綜合自動化系統(tǒng)在電解鋁整流供電過程中應(yīng)用策略

青銅峽鋁業(yè)股份有限公司寧東鋁業(yè)分公司 趙 祥

現(xiàn)階段，國內(nèi)電解鋁項(xiàng)目普遍表現(xiàn)出了電壓等級高、產(chǎn)能及規(guī)模較大的特點(diǎn)，要想使電解鋁的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，關(guān)鍵是要對其進(jìn)行整流供電。事實(shí)證明，對維護(hù)難度低、質(zhì)量良好的綜自系統(tǒng)加以運(yùn)用，不僅能夠降低電解鋁因故停運(yùn)的概率，還可使其生產(chǎn)效能得到顯著提升，引入綜自系統(tǒng)勢在必行。

1 項(xiàng)目概況

2008年，寧東鋁業(yè)分公司展開了對整流一所供電系列進(jìn)行建設(shè)的工作，項(xiàng)目于2009年竣工并正式投運(yùn)。該項(xiàng)目所包含設(shè)備的種類較多，主要有整流機(jī)組、分配電室和動力變，數(shù)量分別為7臺、6個以及2臺。2011年，整流二所供電系列正式投運(yùn)，該項(xiàng)目的建設(shè)重點(diǎn)為整流變，通過新增6臺整流變的方式，使供電系列整體性能變得更加理想。上述供電系列均搭載330kV進(jìn)線，兩條進(jìn)線由徐家莊變電站提供，另外兩條進(jìn)線則由臨河電廠提供，站內(nèi)母線所采取供電模式為雙分段、雙母供電。供電車間動力變壓器容量為50000kVA，由新疆變壓器廠提供，隨著動力變壓器的加入，進(jìn)線所提供電能由最初的330kV降為10kV，通過總配電室進(jìn)行輸送，確保各分配電室均能夠獲得運(yùn)行所需電能。

350kA直流供電配有7套整流設(shè)備，每套包括1臺變壓器組、2臺整流器，其中變壓器組的規(guī)格為117000kVA。400kA直流供電則配有6套整流設(shè)備，對應(yīng)變壓器組的規(guī)格為136200kVA。350kA的7號機(jī)組為共用機(jī)組，一般情況下，該機(jī)組均依托350kA系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行，若400kA所配置機(jī)組故障不能立即處理或檢修機(jī)組不能立即恢復(fù)，在確保350kA 7臺整流機(jī)組運(yùn)行的情況下，則需要將該機(jī)組轉(zhuǎn)入400kA系統(tǒng)，但要注意一點(diǎn)，即該機(jī)組不參與穩(wěn)流控制工作[1]。

2 電解鋁整流供電問題

2.1 二次線有待優(yōu)化

電解鋁整流供電的電壓較高，仍沿用以多股銅線為代表的常規(guī)二次線，考慮到二次小線所具有性能往往會給整流柜運(yùn)行產(chǎn)生較大影響，存在難以保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且可靠[2]。

2.2 保護(hù)設(shè)計(jì)效果仍有改進(jìn)空間

要想使保護(hù)效果更加理想，通常需要做到三管齊下，具體做法如下：一是新增逆流保護(hù)專業(yè)設(shè)備，當(dāng)某臺整流機(jī)組短路故障，其他機(jī)組通過直流大母線向故障機(jī)組短路點(diǎn)反向輸入大電流，可以防止其他機(jī)組因短路造成設(shè)備損壞，同時對設(shè)備所處運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測試。另外，出于對變壓器所具有靈敏度提供保護(hù)的考慮，還應(yīng)新增對反向限過流進(jìn)行保護(hù)的裝置，使保護(hù)效果最大限度接近預(yù)期。二是對離極保護(hù)裝置進(jìn)行安裝，通過及時切斷開關(guān)的方式，對事故影響范圍加以控制，降低電解槽爆炸的概率，同時避免整流柜元件受損。與此同時，還應(yīng)增設(shè)相應(yīng)的總停開關(guān)，以便于工作人員手動切換電源啟閉狀態(tài)，避免事態(tài)進(jìn)一步惡化。三是給予弧光保護(hù)充分的重視，借助電流閉鎖削弱電流所形成磁場給保護(hù)程序所造成不良影響，為系統(tǒng)所具有可靠性及穩(wěn)定性提供保證。

3 綜合自動化系統(tǒng)的應(yīng)用策略

3.1 系統(tǒng)概述

3.1.1 供電系統(tǒng)

