汾河水庫水電站改造工程的綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計

張明晶

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

1 工程現(xiàn)狀及存在的問題

汾河水電站為壩后引水式季節(jié)性電站，裝機容量為2×6 500kW。該電站建成投產(chǎn)運行幾十余年來，給當?shù)氐膰窠?jīng)濟發(fā)展、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了可靠的電力能源，產(chǎn)生了較好的社會效益。

目前水庫防洪與發(fā)電的客觀條件良好，但是電站控制、保護、計量等自動化設(shè)備陳舊，數(shù)據(jù)采集通信不暢，與控制系統(tǒng)不配套，維護代價過高，所以機組自動化在運行中，頻繁出現(xiàn)故障，效率下降，電能質(zhì)量下降，無法產(chǎn)生最佳的經(jīng)濟效益和社會效益。

2 綜合自動化系統(tǒng)技改方案

針對電站存在的問題，按照安全可靠，技術(shù)先進，經(jīng)濟運行的原則對電站進行綜合自動化系統(tǒng)改造，系統(tǒng)建成后，將實現(xiàn)集信息采集、傳輸、優(yōu)化調(diào)度與自動監(jiān)控于一體的現(xiàn)代化電站管理功能，本系統(tǒng)設(shè)計主要由監(jiān)控系統(tǒng)、微機保護、計量、同期等幾個部分組成，電站自動化綜合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1。

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)

電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能迅速、準確、有效地完成對電站被控對象的安全監(jiān)視和控制，系統(tǒng)采用全分布開放式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，設(shè)主控級計算機兼操作人員工作站和系統(tǒng)服務(wù)器，實現(xiàn)雙機熱備用。

電站設(shè)置獨立的綜合自動化系統(tǒng)，控制級別分為站控級、現(xiàn)地自動手動控制級，現(xiàn)地控制級按被控對象配置機組LCU、公用設(shè)備LCU等現(xiàn)地控制單元?，F(xiàn)地單元和監(jiān)控主機之間由以太網(wǎng)連接，現(xiàn)地單元將信號傳送到監(jiān)控主機，并接受其指令，實現(xiàn)集中自動控制。

圖1 電站綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

站控級負責協(xié)調(diào)和管理各現(xiàn)地控制單元的工作、收集有關(guān)信息并作相應(yīng)處理和存儲，設(shè)備預(yù)留與遠方調(diào)度計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的接口和功能。

2.1.1 監(jiān)控系統(tǒng)組成

主要包括以下內(nèi)容：

1）兩臺監(jiān)控主機；2）一臺操作員工作站；3）二套發(fā)電機現(xiàn)地控制單元LCU，包括交流采樣裝置等；4）一套公用現(xiàn)地控制單元LCU，包括交流采樣裝置等；5）一套工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（包括智能交換機、防火墻等）；6）一套電站公用的GPS系統(tǒng)時鐘同步裝置；7）一套逆變穩(wěn)壓電源；8）一套語音報警系統(tǒng)裝置；9）一臺打印機；10）以太網(wǎng)交換；11）通信附件及電纜；12）一套中控室控制臺；13）備品備件、專用工具及維修試驗設(shè)備；14）提供的軟件包括：系統(tǒng)軟件；支持軟件；應(yīng)用軟件。

2.1.2 監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控對象

主要包括以下內(nèi)容：

1）兩臺水輪機及其輔助設(shè)備；2）兩臺三相同步發(fā)電機及其輔助設(shè)備；3）一臺主變壓器；4）35kV母線；5）6 kV 母線；6）電站公用設(shè)備及閘門；7）油系統(tǒng)；8）排水系統(tǒng)；9）氣系統(tǒng)；10）電站廠用電系統(tǒng)；11）直流電系統(tǒng)；12）電站水力監(jiān)測系統(tǒng)

