黃河龍口水利樞紐電氣二次設(shè)計(jì)

林 寧 程曉坤

1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

龍口水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用開(kāi)發(fā)式全分布結(jié)構(gòu),在功能上分為主控級(jí)和單元控制級(jí)兩級(jí),通過(guò)工業(yè)級(jí)交換機(jī)組成光纖雙環(huán)型以太網(wǎng),速率100mB/s。主控級(jí)是電站實(shí)時(shí)監(jiān)控中心,主要負(fù)責(zé)全廠重要機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制,進(jìn)行全廠的自動(dòng)化運(yùn)行(包括AGC、優(yōu)化運(yùn)行、AVC等)、歷史數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的電站側(cè)數(shù)據(jù)處理以及進(jìn)行全廠的人機(jī)對(duì)話等。主控級(jí)主要硬件設(shè)備包括:系統(tǒng)工作站2套、操作員工作站2套、工程師/培訓(xùn)工作站1套、(以上機(jī)型均為SUN ULtra 45 Workstation);廠內(nèi)通信工作站1套、語(yǔ)音報(bào)警裝置1套(以上機(jī)型均為HP XW4600 Workstation采用UNIX操作系統(tǒng));系統(tǒng)調(diào)度通信工作站4套及系統(tǒng)通訊所需的交換機(jī)、縱向加密、路由器等;雙環(huán)光纖工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備2套MS20交換機(jī)(德國(guó)HIRSCHMANN);模擬屏及通信轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器1套;GPS衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)1套;彩色激光打印機(jī)2臺(tái)、黑白激光打印機(jī)2臺(tái);上位機(jī)不間斷電源(10kVA)2套。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用NARI公司NC2000系統(tǒng),主要包括:網(wǎng)絡(luò)通信軟件、系統(tǒng)冗余軟件、標(biāo)準(zhǔn)接口軟件、應(yīng)用軟件等。

單元控制級(jí)主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理,控制與調(diào)節(jié),以及與上位機(jī)的通信聯(lián)絡(luò)等。設(shè)備包括:機(jī)組現(xiàn)地控制單元(1LCU—5LCU)5套;山西側(cè)開(kāi)關(guān)站現(xiàn)地控制單元(6LCU)1套;內(nèi)蒙側(cè)開(kāi)關(guān)站現(xiàn)地控制單元(7LCU)1套;公用設(shè)備現(xiàn)地控制單元(8LCU)1套。現(xiàn)地控制單元采用NARI公司MB80系列智能 PLC,具有雙CPU直接上網(wǎng)功能,每一個(gè)現(xiàn)地控制單元接至兩個(gè)RS20系列網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

全廠公用控制系統(tǒng)包括:氣系統(tǒng)(中壓空壓機(jī)集中控制、低壓空壓機(jī)集中控制)、排水系統(tǒng)(廠內(nèi)滲漏排水、廠內(nèi)檢修排水、11#～19#壩段滲漏排水、下游灌漿廊道排水、右岸消力池排水)底孔閘門(mén)系統(tǒng)及全廠通風(fēng)系統(tǒng)等。以上系統(tǒng)除右岸消力池排水控制設(shè)備外均采用ABB公司生產(chǎn)的可編程控制器及相關(guān)自動(dòng)化元件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,右岸消力池排水控制采用施耐德公司生產(chǎn)的可編程控制器。根據(jù)設(shè)備布置采用分組組網(wǎng)方式接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠公用控制系統(tǒng)的監(jiān)視。

龍口水電站將接受山西和內(nèi)蒙2個(gè)電網(wǎng)的電力調(diào)度,相應(yīng)數(shù)據(jù)也將送入兩網(wǎng),所以在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了2個(gè)開(kāi)關(guān)站現(xiàn)地控制單元,即山西側(cè)開(kāi)關(guān)站現(xiàn)地控制單元(6LCU)和內(nèi)蒙側(cè)開(kāi)關(guān)站現(xiàn)地控制單元(7LCU),使數(shù)據(jù)獨(dú)立互不干擾。另外遠(yuǎn)動(dòng)所用的系統(tǒng)調(diào)度通信工作站,冗余配置每個(gè)電力系統(tǒng)2臺(tái),增加了遠(yuǎn)動(dòng)的可靠性。

