水電站直流系統(tǒng)改造及運行穩(wěn)定性分析

五凌電力有限公司株溪口水電站 謝澍宇 錢 程 劉 禹

1 電廠概況

株溪口電站位于湖南省安化縣境內(nèi)，電站裝機容量4×18.5MW，于2008年5月首臺機并網(wǎng)發(fā)電。電站直流系統(tǒng)在正常運行方式下，為電站監(jiān)控系統(tǒng)、控制信號、繼電保護裝置、安全自動裝置、斷路器操作回路、輔機控制回路等提供穩(wěn)定持續(xù)的直流電源。在異常情況下，如全廠失壓，直流系統(tǒng)蓄電池供電維持直流電源。在遭遇電網(wǎng)故障引起全廠失壓的情況下，保證繼電保護裝置可靠動作，監(jiān)控上位機執(zhí)行指令，機組GCB可靠斷開，保證機組在事故情況下緊急停機，限制事故的發(fā)展和擴大。

原直流系統(tǒng)為“兩充兩饋”結(jié)構(gòu)，分2段運行，由1號整流屏、1號饋電屏、直流聯(lián)絡(luò)屏、2號整流屏、2號聯(lián)絡(luò)屏、事故照明屏組成。正常運行為分段運行，故障或檢修情況下可由其中1段帶2段負(fù)荷運行，自2008年投運至今，存在設(shè)備老化的情況，“兩充兩饋”結(jié)構(gòu)仍有其局限，電站直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行仍有一定的隱患。過分析原直流系統(tǒng)存在如下問題：

直流系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測裝置不滿足國家能源局頒布的新版二十五項反措第22.2.3.23.2條要求，絕緣在線監(jiān)測裝置無交流竄直流檢測功能。交流為接地系統(tǒng)，如竄入直流系統(tǒng)未及時發(fā)現(xiàn)，可能導(dǎo)致繼電保護裝置中繼電器的失靈、誤動、拒動，甚至造成直流控制的一次設(shè)備誤動、拒動，危害電站設(shè)備設(shè)施安全穩(wěn)定運行；國家電力行業(yè)二十五項反措對直流系統(tǒng)要求，發(fā)電站站端直流系統(tǒng)應(yīng)具備2充1備的條件。目前電站只有兩套充電裝置，缺少備用充電裝置。

直流系統(tǒng)2組蓄電池電壓、內(nèi)阻在線監(jiān)測裝置無電，現(xiàn)有直流監(jiān)控系統(tǒng)無法監(jiān)視蓄電池的運行情況，上位機經(jīng)常誤報蓄電池電壓低等問題，影響運行人員的監(jiān)盤，存在較大的不安全隱患；設(shè)備使用壽命已到年限。運行十年的直流系統(tǒng)經(jīng)常誤發(fā)告警信號、且無法查看報警記錄、只能按消音按鈕，無法給維護人員提供準(zhǔn)確的故障信息，導(dǎo)致很難查找故障原因，存在安全隱患。

高頻開關(guān)整流器散熱風(fēng)扇易燒壞、使整流柜溫度升高，導(dǎo)致電站直流電源不穩(wěn)無法保證安全自動裝置的供電可靠性能；直流系統(tǒng)監(jiān)控裝置時間未同步GPS時鐘，且觸摸屏無法進行時間設(shè)置，與上位機時間差距較大，導(dǎo)致故障查找不便；現(xiàn)在直流220V系統(tǒng)測控裝置觸摸屏老化不靈敏，導(dǎo)致參數(shù)不能設(shè)置、觸摸屏上信息無法查看。

2 新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置及相關(guān)參數(shù)

2.1 改造內(nèi)容

更換2個直流系統(tǒng)整流充電屏內(nèi)所有設(shè)備，包括高頻開關(guān)整流器、微機直流監(jiān)控裝置及其相關(guān)設(shè)備；更換2臺母線正、負(fù)極絕緣監(jiān)控裝置，以及2個饋電屏內(nèi)所有負(fù)荷測量CT電流互感器，并接入絕緣在線監(jiān)控裝置；增加蓄電池在線監(jiān)測裝置，能夠?qū)崟r監(jiān)視208個蓄電池的運行電壓、內(nèi)阻情況，集中顯示、并與監(jiān)控系統(tǒng)保持正常通訊；增加1套備用充電整流屏柜，具備2充1備的條件。現(xiàn)有兩組蓄電池和整流充電屏分別接在同一段直流母線上，第三套充電裝置（備用充電裝置〉可在直流系統(tǒng)兩段母線之間進行切換，當(dāng)任一直流母線上的工作充電裝置發(fā)生故障退運，可將故障充電裝置隔離，倒換直流系統(tǒng)運行方式使用備用充電裝置。

