拉拉山水電站電氣二次設(shè)計(jì)淺釋

鄧 偉 英

(四川省內(nèi)江市水利電力建筑勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 內(nèi)江　641000)

拉拉山水電站電氣二次設(shè)計(jì)淺釋

鄧 偉 英

(四川省內(nèi)江市水利電力建筑勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 內(nèi)江641000)

摘要：拉拉山水電站是巴楚河干流規(guī)劃推薦的首期開發(fā)工程，電站已于2014年12月正式投產(chǎn)。電站運(yùn)行情況良好，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為巴楚河干流梯級開發(fā)帶了個(gè)好頭。實(shí)踐證明，電站二次系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇是合適的。

關(guān)鍵詞：拉拉山水電站；電氣二次設(shè)計(jì)；監(jiān)控系統(tǒng)；繼電保護(hù)

1工程概況

拉拉山水電站位于四川省甘孜州巴塘縣境內(nèi)，電站廠址距巴塘縣城31 km，為引水式電站，發(fā)電取水自巴楚河干流，其廠房位于巴楚河左岸，電站建成后以發(fā)電為主。該電站為巴塘縣巴楚河“一庫五級”開發(fā)的第三級電站，電站裝機(jī)2臺(tái)，總裝機(jī)容量96 MW，是巴楚河干流規(guī)劃推薦的首期開發(fā)工程。發(fā)電機(jī)與主變壓器組合方式：采用2臺(tái)發(fā)電機(jī)2臺(tái)變壓器單元接線方式。電站出線電壓等級為220 kV，出線共2回，1回由松多水電站接入，1回至巴塘500 kV變電站。

2電氣二次設(shè)計(jì)

2.1計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

2.1.1設(shè)計(jì)原則

(1)電站按“無人值班、少人值守、遠(yuǎn)程控制”原則設(shè)計(jì)，采用全計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行模式。系統(tǒng)能達(dá)到高可靠、高性能地全計(jì)算機(jī)監(jiān)控，遠(yuǎn)程維護(hù)，全網(wǎng)絡(luò)化信息交換的控制水平，以適應(yīng)“關(guān)門電站”的發(fā)展需要。

(2)實(shí)現(xiàn)電站與成都控制中心遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的通信，滿足電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化要求，完成遙測、遙信、遙調(diào)、遙控等全部的遠(yuǎn)動(dòng)功能。

(3)通過串行接口或者現(xiàn)場總線等實(shí)現(xiàn)電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與電廠繼電保護(hù)系統(tǒng)、機(jī)組輔助系統(tǒng)、公用輔助系統(tǒng)、在線檢測系統(tǒng)、消防監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)等的通信。

(4)系統(tǒng)應(yīng)高度可靠、冗余，其本身的局部故障不應(yīng)影響現(xiàn)場設(shè)備的正常運(yùn)行，系統(tǒng)的MTBF、MTTR及各項(xiàng)可用性指標(biāo)均應(yīng)達(dá)到《水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件(DL/T578-2008)》的規(guī)定

(5)系統(tǒng)配置和設(shè)備選型應(yīng)符合計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速的特點(diǎn)，充分利用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，達(dá)到當(dāng)前的國際先進(jìn)水平。

(6)系統(tǒng)為全分布、全開放系統(tǒng)，既便于功能和硬件的擴(kuò)充，又能充分保護(hù)應(yīng)用資源和投資，分布式數(shù)據(jù)庫及軟件模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴(kuò)充，并能自診斷。

(7)實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)，人機(jī)接口界面友好、操作方便。

2.1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)

