扭子水电站电气二次结构分析

郭琳

（陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001）

1 工程概况

扭子水电站位于甘南藏族自治州卓尼县城上游约20.1km处的洮河干流上，距兰州市约360km，电站装机三台，单机容量10MW流转桨式水轮发电机组，电站总装机容量30MW，多年平均发电量1.35亿kW·h，年利用小时数4484h。

电站建成后以发电为主。扭子水电站出线电压为110kV，出线一回，送电至拟建的110kV临潭开关站，并入地区电网运行。电站按“无人值班、少人值守”的原则设计，采用计算机监控系统、继电保护系统、励磁系统、控制电源系统、厂内生产调度管理通信系统及火灾报警系统等。

2 计算机监控系统

2.1 计算机监控系统设计原则及主要任务

采用全计算机监控系统的监控方案，仅在现地设置必要的常规监控设备，全电站的监控和控制功能完全由计算机监控系统实现。整个监控系统应有较高的可靠性、实用性、实时性和可扩充性。中央控制室、计算机室布置在副厂房内。其主要任务，完成对电站设备的自动监控和调节，包括：准确、及时地对整个电站设备运行信息进行采集和处理。对电站机组及主要机电设备进行实时监控，保证电站安全运行并实现电站运行与管理自动化。提高电力系统的安全经济运行水平，保证供电电能质量；改善运行人员的工作条件，减少值班人员，提高电站的运行管理水平；为电站逐步实现无人值班（少人值守）创造条件。

2.2 监控系统结构

电站计算机监控系统采用开放式、分层全分布系统结构。整个系统分为电站主控级和现地控制级两层，数据分布管理。主控级采用功能分布结构，现地控制级按监控对象设置现地控制单元。

电站主控级和现地控制单元之间采用以太网总线，网络介质为光纤。各现地控制单元可实现对本控制单元所属的电气设备进行控制和监视。各现地控制单元与所属分散单元均采用实时、可靠的现场控制总线连接，与不带通信口的装置和设备则采用I/0摸件连接，分别采用屏蔽双绞线、同轴电缆或光缆。

2.3 监控系统配置

电站主控制级为电站实时监控中心，负责整个电站设备的控制、管理和对外部系统通信等。电站主控制级配置为：主机、操作员工作站两套，系统采用双机热备的主、备方式，操作员工作站配高分辨率彩显、键盘、鼠标及两台激光打印机；工程师工作站一套，用于系统软件开发，维护和修改，以及运作仿真软件进行人员培训；厂内通讯工作站一套，实现电站管理信息系统、消防系统、状态监测系统，电量计费系统等的通信；远程通讯工作站一套，实现计算机监控系统与调度中心的数据通讯；时钟同步系统，系统采用GPS卫星同步对钟对时；网络设备一套；UPS电源装置一套。

现地控制级是电站生产过程的基础，负责实现电站设备的控制，监视并与电站主控级实时通讯。本电站共设五套现地控制单元（LCU），1#～3#机组各设一套LCU，全厂公用油、气、水系统、厂用电系统设一套LCU，110kV变电站设一套LCU。每套LCU设置必要的人机接口设备，承担现地控制级所属设备的全部监控任务。在脱离电站主控级时，可独立承担本单元的全部监控任务。人机接口采用触摸彩色显示屏。每套机组LCU均配置温度测量模件或装置，微机准同期装置以及转速测量装置等。全厂公用系统、厂用电系统及110kV系统变电站LCU亦应配置电气测量装置，微机准同期装置等。全厂公用设备及机组辅助设备的现地控制系统设备均采用PLC。并与相应的LCU进行通讯接口。接受电站计算机监控系统的监控指令。当与相应的LCU失去联系时，仍可独立完成所属设备的控制及监视任务。

2.4 计算机监控系统功能

电站级监控系统在完成最优发电计算后，根据电站各设备的状况和约束条件，确定各机组负荷分配、开机台数、机组组合和机组间负荷分配，并执行闭环或开环操作。

现地控制单元LCU即作为电站监控系统的现地控制层，向电站级上行发送采集的各种数据和事件信息，接受电站级的下行命令对设备进行监控，又能脱离电站级独立工作。因此在系统总体功能分配上，数据采集和控制操作的主要功能均由LCU完成。其他的功能如电站运行监视、事件报警、与外系统通讯、统计记录等功能则由电站计算机监控系统完成。

主控级负责协调和管理各现地控制单元的工作，记录和计算整个电站的运行信息，并把经过处理的数据存入数据库中。

为实现对各自生产对象的监控，各LCU的CPU完成各自LCU的管理，并实现全开放的分布式系统的数据库和实现LCU直接上网。各现地控制单元具备较强的独立运行能力，在脱离主控级的状态下能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，要求处理速度快、有容错、纠错能力，并带有其监控范围内的完整的数据库。所有LCU均采用交流/直流两回电源供电，任一回路有电时，LCU均能正常工作。LCU均为智能I/O模板。

3 继电保护系统

3.1 继电保护的设计原则

发电机及励磁变压器、主变压器、110kV线路及厂用变保护均采用成熟、可靠的微机保护装置。保护装置内部有完整的自检功能。采取可靠的抗干扰措施，防止大气过电压和电磁波侵入装置内部造成元件损坏和保护误动，确保在电厂强电磁干扰下保护正确工作。保护装置具有同监控系统通讯的接口，便于与机组控制单元通信。

