電氣二次系統主要技術問題的研究

0串4/3線路瀑布溝水庫配備6臺600mw水輪發電裝置。發電機和變壓器采用單元接線，設置了發電機出口斷路器。500kV開關站設置了2條母線，開關布置為4/3方式，共有4串4/3接線的支路。整個系統通過4條500kV線路至眉山東坡變電站。針對瀑布溝水電站機組臺數多、單機容量大以及相應輔助系統設備比較復雜的特點，為了確保電站主要機電設備安全穩定運行，設計中對電氣二次系統主要包括監控系統、繼電保護系統、勵磁系統、調速系統、220V直流系統、接入系統、微機五防系統、火災自動報警系統、門禁及安防系統、工業電視系統、主設備狀態監測系統中的主要技術問題和技術方案進行了認真的比選和研究，下面主要介紹電氣二次系統的設計目標、原則以及各子系統相關技術問題。1設計的目的和原則1.1數字煤調儀的應用建議基于瀑布溝水電站的重要性，在電氣二次系統設計時對其方案選擇、設備選型等方面提出了如下目標：(1）所采用的技術應為當今水電站較為成熟的技術，且在今后較長時間內不需要更新換代；(2）為提高電站運行的可靠性和安全性，各子系統盡量選用數字式設備，便于系統設備運行、操作的智能化管理和監視；(3）從保證電站安全穩定運行、改善運維人員的工作環境和減輕勞動強度出發，充分利用當今計算機技術和通信技術，盡可能實現各子系統的互聯，提高電站綜合自動化水平；(4）實現大渡河流域成都集控中心對本電站的遠方監視和控制，使電站達到“無人值班”（少人值守）的自動化水平，提高電站的社會效益和經濟效益。1.2對電站主要運行安全的影響由于瀑布溝水電站機電設備復雜，國內外供貨廠家眾多，因此，電站整個二次系統的設計原則考慮如下：(1）對故障后可能危及機組和電力系統安全的硬件，應按冗余方式進行配置，以確保電站安全穩定運行；(2）對電站主設備事故或故障時的控制和保護系統信息，其作用對象將主要從保證電站主設備自身安全出發，同時也兼顧系統運行安全的需要進行考慮；(3）對直接關系到主設備運行安全的信息，應確保其接口的可靠性，除可從通信接口取得外，還應保留I/O硬接線連接方式，如繼電保護故障動作信號、機械故障信號以及主設備的控制及調節命令等；(4）對與電站主設備控制和操作無直接關系的輔助系統，不考慮與現地控制單元直接互聯。如通風空調控制系統、微機五防系統、火災自動報警系統、工業電視系統、主設備狀態監測系統等，將直接與廠站層廠內通信服務器互聯，以確保電站主設備運行的安全性和可靠性。2第二系統介紹2.1系統結構設計整個電站監控系統的I/O量(包括其它數據通訊信號)約為39000點左右。為了提高系統的實時性和可靠性，主要解決監控系統的網絡結構型式、現地控制單元配置以及內外信息接口方式等問題。(1）網絡結構。瀑布溝水電站監控系統由廠站層（上位機）和現地LCU層（下位機）組成，如圖1所示。采用全開放的分布式星型網絡結構，其主要設備和網絡均采用雙機雙網冗余配置，以構成高可靠的開放式冗余高速網絡型實時閉環過程控制系統。瀑布溝水電站監控系統采用功能分布和數據庫分布方式，全廠數據庫和歷史數據庫分布在廠站層計算機中，各單元數據庫分布在各個現地控制單元LCU中，系統各功能分布在系統的各個節點上，每個節點嚴格執行指定的任務并通過系統網絡與其它節點進行通訊。整個系統采用無主結構，操作員工作站中與監控有關的實時信息全部直接來自LCU，即使數據庫服務器全部故障，也不影響電站設備的監視和控制。(2）現地LCU層結構。