電解鋁供電的作用主要是為電解系統(tǒng)提供其正常運(yùn)行所需的電能，常見供電方式如下：基于三相硅整流裝置、有載變壓器對交流電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為電解所需直流電[3]。該系統(tǒng)通常需要配備開關(guān)、變壓器和硅整流裝置等設(shè)備，其中整流器還配有自控系統(tǒng)，可通過細(xì)調(diào)飽和電阻器與粗調(diào)有載開關(guān)相結(jié)合的方式，使直流電流更加穩(wěn)定。

3.1.2 綜自系統(tǒng)

寧東鋁業(yè)分公司供電車間綜自系統(tǒng)，其定位是以計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的、兼具多種功能的自動組態(tài)軟件。其中，PecStar軟件主要負(fù)責(zé)為市政建設(shè)、工業(yè)企業(yè)、商業(yè)用戶和電力系統(tǒng)提供所需服務(wù)，確保建筑電氣、電能得到有效管理?，F(xiàn)階段，該軟件已在電力系統(tǒng)和市政建設(shè)等領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用，基于該軟件所衍生出的生產(chǎn)自動管理、工業(yè)電能管理等系統(tǒng)，均為社會的發(fā)展貢獻(xiàn)了力量。由此可見，綜自系統(tǒng)的特點(diǎn)在于其充分運(yùn)用了現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，強(qiáng)調(diào)以自控技術(shù)為前提，以監(jiān)控、保護(hù)裝置為基礎(chǔ)，憑借集中組屏、分散安裝對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并管理，這里需要注意一點(diǎn)，該系統(tǒng)所搭載網(wǎng)絡(luò)通信和微機(jī)均為模塊化結(jié)構(gòu)。詳細(xì)配置見圖1。

圖1 綜自系統(tǒng)配置圖

3.2 應(yīng)用方案

綜自系統(tǒng)所搭載結(jié)構(gòu)類型主要分為兩種，分別是網(wǎng)絡(luò)型、分散式，其中網(wǎng)絡(luò)型的特點(diǎn)是以分散綜自結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)有通信模式及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對過程層、間隔層進(jìn)行優(yōu)化，使過程層所涵蓋智能設(shè)備成為網(wǎng)絡(luò)主要組成部分。而分散式監(jiān)控的對象通常以整流所、變電站電氣間隔為主?，F(xiàn)階段，電解鋁領(lǐng)域所用綜自系統(tǒng)多為分散式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)往往配有兩臺性能完全相同的監(jiān)控機(jī)，同時保證各主機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，這樣設(shè)計(jì)的目的是確保即使某臺監(jiān)控機(jī)出現(xiàn)故障，另一臺監(jiān)控機(jī)同樣能夠承擔(dān)起相應(yīng)的責(zé)任，保證系統(tǒng)平穩(wěn)且高效地運(yùn)行。系統(tǒng)間隔層采用單元配置模式，保護(hù)單元及測控單元分別經(jīng)由對應(yīng)通道與主站層相連，通訊所用介質(zhì)以光纖為主，同時借助PLC對監(jiān)控機(jī)加以控制，確保系統(tǒng)能夠高效完成實(shí)時監(jiān)控、采集數(shù)據(jù)等工作。另外，相關(guān)人員還根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)控主站所具有功能，對相應(yīng)的工程師站進(jìn)行了配置。

3.3 系統(tǒng)配置

戶內(nèi)配電裝置所搭配供電系統(tǒng)為雙母線系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)有兩回進(jìn)線，兩組互感器，一個母聯(lián)。同時，兩回進(jìn)線分別配有相應(yīng)的互感器，配電裝置所設(shè)置間隔的數(shù)量較多，在配電裝置所對應(yīng)間隔內(nèi)安裝保護(hù)單元。另外，出于增強(qiáng)系統(tǒng)所具有可靠性及穩(wěn)定性以及降低日后電氣維護(hù)難度的考慮，相關(guān)人員選擇將單個間隔作為主體，對相應(yīng)的監(jiān)控進(jìn)行設(shè)置，杜絕多個間隔接入相同保護(hù)單元的情況發(fā)生。保護(hù)單元所采取核心技術(shù)為交流采樣，其特點(diǎn)在于可快速完成測量以及計(jì)量電參數(shù)的工作，同時新增錄波、分析高次諧波等功能[4]。

