國外水電項目計算機監(jiān)控系統(tǒng)及微機保護系統(tǒng)的特點和建議

張鵬，陳鵬，李嘯（中國電建成都勘測設計研究院，成都 610072）

國外水電項目計算機監(jiān)控系統(tǒng)及微機保護系統(tǒng)的特點和建議

張鵬，陳鵬，李嘯
（中國電建成都勘測設計研究院，成都 610072）

通過列舉并分析國外水電項目監(jiān)控及保護系統(tǒng)設計、安裝、調試過程中獲得的經驗，簡要論述了國外水電項目控制及保護系統(tǒng)的特點及與國內同類項目的區(qū)別，并對在今后設計過程中需要注意的要點提出建議。

國外水電項目；計算機監(jiān)控；微機保護；順序控制;IEC標準

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.015

1　概述

隨著經濟全球化的發(fā)展，特別是一帶一路政策確定后，激勵很多企業(yè)走向國際市場，中國工程單位在世界各國承包工程日益增多。成都院自二灘開始國際化歷程，近年來，陸續(xù)完成了許多國外中、小型水電站EPC項目的機電部分投標和設計工作。共計完成了馬其頓科佳項目，越南洛富明、同奈3/4、達科民4A/B、阿雷、班查、埃塞GB3等20余個國外水電項目的機電部分投標、設計及現場調試工作，總裝機容量超過400MW。在項目執(zhí)行過程和電站投運過程中，我們總結了一些國外項目監(jiān)控和保護系統(tǒng)的特點及與國內項目的差異,與各位同行分享。

2　水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)及微機保護系統(tǒng)的功能和作用

微機繼電保護指的是以數字式計算機或微型機為基礎而構成的微機保護裝置。在電站電氣系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時，在可能實現的最短時間和最小區(qū)域內，自動將故障設備從系統(tǒng)中切除并發(fā)出信號，以減輕或避免設備的損壞和對相鄰系統(tǒng)的影響。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)全名為數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。計算機監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統(tǒng)。它可以對現場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節(jié)以及各類信號報警等各項功能。

監(jiān)控和保護系統(tǒng)對電站的穩(wěn)定、安全運行具有重大作用，在國外項目中，業(yè)主對監(jiān)控和保護系統(tǒng)的重視度極高，在招標及合同文件中會有嚴格要求，在技施設計中咨詢公司會對設計院提交的監(jiān)控、保護圖紙進行仔細審查，調試、運行過程中我們也會根據現場實際情況做大量修改。

3　國外項目微機保護系統(tǒng)的特點和建議

3.1發(fā)變組保護配置的特點

表1為國際IEC與國內GB標準推薦的發(fā)變組保護的配置對比。國內項目參照的規(guī)范為GB/T 14285—2006標準和國家電網公司十八項電網重大反事故措施，國外項目的參照規(guī)范IEC 60255。從表1中可以發(fā)現國內外保護配置要求的差別。

表1　國內外中小型發(fā)電機及變壓器保護配置對比

容量大于100MW的發(fā)電機，220kV電壓等級變壓器國內均采用完全雙重化的配置原則，即雙主雙后的配置方法。指導思想是加強主保護簡化后備保護，任何一套保護退出，保護能仍然完全。IEC保護雙重化配置理念可以認為是低于目前國內的水平。尤其是主設備保護，為了分散風險，只是將相近的功能人為分配在兩塊屏中，但實際上只有將兩塊屏的功能綜合起來才能構成設備本身所必需的一整套保護，若一套保護退出，則保護功能就不完全了。根據執(zhí)行經驗，基本無法說服業(yè)主對標書及合同規(guī)定的保護配置做任何修改。所以，即使發(fā)現參照IEC標準配置的保護方案存在不完善的地方，也只能照此執(zhí)行。

1)容量小于100MW的發(fā)電機、220kV以下變壓器保護，可以認為IEC保護配置較國內嚴格，增加了1套主保護及很多后備保護功能。

2)IEC保護配置嚴格要求將主后備保護的電流回路、電壓回路分開。電流回路采用獨立的電流互感器繞組分別接主保護和后備保護，電壓回路則需要在電壓互感器中增加空氣開關，將用于不同用途的保護、監(jiān)控設備的電氣回路分隔開。

