符合客戶預期。二是利用現有抗干擾措施對間隔設備進行優化，用光纖取代原有通訊媒介，使系統對電磁干擾所具有抵抗能力得到顯著增強，即使長期處于環境較為惡劣的電解鋁廠內，系統仍然能夠做到穩定運行。