龙滩水电站综合自动化系统应用
第32卷 第4期2008年8月20
日Vol.32 No.4Aug.20,
2008
龙滩水电站综合自动化系统应用
孔德宁,朱怀英,李镇江,张 燕
(龙滩水力发电厂,广西壮族自治区天峨县547300)
摘要:龙滩水电站是国家西部大开发和“西电东送”的战略项目之一,在南方电网结构中占有重要
(少人值守),其综合自动化水平非常重要。文位置。电站能否安全可靠运行、能否实现“无人值班”
中概述了龙滩水电站的计算机监控系统、调速系统、励磁系统、继电保护系统、闸门控制系统等自动化系统及设备的特点和配置。
关键词:水电站;综合自动化系统;特点;配置中图分类号:TV736
0 引言
龙滩水电站位于广西天峨县境内,是红水河梯级大型龙头电厂。电站设计总装机容量6300MW,安装9台单机容量700MW的混流式水轮发电机组,年发电量18.73TW・h。电站通过5回500kV电压等级线路接入电力系统,在南方电网中主要承担着发电、调压、调峰、调频等任务于单机容量大、地位,靠性、逐步投运,益,尤其在2008年的冰雪灾害中发挥了举足轻重的作用。
本文概述了龙滩水电站的计算机监控系统、调速系统、励磁系统、继电保护系统、闸门控制系统等
[1]
自动化系统及设备的特点和配置。
1 计算机监控系统
[223]
龙滩水电站计算机监控系统由南京南瑞集团公
(少人值守)原则进行设司提供,系统按“无人值班”
计和配置,从监控系统的安全、可靠、高可用性出发,所有设备均以双机冗余热备工作方式设计,在主用机发生故障时,备用机迅速接管其工作,可以不中断任务且无扰动地成为主用机运行,不会影响系统的正常运行。
系统采用全开放、分布式冗余结构,整个系统以“分层管理、集中控制、危险分担”为原则组成主站级和现地控制单元级2部分,并通过100Mbit/s工业双光纤高速以太环网(符合IEEE80213标准)相
收稿日期:2008203226;修回日期:2008205228。
连,使各上位机系统与现地控制层可编程逻辑控制器(PLC)以对等的方式进行通信。系统各部分均由2层通信网络构成,,运行稳定,易于扩充及维护,通过不同的软/,。1.、逻辑控制流程以及与系统中其他装置的数据交换和状态采集。
施耐德Unity67160与I/O模件之间采用内部OVERBUS总线方式连接;采用远程I/O(RIO,11544Mbit/s)方式,使用RG26U同轴电缆作为通信介质。对机组进水口闸门的控制,由于RIO机柜距离较远,且考虑重要性、安全性,因而配置了光纤中继器490NRD95400,通过光纤介质进行通信;与触摸屏(施耐德XBTG6330)、交流采样装置(ALSTOM百超)之间采用MB+网络(1Mbit/s)通信;调速、励磁等系统通过MB网(9.6kbit/s)与其通信。1.2 主站级
主站级由操作员工作站、辅助工作站、应用工作站、数据服务器4个主要部分组成。
操作员工作站对电厂的生产、设备运行进行实时监视和操作控制,并通过语音报警提醒运行人员;辅助工作站实现修改系统参数、修改定值,以及增加和修改数据库、画面和报表及运行人员的离线培训;应用工作站实现报表的生成及打印、事故自动寻呼(On2call)、短信群发,负责与厂内自成体系的系统进行数据通信、历史数据查询,负责与南方网调系统和广西省调系统进行数据通信;数据服务器完成历史数据的备份,以及在保证监控系统安全的前提下与电站管理信息系统(MIS)连接,实现龙滩水电站
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实时数据采集、实时数据库管理、综合计算、高级功能(自动发电控制(AGC)/自动电压控制(AVC)计算和处理)、事故故障信号的分析处理,以及NC2000系统的管理功能,实现电站控制的信息管理、历史数据及历史事件的显示、存储、归档。
2 机组励磁系统
[4]