拉拉山電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)擬采用開放式分層分布系統(tǒng)，全分布數(shù)據(jù)庫。整個(gè)系統(tǒng)由電廠站控級計(jì)算機(jī)和現(xiàn)地控制單元(LCU)組成，采用不低于100 Mbps交換式以太環(huán)網(wǎng)連結(jié)。電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能對全廠主要機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，并可通過網(wǎng)關(guān)機(jī)與省調(diào)通信。電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過不低于100 mbps以太網(wǎng)交換機(jī)接入主干環(huán)網(wǎng)，再通過巴塘服務(wù)區(qū)到成都的622 MbpsSDH設(shè)備(已經(jīng)投入使用)提供的100 Mbps以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)與成都控制中心的數(shù)據(jù)通信。

拉拉山電站各發(fā)電機(jī)組分別設(shè)置一套LCU，公用設(shè)備、開關(guān)站(包括主變)及閘門監(jiān)控各設(shè)置一套LCU；LCU直接監(jiān)控設(shè)備的生產(chǎn)過程，既可作為分布系統(tǒng)中的現(xiàn)地智能終端，又可作為獨(dú)立裝置單獨(dú)運(yùn)行。各個(gè)LCU通過以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程I/O通信。

電廠站控級和各LCU分別設(shè)有其監(jiān)控范圍內(nèi)完整的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)各LCU與上位機(jī)系統(tǒng)通信中斷時(shí)，能保存至少2小時(shí)的歷史數(shù)據(jù)，并能在通信正常后響應(yīng)上位機(jī)系統(tǒng)的命令將中斷期間的歷史數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)，恢復(fù)上位機(jī)的歷史數(shù)據(jù)庫。

本監(jiān)控系統(tǒng)局域網(wǎng)按IEEE 802.3u設(shè)計(jì)，采用全開放的分布式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)采用光纖或屏蔽雙絞電纜，通信規(guī)約TCP/IP，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率不小于100Mbps。

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)采用國際上通用的、使用范圍較廣的開放標(biāo)準(zhǔn)IEC 60870-5-104，保證監(jiān)控系統(tǒng)可靠而無瓶頸地接入成都控制中心和調(diào)度數(shù)據(jù)專網(wǎng)。

(2)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：

①開放。本監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)完全符合國際標(biāo)準(zhǔn)定義的開放式環(huán)境，如采用Windows XP操作系統(tǒng)，編程采用C語言等高級語言，應(yīng)用程序的開發(fā)界面采用功能圖等語言。

②分布。功能和數(shù)據(jù)庫分布在系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)上。使本監(jiān)控系統(tǒng)具有更高的效率、更高的可靠度及更好的可擴(kuò)性。

③高度可靠、冗余。本系統(tǒng)采用冗余全光纖的100MBPS交換式快速以太網(wǎng)，冗余系統(tǒng)服務(wù)器(兼操作員)和冗余電源系統(tǒng)等。

④上位機(jī)、下位機(jī)、輔機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)支持在線及離線編程，遠(yuǎn)程編程維護(hù)。

2.2繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置

2.2.1發(fā)電機(jī)保護(hù)配置

(1)發(fā)電機(jī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)；

(2)低壓保持過電流保護(hù)；

(3)定子過電壓保護(hù)；

(4)定子100%接地保護(hù)；

(5)定子95%接地保護(hù)；

(6)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)；

(7)定子過負(fù)荷保護(hù)；

(8)負(fù)序過電流保護(hù)；

(9)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)；

(10)勵(lì)磁變電流速斷保護(hù)；

(11)勵(lì)磁變過流保護(hù)；

(12)勵(lì)磁變溫度保護(hù)(兩段)。

2.2.2220 kV主變壓器保護(hù)配置(見表1)

2.2.3 220 kV母線保護(hù)配置

表1　220 kV變壓器保護(hù)配置比較表

220 kV母線設(shè)兩套母差保護(hù)裝置(均含失靈保護(hù))。兩套母差保護(hù)裝置各組一面屏，1號(hào)屏、2號(hào)屏，功能配置包含(但不限于)以下所列：

(1)母線差動(dòng)保護(hù)；

(2)母線過流保護(hù)；

(3)斷路器失靈保護(hù)；

(4)A/TV斷線報(bào)警等；

2.2.4220 kV線路保護(hù)(見表2)

