王軍輝
(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001)
扭子水電站[1]位于甘南藏族自治州卓尼縣城上游約20.1 km處的洮河干流上,距蘭州市約360 km,海拔高度2 580 m。工程主要任務(wù)是發(fā)電,為低壩引水式電站,水庫(kù)無(wú)調(diào)節(jié)能力。工程規(guī)模為四等小型工程。樞紐主要建筑物由泄洪沖沙閘、排冰閘、溢流壩、副壩及引水建筑物、發(fā)電廠房及開(kāi)關(guān)站組成。水庫(kù)正常運(yùn)行時(shí)蓄水位2 604.0 m,水頭25.0 m,電站設(shè)計(jì)總的裝機(jī)容量30 MW,引用流量139.68 m3/s,多年的平均發(fā)電量1.35×107kW·h,年利用小時(shí)數(shù)為4 524 h,保證出力6.797 MW,多年平均發(fā)電量1.35億kW·h。廠房?jī)?nèi)安裝3臺(tái)單機(jī)容量為10 MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組。電站設(shè)計(jì)遵循“無(wú)人值班”(少人值守)的原則,采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)資料,電站采用110 kV一級(jí)電壓接入系統(tǒng),110 kV出線(xiàn)一回,接入距電站24 km擬建的110 kV臨墰開(kāi)關(guān)站。該綜合自動(dòng)化系統(tǒng)[2]包括電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控、繼電保護(hù)及勵(lì)磁系統(tǒng)等設(shè)備。
扭子水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)本著安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的原則,按“無(wú)人值班或少人值守”的原則設(shè)計(jì)、采用全計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行配置[3]。該系統(tǒng)高度安全可靠,操作簡(jiǎn)單方便,不僅其本身的局部故障不會(huì)影響到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行,而且系統(tǒng)的MTBF、MTTR及各項(xiàng)可用性技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到《水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)要求》的規(guī)定[4]。
系統(tǒng)總線(xiàn)式網(wǎng)絡(luò)采用分層分布開(kāi)放系統(tǒng),在便于功能和硬件的擴(kuò)充的情況下,又能充分保護(hù)用戶(hù)的投資。軟件通過(guò)結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)來(lái)提高了系統(tǒng)的規(guī)模擴(kuò)充性。系統(tǒng)具有先進(jìn)的人機(jī)接口功能,操作便利[5]。系統(tǒng)主要硬件設(shè)備采用進(jìn)口設(shè)備。保證計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)安全可靠的與電站第一臺(tái)機(jī)組同步投入運(yùn)行。中控室內(nèi)上位機(jī)操作員工作站通過(guò)遠(yuǎn)程控制完成電站日常發(fā)電任務(wù)。雙主機(jī)冗余配置,采用熱備用工作方式,供運(yùn)行值班人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控使用?,F(xiàn)地控制單元(LCU)、保護(hù)和勵(lì)磁柜均放在發(fā)電機(jī)層,開(kāi)關(guān)站LCU、公用及廠用LCU、主變保護(hù)及線(xiàn)路保護(hù)均放置在中控室。
扭子電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)以施耐德Quantum系列編程邏輯控制器(PLC)為測(cè)控核心,同時(shí)擁有GR-100型采集裝置、SID-2D型自動(dòng)準(zhǔn)同期、微機(jī)繼電保護(hù)、通訊等部分。
系統(tǒng)的開(kāi)放式分層分布結(jié)構(gòu)符合國(guó)際開(kāi)放系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)使用不同計(jì)算機(jī)時(shí),保證了系統(tǒng)的互操作性、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性以及設(shè)備更新時(shí)的可移植性[6]。與此同時(shí),系統(tǒng)互連環(huán)境、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境和用戶(hù)接口環(huán)境皆與國(guó)際開(kāi)放系統(tǒng)組織推薦的開(kāi)放環(huán)境規(guī)范相符。它的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要是:第一層是主機(jī)兼操作員工作站,雙主機(jī)冗余配置,采用熱備用工作方式,供運(yùn)行值班人員使用,選用100 Mbit以太網(wǎng)連接主控機(jī)與現(xiàn)地控制單元(LCU),使用高可靠性的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)通訊,之間連接的介質(zhì)為光纖。