3.2 继电保护配置

（1）发电机保护。选用许继公司WFB-811型微机式成套保护装置，含励磁变保护和ZSZ-811型断路器三相操作箱。每台机设1面屏，布置在机房。具体配置为：发电机纵联差动、90%定子一点接地、定子过电压、定子过负荷、电流记忆的低压过流、发电机失磁、转子一点接地、故障分量负序方向、励磁变电流速断、励磁变过电流等保护。

（2）主变压器保护。选用许继公司的一套WBH-81#型微机变压器电量保护装置（含失灵保护）、一套WBH-815型微机变压器非电量保护装置。每台变压器设1面屏，布置在机房。具体配置为：主变纵联差动、复合电压启动过流、电流闭锁电压启动速断、主变过负荷、主变零序保护、主变重瓦斯保护、主变轻瓦斯保护、主变冷却器故障、主变压力释放、主变温度高、主变油位异常等保护。

（3）10kV近区变、厂用变及隔离变保护。全厂设有三个独立厂用电源，其中从两段发电机10.5kV电压母线上分别经一组断路器引接一台SC(B)10-400的厂用变压器，厂用变高压侧采用真空断路器LZZJB9-10GYW1。此外，将原作为施工电源的自地区引至扭子水电站的一回10kV线路，在发电后改为厂用备用电源，单独设置母线，并通过两个分段开关分别与T21和T22两段厂用电源母线连接。两个分段开关分别加装了备自投，使互为备用。具体配置为：厂用变速断、过流、低压侧零序电流、变压器过负荷、温度、10kV备用厂用变母线绝缘监察装置等。

（4）闭锁保护有电压互感器断线闭锁和电流互感器断线闭锁。

（5）110kV故障录波保护。微机型故障录波装置屏1面。记录系统大扰动如短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等发生后的有关系统电参量的变化过程及继电保护与安全自动装置的动作行为。

4 励磁系统

4.1 基本原则

励磁系统采用励磁系统选用自并励静止可控硅励磁装置。1#～3#号机组的励磁变接于发电机断路器侧。励磁系统共计9面屏，置于机旁。

4.2 系统设计

（1）励磁系统性能参数。额定励磁电压153V；额定励磁电流525.3A；空载励磁电压58.5V；空载励磁电流293.3A。

（2）励磁系统的组成。励磁系统为自并激硅晶闸管整流励磁系统，包括励磁变压器、硅晶闸管功率柜、励磁调节器柜、灭磁开关柜及过电压保护装置柜、控制和继电保护装置等部分。

5 控制电源系统

系统包括直流控制电源系统和交流控制电源系统两部分。直流控制电源由蓄电池组及相应的充电设备组成；交流控制电源由厂用交流电源和UPS组成。

（1）直流控制电源系统。电站设置一套直流控制电源系统，系统配置两组200Ah蓄电池、两套由高频开关电源模块组成的充电/浮充电装置、采用单母线分段接线方式；蓄电池和充电/浮充电装置挂在动力母线上；控制母线经调压装置同动力母线连接。在母线上装设一套微机型直流系统绝缘监测装置，以监视直流系统的绝缘水平。全厂事故厂用电全停时间按1h计算。

（2）交流控制电源系统。本电站设置一组独立的10kVA UPS交流电源装置，装置不配带蓄电池。正常工作时，由交流220V厂用电供电，装置带无触点旁路开关，当UPS整流-逆变单元故障时，应能自动切换至交流旁路电源（经稳压），切换时间应不大于5ms；220V直流电源用作热备用，当交流电源中断时，无时限地切换至直流电源，并进行逆变，以确保交流输出不间断。

6 厂内生产调度管理通信系统

鉴于扭子水电站属于小型水电站，在厂内不设置独立的生产管理和生产调度两套通信系统，厂内选用128门程控调度总机一套。

为使电站运行人员及时掌握扭子水电站各个设备的运行情况，该电站内设置工业电视系统。摄像点安放在运行设备的关键部位，如电站主、副厂房、变电站、闸门、进水口……等30个摄像点，摄像机罩要具有防破坏功能；同时，配备专用防盗系统，以便及时报警。电站工业电视系统可与电站计算机监控系统实现通讯。

7 火灾自动报警系统

采用“控制中心报警”控制方式，集中火灾报警装置及管理微机集成在一面柜子里，安装在中控室。系统选用一台智能化和自动化较高的多功能型集中报警控制器，包括火灾报警探测系统、火警电话系统、火警广播音响系统以及火警联动控制系统。系统以集中报警控制器为中心，以总线方式连接、控制系统内各探测报警器和控制设备。另外，火灾自动报警系统通过串口方式与电站的计算机监控系统进行数据通讯，重要信息可上送电站的计算机监控系统。

8 结语

扭子水电站于2010年2月份发电运行以来，整个系统运行稳定、安全可靠，其自动化水平和继电保护水平与当前国内外发展水平相适应。通过选用完备功能的微机综合自动化系统，以其直观、运行操作简便的工作方式，为提高电站的管理水平奠定基础，同时也成为“无人值班、少人值守”成功运行电站的范例，可为类似水电站二次设计提供借鉴。陕西水利

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