3)100MW以上的定子繞組為多分支的發(fā)電機，國內對發(fā)電機發(fā)生內部故障(87GU)的關注度很高，通常要委托清華等專業(yè)院校對發(fā)電機內部故障主保護配置方案進行仿真計算，選取最合適的發(fā)電機差動保護方式。一般此類型的機組采用裂相橫差方式，靈敏度很高，對內部短路的正確動作率達到99%以上。而國外項目執(zhí)行中，發(fā)現業(yè)主對發(fā)電機內部故障關心度并不高。通常就是采用多分支串接普通CT，對應保護為縱差加橫差的保護方案，對內部故障的正確動作率只有70%左右。但是根據運行實際情況反饋，發(fā)電機內發(fā)生內部故障的幾率非常小。由于采用裂相橫差的方式需要增加超出合同范圍的大量電流互感器，而增加的保護可靠性作用又不明顯又得不到業(yè)主認可，建議在國外項目中，小于200MW的機組不配置裂相差動保護。

4)IEC對發(fā)電機定轉子接地保護 (64G,64F)要求非常嚴格，很小容量的機組也要求采用100%接地保護。低頻交流或直流電源注入式接地保護等原理的保護裝置較乒乓式原理的裝置更為靈敏，保護范圍更大。由于安裝質量問題，機組發(fā)生一點或多點接地情況時有發(fā)生，調試過程中多次在機組內發(fā)現安裝遺留的螺絲刀，扳手等設備，若保護裝置不能及時發(fā)現，后果非常嚴重。所以，建議在國外項目中選用注入式原理的定轉子接地保護。

5)國外項目很多機組都有調相模式，針對這種運行方式，需要對保護裝置做一些修改。需要在調相過程中通過監(jiān)控系統(tǒng)對保護裝置的逆功率保護功能進行閉鎖。很多機組還有電制動模式，針對這種運行方式，仍需要對保護裝置做一些修改。需要在電制動過程中通過監(jiān)控系統(tǒng)對保護裝置的差動保護功能進行閉鎖。

6)跳閘線圈監(jiān)視(TCS)功能是用于監(jiān)視斷路器處于分閘狀態(tài)時，對合閘回路線路進行監(jiān)視，如直流整流回路、合閘線圈、限流元件、真空斷路器的接點是否都處于接通狀態(tài)，以便需要合閘時能及時合閘。同樣，跳閘監(jiān)視是指真空斷路器處于合閘的位置時，對跳閘回路的狀態(tài)進行監(jiān)視，如斷路器的常開接點、跳閘線圈及相關保護元件是否處于接通，以便在需要跳閘時能及時跳閘。跳閘監(jiān)視功能非常重要，如果它不能正確判斷，將影響跳閘動作，有可能涉及機械及人員的安全事故。對斷路器跳閘線圈監(jiān)視功能，IEC標準要求也與按國標GB不同。圖1為IEC通用的跳閘監(jiān)視回路的典型接線圖。

圖1　斷路器跳閘監(jiān)視回路圖

通過在斷路器跳/合閘線圈回路上并接電阻分流，并通過保護裝置內部與非門實現跳閘線圈監(jiān)視功能。采用IEC的方案需要在現場調試人員在斷路器柜內的合/分閘線圈上并接分流電阻?，F場測試效果非常好。

3.2110kV/220kV母線及線路保護配置的特點

國外項目的110kV/220kV開關站接線形式相對國內要復雜得多，而且基本采用敞開式（AIS）布置。除了國內常見的單母線、雙母線，我們還做過四角形、雙母帶旁路、各種2/3，4/3接線、自偶變升降壓等多種形式。為了與對側保護裝置相協(xié)調，還經常更換線路保護裝置的型號和廠家?？梢哉f,國外項目開關站的設計難度遠大于國內。

1)斷路器保護功能國內與IEC的實現理念不相同

按照國標GB標準，線路斷路器必須通過保護操作箱進行控制。保護斷路器操作箱用于控制斷路器了，包括了：合閘和分閘操作回路，電氣防跳回路，操作機構壓力閉鎖回路，重合閘閉鎖回路等。而國外項目從不使用保護操作箱。他們的理念是保護裝置通過鎖定繼電器出口，斷路器失靈、重合閘由保護裝置完成，而斷路器三相不一致、壓力操作閉鎖等保護則由斷路器本體的內部回路完成。我們最開始的想法是參照國內標準，使用操作箱控制線路斷路器。但在實際使用過程中出現了很多問題。