同時(shí)主控室配備打印機(jī)和語(yǔ)音通信等設(shè)備。第二層為現(xiàn)地控制單元網(wǎng),本電站共設(shè)五套現(xiàn)地控制單元(LCU),1~3號(hào)機(jī)組各設(shè)一套LCU,全廠公用及廠用電設(shè)一套LCU,110 kV開(kāi)關(guān)站設(shè)一套LCU。機(jī)組LCU配有微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置、轉(zhuǎn)速測(cè)量及交流采樣裝置。第3層為兼容性網(wǎng)絡(luò),機(jī)組LCU具有RS232/RS485串行通信接口與其他承包商提供的微機(jī)調(diào)速器、微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[7]。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 扭子電站綜合自動(dòng)化結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the integrated automation system for Niuzi Hydropower Station
扭子水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件部分主要有兩部分構(gòu)成,第一部分是上位機(jī)子系統(tǒng),主要包括主控級(jí)計(jì)算機(jī)/操作員站、主控制臺(tái)、通信服務(wù)器、全球定位系統(tǒng)、語(yǔ)音系統(tǒng)等構(gòu)成。第二部分為現(xiàn)地子系統(tǒng),包括現(xiàn)地控制單元和保護(hù)單元。
所謂“上位機(jī)子系統(tǒng)”,就是裝設(shè)兩臺(tái)既用于電站中央處理的主計(jì)算機(jī)又兼作操作員工作站在主控級(jí)計(jì)算/操作員工作站,其中主計(jì)算機(jī)采用德國(guó)西門(mén)子工控機(jī),適合于工業(yè)上的特殊應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)。主控制室配備了1套四席雙位的運(yùn)行人員主控制臺(tái),每席包括了LCD,通用鍵盤(pán)和鼠標(biāo)器分別一套,以及必需的配電盒、小型斷路器、指示燈等設(shè)備。通訊服務(wù)器配有8個(gè)串行口,用于電力系統(tǒng)調(diào)度計(jì)算機(jī)之間、集中調(diào)度中心電站與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信;用來(lái)連接電廠管理MIS系統(tǒng)、打印機(jī)、水情系統(tǒng)以及其他需要與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通信等設(shè)備?,F(xiàn)用的通信服務(wù)器采用德國(guó)西門(mén)子工控機(jī)。系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)配備高性能聲卡及音響語(yǔ)音系統(tǒng),語(yǔ)音系統(tǒng)通過(guò)先進(jìn)的語(yǔ)音處理軟件,可對(duì)電站故障及事故設(shè)備發(fā)語(yǔ)音告警信號(hào)。
3.2.1 監(jiān)控單元
監(jiān)控單元即現(xiàn)地控制單元(LCU),實(shí)現(xiàn)對(duì)全場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)視與控制,由于扭子電站有3臺(tái)發(fā)電機(jī)組,本系統(tǒng)配備5臺(tái)LCU,分別為3臺(tái)機(jī)組LCU,一套公用LCU和一套開(kāi)關(guān)站LCU。LCU由觸摸屏(HMI)、微機(jī)自動(dòng)同期裝置、可編程計(jì)算機(jī)控制器(PLC)、微機(jī)溫度巡檢裝置、微機(jī)交流電量測(cè)量裝置、微機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)裝置組成。斷路器的同期、合閘、分閘操作、廠用電切換等功能以及機(jī)組、變壓器、線(xiàn)路、母線(xiàn)的事故、故障保護(hù)信號(hào)由可編程控制器完成。LCU中的CPU只完成HMI功能。LCU均具有智能型和可編程能力及控制采集功能,LCU均提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘,用以記錄過(guò)程輸入狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間。機(jī)組用的LCU,還應(yīng)具有串行通信接口,用來(lái)與其他承包商供應(yīng)的微機(jī)調(diào)速器、微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。開(kāi)關(guān)站和公用設(shè)備LCU應(yīng)提供串行通信接口與全廠公用輔機(jī)設(shè)備PLC柜進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
