汾河水库水电站改造工程的综合自动化系统设计

张明晶

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 工程现状及存在的问题

汾河水电站为坝后引水式季节性电站，装机容量为2×6 500kW。该电站建成投产运行几十余年来，给当地的国民经济发展、工农业生产提供了可靠的电力能源，产生了较好的社会效益。

目前水库防洪与发电的客观条件良好，但是电站控制、保护、计量等自动化设备陈旧，数据采集通信不畅，与控制系统不配套，维护代价过高，所以机组自动化在运行中，频繁出现故障，效率下降，电能质量下降，无法产生最佳的经济效益和社会效益。

2 综合自动化系统技改方案

针对电站存在的问题，按照安全可靠，技术先进，经济运行的原则对电站进行综合自动化系统改造，系统建成后，将实现集信息采集、传输、优化调度与自动监控于一体的现代化电站管理功能，本系统设计主要由监控系统、微机保护、计量、同期等几个部分组成，电站自动化综合系统结构示意如图1。

2.1 监控系统

电站监控系统应能迅速、准确、有效地完成对电站被控对象的安全监视和控制，系统采用全分布开放式网络控制系统，设主控级计算机兼操作人员工作站和系统服务器，实现双机热备用。

电站设置独立的综合自动化系统，控制级别分为站控级、现地自动手动控制级，现地控制级按被控对象配置机组LCU、公用设备LCU等现地控制单元。现地单元和监控主机之间由以太网连接，现地单元将信号传送到监控主机，并接受其指令，实现集中自动控制。

图1 电站综合自动化系统结构示意图

站控级负责协调和管理各现地控制单元的工作、收集有关信息并作相应处理和存储，设备预留与远方调度计算机实现数据通讯的接口和功能。

2.1.1 监控系统组成

主要包括以下内容：

1）两台监控主机；2）一台操作员工作站；3）二套发电机现地控制单元LCU，包括交流采样装置等；4）一套公用现地控制单元LCU，包括交流采样装置等；5）一套工业级网络设备（包括智能交换机、防火墙等）；6）一套电站公用的GPS系统时钟同步装置；7）一套逆变稳压电源；8）一套语音报警系统装置；9）一台打印机；10）以太网交换；11）通信附件及电缆；12）一套中控室控制台；13）备品备件、专用工具及维修试验设备；14）提供的软件包括：系统软件；支持软件；应用软件。

2.1.2 监控系统监控对象

主要包括以下内容：

1）两台水轮机及其辅助设备；2）两台三相同步发电机及其辅助设备；3）一台主变压器；4）35kV母线；5）6 kV 母线；6）电站公用设备及闸门；7）油系统；8）排水系统；9）气系统；10）电站厂用电系统；11）直流电系统；12）电站水力监测系统

2.1.3 监控系统功能

电站监控主机设在中控室，监控系统通过系统网络总线接口与各测控单元通讯，实现全站数据采集和处理，实时控制和调节，安全运行监视，屏幕显示，事故处理指导和恢复操作指导，实现机组控制操作和辅助设备等的控制；系统可根据运行值班人员的指令说程序设定，参考现地的状况，手动或自动进行控制，亦可下传至现地LCU控制，使全站保持最佳运行工况。另外系统具备数据通信，键盘操作，文件打印，电站设备运行维护管理，系统诊断，软件开发及培训等功能，以达到“无人值班、少人值守”的要求。

2.2 微机保护配置

电站的保护装置采用NED-800系列的微机继电保护装置，与监控系统有通信接口，各保护装置在中控室统一组屏安装。其中：主变压器保护装置三套，组屏一面；35kV PT监测装置一套；两台发电机保护装置各一套，组屏一面，6kV PT监测装置一套，1台站变保护装置，10kV线路监测装置一套。

保护装置的设置根据电气主接线和《继电保护和自动装置设计规程》确定，这里不做叙述。电站机电设备参数：主变压器型号：SF11-20000/35，20000kVA，38.5kV±2×2.5%/6.3kV。 发电机型号：SF7000-16/3300；额定电压 Un=6.3kV；功率因数 COSΦ＝0.8。经过整定后得出保护装置完成预定保护功能所需的动作参数值，达到整定值，保护装置动作。

微机主要保护功能及配置概述如下：

2.2.1 主变压器保护

1）主变压器纵联差动保护

主变设置纵联差动保护装置，保护为比率制动式，应能反映出变压器引出线、套管及内部的短路等故障，能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流，并具有防止误动及CT断线闭锁功能。保护分别瞬时动作于主变高/低压侧断路器跳闸。差动保护整定结果：