第一，國外項目沒有國內四統(tǒng)一保護的概念，通常不使用保護操作箱。經常要花費大量時間和精力跟業(yè)主解釋保護操作箱的作用和功能。

第二，由于設計理念不同，大多數國產操作箱對實現斷路器跳合閘線圈監(jiān)視功能（TCS）做的不夠完善，無法達到業(yè)主要求的效果。

第三，使用操作箱后，與采購的國外斷路器控制回路配合起來很麻煩，導致圖紙接線復雜。

經過多個項目的嘗試和磨合，我們逐步接受了IEC對線路保護的要求，建議除了需要做雙母線切換的電站將操作箱用于母線電壓切換，其他項目可以使用鎖定繼電器取代保護操作箱。

2)四角形接線的保護配置

圖2四角形典型接線圖

圖2為越南同奈項目的開關站接線圖，是一個典型的四角形接線形式。此種接線我們在國內用得很少，而在越南非常普遍。此種接線形式導致電流分支眾多，斷路器失靈、線路、小區(qū)保護的聯動對象多，按常規(guī)方法配置的話保護接線非常復雜，斷路器、隔離、接地開關的閉鎖也很繁瑣。針對這種情況，采取了類似500kV保護的配置方式，以斷路器保護為基礎保護，線路保護及小區(qū)保護通過斷路器保護聯跳相關設備的方法來簡化接線。每個四角形斷路器配置一套斷路器保護，完成斷路器失靈、三相不一致等保護，負責直接切除斷路器。而線路、小區(qū)保護采集不同分支的合電流，將跳閘命令送至對應的斷路器保護裝置。這樣，接線圖簡潔明了，保護動作對象明確，有效避免了保護的誤動，拒動。并做出了一套四角形接線的典型保護接線圖供后續(xù)項目參考，在越南其它項目的使用過程中取得了良好的效果。

4　國外項目計算機監(jiān)控系統(tǒng)的特點和建議

4.1計算機監(jiān)控系統(tǒng)的架構

IEC規(guī)范要求的計算機監(jiān)控系統(tǒng)架構與國標基本相同，均采用的是為開放式分層分布系統(tǒng)，全分布數據庫。計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用冗余配置。所有的控制功能由電站內現地控制單元PLC和中控室內的站控級設備完成。現地控制單元PLC和站控級設備之間采用100Mb交換式以太網聯結，網絡拓撲為雙環(huán)網或者雙星形結構。電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過通信服務器和路由器，利用通信系統(tǒng)設備接入調度中心網絡（LDC），接受調度中心的控制。

圖3為國外某電站的監(jiān)控系統(tǒng)結構圖，其他電站的監(jiān)控系統(tǒng)結構也基本相同。從中我們仍然可以看到一些差異。

1）國外調度中心要求電站上送的通訊數據量不大，通訊緊迫性也不高。通常只要求40~50個上送測點。規(guī)約一般都采用IEC通用的101,104規(guī)約，監(jiān)控系統(tǒng)與調度聯合調試的難度不大。通常我們都是放在機組2臺機發(fā)電以后才跟調度進行通訊聯調。與調度數據通訊未建立起來的很長一段時間內，均使用電話聯系，運行情況也很正常。

2）電站廠站層和現地層通訊規(guī)約有逐漸拋棄IEC 104規(guī)約采用IEC 61850規(guī)約的趨勢。該協(xié)議目前已引起用戶和企業(yè)的高度重視，一些招標文件已將產品是否具備61850通訊能力作為市場準入的一個基本條件。建議國內的水電監(jiān)控系統(tǒng)廠家加強對61850協(xié)議的重視度，提供國際競爭力。

3）國外項目電站計算機監(jiān)控廠站層的安全防護系統(tǒng)基本由防火墻及DMZ設備構成，沒有國內嚴格的電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)安全防護總體方案，基本不使用國內常見的縱向加密和橫向隔離裝置。業(yè)主提供的監(jiān)控系統(tǒng)招標圖紙，對防黑客入侵、防病毒擴散考慮不足，能在安全防護上找到很多漏洞。例如經常將辦公網絡計算機、連接公網的設備不加防火墻直接連接到監(jiān)控系統(tǒng)主網絡中，造成很大的安全隱患。建議安全防護系統(tǒng)按國內的標準進行嚴格配置。