可編程控制器(PLC)是現(xiàn)地控制單元的核心部件[8],當(dāng)前國(guó)內(nèi)使用率高的PLC有GE(通用)、西門(mén)子、歐姆龍等。結(jié)合電站的特點(diǎn),主機(jī)監(jiān)控選擇法國(guó)施奈德公司的昆騰系列PLC完成相應(yīng)控制功能。該系列的PLC是專(zhuān)為拙劣工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的,具有高性能、強(qiáng)抗干擾能力和高可靠性的優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于各種工業(yè)控制的領(lǐng)域。此PLC采用光電隔離的對(duì)外I/O端口,其內(nèi)部核心電路是和被控對(duì)象完全無(wú)電氣聯(lián)系的,因此干擾信號(hào)是無(wú)法進(jìn)入微處理器,保證了系統(tǒng)不會(huì)因外部干擾信號(hào)發(fā)生故障。LCU配備XSL/A24RS2V1系列溫度巡檢裝置,通過(guò)其上的RS-485標(biāo)準(zhǔn)通信口將所采集的數(shù)據(jù)上送計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)電量綜合采集裝置選用GR-100綜合采集裝置,用于每臺(tái)機(jī)組出線(xiàn)的電壓、電流、有功、無(wú)功、功率因數(shù)、電度等數(shù)據(jù)的采集。電站按機(jī)組各用一套作為正常同期的微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置;1臺(tái)升壓變壓器線(xiàn)路組高壓側(cè)斷路器用一套準(zhǔn)同期裝置。每臺(tái)機(jī)組現(xiàn)地控制單元提供微機(jī)轉(zhuǎn)速儀,該儀器采用電氣殘壓測(cè)速方式進(jìn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè),同時(shí)可提供7個(gè)可設(shè)定的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠、穩(wěn)定。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)各LCU內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行通訊,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)選用Modbus RTU網(wǎng)。其通訊方式為令牌傳遞形式,通訊介質(zhì)為屏蔽雙絞線(xiàn),實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)廣播通訊方式的優(yōu)點(diǎn)。
3.2.2 保護(hù)單元
關(guān)于扭子水電站的保護(hù),本文主要闡述了發(fā)電機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)以及110 kV線(xiàn)路保護(hù)。
其中發(fā)電機(jī)以“雙主單后,主后備保護(hù)分開(kāi)”為原則[9]進(jìn)行保護(hù),主保護(hù)和后備保護(hù)分別為WEB-811和WEB-812。保護(hù)裝置為雙電源、雙CPU的運(yùn)行方式。兩CPU之間是相互獨(dú)立的,可單獨(dú)工作行使其對(duì)應(yīng)的保護(hù)功能,分別負(fù)責(zé)對(duì)某一對(duì)象進(jìn)行主保護(hù)或?qū)δ骋粚?duì)象進(jìn)行后備保護(hù)。每種保護(hù)動(dòng)作后的跳閘方式用戶(hù)可以自己整定,無(wú)須再修改保護(hù)二次回路接線(xiàn);跳閘觸點(diǎn)可直接接入斷路器跳閘回路。
目前國(guó)內(nèi)使用較多的變壓器保護(hù)是WFB-812系列微機(jī)變壓器保護(hù),對(duì)于110 kV及以下電壓等級(jí)可選用BH-812系列進(jìn)行變壓器保護(hù)配置。BH-812系列引進(jìn)“啟動(dòng)+出口”的方式,從而保證在用跳閘矩陣方式時(shí)出口端整定的靈活性;保證信息和報(bào)文能夠上傳,COMTRADE與錄波數(shù)據(jù)可兼容;保證通信接口具有強(qiáng)的兼容性、開(kāi)放性,支持IEC60870-5-103通訊規(guī)約。該系列具有自適應(yīng)調(diào)整比率制動(dòng)式差動(dòng)特性;該系列設(shè)定了15路非電量保護(hù)功能,其中可通過(guò)CPU延遲發(fā)信號(hào)或跳閘的有8路;同時(shí),該系列具有較強(qiáng)的抗TA飽和和TA暫態(tài)特性的不一致性能力[9]。
110 kV線(xiàn)路保護(hù)采用WXH-801系列微機(jī)線(xiàn)路保護(hù)。該系列的主保護(hù)是由帶補(bǔ)償?shù)恼蚬收戏至糠较蛟土阈蚍较蛟?gòu)成,具有全線(xiàn)速動(dòng)功能;后備保護(hù)是由三段式相間距離和接地距離以及六段零序電流方向保護(hù)構(gòu)成;WXH-802配置示意圖如圖2所示,該配置的全線(xiàn)速動(dòng)主保護(hù)是由綜合距離方向元件和零序方向元件構(gòu)成,后備保護(hù)同WXH-801系列微機(jī)線(xiàn)路保護(hù)的后備保護(hù),并配有綜合重合閘。
圖2 110 kV線(xiàn)路保護(hù)配置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the 110 kV line protection configurations