差动速断保护电流整定范围：1.00-100.00A（0.8～10In） 整定值18.35A。

差动保护起动电流整定范围：0.10-50.00A（0.3～0.5In） 整定值1.84A。

差动制动电流整定范围：0.10-50.00A（0.8～1.2In） 整定值3.67A。

比例制动系数0.20-0.90 整定值0.50。

二次谐波制动系数：0.10-0.50 整定值0.17。

2）主变压器高压侧复合电压启动的过电流保护

此保护作为主变压器后备保护，应能反应由外部相间短路引起的变压器过电流等故障。保护应带时限动作于主变压器高压侧断路器跳闸。保护的整定：

动作电流整定范围：0.2～20A 整定值7.34A。

负序动作电压整定范围：1～30V 整定值6 V。

相间动作低电压整定范围：1～100V 整定值70V。

动作时间整定范围：0.1～10s 整定值1.5s。

3）主变压器低压侧复合电压启动的过电流保护

此保护作为主变压器后备保护，应能反应由外部相间短路引起的变压器过电流等故障。保护应带时限动作于主变压器低压侧断路器跳闸。保护的整定：

动作电流整定范围：0.2～20A 整定值5.18 A。

负序动作电压整定范围：1～30V 整定值6 V。

相间动作低电压整定范围：1～100V 整定值70V。

动作时间整定范围：0.1～10s整定值1.2s。

另外还要实现主变压器的瓦斯保护，温度保护，油位保护压力释放保护和过负荷保护。两个站用变压器高、低压侧设置速断保护即可。

2.2.2 发电机保护

1）发电机差动保护

此保护为比率制动式，用于反应发电机定子绕组及其引出线上的相间短路，具有CT断线闭锁功能。保护瞬时动作于停机、灭磁、断路器跳闸。

动作电流整定范围：0.05～5A 整定值1.21A。

比例制动系数：0.15～0.4整定值0.2。

2）发电机复合电压过电流保护

此保护作为发电机的后备保护，应能反应发电机内部及其引出线的短路故障。带时限动作于发电机断路器跳闸、灭磁、停机。保护的整定：

动作电流整定范围：0.2～20A 整定值5.347A。

负序动作电压整定范围：1～30V 整定值6.5V。

相间动作低电压整定范围：1～100V 整定值70V。

动作时间整定范围：0.1～10s整定值2s。

3）发电机定子绕组接地保护

90%～95%定子绕组接地保护可由基波零序电压原理构成，为提高保护的灵敏度，零序电压元件输入回路应加装用于消除三次谐波的滤波器。保护带时限动作于信号或动作于停机。保护的整定：

基波零序电压整定范围：1～50V 整定值13V。

动作时间整定范围：0.1～10s整定值0.5s。

4）发电机定子绕组过负荷保护

此保护采用单相式，延时后发出定子绕组过负荷信号。

动作电流整定范围：1～20A 整定值4.68 A。

动作时间整定范围：0.1～10s整定值0.5s。

5）发电机转子一点接地保护

此保护应能反应转子绕组上的任一点接地故障及绝缘电阻的降低，保护的灵敏度不应随转子接地点的变化而改变。保护带延时动作于信号。保护的整定：

转子接地电阻整定范围：0.5kΩ～50kΩ整定值5kΩ。

动作时间整定范围：1～10s整定值3s。

除以上主要保护外还要实现发电机的过电压保护和失磁保护，保护带延时动作于发电机解列、灭磁、失磁故障。

2.2.3 微机PT监测装置

微机PT监测装置设置于母线，能实现过电压保护、低电压保护、接地保护、PT断线报警等功能。

3 计量

电站计量系统采用智能电子式电度表，电度表应满足计算机监控系统的要求，具有脉冲输出及数据输出，并且有分时计费功能及失压记录功能，要能与公用LCU串行通信，系统所有电度表组一面屏安装。计量方式如下：

1）电站计量点设置在变压器高压侧35kV出线侧。计量方式为双向计量。

2）两台发电机出口均设置计量点。计量方式为单向计量。

3）附近10kV电源进线（去站用变压器）计量点。计量方式为单向计量。

4 同期

电站同期点定在两台发电机出口侧，采用微机自动准同期和手动准同期装置，设置同期屏一面。

在发电机工作方式下，对待并入电网的发电机，准同期装置自动调节频率、电压，合闸相位与电网相同，当调整到具备并网条件时，自动合上发电机的同期合闸开关，完成发电机的自动并网，或者用户可以手动按面板的“确认”键或其它“认可”操作进行合闸。手动同期装置和自动准同期装置应是互相独立、互不干扰的两套装置。

5 结语

电站综合自动化系统的建立，解决了电站原有系统运行方式，设备与控制不配套等问题。新系统可以实现远程运行访问的需要，大大提高了电站水电效益和运行的可靠度。