圖3　通用國際計算機監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

4）國外項目的計算機監(jiān)控系統(tǒng)網絡拓撲結構通常要求為環(huán)網，星形網絡較少。對國內常用的雙星形冗余拓撲認可度不高，建議設計方案還是要以環(huán)網為主。

4.2計算機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件要求

1）國外項目的監(jiān)控系統(tǒng)上位機基本認可使用X86架構的cisc指令集計算機。但是，由于操作人員技術素質低，建議使用Linux、Unix這種維護量少的操作系統(tǒng)建立監(jiān)控系統(tǒng)平臺。

2）對PLC的硬件要求非常高，大于20MW的機組均要求PLC為全冗余，即cpu、通訊模塊、電源均要求冗余；還要求具備掛接遠程IO模塊的能力。此要求遠高于國內同等級項目。

3）國外項目對事故順序記錄（SOE）有嚴格規(guī)定，要求時標精確到ms級，并采用專用的模塊。SOE事件順序記錄功能能采集電平變化分辯率為1ms判斷開關動作的時序，主要用于事故的事后分析，查找事故第一原因。

5　現場調試及電站運行過程中遇到的問題

由于施工、安裝質量及發(fā)貨、產品質量等原因，國外項目的現場調試時間一般都要長于國內項目，工作強度也遠大于國內項目?？偨Y起來調試過程中遇到的大致有這么幾點：

1）由于圖紙精細度不夠造成的問題

國外項目的安裝工人沒有經過系統(tǒng)的培訓，技術素質遠低于國內，責任心也差，不具備獨立解決安裝問題的能力，只能機械的按圖紙施工。如果設計院完成的圖紙精細度不足，安裝人員就不知道如何處理。要避免出現這種混亂狀況，畫圖時不要覺得麻煩，必須將圖紙精細化，相關的每個盤柜，端子排的標號、位置，每根電纜的編號、起點、終點等都要標出。

2）國外項目的運行、維護人員的技術素質也非常低

在試運行過程中經常發(fā)生由于操作人員誤操作造成匪夷所思的各種事故。為逃脫責任，發(fā)生事故后，肇事者還經常清理掉現場，讓你無法判斷事故的原因。針對這種情況，我們對電站監(jiān)控系統(tǒng)的操作進行了限制，關閉了大量可能被運行人員修改的設置；加強了事故記錄功能并封閉了內部數據庫以防止運行人員修改；對電站內的隔離開關、接地開關、斷路器增加了較國內項目更加嚴格的閉鎖。

6　結語

可以說，監(jiān)控和保護系統(tǒng)是國外項目中與業(yè)主溝通互動最多，現場互動工作量最大的環(huán)節(jié)。要想高效，圓滿的完成設計工作，不僅需要設計人員具備較強的專業(yè)知識及經驗，還需要發(fā)揮主觀能動性精細化設計成果，多學習國際IEC規(guī)范，多與業(yè)主和咨詢工程師溝通了解用戶的要求和想法。

【1】宮全德，發(fā)變組保護雙重化配置方案探討及其新發(fā)展[J].紅水河，2008，27(2)：63-66.

【2】蔣小嚴.關于國外水電站工程電氣設計的幾點思考[J].湖南水利水電，2011(3)：74-75.

Characteristics and Suggestion of SACDA and Relay Protection System for the Overseas Hydropower Stations

ZHANGPeng,CHEN Peng,LI Xiao
（Power China Chengdu EngineeringCorporation Ltd.，Chengdu 610072，China)

Bysummarizingandanalyzing theexperienceondesign,installationand testingofoverseahydropowerstations'SCADA and relay protection system,thispaperbrieflyexplained thecharacteristicsofcontrol&protectionsystem in internationalhydropower projectand thedifference from thesim ilarinternalprojects,andalsoputforward thesuggestiononessentialissuesmustbepayattention toin futuredesignprocess.

overseashydropowerstations;SCADAsystem;relay protection;sequencecontrol;IEC stand

TV737;TP315

B

1007-9467（2016）11-0059-04

張鵬（1977～），男，廣東五華人，高級工程師，從事水電站電氣設計與研究。

2016-11-16