2 機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)

采用廣州電器科學(xué)研究院生產(chǎn)的EXC9000全數(shù)字式靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng),主要包括:勵(lì)磁變壓器、調(diào)節(jié)柜、功率柜(2個(gè))、滅磁開(kāi)關(guān)及非線性電阻柜。勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)機(jī)端的勵(lì)磁變壓器,經(jīng)三相全控橋整流后,向發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流。其主要特點(diǎn)是功能軟件化、系統(tǒng)數(shù)字化;并采用了DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、可控硅整流橋動(dòng)態(tài)均流技術(shù)、高頻脈沖列觸發(fā)技術(shù)、低殘壓快速起勵(lì)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器具有獨(dú)立的數(shù)字/數(shù)字/模擬三通道,調(diào)節(jié)通道以主從方式工作,其中一個(gè)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)通道作為主通道(含自動(dòng)和手動(dòng)單元),另一個(gè)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)通道(含自動(dòng)和手動(dòng)單元)作為第1備用通道,手動(dòng)調(diào)節(jié)通道作為第2備用通道。模擬通道是基于集成電路的模擬式調(diào)節(jié)器。它以勵(lì)磁電流作為反饋量,從實(shí)現(xiàn)的原理和途徑上與數(shù)字式調(diào)節(jié)器相比完全不同,因而能起到很好的后備作用,實(shí)現(xiàn)兩種不同的調(diào)節(jié)組態(tài)。每個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)通道配有1套獨(dú)立的智能化故障檢測(cè)系統(tǒng),調(diào)節(jié)器采用多CPU模式協(xié)同工作,運(yùn)算速度快;具有PID控制器及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)等功能。

正常停機(jī)調(diào)節(jié)器自動(dòng)逆變滅磁,事故停機(jī)跳滅磁開(kāi)關(guān)將磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)移到高能氧化鋅非線性電阻滅磁。滅磁回路采用 “均能組合”技術(shù),使得滅磁過(guò)程中各支路吸收能量均勻,從而保持了各支路非線性電阻老化程度一致。過(guò)壓保護(hù)采用串聯(lián)大功率交流電源,滅磁時(shí)切除脈沖可以保證在任何工況下磁場(chǎng)能量均能順利轉(zhuǎn)移到氧化鋅,采用這種方式滅磁可以加快滅磁時(shí)間,減少開(kāi)關(guān)電磨損,也可降低對(duì)磁場(chǎng)斷路器弧壓要求。

3 調(diào)速系統(tǒng)

調(diào)速器由武漢長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所供貨,1#～4#水輪機(jī)調(diào)速器為WDST-100型微機(jī)雙調(diào)電液調(diào)速器(導(dǎo)葉和槳葉雙調(diào)),5#水輪機(jī)調(diào)速器為WDT-80型微機(jī)單調(diào)電液調(diào)速器。5套調(diào)速器均采用雙PCC調(diào)節(jié)器,控制模塊通過(guò)接收機(jī)組控制命令及機(jī)組實(shí)時(shí)功率、轉(zhuǎn)速、水頭等測(cè)量值,計(jì)算出相應(yīng)的導(dǎo)葉位置設(shè)定值,并根據(jù)設(shè)定值與測(cè)量值的偏差,輸出到水輪機(jī)操作機(jī)構(gòu)執(zhí)行,使導(dǎo)葉位置、槳葉位置自動(dòng)協(xié)聯(lián)并與設(shè)定值相對(duì)應(yīng)。調(diào)速器測(cè)速采用電氣測(cè)速和齒盤(pán)測(cè)速相結(jié)合的方式,電氣測(cè)速采集機(jī)端和系統(tǒng)PT信號(hào),齒盤(pán)測(cè)速是利用主機(jī)廠安裝在主軸上的齒盤(pán),由調(diào)速器廠家配齒盤(pán)探頭得到齒盤(pán)信號(hào)。液壓部分由雙伺服比例閥、主配壓閥、事故配壓閥、分段關(guān)閉裝置(小機(jī)組沒(méi)有)等組成。

