蓋下壩水電站電氣二次設(shè)計(jì)

朱 姝 ，劉存英 ，郭亞卓 ，張 崢

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.吉林省電力有限公司長(zhǎng)春供電公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

1 概述

蓋下壩水電站工程位于重慶市云陽(yáng)縣境內(nèi)的長(zhǎng)江南岸的一級(jí)支流長(zhǎng)灘河上。該電站為引水式電站，是以發(fā)電為主，兼顧防洪、旅游等綜合利用的大型水電工程。電站總裝機(jī)容量為132 MW，裝設(shè)3臺(tái)單機(jī)容量為44 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，采用一機(jī)一變單元接線和二機(jī)一變擴(kuò)大單元接線，220 kV側(cè)為單母線接線，1回出線。電站建成后承擔(dān)重慶市電網(wǎng)的調(diào)峰和事故備用任務(wù)。

2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 監(jiān)控方式

該電站的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主，簡(jiǎn)易常規(guī)為輔。按無(wú)人值班（少人值守）、遠(yuǎn)方遙控的方式設(shè)計(jì)。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)應(yīng)采用符合 ISO/IEC 7498-1，2，3，4和IEEE 802/WG57國(guó)際開(kāi)放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放環(huán)境，以保證系統(tǒng)中選用不同設(shè)備時(shí)的互操作性、擴(kuò)展性和設(shè)備更新時(shí)的可移植性。開(kāi)放環(huán)境包括應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境、用戶接口環(huán)境及系統(tǒng)互連環(huán)境。軟件應(yīng)適合在開(kāi)放系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行，并具有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。系統(tǒng)應(yīng)采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，操作系統(tǒng)、用戶界面及網(wǎng)絡(luò)接口等均應(yīng)符合開(kāi)放系統(tǒng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

蓋下壩水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，分電站控制級(jí)和現(xiàn)地單元控制級(jí)。電廠級(jí)設(shè)備包括2臺(tái)互為熱備用的主機(jī)服務(wù)器、2臺(tái)操作員工作站、1臺(tái)工程師工作站兼培訓(xùn)站、2臺(tái)調(diào)度通信工作站、1臺(tái)綜合管理工作站、1臺(tái)廠長(zhǎng)工作站、1臺(tái)廠總工作站。電站控制級(jí)除完成對(duì)電站的監(jiān)控外，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)與電力調(diào)度中心的通信，發(fā)送上行信號(hào)，接受電力調(diào)度中心下行的控制調(diào)節(jié)命令，是整個(gè)電站的控制核心?，F(xiàn)地控制單元級(jí)共設(shè)5個(gè)現(xiàn)地采用可編程控制器的控制單元（LCU），直接面向生產(chǎn)過(guò)程，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理，能夠獨(dú)立或按電站控制級(jí)的命令完成對(duì)機(jī)組及其附屬設(shè)備、開(kāi)關(guān)站設(shè)備、公用設(shè)備和廠用電配電設(shè)備、壩區(qū)相關(guān)設(shè)備等的控制。其中1LCU、2LCU、3LCU為機(jī)組現(xiàn)地控制單元，4LCU為開(kāi)關(guān)站設(shè)備、廠用及公用現(xiàn)地控制單元，5LCU為壩區(qū)設(shè)備現(xiàn)地控制單元，壩區(qū)與廠房約7.5 km，通過(guò)光纖連接。1～5LCU均采用雙CPU、雙電源加智能I/O模塊結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)采用雙套快速交換式光纖以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)在硬件上應(yīng)確保簡(jiǎn)單、安全、可靠和便于擴(kuò)展。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)的功能

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要功能包括：數(shù)據(jù)采集和處理、安全運(yùn)行監(jiān)視、實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)、事件順序記錄、打印記錄、事故追憶、事故處理指導(dǎo)和恢復(fù)操作指導(dǎo)、系統(tǒng)通信、系統(tǒng)自診斷與自恢復(fù)、電站運(yùn)行維護(hù)管理、系統(tǒng)授權(quán)管理等。

電站控制級(jí)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理各現(xiàn)地控制單元的工作，記錄和計(jì)算整個(gè)電站的運(yùn)行信息，并把經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。具有運(yùn)行工作票和操作票的管理和打印功能。運(yùn)行工作票的格式應(yīng)符合電站運(yùn)行的要求。

發(fā)電機(jī)現(xiàn)地監(jiān)控單元（1～3 LCU）功能是監(jiān)控水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、蝶閥、機(jī)組出口斷路器、機(jī)組附屬及輔助設(shè)備等。

在機(jī)組監(jiān)控單元屏中配置一套獨(dú)立的用于水力機(jī)械保護(hù)的可編程控制器，發(fā)生重要的水機(jī)事故或現(xiàn)地控制單元冗余系統(tǒng)全部故障或工作電源全部失去時(shí)，水力機(jī)械保護(hù)的可編程控制器可直接作用于事故停機(jī)。