2.1.3 監(jiān)控系統(tǒng)功能

電站監(jiān)控主機設(shè)在中控室，監(jiān)控系統(tǒng)通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總線接口與各測控單元通訊，實現(xiàn)全站數(shù)據(jù)采集和處理，實時控制和調(diào)節(jié)，安全運行監(jiān)視，屏幕顯示，事故處理指導(dǎo)和恢復(fù)操作指導(dǎo)，實現(xiàn)機組控制操作和輔助設(shè)備等的控制；系統(tǒng)可根據(jù)運行值班人員的指令說程序設(shè)定，參考現(xiàn)地的狀況，手動或自動進行控制，亦可下傳至現(xiàn)地LCU控制，使全站保持最佳運行工況。另外系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)通信，鍵盤操作，文件打印，電站設(shè)備運行維護管理，系統(tǒng)診斷，軟件開發(fā)及培訓(xùn)等功能，以達到“無人值班、少人值守”的要求。

2.2 微機保護配置

電站的保護裝置采用NED-800系列的微機繼電保護裝置，與監(jiān)控系統(tǒng)有通信接口，各保護裝置在中控室統(tǒng)一組屏安裝。其中：主變壓器保護裝置三套，組屏一面；35kV PT監(jiān)測裝置一套；兩臺發(fā)電機保護裝置各一套，組屏一面，6kV PT監(jiān)測裝置一套，1臺站變保護裝置，10kV線路監(jiān)測裝置一套。

保護裝置的設(shè)置根據(jù)電氣主接線和《繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)程》確定，這里不做敘述。電站機電設(shè)備參數(shù)：主變壓器型號：SF11-20000/35，20000kVA，38.5kV±2×2.5%/6.3kV。 發(fā)電機型號：SF7000-16/3300；額定電壓 Un=6.3kV；功率因數(shù) COSΦ＝0.8。經(jīng)過整定后得出保護裝置完成預(yù)定保護功能所需的動作參數(shù)值，達到整定值，保護裝置動作。

微機主要保護功能及配置概述如下：

2.2.1 主變壓器保護

1）主變壓器縱聯(lián)差動保護

主變設(shè)置縱聯(lián)差動保護裝置，保護為比率制動式，應(yīng)能反映出變壓器引出線、套管及內(nèi)部的短路等故障，能躲過勵磁涌流和外部短路產(chǎn)生的不平衡電流，并具有防止誤動及CT斷線閉鎖功能。保護分別瞬時動作于主變高/低壓側(cè)斷路器跳閘。差動保護整定結(jié)果：

差動速斷保護電流整定范圍：1.00-100.00A（0.8～10In） 整定值18.35A。

差動保護起動電流整定范圍：0.10-50.00A（0.3～0.5In） 整定值1.84A。

差動制動電流整定范圍：0.10-50.00A（0.8～1.2In） 整定值3.67A。

比例制動系數(shù)0.20-0.90 整定值0.50。

二次諧波制動系數(shù)：0.10-0.50 整定值0.17。

2）主變壓器高壓側(cè)復(fù)合電壓啟動的過電流保護

此保護作為主變壓器后備保護，應(yīng)能反應(yīng)由外部相間短路引起的變壓器過電流等故障。保護應(yīng)帶時限動作于主變壓器高壓側(cè)斷路器跳閘。保護的整定：

動作電流整定范圍：0.2～20A 整定值7.34A。

負序動作電壓整定范圍：1～30V 整定值6 V。

相間動作低電壓整定范圍：1～100V 整定值70V。

動作時間整定范圍：0.1～10s 整定值1.5s。

3）主變壓器低壓側(cè)復(fù)合電壓啟動的過電流保護

此保護作為主變壓器后備保護，應(yīng)能反應(yīng)由外部相間短路引起的變壓器過電流等故障。保護應(yīng)帶時限動作于主變壓器低壓側(cè)斷路器跳閘。保護的整定：