LCU實現對各生產對象的監控，各LCU的CPU完成各LCU的管理，并帶有其監控范圍內的完整的數據庫，實現全開放的分布式系統的分布式數據庫。LCU直接上網，與上級調度計算機的通信可以不通過主控級設備直接傳送信息。各現地控制單元具備較強的獨立運行能力，在脫離廠站級的狀態下能夠完成其監控范圍內設備的實時數據采集處理、設定值修改、設備工況調節轉換、事故處理等任務。現地控制單元層采用按單元分布的原則，瀑布溝水電站監控系統LCU按被控對象設置，分別為每臺機組、地下副廠房廠用和公用設備、安裝間廠用和公用設備、500kV開關站、地面副廠房廠用和公用設備、進水口閘門、大壩閘門、尼日河首部閘門各設一個LCU，共13個LCU單元。(3）信息接口方式。對信息量較大的地方，盡量采用現場總線和遠程I/O模塊進行采集，并將遠程I/O設備放置在現地設備附近，如500kVGIS開關站、大壩閘門等系統；對繼電保護、勵磁以及調速等系統的重要信息除采用硬接線方式外，還采用了現場總線方式；對與電站主設備運行無直接關聯的輔助系統信息，除需直接跳閘停機的信號外，一般不直接與LCU進行互聯，而是與廠站層的廠內通信服務器進行通信，如工業電視系統、消防監控系統、微機五防系統、通風空調系統、主設備狀態監測系統等，以減少電纜接線，增加系統可靠性。2.2tpe級電流對于暫態特性的影響(1）電站繼電保護系統具體配置，各設備電氣量保護詳見表1所示，非電量保護配置詳見表2所示。(2）差動保護用電流互感器型號選擇。發電機、主變、電抗器、線路差動保護均采用TPY級電流互感器。TPY級互感器鐵心帶有氣隙，因而磁阻較大，增長了互感器到達飽和的時間，不易飽和，即有更長的時間可保持線性轉換傳變關系，使暫態特性大大改善。互感器時間常數減少，鐵心面積可減少；剩磁減少也有利于暫態特性的改善，因而TPY級可在準確限值條件下保證全電流的最大峰值瞬時誤差ε=10%。因此，TPY級互感器具有較好的暫態特性和限制剩磁的作用，以保證保護區外不誤動、保護區內正確動作。并且，符合《DLT866-2004電流互感器和電壓互感器選擇及計算導則》選型要求。2.3跟蹤自動通道瀑布溝發電機采用自并勵靜止勵磁系統。勵磁功率柜配置為n-1冗余模式。當其中任意一組整流橋故障時，其余三組仍能滿足各種運行工況的要求，當兩組整流橋故障時，限制強勵。調節控制是由高速可編程控制器完成的，為提高可靠性采用雙通道系統并聯運行，雙通道數據采集相對獨立。正常運行時，勵磁調節采用自動電壓調節方式AVR，手動調節勵磁電流FCR方式用于調試和試驗，一般情況下手動通道自動跟蹤自動通道，可實現無擾動切換。為了保證設備安全穩定運行，勵磁系統具備以下功能：V/F限制、過勵限制（最大勵磁電流限制、過勵側定子電流限制）、欠勵限制（P/Q限制、欠勵側定子電流限制、最小勵磁電流限制）。并且，為改善系統阻尼特性，還設有PSS電力系統穩定器功能。為了達到更好的滅磁效果，作了以下兩方面重點考慮：(1）滅磁開關。依據瀑布溝水電站發電機勵磁系統參數，分別對額定空載滅磁、額定負載滅磁、正常強勵跳閘滅磁、空載誤強勵滅磁、負載誤強勵滅磁以及機端三相短路滅磁等情況進行分析計算，瀑布溝機組選用的DC滅磁開關為瑞士SECHERON公司的直流接觸器，其直流滅磁開關在額定最大電壓下的最大分斷能力為75kA，可滿足各種工況要求。除直流側設置滅磁開關外，未在交流側設置斷路器。(2）滅磁電阻。瀑布溝水電站選用碳化硅（SiC）非線性電阻主要基于以下考慮：1）單片閥片使用能容大，并聯支路少，體積小，易于安裝。