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)配有雙通信網(wǎng)及雙微機(jī)，此舉在一定程度上增強(qiáng)了系統(tǒng)所具有的可用性、可靠性。對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析不難看出，各個監(jiān)控裝置及保護(hù)裝置均能夠憑借通信網(wǎng)絡(luò)連接微機(jī)，而對監(jiān)控微機(jī)進(jìn)行雙冗余設(shè)計(jì)的初衷，主要是將通路故障給系統(tǒng)運(yùn)行所造成不良影響降至最低?？紤]到兩臺微機(jī)啟動條件、功能完全一致，在對其加以應(yīng)用時，工作人員可通過發(fā)布不同操作口令的方式，使二者所存在差別得到體現(xiàn)。事實(shí)證明，雙機(jī)獨(dú)立運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)主要是任一微機(jī)既能夠承擔(dān)起全部的工作，同時二者互為備用，系統(tǒng)所具有可靠性自然能夠得到大幅提高。

3.3.2 軟件配置

綜自系統(tǒng)所選用監(jiān)控軟件具有容量大、兼容性良好的特點(diǎn)，將其與整流供電相結(jié)合，可使該軟件的優(yōu)勢得到更加充分的發(fā)揮。其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：一是安全性。該軟件可做到長期穩(wěn)定運(yùn)行，確保數(shù)據(jù)一致且不存在遺漏，將誤操作和人為失誤出現(xiàn)的概率降至最低?，F(xiàn)階段，搭載該軟件的綜自系統(tǒng)已正式投運(yùn)，且未發(fā)生系統(tǒng)崩潰、微機(jī)死機(jī)等問題。二是實(shí)時性。該軟件從接收指令到給出響應(yīng)的時間極短，在實(shí)時性方面具有突出表現(xiàn)。三是開放性。該軟件既能夠和其他系統(tǒng)進(jìn)行無縫連接，同時還可以和監(jiān)控中心或調(diào)度中心互聯(lián)。四是友好性。軟件交互界面直觀且簡潔，在一定程度上降低了用戶的使用難度。五是完備性。該軟件既保留了監(jiān)控軟件的基本功能，同時又新增了防誤操作、分時計(jì)費(fèi)還有分析電能質(zhì)量等多項(xiàng)功能，無論是在運(yùn)行管理，還是在內(nèi)部審核方面，均具有極為重要的作用。

3.3.3 硬件配置

在硬件配置方面，該系統(tǒng)同樣對冗余技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用，旨在通過打造雙服務(wù)器的方式，為自身穩(wěn)定且可靠的運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。兩臺服務(wù)器互為備用，除特殊情況外，信息處理工作均交由主服務(wù)器負(fù)責(zé)，另一臺服務(wù)器則需要密切關(guān)注主服務(wù)器運(yùn)行情況，并根據(jù)主服務(wù)器情況對自身所存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行自動更新。若主服務(wù)器因故停止運(yùn)行，另一臺服務(wù)器需要承擔(dān)起信息處理的任務(wù)。

3.4 系統(tǒng)功能

3.4.1 采集數(shù)據(jù)

采集各設(shè)備、各回路溫度、諧波及其他相關(guān)數(shù)據(jù)?；赑LC對整流系列各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括但不限于冷卻器狀態(tài)、偏移/直流電流。采集隔離刀閘和開關(guān)的狀態(tài)量，調(diào)壓開關(guān)所處位置以及接點(diǎn)狀態(tài)還有保護(hù)信號，提供CAD圖，如實(shí)記錄設(shè)備狀態(tài)和變化趨勢。

3.4.2 設(shè)置定值

實(shí)時顯示現(xiàn)有機(jī)組對應(yīng)偏移繞組電流以及控制繞組電流?？刂普鳈C(jī)組、直流電流，同時對溫流參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。對于單機(jī)組，可通過細(xì)調(diào)電流的方式，將其給直流總電流所造成不良影響降至最低。對保護(hù)定值進(jìn)行設(shè)置，實(shí)時跟進(jìn)保護(hù)的退出與投入情況，通過上位機(jī)加以展示。

3.4.3 事故報(bào)警

按照事故發(fā)生順序進(jìn)行記錄（可精確到1ms），針對開關(guān)量變化發(fā)布預(yù)警并進(jìn)行報(bào)警，啟動針對報(bào)警事件的追憶、錄波。根據(jù)上位機(jī)情況設(shè)定限值，在上位機(jī)達(dá)到限值的第一時間報(bào)警，按照類別對報(bào)警時間還有事件性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。記錄系統(tǒng)設(shè)置人為操作、已發(fā)生的通信故障、保護(hù)動作、測量諧波，同時對是否存在越限情況進(jìn)行監(jiān)視。