機(jī)組正常停機(jī)時(shí)利用主配壓閥關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu),當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷,而調(diào)速系統(tǒng)主配拒動(dòng)不能關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)時(shí),機(jī)組轉(zhuǎn)速升高,當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到整定值且收到主配拒動(dòng)信號(hào)后,控制事故配壓閥,使主接力器迅速關(guān)閉,從而防止機(jī)組飛逸;當(dāng)事故配壓閥也發(fā)生故障,轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升到過(guò)速保護(hù)裝置設(shè)定值時(shí),過(guò)速限制裝置動(dòng)作,利用油路直接使導(dǎo)葉迅速關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)機(jī)組的飛逸保護(hù)。同時(shí)啟動(dòng)機(jī)組緊急事故停機(jī)流程使機(jī)組停機(jī),防止轉(zhuǎn)速過(guò)度升高造成對(duì)機(jī)組的損害。

4 繼電保護(hù)

(1)1#～4#發(fā)電機(jī)保護(hù)采用雙重化配置,A套為國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司的GDGT801-1343型微機(jī)保護(hù)裝置,B套為南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司的PRC85GW-31型微機(jī)保護(hù)裝置。發(fā)電機(jī)保護(hù)包括:不完全縱差動(dòng)保護(hù)、完全裂相橫差保護(hù)、帶電流記憶的低壓過(guò)流保護(hù)、定子過(guò)負(fù)荷保護(hù)、負(fù)序過(guò)負(fù)荷保護(hù)、失磁保護(hù)、定子過(guò)電壓保護(hù)、100%定子接地保護(hù)、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)、軸電流保護(hù),其中A套保護(hù)中還包括勵(lì)磁變的保護(hù)配置有速斷及過(guò)流保護(hù)。

5#發(fā)電機(jī)保護(hù)采用國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司的GDGT801型微機(jī)保護(hù)裝置。發(fā)電機(jī)保護(hù)包括:完全縱差動(dòng)保護(hù)、帶電流記憶的低壓過(guò)流保護(hù)、定子過(guò)負(fù)荷保護(hù)、定子負(fù)序過(guò)負(fù)荷保護(hù)、失磁保護(hù)、定子過(guò)電壓保護(hù)、90%定子接地保護(hù)、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)、軸電流保護(hù),及勵(lì)磁變速斷和過(guò)流保護(hù)。

(2)1#～5#主變壓器電氣保護(hù)采用雙重化配置,A套為國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司的GDGT801-1343型微機(jī)保護(hù)裝置,B套為南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司的PRC85TS-21型微機(jī)保護(hù)裝置,另外配1套國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司的非電量保護(hù)。變壓器保護(hù)包括:主變差動(dòng)、主變高壓側(cè)復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)、主變間隙、主變零序、過(guò)負(fù)荷、瓦斯、油溫度及繞組溫度、壓力釋放保護(hù)等。

(3)母線及斷路器失靈保護(hù)。采用雙重化配置,每套保護(hù)均含有失靈保護(hù)功能。母線保護(hù)和失靈保護(hù)共用出口元件和復(fù)合電壓閉鎖功能,A套為深圳南瑞科技有限公司的BP-2B型微機(jī)保護(hù)裝置,B套為南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司的PRC15AB-312A型微機(jī)保護(hù)裝置。

220kV母線型式為:山西側(cè)為單母線,內(nèi)蒙側(cè)母線為不完全雙母線分段運(yùn)行,兩條母線之間無(wú)母聯(lián)開(kāi)關(guān),山西側(cè)1條母線與內(nèi)蒙側(cè)1條母線可以通過(guò)刀閘互聯(lián),實(shí)現(xiàn)山西側(cè)或內(nèi)蒙側(cè)機(jī)組送到內(nèi)蒙側(cè)或山西側(cè)系統(tǒng),互聯(lián)刀閘無(wú)斷負(fù)荷能力,開(kāi)關(guān)站正常運(yùn)行時(shí),互連刀閘處于分位,兩側(cè)的雙套母線保護(hù)裝置分別實(shí)現(xiàn)本側(cè)的母線保護(hù)功能。為實(shí)現(xiàn)母線互聯(lián)時(shí)的母線保護(hù)功能,在保護(hù)裝置中特設(shè)了4個(gè)聯(lián)跳出口和4個(gè)聯(lián)跳起動(dòng)接點(diǎn)。