表2　220 kV線路保護(hù)比較表

2.2.5開關(guān)站220 kV故障錄波裝置

(1)配置原則

①故障錄波器必須通過國家有關(guān)部門的檢驗(yàn)。采用國內(nèi)知名品牌微機(jī)故障記錄裝置，并具有入網(wǎng)許可證。

②標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程

DL/T 533-94《220～500kV電力系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)記錄技術(shù)準(zhǔn)則》

DL/T 633-1999《220～500kV電力系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)記錄裝置檢測要求》

DL/T 524-93《220～500kV電力系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)記錄裝置測試標(biāo)準(zhǔn)》

③220kV故障錄波裝置設(shè)1面屏，包括故障錄波器、故障錄波分析軟件、打印機(jī)、脈沖對時(shí)接口、備品備件、專用工具等。

④裝置應(yīng)能記錄80路交流模擬量、128路開關(guān)量，以及故障測距及遠(yuǎn)傳等功能。

⑤監(jiān)測對象：220 kV主變(2臺(tái))、220 kV出線(3回)、220 kV母線及其關(guān)聯(lián)設(shè)備

(2)220 kV故障錄波采集量

①交流電流量：每條220 kV線路的3個(gè)相電流與1個(gè)零序電流量；每臺(tái)220 kV斷路器的穿越電流。每臺(tái)主變中性點(diǎn)電流。

② 交流電壓量：每條220 kV線路的3個(gè)相電壓和1個(gè)零序電壓量。每條220 kV母線電壓互感器的3個(gè)相對地電壓和零序電壓。

③ 開關(guān)量：每臺(tái)220 kV斷路器位置接點(diǎn)；220 kV線路保護(hù)、母線保護(hù)、主變保護(hù)跳閘的命令輸出接點(diǎn)，220 kV過電壓保護(hù)動(dòng)作輸出命令、遠(yuǎn)方跳閘信號(hào)等，重合閘動(dòng)作信號(hào)，線路光纖差動(dòng)保護(hù)通信告警信號(hào)，安全自動(dòng)裝置操作命令。

2.2.610.5 kV廠用變微機(jī)保護(hù)裝置

電流速斷保護(hù)；

過流保護(hù)；

零序電流保護(hù)；

廠用變溫度保護(hù)(兩段)

2.2.735 kV微機(jī)保護(hù)裝置

(1)保護(hù)配置

①主變中壓側(cè)進(jìn)線：主變壓器35KV側(cè)過負(fù)荷及后備保護(hù)。

②至上游、至下游、備用出線回路；帶低電壓三段式電流保護(hù)；三相一次自動(dòng)重合閘

帶操作回路。

③至3#廠用變(3CB)出線回路；廠變電流速斷保護(hù)；廠變過電流保護(hù)；廠變零序保護(hù)

帶操作回路。

④至地網(wǎng)進(jìn)線回路

電流速斷保護(hù)；過電流(方向)保護(hù)；帶操作回路

⑤ 35 kV母線

母線差動(dòng)保護(hù)；零序電壓保護(hù)

(2)高周切機(jī)裝置

35 kV母線頻率高限，切除地網(wǎng)回路

2.3廠變備自投

本工程設(shè)計(jì)設(shè)置三臺(tái)廠用變壓器供廠區(qū)用電，1CB、2CB分別接于1#、2#主變低壓側(cè)10.5 kV母線上，為Ⅰ、Ⅱ段0.4 kV母線供電。為滿足Ⅰ、Ⅱ類廠用電負(fù)荷的供電要求，另配置一臺(tái)35 kV變壓器(3CB)備用電源，由35kV地網(wǎng)供電。同時(shí)，電站配置1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)作為特殊情況下應(yīng)急電源，并利用它進(jìn)行電站黑起動(dòng)。