3.4.4 四遙遠(yuǎn)動

綜自系統(tǒng)具有微機(jī)測控、遠(yuǎn)動保護(hù)等多項(xiàng)功能，可通過四遙的方式，有序開展采集并分析數(shù)據(jù)、微機(jī)保護(hù)、安全監(jiān)視等工作。事實(shí)證明，對該系統(tǒng)加以運(yùn)用，一方面可使電解鋁整流供電所具有自控水平得到顯著提高，另一方面能夠減少工作量，通過全過程管理的方式，為供電系統(tǒng)可靠性及安全性提供保證，將人為事故發(fā)生的概率降至最低。

3.4.5 統(tǒng)計(jì)分析

提供數(shù)據(jù)計(jì)算所需工具，對采集所得電量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時記錄并分類保存。以年/月/日/時為單位，對電能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。以用戶所提供報(bào)表為依據(jù)，對全新報(bào)表進(jìn)行生成，可保留兩年的歷史數(shù)據(jù)，供工作人員查詢或使用。記錄每日有載分接開關(guān)的啟閉頻次、歷史啟閉頻次，同時對斷路器的啟閉頻次進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，分時計(jì)費(fèi)。用戶以自身情況為依據(jù)，對最小/最大值進(jìn)行定義，同時對電壓的負(fù)荷率以及合格率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，打印全部畫面。

3.5 整流機(jī)組保護(hù)

3.5.1 概述

供電車間一所內(nèi)共有7臺整流機(jī)組，均配有SEL+西門子的雙套保護(hù)裝置。整變設(shè)過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)及電流速斷保護(hù)，配置1臺SEL-501-2和兩臺西門子7SJ600；調(diào)變設(shè)變壓器零序保護(hù)、電流速斷保護(hù)及電壓閉鎖保護(hù)，配置1臺SEL-351A和1臺西門子7SJ681。

3.5.2 SEL裝置

該裝置由過流繼電器負(fù)責(zé)提供保護(hù)功能，各組保護(hù)均有輸入/輸入光電隔離的接點(diǎn)對應(yīng)。

3.5.3 西門子裝置

本項(xiàng)目所使用西門子裝置多被用于對電動機(jī)、配電系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，此外還可被用來對變壓器進(jìn)行后備保護(hù)。

3.6 弧光保護(hù)

3.6.1 系統(tǒng)概述

弧光保護(hù)裝置可被用來對整流柜進(jìn)行保護(hù)，本項(xiàng)目所選用弧光保護(hù)裝置可被拆分成弧光保護(hù)單元和繼電器，各機(jī)組均配有1臺繼電器、3臺保護(hù)單元，連接6根單模光纖，任一光纖均能夠?yàn)檎鞴竦?個臂提供保護(hù)。保護(hù)單元負(fù)責(zé)將檢測所得光信號向電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再將電信號上傳至對應(yīng)繼電器，隨后由繼電器負(fù)責(zé)對跳閘信號進(jìn)行上傳。

3.6.2 跳閘說明

在出現(xiàn)弧光故障且總控柜各組跳閘柜的鑰匙均位于ON位時，機(jī)組跳閘。若有任一機(jī)組鑰匙處于OFF位，則只有該機(jī)組正常運(yùn)行，其余鑰匙處于ON位的機(jī)組跳閘。

3.7 應(yīng)用效果

本文所討論綜自系統(tǒng)以現(xiàn)有通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，將變電站常規(guī)二次設(shè)備模式打破，搭載間隔設(shè)備均為保護(hù)單元，強(qiáng)調(diào)根據(jù)保護(hù)對象實(shí)際情況，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行分散安裝，并借助光纖對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建立，真正做到了間隔、計(jì)算機(jī)信息實(shí)時共享?，F(xiàn)階段，該系統(tǒng)已正式投運(yùn)并取得了突出的成績，未來應(yīng)加大對該系統(tǒng)推廣的力度，由此來為國內(nèi)電解鋁的發(fā)展助力。

4 結(jié)論

事實(shí)證明，相較于常規(guī)的監(jiān)控系統(tǒng)，綜自系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：一是通過控制二次電纜使用量的方式，減少系統(tǒng)占地面積，同時使造價更符合客戶預(yù)期。二是利用現(xiàn)有抗干擾措施對間隔設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，用光纖取代原有通訊媒介，使系統(tǒng)對電磁干擾所具有抵抗能力得到顯著增強(qiáng)，即使長期處于環(huán)境較為惡劣的電解鋁廠內(nèi)，系統(tǒng)仍然能夠做到穩(wěn)定運(yùn)行。