(4)220kV出線(至河曲220kV變電站)保護(hù)。采用雙重化配置,A套為國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司的GPSL603GCM-121光纖縱差保護(hù)柜,包括PSL603GCM電流差動(dòng)保護(hù)裝置和FCX-12HP分相操作箱,B套為南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司的PRC31AM-01光纖電流縱差保護(hù)柜,包括:PRC31AM光纖電流縱差保護(hù)裝置。

(5)本電站為機(jī)組和220kV設(shè)備各配1臺(tái)故障錄波器。為分析事故及保護(hù)裝置在事故過(guò)程中的動(dòng)作情況,以及迅速判定故障點(diǎn)的位置提供了依據(jù)。

(6)安穩(wěn)裝置:為了保證機(jī)組的安全,裝設(shè)1套失步解列壓頻控制裝置。包括:UFV-200F失步解列壓頻控制裝置1臺(tái)。

為加強(qiáng)電網(wǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)安全監(jiān)視,增加事故分析手段,提高電力系統(tǒng)仿真計(jì)算的精度,在電廠側(cè)裝設(shè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)子站(功角測(cè)量)1套。型號(hào)為:PAC-2000D,用于系統(tǒng)線路信息量及發(fā)電機(jī)信息量的采集。

(7)為使電站保護(hù)信息納入電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),配置保護(hù)及故障錄波信息管理子站,子站與各保護(hù)裝置及故障錄波器通過(guò)各自的通信接口分別連接。保護(hù)及故障錄波信息管理子站經(jīng)10/100m接口與調(diào)度數(shù)據(jù)專(zhuān)用網(wǎng)相連。

(8)龍口水電站配置雙套不同廠家的保護(hù)裝置雖然造成了二次設(shè)計(jì)的難度,并增加了工作量,但是可以起到功能上的互補(bǔ),增加了電站運(yùn)行的安全性和可靠性。

5 直流系統(tǒng)

全廠設(shè)1套220 V直流電源。直流母線采用單母線分段接線,兩段直流母線各帶1組600 AH閥控式鉛酸蓄電池,各配1套高頻開(kāi)關(guān)充電裝置并公用1套充電裝置,每套高頻開(kāi)關(guān)充電裝置配有監(jiān)控單元;兩段直流母線各配1面主負(fù)荷盤(pán)并裝有微機(jī)絕緣檢測(cè)裝置。另配有逆變電源裝置1面,供事故照明用。另外在機(jī)組、繼保室和GIS室分別設(shè)有交直流負(fù)荷盤(pán),為各自負(fù)荷供電。對(duì)于雙套保護(hù)裝置的直流電源分別從兩段直流母線引出,220kV斷路器合閘線圈和第1跳閘線圈直流電源引自一段直流母線,第2跳閘線圈直流電源引自另一段直流母線。

6 電氣二次設(shè)備布置

龍口水電站型式為河床式,左岸布置電站主、副廠房,右岸布置大壩的泄流建筑物。電氣二次主要設(shè)備布置為:各機(jī)組的控制保護(hù)設(shè)備布置在主廠房的發(fā)電機(jī)層上下游側(cè)、水輪機(jī)層和出線層,與各自機(jī)組對(duì)應(yīng);監(jiān)控設(shè)備其它保護(hù)設(shè)備及直流設(shè)備布置在副廠房的中控室、繼保室、計(jì)算機(jī)室、直流盤(pán)室及蓄電池室,匯控柜、開(kāi)關(guān)站LCU布置在GIS室的二次房間。

7 結(jié) 語(yǔ)

龍口水電站設(shè)有兩種不同水輪發(fā)電機(jī)機(jī)型、220kV出線系統(tǒng)分別接入山西和內(nèi)蒙兩個(gè)電力系統(tǒng),主要繼電保護(hù)裝置均采用雙重化配置,因此,電氣二次設(shè)計(jì)非常復(fù)雜、工作量相對(duì)較多,設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程的特點(diǎn)和山西及內(nèi)蒙電力系統(tǒng)的要求,設(shè)計(jì)中對(duì)母線保護(hù)等采用了一些新技術(shù),經(jīng)運(yùn)行證明二次設(shè)計(jì)是成功的。