更換直流系統(tǒng)全部電壓表、電流表、直流斷路器等，采用高精度浮充電流顯示裝置；拆、裝2個整流屏，對改造后的所有設(shè)備進行整體調(diào)試，對直流系統(tǒng)Ⅰ段、Ⅱ段蓄電池進行一次充放電試驗；更換兩段直流蓄電池至中控室饋電屏柜的正負(fù)極25mm2的電纜，并作好紅、藍色標(biāo)；直流系統(tǒng)與上位機監(jiān)控系統(tǒng)建立通訊，除硬回路報警節(jié)點接入監(jiān)控系統(tǒng)公用開關(guān)站外，還應(yīng)保持串口通訊，項目整體驗收。

2.2 改造后設(shè)備參數(shù)

2.2.1 高頻開關(guān)整流器

直流控制和保護電源為220V直流系統(tǒng)。分段直流母線各配置一套充電裝置，充電裝置使用高頻開關(guān)的充電模塊和N+1備份工作方式。高頻關(guān)整開流器技術(shù)參數(shù)如下：裝置輸入三相四線380V±15%，50±2Hz交流電源；輸出電壓調(diào)節(jié)范圍：180~320V DC連續(xù)可調(diào)；直流輸出額定電壓220V；額定容量20A；控制母線額定電壓230V；電流調(diào)節(jié)范圍0~100%Ie；均衡充電電壓DC245V；穩(wěn)壓精度≤±0.3%；穩(wěn)流精度≤±0.3%；輸出電壓紋波系數(shù)≤±0.1%；均流不平衡度≤±0.5%；功率因數(shù)≥0.95；效率≥0.94；噪聲50dB；輸入過壓保護值485±10VAC；輸入欠壓保護值300±5VAC；輸出過壓保護值：受控模式265V±5V，自主模式295±5V；限流值設(shè)定范圍1~20A；最大輸入功率6kVA。

具備穩(wěn)壓限流運行功能：自動整流模塊能以設(shè)定的電壓值或限流值長期對電池組充電帶負(fù)載運行。當(dāng)輸出電流大于限流值時模塊進入穩(wěn)流運行狀態(tài)，輸出電流小于限流值時應(yīng)自動進入穩(wěn)壓運行狀態(tài)。

2.2.2 微機直流測控裝置

具有遙測、遙信、遙控、遙調(diào)及對蓄電池的智能化管理等功能，滿足電力系統(tǒng)無人或少人值守的要求。具有浮充電方式、持續(xù)運行和交流電源突然中斷的控制程序；對充電模塊、充電柜、饋電柜、電池巡檢儀、絕緣檢測儀等實施數(shù)據(jù)采集并顯示，按其設(shè)置數(shù)據(jù)進行報警、歷史數(shù)據(jù)管理，并能對處理結(jié)果加以分析判斷，實行電池管理、輸出控制和故障信息匯報監(jiān)控系統(tǒng)?？蓪Ω鲄?shù)進行設(shè)定、修改，能實現(xiàn)與后臺機通訊；通過RS485實現(xiàn)通訊功能，將各充電模塊監(jiān)控、充電柜、饋電柜監(jiān)控、電池巡檢儀、絕緣監(jiān)測聯(lián)為一體，提供接口與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)通訊。通過對不同監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出數(shù)據(jù)采集或控制命令，獲取參數(shù)，實施控制。

電池巡檢信息子菜單顯示單節(jié)最高、最低電壓等實時數(shù)據(jù)；電池溫度采用溫度探頭（環(huán)境監(jiān)測溫度探頭除外），系統(tǒng)顯示溫度。當(dāng)系統(tǒng)沒有連接電池溫度探頭時顯示電池溫度參數(shù)；電池單節(jié)電壓告警功能，需顯示當(dāng)前該電池組各節(jié)電池的電壓，每一行各節(jié)電池的編號從左到右加1步進遞增。當(dāng)系統(tǒng)存在單體過壓、欠壓或故障告警時，對應(yīng)該節(jié)告警電池的電壓參數(shù)顯示變?yōu)榧t色；電池單節(jié)內(nèi)阻顯示各節(jié)電池的內(nèi)阻，每一行各節(jié)電池的編號從左到右加1步進遞增。綜合比對后產(chǎn)生的落后內(nèi)阻參數(shù)將以紅色顯示；具備IRIG-B碼對時或者分脈沖對時功能。

2.2.3 微機直流絕緣監(jiān)測裝置

通過監(jiān)測母線對地的漏電流，在線監(jiān)測直流母線和各分支路絕緣情況；全中文的屏幕液晶顯示器（約8寸），正、負(fù)母線的電壓，接地電阻、準(zhǔn)確定位接地回路和接地極性?？筛鶕?jù)需要設(shè)置母線電壓越限值和母線對地電阻的門限值；供電電壓180~270V DC，電壓測量精度≤1%，接地電阻測量精度≤10%，功率≤20W；對整個直流系統(tǒng)采用分散測量，集中管理的集散模式；監(jiān)測絕緣信息應(yīng)滿足無須向直流系統(tǒng)中注入任何信號，對直流系統(tǒng)無不良影響。能避免直流系統(tǒng)的對地電容所產(chǎn)生的不良影響。所使用的智能互感器能夠抗剩磁影響，可以長期可靠運行。所使用的智能開口CT互感器與裝置之間進行數(shù)字化通訊，系統(tǒng)抗干擾能力強。

實時采集并顯示兩段母線、蓄電池出口線路的電壓電流信息和絕緣水平，出現(xiàn)異常能夠立即告警。電壓告警門限和絕緣告警門限值可自由設(shè)定，靈活可靠。能夠存儲大量的告警記錄信息和事件記錄信息，便于對系統(tǒng)故障原因進行排查；直流充電系統(tǒng)應(yīng)用采用模塊化結(jié)構(gòu)的思路，每部分承擔(dān)單獨的工作，互為備用，不影響其它部分的工作，提高系統(tǒng)的可靠性，同時也使得系統(tǒng)更便于維護管理；開關(guān)輸入單元集成電路安裝布置在內(nèi)部，使用24V直流電源驅(qū)動。能夠迅速、及時、穩(wěn)定、可靠處理故障事件，增強了系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性能性并且方便系統(tǒng)維護和檢修。

新型人機交互界面，以及大屏幕點陣式的液晶顯示器，能滿足全漢字顯示，具有分辨率高、窗口式界面化等特點，且界面簡潔美觀，便于操作和維護；裝置需提供RS-232、RS-485多種通訊方式與上位機進行通訊，用戶可根據(jù)需要選擇任何一種通訊方式與后臺通訊，大大方便了設(shè)備的維護管理；在某些負(fù)荷回路出現(xiàn)絕緣降低(絕緣電阻值未達到設(shè)定的告警閾值時)，但此時直流母線由于多條負(fù)荷回路并聯(lián)而導(dǎo)致絕緣告警，絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的顯示絕緣降低回路的正負(fù)母線對地電壓電流和絕緣水平情況，便于及時找到故障、消除隱患，方便人員處理。

在出現(xiàn)正負(fù)母線和支路平衡接地時，應(yīng)能準(zhǔn)確監(jiān)測到接地支路的絕緣電阻?？杀O(jiān)測正負(fù)母線絕緣等值下降及多條支路同時發(fā)生一點接地或平衡接地故障；具備交流竄入檢測功能。能夠查找到寄生支路及兩段母線的互聯(lián)故障；能夠檢測母線對地電容。具有母線調(diào)平功能，能夠多機并聯(lián)運行，能夠監(jiān)測饋線開關(guān)的狀態(tài)，具有自檢功能，具有兩級報警功能，具有GPS校時功能、B碼校時功能。

3 改造后運行情況分析

株溪口電站目前更新后直流系統(tǒng)在3月10號投入運行。裝置技術(shù)指標(biāo)合理，各項參數(shù)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)和電能技術(shù)監(jiān)督的相關(guān)要求，從一段時間的運行情況來看，改造后直流系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作簡便、自動化水平高、日常維護工作減少、直流系統(tǒng)的保護功能齊全，反映故障靈敏、裝置動作可靠。

運行可靠性：直流系統(tǒng)將原來的WJY－3000A型絕緣監(jiān)測裝置更換為具有交流竄入檢測功能的絕緣監(jiān)測裝置。經(jīng)試驗，當(dāng)直流絕緣在線監(jiān)測裝置交流竄直流檢測功能，能正確預(yù)警，對排除安全隱患起了很大的作用；更換了2個直流系統(tǒng)整流充電屏內(nèi)所有設(shè)備，新增3號整流充電屏，“兩充一備”結(jié)構(gòu)，當(dāng)主用整流充電屏出現(xiàn)故障時，3號整流充電屏可替代故障整流充電屏繼續(xù)工作；新增蓄電池在線監(jiān)測裝置，間隔15分鐘巡視一圈蓄電池運行電壓、內(nèi)阻，可通過觸摸屏查看各個蓄電池的電壓、內(nèi)阻。

結(jié)論：改造后的直流系統(tǒng)性能穩(wěn)定，自動化水平高，安全可靠靈敏，為提升株溪口電站的安全生產(chǎn)工作和可靠性提供了有力的支撐，保障了機組、主變、線路等控制保護裝置和設(shè)備設(shè)施的可靠安全穩(wěn)定運行。