廠用、公用及220 kV開(kāi)關(guān)站設(shè)備現(xiàn)地控制單元（4LCU）功能是：監(jiān)控包括220 kV開(kāi)關(guān)站設(shè)備、220 kV線路保護(hù)、主變保護(hù)、廠用電設(shè)備、廠用電保護(hù)、中壓空壓機(jī)控制、制動(dòng)空壓機(jī)控制、廠內(nèi)滲漏排水泵控制、檢修排水泵控制、消防泵控制、尾水水位、直流系統(tǒng)。其中空壓機(jī)、廠內(nèi)滲漏排水泵、檢修排水泵、設(shè)備消防泵、建筑消防泵采用各自獨(dú)立的PLC接入。

壩區(qū)設(shè)備現(xiàn)地控制單元(5LCU)的功能是：負(fù)責(zé)監(jiān)控大壩滲漏排水系統(tǒng)、水庫(kù)水位、壩區(qū)變保護(hù)及設(shè)備、柴油發(fā)電機(jī)、閘門控制系統(tǒng)。

3 繼電保護(hù)系統(tǒng)

3.1 發(fā)電機(jī)保護(hù)配置

比率制動(dòng)縱差保護(hù)、橫差保護(hù)、100%定子單相接地保護(hù)、95%定子單相接地保護(hù)、電流記憶低壓過(guò)流保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、失磁保護(hù)、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)、發(fā)電機(jī)出口電壓互感器微機(jī)消協(xié)保護(hù)。

3.2 勵(lì)磁變壓器保護(hù)配置

電流速斷和過(guò)流保護(hù)、溫度保護(hù)。

3.3 主變壓器保護(hù)的配置

3.3.1 主變保護(hù)采用雙重化配置：

A套保護(hù)配置采用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、復(fù)合電壓起動(dòng)過(guò)電流保護(hù)、零序保護(hù)（應(yīng)裝設(shè)用于中性點(diǎn)直接接地和經(jīng)放電間隙接地的零序過(guò)電流保護(hù)及零序過(guò)電壓保護(hù)）、變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)。

B套保護(hù)配置采用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、復(fù)合電壓起動(dòng)過(guò)電流保護(hù)、零序保護(hù)（應(yīng)裝設(shè)用于中性點(diǎn)直接接地和經(jīng)放電間隙接地的零序過(guò)電流保護(hù)及零序過(guò)電壓保護(hù)）、變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)。

變壓器本體保護(hù)包括：重瓦斯保護(hù)、輕瓦斯保護(hù)、溫度保護(hù)、壓力釋放裝置、冷卻系統(tǒng)保護(hù)、油位保護(hù)。變壓器本體保護(hù)的功能在主變壓器A套保護(hù)屏內(nèi)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)主變A或B套微機(jī)保護(hù)退出后，非電量保護(hù)仍然能跳閘、停機(jī)、報(bào)警等。

3.3.2 主變保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題及處理

原主變配置兩套差動(dòng)保護(hù)，第一套差動(dòng)保護(hù)范圍由主變高壓側(cè)CT、機(jī)組出口CT、廠用變高壓側(cè)CT和隔離變高壓側(cè)CT構(gòu)成；第二套由主變高壓側(cè)CT和主變低壓側(cè)CT構(gòu)成。但在現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)及配置情況下保護(hù)廠家提出由于廠變高壓側(cè)發(fā)生兩相金屬性故障時(shí)，廠變高壓側(cè)50/5的CT會(huì)嚴(yán)重飽和，導(dǎo)致主變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)且由于變壓器差動(dòng)各側(cè)平衡系數(shù)太小，會(huì)導(dǎo)致主變差流計(jì)算精度不夠，保護(hù)裝置滿足不了要求，鑒于上述情況，考慮到本站10.5 kV側(cè)為共箱封閉母線，出現(xiàn)短路接地幾率很小，因此也可不把10.5 kV母線包含在差動(dòng)的范圍，采取將第一套主變差動(dòng)保護(hù)范圍變更為由主變高壓側(cè)CT和主變自身低壓側(cè)CT構(gòu)成的方案，根據(jù)《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》GB-14285中第4.8.3條規(guī)定，10.5 kV母線保護(hù)可由發(fā)電機(jī)和變壓器后備保護(hù)實(shí)現(xiàn)。

3.4 廠用變壓器保護(hù)

廠用變壓器采用了過(guò)電流保護(hù)、零序過(guò)電流保護(hù)。

整個(gè)電站全部采用微機(jī)型保護(hù)裝置，保護(hù)方案的選定和配置主要依據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》、《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范內(nèi)容要求設(shè)計(jì)，保護(hù)裝置可直接作用于解列、停機(jī)、滅磁并將信號(hào)送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及中央音響信號(hào)系統(tǒng)。