廠變備自投選擇PLC裝置，備自投邏輯為：正常狀態(tài)下，3DL、4DL、5DL分閘。 1CB、2CB互為第一備用，3CB作為兩者第二備用。當(dāng)1CB失電的時(shí)候，1DL分閘，5DL合閘。當(dāng)2CB失電的時(shí)候，2DL分閘，5DL合閘。當(dāng)1CB、2CB均失電的時(shí)候，1DL、2DL、5DL分閘，3DL、4DL合閘，由3CB提供電源。當(dāng)1CB、2CB、3CB均失電的時(shí)候，1DL、2DL、3DL、4DL、5DL分閘，6DL手動(dòng)合閘，由柴油發(fā)電機(jī)提供應(yīng)急電源，5DL視情況操作。6DL不參與備自投邏輯，為手動(dòng)操作。為了防止斷路器非同期合閘，在各斷路器的控制回路內(nèi)均設(shè)置有相應(yīng)的操作閉鎖條件，閉鎖接點(diǎn)之間的相互關(guān)系參見表3：

表3　接點(diǎn)關(guān)系表

2.4勵(lì)磁系統(tǒng)

2.4.1勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本電站采用廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的EXC9100自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)。該勵(lì)磁系統(tǒng)主要由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器單元(調(diào)節(jié)柜)、功率單元(2個(gè)功率柜)、滅磁及過壓保護(hù)單元(滅磁柜)等組成。

2.4.2勵(lì)磁調(diào)節(jié)器運(yùn)行方式

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的A/B/C通道中，都有兩種運(yùn)行方式：自動(dòng)方式和手動(dòng)方式。自動(dòng)方式是主要運(yùn)行方式，有利于提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。在自動(dòng)方式下，附加了PSS環(huán)節(jié)，可有效控制電力系統(tǒng)的有功低頻振蕩。

2.4.3起勵(lì)控制方式

起勵(lì)方式為：殘壓起勵(lì)、外來220 V直流電源起勵(lì)及軟起勵(lì)。正常情況下發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自動(dòng)方式下采用殘壓起勵(lì)建壓的，若殘壓起勵(lì)失敗，則起動(dòng)輔助起勵(lì)電源。在機(jī)端電壓達(dá)到發(fā)電機(jī)電壓的15.1%，輔助起勵(lì)回路自動(dòng)退出。調(diào)節(jié)器的軟起勵(lì)，用于防止機(jī)端電壓的起勵(lì)超調(diào)。

2.4.4滅磁功能

勵(lì)磁系統(tǒng)正常停機(jī)時(shí)，調(diào)節(jié)器自動(dòng)逆變滅磁，事故停機(jī)時(shí)(發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作，水機(jī)事故)，跳滅磁開關(guān)將磁場能量轉(zhuǎn)移到滅磁電阻滅磁。

2.4.5勵(lì)磁系統(tǒng)控制

勵(lì)磁系統(tǒng)可現(xiàn)地和遠(yuǎn)方控制。送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的直流模擬量信號(hào)為4～20 mA，勵(lì)磁系統(tǒng)配備與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)接口的軟件和硬件，接口采用RS485串行口通訊口。

2.5調(diào)速器系統(tǒng)

調(diào)速器由機(jī)械柜和電氣柜組成。采用殘壓及齒盤測頻，轉(zhuǎn)速信號(hào)取自發(fā)電機(jī)機(jī)端PT及裝于發(fā)電機(jī)大軸上的齒盤。

調(diào)速器應(yīng)是以PID調(diào)節(jié)規(guī)律為基礎(chǔ)的微機(jī)調(diào)速器(應(yīng)是通過國家鑒定的成熟產(chǎn)品)，以原裝進(jìn)口工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或可編程控制器及系列模板作為硬件核心，采用雙通道冗余結(jié)構(gòu)。具有頻率—輸出功率調(diào)整、轉(zhuǎn)速調(diào)整、開度控制、水位控制、水頭控制、電力系統(tǒng)頻率自動(dòng)跟蹤、自診斷和容錯(cuò)及穩(wěn)定等功能。調(diào)速器應(yīng)能現(xiàn)地和遠(yuǎn)方進(jìn)行機(jī)組的自動(dòng)、手動(dòng)開、停機(jī)和事故停機(jī)。并應(yīng)提供與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)連接的接口，包括硬件和軟件。