2）由于其較軟的伏安特性，無需苛刻的支路并聯條件。3）其失效模式為開路，不必串聯熔斷器，無爆炸危險。4）維護工作量小，可減輕維護和檢修人員的勞動強度。2.4調速器及控制單元瀑布溝水電站調速系統具有開度、功率、頻率三種模式。并有開停機和緊急停機控制、快速同步、導葉開度限制、適應式變參數、在線自診斷及處理等功能。具備投入一次調頻功能，當電網頻率波動時，自動參與一次調頻，并且滿足《華中電網發電機組一次調頻技術管理規定（試行）》（華中電監市場32號）的技術要求。具備AGC功能，滿足電網調整要求。微機調速器采用雙ABB調節器冗余容錯系統加電手動操作系統。冗余系統中的每一個通道，即從輸入至輸出以及電源，均應采用相同配置，且為相互完全獨立，在運行過程中，即使將其中一個通道退出也不會影響調速系統的正常工作，且退出的通道能進行停電檢修。各調節器與各電液轉換單元之間是交叉冗余控制。傳感器信號包括導葉位置、轉速、功率、水頭等信號均交叉冗余送入調節器。2.52直流系統設備布置從設備檢修維護角度考慮，直流設備不宜過多；同時，考慮如果直流設備太少，將會增設較長電纜，增大對地電容，擴大拉合電源時的干擾范圍，綜合考慮以上原因，全廠共布置五套220V直流系統，分別為1～3號機組直流系統、4～6號機組直流系統、地下副廠房直流系統、地面副廠房直流系統、進水口直流系統。并且，各設備按就近原則布置。每套充電裝置均設置有微機監控裝置，能根據蓄電池的特性曲線和環境溫度變化自動實現蓄電池的均衡（衡流/衡壓）充電、浮充電、直流母線電壓調整（自動均壓功能）、蓄電池的活化等功能。2.6運行監測成果的獲取根據國家和四川省電力公司調度運行管理的要求，瀑布溝水電站分別建立和實施電能量采集及發電計劃申報系統、繼電保護信息管理系統子站、電力調度自動化等接入系統。發電計劃申報當地系統通過撥號連接省調發電計劃申報系統建立網絡連接，發電計劃申報人員使用發電計劃申報系統軟件，生成發電計劃申報數據文件，通過遠程網絡連接，上報發電計劃申報數據和從省調獲取計劃電量數據和成交電量、電價數據，完成交易，以及獲取電力市場其它信息。繼電保護信息管理系統子站負責自動采集500kV線路、500kV線路小區、500kV斷路器、500kV母線、500kV電抗器、500kV電纜、500kV主變壓器保護裝置及500kV開關站故障錄波裝置的運行信息。并將運行信息進行統一接入和集中管理，將集中采集的數據，按運行部門的要求分別進行處理，形成統一有序的數據格式，然后按省調要求將500kV系統保護、開關站故障錄波裝置的信息通過通信通道送到省調主站系統。為確保電網的安全穩定運行，瀑布溝水電站接受四川省電力公司調度中心和華中電網調度中心的統一調度，并根據省調和華中網調的要求向上級組織反映電站運行情況的各種實時數據，以供上級調度部門對電站實現遠方監控。通過兩臺專用通信工作站與省調和華中網調進行通信，將本站遠動信息直接送到省調和華中網調的主站，即直采直送方式，省調對瀑布溝水電站的控制和調節命令也通過該遠動通信工作站直接發到各現地控制單元LCU，由現地控制單元完成其控制任務。2.7設備解鎖操作為實現部頒五防要求：防止誤拉合斷路器；防止誤入帶電間隔；防止帶負荷拉隔離開關；防止帶電掛地線或合接地刀閘；防止帶地線（接地刀閘）合隔離開關。