而對(duì)于10 kV的線(xiàn)路保護(hù),國(guó)內(nèi)使用較多的是WXH-820系列微機(jī)保護(hù)裝置,同時(shí),此系列的微機(jī)線(xiàn)路保護(hù)測(cè)控裝置還可用于保護(hù)和測(cè)控中低壓線(xiàn)路,主要應(yīng)用于66 kV及以下各電壓等級(jí)線(xiàn)路及出饋線(xiàn),在安裝保護(hù)裝置時(shí),可采用集中和開(kāi)關(guān)柜就地的方式。而WXH-821系列綜合微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置采用兩段過(guò)電流式保護(hù);WXH-822系列綜合微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置采用三段式電流電壓方向保護(hù);關(guān)于WXH-823系列微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置,是集光纖電流差動(dòng)保護(hù)、電流電壓保護(hù)和三相一次重合閘基本配置于一體的成套線(xiàn)路保護(hù)裝置,常常被用于電壓等級(jí)≤66 kV的間接接地系統(tǒng)或者是小電阻接地系統(tǒng)[9]。
廠用變保護(hù)采用WCB-820系列微機(jī)廠用變保護(hù)裝置,主要適用于3~10 kV電壓等級(jí)小接地電流系統(tǒng)或小電阻接地系統(tǒng)中的廠用變、所用變或接地變的保護(hù)??稍陂_(kāi)關(guān)柜上就地安裝。
扭子電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件是基于Windows 2000操作系統(tǒng),具有多任務(wù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)響應(yīng)快、可擴(kuò)充性好、使用方便等特點(diǎn),適合于實(shí)時(shí)的控制。由于使用標(biāo)準(zhǔn)的智能擴(kuò)展卡來(lái)獲取數(shù)據(jù),引進(jìn)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法,Windows 2000操作系統(tǒng)的維護(hù)、擴(kuò)展方便可行[10]。該電站監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件可以不用依賴(lài)具體的硬件平臺(tái),配置簡(jiǎn)單,操作靈活。
該應(yīng)用軟件的特點(diǎn)是:具有良好的人機(jī)界面;具有良好的可移植性;具有良好的通用性;具有良好的實(shí)用性;具有良好的開(kāi)放性。該應(yīng)用軟件使電站工作人員操作更加便利,維護(hù)技術(shù)人員制作畫(huà)面的、顯示畫(huà)面、打印制表、設(shè)置參數(shù)以及操作控制的工作可通過(guò)工作站完成,同時(shí)微機(jī)還可以幫助運(yùn)行人員完成自動(dòng)控制、打印制表、畫(huà)面顯示等多種功能[10]。Windows 2000操作系統(tǒng)的具體軟件功能構(gòu)成如圖3所示。
該系統(tǒng)的基本功能分為5部分:
1)顯示LCD畫(huà)面。運(yùn)行工作人員可挑選和召喚畫(huà)面顯示,且同時(shí)多幅畫(huà)面可同時(shí)顯示。
2)制作畫(huà)面和設(shè)置參數(shù)功能。維護(hù)技術(shù)人員可以進(jìn)行下列制作和設(shè)置功能,修改各類(lèi)圖如主接線(xiàn)圖、流程圖、模擬圖等,修改報(bào)警的上、下限,變比等各類(lèi)參數(shù)。
圖3 系統(tǒng)的軟件功能構(gòu)成Fig. 3 The formation of software features of the system
3)打印制表功能??呻S時(shí)進(jìn)行打印或備份所有顯示的畫(huà)面,自動(dòng)定時(shí)打印報(bào)表以及各類(lèi)事故報(bào)警。
4)操作控制功能。對(duì)需要控制的設(shè)備進(jìn)行必要的操作控制。
5)其他附加功能。例如順序記錄事件功能(SOE),追憶事故功能,以及系統(tǒng)的安全防護(hù)功能,可通過(guò)設(shè)置或修改口令、系統(tǒng)對(duì)時(shí)、系統(tǒng)自診斷進(jìn)行系統(tǒng)的安全維護(hù)[11]。
扭子水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的成功投用,表明了項(xiàng)目設(shè)計(jì)合理,為其他綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的配置提供了參考。實(shí)現(xiàn)了電站“無(wú)人值守”的目標(biāo),達(dá)到了水電站二次側(cè)設(shè)備簡(jiǎn)潔、安全、經(jīng)濟(jì)以及便于管理的目的。滿(mǎn)足了運(yùn)行值班人員可以通過(guò)監(jiān)控就可以對(duì)全場(chǎng)各主要設(shè)備、公用設(shè)備、線(xiàn)路的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,使電站可以安全穩(wěn)定的生產(chǎn)運(yùn)行。
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