2.6直流系統(tǒng)

為保證直流電源可靠性，電站控制電源系統(tǒng)選用兩套400 Ah閥控式鉛酸蓄電池直流電源裝置作為電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及繼電保護(hù)系統(tǒng)等直流電源。直流電壓等級為220 V、單只電池電壓為2 V。整流器由多個(gè)高頻開關(guān)整流模塊并聯(lián)組成，N+1熱備份運(yùn)行，可帶電更換。采用微機(jī)監(jiān)控儀完成充、放電控制，母線絕緣監(jiān)測，各饋電支路絕緣監(jiān)測，電池容量監(jiān)測等，以通訊接口與公用LCU相接，上送直流系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)。

2.7機(jī)組輔助設(shè)備及公用設(shè)備控制系統(tǒng)

2.7.1機(jī)組輔助設(shè)備及公用設(shè)備包括：

表4　輔助設(shè)備和公用設(shè)備比選方案表

2.7.2控制要求

(1)除檢修排水系統(tǒng)外，其余設(shè)備系統(tǒng)均采用自動(dòng)控制，其控制回路接線設(shè)計(jì)均應(yīng)滿足以自動(dòng)控制為主(經(jīng)由PLC實(shí)現(xiàn))，現(xiàn)場手動(dòng)控制為備用(手動(dòng)控制，用于調(diào)試及緊急情況，不經(jīng)由PLC實(shí)現(xiàn))。每臺(tái)電機(jī)分別設(shè)置“手動(dòng)/切除/自動(dòng)”方式切換開關(guān)(其中“自動(dòng)”位置接點(diǎn)除滿足自動(dòng)控制要求外，還應(yīng)分別引出一對無源空接點(diǎn)送電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng))。

(2)每套系統(tǒng)各電機(jī)均應(yīng)分別設(shè)置運(yùn)行信號(hào)燈，各電機(jī)故障、各變送器信號(hào)異常(如參數(shù)突變、參數(shù)超過高低限值等，由PLC軟件判別)、壓力及液位異常等信號(hào)則應(yīng)綜合設(shè)置1個(gè)“系統(tǒng)或裝置故障”信號(hào)燈，但各電機(jī)運(yùn)行及各類故障信號(hào)引出至遠(yuǎn)方“電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)”的信號(hào)則應(yīng)分別采用獨(dú)立的無源空接點(diǎn)引出。

(3)對于采用開關(guān)量和模擬量兩種不同原理的控制模式則以模擬量為主且模擬量和開關(guān)量相互校核，互為備用。優(yōu)先采用模擬量為主進(jìn)行控制。

(4)本電站輔機(jī)控制系統(tǒng)主要采用Modbus通信方式與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行信息上傳，介質(zhì)采用Modbus專用屏蔽雙絞電纜。

3結(jié)論

拉拉山水電站是巴楚河干流規(guī)劃推薦的首期開發(fā)工程，電站已于2014年12月正式投產(chǎn)。電站運(yùn)行情況良好，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為巴楚河干流梯級開發(fā)帶了個(gè)好頭。實(shí)踐證明，電站二次系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇是合適的。

鄧偉英(1976-)，女，四川內(nèi)江人，畢業(yè)于西南民族大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師，現(xiàn)為四川省內(nèi)江市水利電力建筑勘察設(shè)計(jì)研究院電氣設(shè)計(jì)室副主任.

(責(zé)任編輯：卓政昌)

收稿日期:2015-03-20

文章編號(hào):1001-2184(2015)02-0114-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV7；F407.6；N945.23

作者簡介: