瀑布沟水电站电气二次系统总体设计介绍

周业荣，严映峰，宋 柯，刘立春，王蓓蓓

（国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川汉源 625304）

瀑布沟水电站电气二次系统总体设计介绍

周业荣，严映峰，宋 柯，刘立春，王蓓蓓

（国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川汉源 625304）

为了确保电站主要机电设备安全稳定运行，设计中对电气二次系统主要包括监控系统、继电保护系统、励磁系统、调速系统、220 V直流系统、接入系统、微机五防系统、火灾自动报警系统、门禁及安防系统、工业电视系统、主设备状态监测系统中的主要技术问题和技术方案进行了认真的比选和研究。着重介绍瀑布沟水电站二次系统的设计目标、原则以及各子系统相关技术问题。

瀑布沟水电站；二次系统；目标及原则；主要技术问题

0 概述

瀑布沟水电站装有6台600 MW水轮发电机组。发电机和变压器采用单元接线，设置了发电机出口断路器。500 kV开关站设置了2条母线，开关布置为4/3方式，共有4串4/3接线的支路。整个系统通过4条500 kV线路至眉山东坡变电站。针对瀑布沟水电站机组台数多、单机容量大以及相应辅助系统设备比较复杂的特点，为了确保电站主要机电设备安全稳定运行，设计中对电气二次系统主要包括监控系统、继电保护系统、励磁系统、调速系统、220 V直流系统、接入系统、微机五防系统、火灾自动报警系统、门禁及安防系统、工业电视系统、主设备状态监测系统中的主要技术问题和技术方案进行了认真的比选和研究，下面主要介绍电气二次系统的设计目标、原则以及各子系统相关技术问题。

1 设计目标和原则

1.1 设计目标

基于瀑布沟水电站的重要性，在电气二次系统设计时对其方案选择、设备选型等方面提出了如下目标：

（1）所采用的技术应为当今水电站较为成熟的技术，且在今后较长时间内不需要更新换代；

（2）为提高电站运行的可靠性和安全性，各子系统尽量选用数字式设备，便于系统设备运行、操作的智能化管理和监视；

（3）从保证电站安全稳定运行、改善运维人员的工作环境和减轻劳动强度出发，充分利用当今计算机技术和通信技术，尽可能实现各子系统的互联，提高电站综合自动化水平；

（4）实现大渡河流域成都集控中心对本电站的远方监视和控制，使电站达到“无人值班”（少人值守）的自动化水平，提高电站的社会效益和经济效益。

1.2 设计原则

由于瀑布沟水电站机电设备复杂，国内外供货厂家众多，因此，电站整个二次系统的设计原则考虑如下：

（1）对故障后可能危及机组和电力系统安全的硬件，应按冗余方式进行配置，以确保电站安全稳定运行；

（2）对电站主设备事故或故障时的控制和保护系统信息，其作用对象将主要从保证电站主设备自身安全出发，同时也兼顾系统运行安全的需要进行考虑；

（3）对直接关系到主设备运行安全的信息，应确保其接口的可靠性，除可从通信接口取得外，还应保留I/O硬接线连接方式，如继电保护故障动作信号、机械故障信号以及主设备的控制及调节命令等；

（4）对与电站主设备控制和操作无直接关系的辅助系统，不考虑与现地控制单元直接互联。如通风空调控制系统、微机五防系统、火灾自动报警系统、工业电视系统、主设备状态监测系统等，将直接与厂站层厂内通信服务器互联，以确保电站主设备运行的安全性和可靠性。

2 二次系统介绍

2.1 监控系统

整个电站监控系统的I/O量（包括其它数据通讯信号）约为39 000点左右。为了提高系统的实时性和可靠性，主要解决监控系统的网络结构型式、现地控制单元配置以及内外信息接口方式等问题。

（1）网络结构。瀑布沟水电站监控系统由厂站层（上位机）和现地LCU层（下位机）组成，如图1所示。采用全开放的分布式星型网络结构，其主要设备和网络均采用双机双网冗余配置，以构成高可靠的开放式冗余高速网络型实时闭环过程控制系统。

图1 瀑布沟水电站监控系统配置

瀑布沟水电站监控系统采用功能分布和数据库分布方式，全厂数据库和历史数据库分布在厂站层计算机中，各单元数据库分布在各个现地控制单元LCU中，系统各功能分布在系统的各个节点上，每个节点严格执行指定的任务并通过系统网络与其它节点进行通讯。整个系统采用无主结构，操作员工作站中与监控有关的实时信息全部直接来自LCU，即使数据库服务器全部故障，也不影响电站设备的监视和控制。

（2）现地LCU层结构。LCU实现对各生产对象的监控，各LCU的CPU完成各LCU的管理，并带有其监控范围内的完整的数据库，实现全开放的分布式系统的分布式数据库。LCU直接上网，与上级调度计算机的通信可以不通过主控级设备直接传送信息。各现地控制单元具备较强的独立运行能力，在脱离厂站级的状态下能够完成其监控范围内设备的实时数据采集处理、设定值修改、设备工况调节转换、事故处理等任务。

现地控制单元层采用按单元分布的原则，瀑布沟水电站监控系统LCU按被控对象设置，分别为每台机组、地下副厂房厂用和公用设备、安装间厂用和公用设备、500kV开关站、地面副厂房厂用和公用设备、进水口闸门、大坝闸门、尼日河首部闸门各设一个LCU，共13个LCU单元。

（3）信息接口方式。对信息量较大的地方，尽量采用现场总线和远程I/O模块进行采集，并将远程I/O设备放置在现地设备附近，如500 kV GIS开关站、大坝闸门等系统；对继电保护、励磁以及调速等系统的重要信息除采用硬接线方式外，还采用了现场总线方式；对与电站主设备运行无直接关联的辅助系统信息，除需直接跳闸停机的信号外，一般不直接与LCU进行互联，而是与厂站层的厂内通信服务器进行通信，如工业电视系统、消防监控系统、微机五防系统、通风空调系统、主设备状态监测系统等，以减少电缆接线，增加系统可靠性。

2.2 继电保护系统

（1）电站继电保护系统具体配置，各设备电气量保护详见表1所示，非电量保护配置详见表2所示。

表1 瀑布沟水电站设备电气量保护配置表

（2）差动保护用电流互感器型号选择。发电机、主变、电抗器、线路差动保护均采用TPY级电流互感器。TPY级互感器铁心带有气隙，因而磁阻较大，增长了互感器到达饱和的时间，不易饱和，即有更长的时间可保持线性转换传变关系，使暂态特性大大改善。互感器时间常数减少，铁心面积可减少；剩磁减少也有利于暂态特性的改善，因而TPY级可在准确限值条件下保证全电流的最大峰值瞬时误差ε=10%。因此，TPY级互感器具有较好的暂态特性和限制剩磁的作用，以保证保护区外不误动、保护区内正确动作。并且，符合《DLT866-2004电流互感器和电压互感器选择及计算导则》选型要求。

表2 瀑布沟水电站设备非电量保护配置表

2.3 励磁系统

瀑布沟发电机采用自并励静止励磁系统。励磁功率柜配置为n-1冗余模式。当其中任意一组整流桥故障时，其余三组仍能满足各种运行工况的要求，当两组整流桥故障时，限制强励。

调节控制是由高速可编程控制器完成的，为提高可靠性采用双通道系统并联运行，双通道数据采集相对独立。正常运行时，励磁调节采用自动电压调节方式AVR，手动调节励磁电流FCR方式用于调试和试验，一般情况下手动通道自动跟踪自动通道，可实现无扰动切换。

为了保证设备安全稳定运行，励磁系统具备以下功能：V／F限制、过励限制（最大励磁电流限制、过励侧定子电流限制）、欠励限制（P／Q限制、欠励侧定子电流限制、最小励磁电流限制）。并且，为改善系统阻尼特性，还设有PSS电力系统稳定器功能。

为了达到更好的灭磁效果，作了以下两方面重点考虑：

（1）灭磁开关。依据瀑布沟水电站发电机励磁系统参数，分别对额定空载灭磁、额定负载灭磁、正常强励跳闸灭磁、空载误强励灭磁、负载误强励灭磁以及机端三相短路灭磁等情况进行分析计算，瀑布沟机组选用的DC灭磁开关为瑞士SECHERON公司的直流接触器，其直流灭磁开关在额定最大电压下的最大分断能力为75 kA，可满足各种工况要求。除直流侧设置灭磁开关外，未在交流侧设置断路器。

（2）灭磁电阻。瀑布沟水电站选用碳化硅（SiC）非线性电阻主要基于以下考虑：1）单片阀片使用能容大，并联支路少，体积小，易于安装。2）由于其较软的伏安特性，无需苛刻的支路并联条件。3）其失效模式为开路，不必串联熔断器，无爆炸危险。4）维护工作量小，可减轻维护和检修人员的劳动强度。

2.4 调速系统

瀑布沟水电站调速系统具有开度、功率、频率三种模式。并有开停机和紧急停机控制、快速同步、导叶开度限制、适应式变参数、在线自诊断及处理等功能。具备投入一次调频功能，当电网频率波动时，自动参与一次调频，并且满足《华中电网发电机组一次调频技术管理规定（试行）》（华中电监市场[2006]32号）的技术要求。具备AGC功能，满足电网调整要求。

微机调速器采用双ABB调节器冗余容错系统加电手动操作系统。冗余系统中的每一个通道，即从输入至输出以及电源，均应采用相同配置，且为相互完全独立，在运行过程中，即使将其中一个通道退出也不会影响调速系统的正常工作，且退出的通道能进行停电检修。各调节器与各电液转换单元之间是交叉冗余控制。传感器信号包括导叶位置、转速、功率、水头等信号均交叉冗余送入调节器。

2.5 220 V直流系统

从设备检修维护角度考虑，直流设备不宜过多；同时，考虑如果直流设备太少，将会增设较长电缆，增大对地电容，扩大拉合电源时的干扰范围，综合考虑以上原因，全厂共布置五套220 V直流系统，分别为1～3号机组直流系统、4～6号机组直流系统、地下副厂房直流系统、地面副厂房直流系统、进水口直流系统。并且，各设备按就近原则布置。

每套充电装置均设置有微机监控装置，能根据蓄电池的特性曲线和环境温度变化自动实现蓄电池的均衡（衡流/衡压）充电、浮充电、直流母线电压调整（自动均压功能）、蓄电池的活化等功能。

2.6 接入系统

根据国家和四川省电力公司调度运行管理的要求，瀑布沟水电站分别建立和实施电能量采集及发电计划申报系统、继电保护信息管理系统子站、电力调度自动化等接入系统。

发电计划申报当地系统通过拨号连接省调发电计划申报系统建立网络连接，发电计划申报人员使用发电计划申报系统软件，生成发电计划申报数据文件，通过远程网络连接，上报发电计划申报数据和从省调获取计划电量数据和成交电量、电价数据，完成交易，以及获取电力市场其它信息。

继电保护信息管理系统子站负责自动采集500 kV线路、500 kV线路小区、500 kV断路器、500 kV母线、500 kV电抗器、500 kV电缆、500 kV主变压器保护装置及500 kV开关站故障录波装置的运行信息。并将运行信息进行统一接入和集中管理，将集中采集的数据，按运行部门的要求分别进行处理，形成统一有序的数据格式，然后按省调要求将500kV系统保护、开关站故障录波装置的信息通过通信通道送到省调主站系统。

为确保电网的安全稳定运行，瀑布沟水电站接受四川省电力公司调度中心和华中电网调度中心的统一调度，并根据省调和华中网调的要求向上级组织反映电站运行情况的各种实时数据，以供上级调度部门对电站实现远方监控。通过两台专用通信工作站与省调和华中网调进行通信，将本站远动信息直接送到省调和华中网调的主站，即直采直送方式，省调对瀑布沟水电站的控制和调节命令也通过该远动通信工作站直接发到各现地控制单元LCU，由现地控制单元完成其控制任务。

2.7 微机五防系统

为实现部颁五防要求：防止误拉合断路器；防止误入带电间隔；防止带负荷拉隔离开关；防止带电挂地线或合接地刀闸；防止带地线（接地刀闸）合隔离开关。瀑布沟水电站在断路器、隔离开关、接地开关、快速接地开关操作机构及接地线、设备柜门等一次设备加装锁具，对现地手动操作实施强制闭锁，只有在微机五防系统中模拟通过后以正确顺序进行的操作方可解锁操作，从而达到五防的目的。

通过建立无线网络区实现电脑钥匙与主系统信息及时、可靠交互，电脑钥匙实时地把每一步操作信息上传给防误主机，防误主机通过与计算机监控系统通信的方式获取一次设备的实时状态，同时在主界面上显示每一步操作任务的执行情况，方便监控人员实时监视。

2.8 火灾自动报警系统

考虑到电站厂房结构复杂，电气设备多，消防设备的种类多，监控点分布广，信息量大，电站的火灾自动报警系统采用总线式系统结构，分别在地面副厂房的中控室内和地下副厂房的二次盘室内各设置一台火灾报警控制器，并在地面副厂房的中控室内设置消防计算机监控终端，在电站的地下主厂房、地下副厂房、主变室、GIS楼、地面副厂房、溢洪道、进水口、尼日河首部等，分别设置相应类型和数量的火灾探测器。系统采用两总线制，所有的探测器、监视模块、控制模块等设备，分别就近连接到消防配线箱（模块箱），各配线箱通过总线电缆、光纤或通过MSTP设备与设置在地面电站中央控制室内的火灾报警控制器或地下二次盘室内的火灾报警控制器相连。

根据《火灾自动报警系统设计规范》的有关规定，消防监控系统采用独立的网络，不允许与其它系统混合使用同一网络，且消防监控系统使用专用的功能软件，进行数据采集、参数分析、实时报警、联动控制等任务，因此在设计上，采用独立的网络布线。

设置在各个部位的火灾探测器，在检测到火情时，自动向火灾报警控制器报警，报警控制器在接收到报警后，通过信息处理，在报警控制器上以数码和液晶显示方式，显示出火灾的部位，并通过接口，在消防计算机监控终端的CRT上自动显示出火灾的部位编号及该层的平面布置图，提示出火灾的处理措施；所有火灾事故的报警信号都能在控制室内发出声光报警信号，并能在工业电视系统上调出相应部位的视频图像，以确认火情。同时，根据火灾部位的不同，手动或程序自动对相应的灭火设备、防排烟设备、电梯、疏散指示、工业电视等设备进行控制和管理。

2.9 门禁及安防系统

对地下主、副厂房各部位主要电气设备房间、公用系统设备房间、地面副厂房设备房间、GIS楼、岗哨等重要部位加强管理防护力度。并能实现与消防监控及联动控制系统的联动功能，在发生火灾自动报警时，门禁及安防系统主动接收报警信号，并解锁防火通道门，方便人员紧急疏散。

整个系统采用分布式结构。通过每个房间内的门禁读卡器模块、门禁控制器及上位机系统，实时记录门禁读卡信息，并结合工业电视系统，实现对各个人员、车辆出入进行分区域、分时段、分权限管理，具有实时报警、联动控制功能。

2.10 工业电视系统

对地下主、副厂房各部位主要电气设备、公用系统设备、进厂大门、地面副厂房、GIS楼、坝区闸首、尼日河首部等重要部位加强防护力度，及时了解现场情况。能实现与监控系统、消防监控及联动控制系统和门禁及安防系统的联动控制功能，当发生异变或报警时，在不超过2s内将报警信号传送至管理服务器，报警服务启动存储服务器进行录像，且将该信号传送到监控中心，并在监控中心发出声光提示、自动录像等；中心作出反应，可通过网络对报警点的联动控制的设备进行远程报警处理。

瀑布沟水电站工业电视系统的设计和布局主要围绕以下两个问题：

（1）工业电视点的选择：需要传送特定信息的地方，如生产过程中的关键部位，容易或经常发生事故及故障的地方，出于安全保卫需要的地方等。

（2）为了满足瀑布沟水电站工业电视系统既应适用于现地中央控制室显示，又要适用于与瀑布沟枢纽MIS系统、远方调度指挥系统的远程监视和控制的要求。对用于中控室监视图像信号采用模拟传输为主、数字传输为辅；对用于梯调远距离传输或与MIS系统互联图像信息采用全数字信号。

2.11 主设备状态监测系统

瀑布沟水电站主设备状态监测系统采用PSTA2003系统平台，每台机组配备一套状态监测子系统，通过对水力机组的振动、摆度、压力脉动、定转子气隙、磁场强度、定子线棒振动、主变油中气体浓度等物理量的在线监测，同时联合监控系统的监测信息，利用各种分析、诊断策略和算法，针对瀑布沟水电站的六台机组及主变，建立功能全面、实用性强的跟踪分析系统，提供监测、报警、状态分析、故障诊断等一系列工具和手段，实时掌握机组及主变健康状态，为安全运行，优化调度和检修指导提供有力的技术支持，为状态检修提供辅助决策并实现与其它系统的信息共享。状态监测系统由上、下位机两部分组成。为保证各个网段之间的连通性以及支持Internet，通讯协议使用TCP/IP。

3 结语

目前，瀑布沟水电站6台机组中的4台已经投产运行，从整体运行情况来看，瀑布沟水电站整个二次系统运行良好，设计达到了预期的目标，实现了电站监控系统、继电保护系统、励磁系统、调速系统、220 V直流系统、接入系统、微机五防系统、火灾自动报警系统、门禁及安防系统、工业电视系统、主设备状态监测系统的有机结合和协调运行。作为一个单机容量大、机电设备复杂、国内外供货厂商多、且在短时间内投运多台机组的大型水电站，整个二次系统的设计是合理的，采用的技术是先进的，选购的设备是经济可靠的。

TM645.2

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1672-5387（2010）06-0028-06

2010-10-08

周业荣（1972-），男，厂长，高级工程师，从事水电厂生产管理工作。