瀑布溝水電站在斷路器、隔離開關、接地開關、快速接地開關操作機構及接地線、設備柜門等一次設備加裝鎖具，對現地手動操作實施強制閉鎖，只有在微機五防系統中模擬通過后以正確順序進行的操作方可解鎖操作，從而達到五防的目的。通過建立無線網絡區實現電腦鑰匙與主系統信息及時、可靠交互，電腦鑰匙實時地把每一步操作信息上傳給防誤主機，防誤主機通過與計算機監控系統通信的方式獲取一次設備的實時狀態，同時在主界面上顯示每一步操作任務的執行情況，方便監控人員實時監視。2.8火災探測器的設置考慮到電站廠房結構復雜，電氣設備多，消防設備的種類多，監控點分布廣，信息量大，電站的火災自動報警系統采用總線式系統結構，分別在地面副廠房的中控室內和地下副廠房的二次盤室內各設置一臺火災報警控制器，并在地面副廠房的中控室內設置消防計算機監控終端，在電站的地下主廠房、地下副廠房、主變室、GIS樓、地面副廠房、溢洪道、進水口、尼日河首部等，分別設置相應類型和數量的火災探測器。系統采用兩總線制，所有的探測器、監視模塊、控制模塊等設備，分別就近連接到消防配線箱（模塊箱），各配線箱通過總線電纜、光纖或通過MSTP設備與設置在地面電站中央控制室內的火災報警控制器或地下二次盤室內的火災報警控制器相連。根據《火災自動報警系統設計規范》的有關規定，消防監控系統采用獨立的網絡，不允許與其它系統混合使用同一網絡，且消防監控系統使用專用的功能軟件，進行數據采集、參數分析、實時報警、聯動控制等任務，因此在設計上，采用獨立的網絡布線。設置在各個部位的火災探測器，在檢測到火情時，自動向火災報警控制器報警，報警控制器在接收到報警后，通過信息處理，在報警控制器上以數碼和液晶顯示方式，顯示出火災的部位，并通過接口，在消防計算機監控終端的CRT上自動顯示出火災的部位編號及該層的平面布置圖，提示出火災的處理措施；所有火災事故的報警信號都能在控制室內發出聲光報警信號，并能在工業電視系統上調出相應部位的視頻圖像，以確認火情。同時，根據火災部位的不同，手動或程序自動對相應的滅火設備、防排煙設備、電梯、疏散指示、工業電視等設備進行控制和管理。2.9消防控制系統對地下主、副廠房各部位主要電氣設備房間、公用系統設備房間、地面副廠房設備房間、GIS樓、崗哨等重要部位加強管理防護力度。并能實現與消防監控及聯動控制系統的聯動功能，在發生火災自動報警時，門禁及安防系統主動接收報警信號，并解鎖防火通道門，方便人員緊急疏散。整個系統采用分布式結構。通過每個房間內的門禁讀卡器模塊、門禁控制器及上位機系統，實時記錄門禁讀卡信息，并結合工業電視系統，實現對各個人員、車輛出入進行分區域、分時段、分權限管理，具有實時報警、聯動控制功能。2.10異變或報警時對地下主、副廠房各部位主要電氣設備、公用系統設備、進廠大門、地面副廠房、GIS樓、壩區閘首、尼日河首部等重要部位加強防護力度，及時了解現場情況。能實現與監控系統、消防監控及聯動控制系統和門禁及安防系統的聯動控制功能，當發生異變或報警時，在不超過2s內將報警信號傳送至管理服務器，報警服務啟動存儲服務器進行錄像，且將該信號傳送到監控中心，并在監控中心發出聲光提示、自動錄像等；中心作出反應，可通過網絡對報警點的聯動控制的設備進行遠程報警處理。瀑布溝水電站工業電視系統的設計和布局主要圍繞以下兩個問題：(1）工業電視點的選擇：需要傳送特定信息的地方，如生產過程中的關鍵部位，容易或經常發生事故及故障的地方，出于安全保衛需要的地方等。(2）為了滿足瀑布溝水電站工業電視系統既應適用于現地中央控制室顯示，又要適用于與瀑布溝樞紐MIS系