動作電流整定范圍：0.2～20A 整定值5.18 A。

負序動作電壓整定范圍：1～30V 整定值6 V。

相間動作低電壓整定范圍：1～100V 整定值70V。

動作時間整定范圍：0.1～10s整定值1.2s。

另外還要實現(xiàn)主變壓器的瓦斯保護，溫度保護，油位保護壓力釋放保護和過負荷保護。兩個站用變壓器高、低壓側(cè)設(shè)置速斷保護即可。

2.2.2 發(fā)電機保護

1）發(fā)電機差動保護

此保護為比率制動式，用于反應(yīng)發(fā)電機定子繞組及其引出線上的相間短路，具有CT斷線閉鎖功能。保護瞬時動作于停機、滅磁、斷路器跳閘。

動作電流整定范圍：0.05～5A 整定值1.21A。

比例制動系數(shù)：0.15～0.4整定值0.2。

2）發(fā)電機復(fù)合電壓過電流保護

此保護作為發(fā)電機的后備保護，應(yīng)能反應(yīng)發(fā)電機內(nèi)部及其引出線的短路故障。帶時限動作于發(fā)電機斷路器跳閘、滅磁、停機。保護的整定：

動作電流整定范圍：0.2～20A 整定值5.347A。

負序動作電壓整定范圍：1～30V 整定值6.5V。

相間動作低電壓整定范圍：1～100V 整定值70V。

動作時間整定范圍：0.1～10s整定值2s。

3）發(fā)電機定子繞組接地保護

90%～95%定子繞組接地保護可由基波零序電壓原理構(gòu)成，為提高保護的靈敏度，零序電壓元件輸入回路應(yīng)加裝用于消除三次諧波的濾波器。保護帶時限動作于信號或動作于停機。保護的整定：

基波零序電壓整定范圍：1～50V 整定值13V。

動作時間整定范圍：0.1～10s整定值0.5s。

4）發(fā)電機定子繞組過負荷保護

此保護采用單相式，延時后發(fā)出定子繞組過負荷信號。

動作電流整定范圍：1～20A 整定值4.68 A。

動作時間整定范圍：0.1～10s整定值0.5s。

5）發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護

此保護應(yīng)能反應(yīng)轉(zhuǎn)子繞組上的任一點接地故障及絕緣電阻的降低，保護的靈敏度不應(yīng)隨轉(zhuǎn)子接地點的變化而改變。保護帶延時動作于信號。保護的整定：

轉(zhuǎn)子接地電阻整定范圍：0.5kΩ～50kΩ整定值5kΩ。

動作時間整定范圍：1～10s整定值3s。

除以上主要保護外還要實現(xiàn)發(fā)電機的過電壓保護和失磁保護，保護帶延時動作于發(fā)電機解列、滅磁、失磁故障。

2.2.3 微機PT監(jiān)測裝置

微機PT監(jiān)測裝置設(shè)置于母線，能實現(xiàn)過電壓保護、低電壓保護、接地保護、PT斷線報警等功能。

3 計量

電站計量系統(tǒng)采用智能電子式電度表，電度表應(yīng)滿足計算機監(jiān)控系統(tǒng)的要求，具有脈沖輸出及數(shù)據(jù)輸出，并且有分時計費功能及失壓記錄功能，要能與公用LCU串行通信，系統(tǒng)所有電度表組一面屏安裝。計量方式如下：

1）電站計量點設(shè)置在變壓器高壓側(cè)35kV出線側(cè)。計量方式為雙向計量。

2）兩臺發(fā)電機出口均設(shè)置計量點。計量方式為單向計量。

3）附近10kV電源進線（去站用變壓器）計量點。計量方式為單向計量。

4 同期

電站同期點定在兩臺發(fā)電機出口側(cè)，采用微機自動準同期和手動準同期裝置，設(shè)置同期屏一面。

在發(fā)電機工作方式下，對待并入電網(wǎng)的發(fā)電機，準同期裝置自動調(diào)節(jié)頻率、電壓，合閘相位與電網(wǎng)相同，當調(diào)整到具備并網(wǎng)條件時，自動合上發(fā)電機的同期合閘開關(guān)，完成發(fā)電機的自動并網(wǎng)，或者用戶可以手動按面板的“確認”鍵或其它“認可”操作進行合閘。手動同期裝置和自動準同期裝置應(yīng)是互相獨立、互不干擾的兩套裝置。

5 結(jié)語

電站綜合自動化系統(tǒng)的建立，解決了電站原有系統(tǒng)運行方式，設(shè)備與控制不配套等問題。新系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程運行訪問的需要，大大提高了電站水電效益和運行的可靠度。