扭子水電站電氣二次結(jié)構(gòu)分析

郭琳

（陜西省水利電力勘測設(shè)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(jī)三臺，單機(jī)容量10MW流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，電站總裝機(jī)容量30MW，多年平均發(fā)電量1.35億kW·h，年利用小時數(shù)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(guān)站，并入地區(qū)電網(wǎng)運行。電站按“無人值班、少人值守”的原則設(shè)計，采用計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、控制電源系統(tǒng)、廠內(nèi)生產(chǎn)調(diào)度管理通信系統(tǒng)及火災(zāi)報警系統(tǒng)等。

2 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計原則及主要任務(wù)

采用全計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控方案，僅在現(xiàn)地設(shè)置必要的常規(guī)監(jiān)控設(shè)備，全電站的監(jiān)控和控制功能完全由計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)。整個監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)有較高的可靠性、實用性、實時性和可擴(kuò)充性。中央控制室、計算機(jī)室布置在副廠房內(nèi)。其主要任務(wù)，完成對電站設(shè)備的自動監(jiān)控和調(diào)節(jié)，包括：準(zhǔn)確、及時地對整個電站設(shè)備運行信息進(jìn)行采集和處理。對電站機(jī)組及主要機(jī)電設(shè)備進(jìn)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(jīng)濟(jì)運行水平，保證供電電能質(zhì)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(jié)構(gòu)

電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用開放式、分層全分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)分為電站主控級和現(xiàn)地控制級兩層，數(shù)據(jù)分布管理。主控級采用功能分布結(jié)構(gòu)，現(xiàn)地控制級按監(jiān)控對象設(shè)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(wǎng)總線，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)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(shè)備進(jìn)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(shè)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(fù)責(zé)整個電站設(shè)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(jī)、操作員工作站兩套，系統(tǒng)采用雙機(jī)熱備的主、備方式，操作員工作站配高分辨率彩顯、鍵盤、鼠標(biāo)及兩臺激光打印機(jī)；工程師工作站一套，用于系統(tǒng)軟件開發(fā)，維護(hù)和修改，以及運作仿真軟件進(jìn)行人員培訓(xùn)；廠內(nèi)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(yuǎn)程通訊工作站一套，實現(xiàn)計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)度中心的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備一套；UPS電源裝置一套。

現(xiàn)地控制級是電站生產(chǎn)過程的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)實現(xiàn)電站設(shè)備的控制，監(jiān)視并與電站主控級實時通訊。本電站共設(shè)五套現(xiàn)地控制單元（LCU），1#～3#機(jī)組各設(shè)一套LCU，全廠公用油、氣、水系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)設(shè)一套LCU，110kV變電站設(shè)一套LCU。每套LCU設(shè)置必要的人機(jī)接口設(shè)備，承擔(dān)現(xiàn)地控制級所屬設(shè)備的全部監(jiān)控任務(wù)。在脫離電站主控級時，可獨立承擔(dān)本單元的全部監(jiān)控任務(wù)。人機(jī)接口采用觸摸彩色顯示屏。每套機(jī)組LCU均配置溫度測量模件或裝置，微機(jī)準(zhǔn)同期裝置以及轉(zhuǎn)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(yīng)配置電氣測量裝置，微機(jī)準(zhǔn)同期裝置等。全廠公用設(shè)備及機(jī)組輔助設(shè)備的現(xiàn)地控制系統(tǒng)設(shè)備均采用PLC。并與相應(yīng)的LCU進(jìn)行通訊接口。接受電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控指令。當(dāng)與相應(yīng)的LCU失去聯(lián)系時，仍可獨立完成所屬設(shè)備的控制及監(jiān)視任務(wù)。

2.4 計算機(jī)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(jù)電站各設(shè)備的狀況和約束條件，確定各機(jī)組負(fù)荷分配、開機(jī)臺數(shù)、機(jī)組組合和機(jī)組間負(fù)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(shù)據(jù)和事件信息，接受電站級的下行命令對設(shè)備進(jìn)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(shù)據(jù)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成。

主控級負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)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(jīng)過處理的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。

為實現(xiàn)對各自生產(chǎn)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(shù)據(jù)庫和實現(xiàn)LCU直接上網(wǎng)。各現(xiàn)地控制單元具備較強(qiáng)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(nèi)設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集處理、設(shè)定值修改、設(shè)備工況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換、事故處理等任務(wù)，要求處理速度快、有容錯、糾錯能力，并帶有其監(jiān)控范圍內(nèi)的完整的數(shù)據(jù)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(hù)系統(tǒng)

3.1 繼電保護(hù)的設(shè)計原則

發(fā)電機(jī)及勵磁變壓器、主變壓器、110kV線路及廠用變保護(hù)均采用成熟、可靠的微機(jī)保護(hù)裝置。保護(hù)裝置內(nèi)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(nèi)部造成元件損壞和保護(hù)誤動，確保在電廠強(qiáng)電磁干擾下保護(hù)正確工作。保護(hù)裝置具有同監(jiān)控系統(tǒng)通訊的接口，便于與機(jī)組控制單元通信。

3.2 繼電保護(hù)配置

（1）發(fā)電機(jī)保護(hù)。選用許繼公司W(wǎng)FB-811型微機(jī)式成套保護(hù)裝置，含勵磁變保護(hù)和ZSZ-811型斷路器三相操作箱。每臺機(jī)設(shè)1面屏，布置在機(jī)房。具體配置為：發(fā)電機(jī)縱聯(lián)差動、90%定子一點接地、定子過電壓、定子過負(fù)荷、電流記憶的低壓過流、發(fā)電機(jī)失磁、轉(zhuǎn)子一點接地、故障分量負(fù)序方向、勵磁變電流速斷、勵磁變過電流等保護(hù)。

（2）主變壓器保護(hù)。選用許繼公司的一套WBH-81#型微機(jī)變壓器電量保護(hù)裝置（含失靈保護(hù)）、一套WBH-815型微機(jī)變壓器非電量保護(hù)裝置。每臺變壓器設(shè)1面屏，布置在機(jī)房。具體配置為：主變縱聯(lián)差動、復(fù)合電壓啟動過流、電流閉鎖電壓啟動速斷、主變過負(fù)荷、主變零序保護(hù)、主變重瓦斯保護(hù)、主變輕瓦斯保護(hù)、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(hù)。

（3）10kV近區(qū)變、廠用變及隔離變保護(hù)。全廠設(shè)有三個獨立廠用電源，其中從兩段發(fā)電機(jī)10.5kV電壓母線上分別經(jīng)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(cè)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(shè)置母線，并通過兩個分段開關(guān)分別與T21和T22兩段廠用電源母線連接。兩個分段開關(guān)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(cè)零序電流、變壓器過負(fù)荷、溫度、10kV備用廠用變母線絕緣監(jiān)察裝置等。

（4）閉鎖保護(hù)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(hù)。微機(jī)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(guān)系統(tǒng)電參量的變化過程及繼電保護(hù)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(jī)組的勵磁變接于發(fā)電機(jī)斷路器側(cè)。勵磁系統(tǒng)共計9面屏，置于機(jī)旁。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計

（1）勵磁系統(tǒng)性能參數(shù)。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(diào)節(jié)器柜、滅磁開關(guān)柜及過電壓保護(hù)裝置柜、控制和繼電保護(hù)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(yīng)的充電設(shè)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(shè)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(guān)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(jīng)調(diào)壓裝置同動力母線連接。在母線上裝設(shè)一套微機(jī)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(shè)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(guān)，當(dāng)UPS整流-逆變單元故障時，應(yīng)能自動切換至交流旁路電源（經(jīng)穩(wěn)壓），切換時間應(yīng)不大于5ms；220V直流電源用作熱備用，當(dāng)交流電源中斷時，無時限地切換至直流電源，并進(jìn)行逆變，以確保交流輸出不間斷。

6 廠內(nèi)生產(chǎn)調(diào)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(nèi)不設(shè)置獨立的生產(chǎn)管理和生產(chǎn)調(diào)度兩套通信系統(tǒng)，廠內(nèi)選用128門程控調(diào)度總機(jī)一套。

為使電站運行人員及時掌握扭子水電站各個設(shè)備的運行情況，該電站內(nèi)設(shè)置工業(yè)電視系統(tǒng)。攝像點安放在運行設(shè)備的關(guān)鍵部位，如電站主、副廠房、變電站、閘門、進(jìn)水口……等30個攝像點，攝像機(jī)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)通訊。

7 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)

采用“控制中心報警”控制方式，集中火災(zāi)報警裝置及管理微機(jī)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(zāi)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(nèi)各探測報警器和控制設(shè)備。另外，火災(zāi)自動報警系統(tǒng)通過串口方式與電站的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，重要信息可上送電站的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

8 結(jié)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(hù)水平與當(dāng)前國內(nèi)外發(fā)展水平相適應(yīng)。通過選用完備功能的微機(jī)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(chǔ)，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(shè)計提供借鑒。陜西水利

[1]吳瑋.白山梯級水電廠實施集中監(jiān)控的探討 [J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2008，32（3）：7-8.33.

[2]楊兵.九甸峽水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 甘 肅 水 利 水 電 技 術(shù),2010,46（1）：33-35.

[3]鄧鵬程,諶斐鳴,楊丹丹.三板溪電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用.2010，33（3）：13-15.

[4]龔玉棟,劉新泉,姚懷柱.解臺泵站計算機(jī)自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2007，31（4）：77-79.