4 二次控保屏接地

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》要求，蓋下壩水電站在中控室的屏柜下，按屏柜布置的方向敷設(shè)100 mm2的專用銅排，將該專用銅排首末端連接，形成保護(hù)室內(nèi)的等電位接地網(wǎng)。保護(hù)室內(nèi)的等電位接地網(wǎng)與廠內(nèi)的主接地網(wǎng)只能存在唯一連接點(diǎn)，連接點(diǎn)位置選擇在電纜豎井處。為保證連接可靠，連接線用4根截面為50 mm2的銅纜構(gòu)成共點(diǎn)接地；保護(hù)屏及控制屏的接地，應(yīng)用截面為50 mm2的銅纜將屏內(nèi)接地銅排與等電位接地網(wǎng)相連。對(duì)于開(kāi)關(guān)站端子箱的接地，應(yīng)使用截面為100 mm2的銅纜將端子箱內(nèi)接地銅排與電纜溝道內(nèi)等電位接地銅排相連，并將電纜溝道內(nèi)銅排用4根截面為 50 mm2的銅纜與主接地網(wǎng)一點(diǎn)接地；通訊室、機(jī)旁及開(kāi)關(guān)站等電位接地銅排用截面為100 mm2的銅排與中控室等電位接地網(wǎng)可靠連接，連接點(diǎn)設(shè)在中控室等電位接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)連接處。綜上所述，接地網(wǎng)增加了機(jī)組繼電保護(hù)裝置和其它保護(hù)裝置的抗電磁干擾的能力。

5 勵(lì)磁系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)采用自并激可控硅三相全控整流靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。額定勵(lì)磁電壓286 V；額定勵(lì)磁電流726 A；空載勵(lì)磁電壓100 V；空載勵(lì)磁電流371 A。勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)磁電源變壓器，可控硅整流裝置、滅磁裝置、起勵(lì)裝置，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器組成，機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用數(shù)字式微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。

6 控制電源系統(tǒng)

系統(tǒng)包括直流控制電源系統(tǒng)和交流控制電源系統(tǒng)兩部分。直流控制電源由蓄電池組及相應(yīng)的充電設(shè)備組成；交流控制電源由廠用交流電源和逆變電源組成。

6.1 直流系統(tǒng)

直流系統(tǒng)采用220 V一個(gè)電壓等級(jí)。主要負(fù)擔(dān)廠內(nèi)各種繼電保護(hù)、自動(dòng)控制以及開(kāi)關(guān)操作的操作電源，此外還作為機(jī)組直流起勵(lì)電源及逆變電源裝置的電源。蓄電池組選用兩組鉛酸免維護(hù)電池。蓄電池容量按滿足事故放電1 h計(jì)算，容量為：500 Ah。

直流系統(tǒng)采用微機(jī)控制的高頻開(kāi)關(guān)整流模塊作為直流系統(tǒng)的整流裝置。主要由交流配電單元、充電模塊、監(jiān)控模塊、配電監(jiān)控、降壓?jiǎn)卧⒅绷黟侂妴卧òê祥l回路、控制回路）、絕緣監(jiān)測(cè)等幾大部分。

6.2 交流系統(tǒng)

中控設(shè)逆變電源及交流負(fù)荷屏共2面（其中交流負(fù)荷屏共1面），內(nèi)設(shè)有能連續(xù)工作無(wú)時(shí)限切換的在線式逆變電源裝置1套，輸入：0.4 kV；輸出：AC220V±10%；輸出容量：10 kVA。

機(jī)組交流電源由交流操作電源屏供給，分別引到UPS、PLC、勵(lì)磁、調(diào)速器、自動(dòng)化元件、非電量變送器、測(cè)量表計(jì)屏及各需要交流電源的地方。

7 同期

每臺(tái)機(jī)組的發(fā)電機(jī)出口斷路器都設(shè)為同期點(diǎn)，每臺(tái)機(jī)組現(xiàn)地控制單元（1 LCU——3LCU）都配有1套數(shù)字式自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置和手動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置在機(jī)組同期并網(wǎng)過(guò)程中，自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組的頻率和電壓，滿足同步條件時(shí)，自動(dòng)發(fā)出合閘脈沖。當(dāng)手動(dòng)同期時(shí)，通過(guò)同期表(由電壓差、頻率差和同步指示三部分組成)及調(diào)節(jié)頻率和電壓的控制開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組手動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)。

220 kV線路斷路器和主變壓器高壓側(cè)斷路器為同期點(diǎn)（同期點(diǎn)為3點(diǎn)）。220 kV斷路器共用一套自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置和手動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。在公用LCU控制屏上，實(shí)現(xiàn)主變、線路自動(dòng)準(zhǔn)同期及手動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)。

8 全廠信號(hào)系統(tǒng)

各安裝單元的狀態(tài)信號(hào)及報(bào)警信號(hào)均通過(guò)PLC送入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),由計(jì)算機(jī)處理后,進(jìn)行顯示、報(bào)警、打印、遠(yuǎn)傳等。全廠設(shè)中央音響信號(hào)系統(tǒng)，事故、故障信號(hào)可由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)方復(fù)歸或現(xiàn)地手動(dòng)復(fù)歸。

[1]黎建宇.水電站或變電站二次部分設(shè)計(jì).東方企業(yè)文化[J].2011（7）.

[2]柯賢安.淺析中小型水電站的電氣二次設(shè)計(jì)[J].陜西水力，2011（4）.

[3]天津大學(xué)，賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].北京：中國(guó)電力出版社.1994.

[4]DL/T5065-2009，水力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]GB/T 14285-2006，繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)則[S].