龙滩水电站机组励磁系统由广州电器科学研究院提供,该系统是瑞士ABB公司基于微机控制研发的UNITROL5000分层分布式数字智能静止励磁控制系统,由励磁调节器、励磁功率柜、灭磁电阻柜、灭磁开关柜和励磁变压器组成。
励磁调节器采用2个自动电压调节器(AVR)通道(含2个微机手动励磁电流调节器(FCR)通道)组成,其独特的低残压快速起励方式所需的电流仅为80A,仅需要10V～20V电压(如果几秒内残压起励失败,则启动备用起励回路)。各通道从稳压电源到移相触发各环节均相互独立,保证系统的高度可靠性。
每个自动通道采用双CPU(MPU+DSP)并行控制,其中,采样、PSS(或APSS)的信号合成和校正、旋转二极管检测、高速DSP完成;调节、限制、运算则由MPU,。特别是,通,无需在通道外另设通道切换判断硬件,彻底消除了这一在多通道设计中普遍存在的可靠性瓶颈。随动式跟踪控制原理的使用,减少了跟踪控制所需的反馈量,进一步提高了跟踪系统的可靠性。
系统使用5个正向功率柜,冗余方式为1+1冗余(互备双桥)和N-1冗余(N-m≥2),采用瑞士ABB公司特供的高反压和大电流可控硅器件(如HUEL412322,4.2kV,2kA),每柜1桥,每桥臂1只可控硅元件,各功率柜应用动态的、智能化的均流方式。在保有强励2倍20s裕度的前提下,单柜标称最大长期输出电流可达2kA。功率柜的冷却系统完备,设有2组风机,其中一组运行,另一组备用,备用风机在运行风机故障时自动启动。风机电动机采用厂用电和自带电源双路供电,配备欠压自动切换逻辑。
系统采用单断口直流快速磁场断路器(无机械灭磁触头)进行灭磁,其弧压水平可高达3.8kV,动作速度快,比多断口断路器在弧压均衡方面有明显优势。由于SiC非线性灭磁电阻具有可靠性高、单片能量大、总体积小、易于并联的特性,自然均能性—26
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优越,时间耐受性好,无金属性短路和爆裂的危险,
因此,龙滩水电站灭磁电阻采用SiC灭磁电阻,可保证发电机在机端短路、空载误强励等极端情况下快速、可靠灭磁,同时,该电阻兼做转子双方向过电压保护。
系统除了常规调节限制功能外,定子电流限制器、独特的叠加调节装置、转子温度测量及其对限制功能的作用,以及无所不及的监视保护功能,可以确保励磁装置、发电机组和电力系统的安全、稳定、经济和可靠运行。
3 机组调速器系统
龙滩水电站机组调速器系统由电气控制和机械液压控制2部分组成。3.1 电气控制部分
电气控制部分采用法国ALSTOM公司提供的双冗余T.SLG型微机数字控制器。系统由单元处理模块(UPC,)和位置调节模块(,,件PID环控制和位置PID环控制(由UPC完成)和位置(由SPC完成)的联合作用确保了对水轮机转速的连续控制。采用独立的测频环节,不仅不受外界对频率的影响,而且2路齿盘和1路残压组成冗余测频,极大地保证了系统运行中对频率的安全、可靠要求。
该微机数字控制器不仅在解决常规控制功能中性能稳定,而且对网调层提出的一次调频功能和厂站层提出的容错功能(主/备用通道切换、手/自动切换、测频故障切换)、逆功率限制功能等都表现相当优异。3.2 机械液压控制部分
机械液压部分采用东方电机控制设备有限公司的HGS2H2122502613型双冗余比例伺服阀电液随动系统。主配压阀由法国ALSTOM公司提供,直径200mm,设计行程50mm;比例伺服阀由德国BOSCH公司提供,接力器行程600mm(其中包括12mm的压紧行程),系统额定油压613MPa。
系统主要由主配压阀、集成阀块、滤油器等部分组成,设计中采用液压集成技术和流量控制、反馈技术。该系统中的信号流完全由电气和液压信号构成,由于电气信号的快速响应性、液压信号载体———油液的不可压缩(因为油液的压缩量极微小,工程上认为其不可压缩)性,使得控制信号能快速、准确地到达执行机构,极大地降低了死区并提高了控制精度。具备手动跟踪自动的功能,配合电气柜使用,可
・发电控制技术及设备・ 孔德宁,等
龙滩水电站综合自动化系统应用
保证调速器自动—手动的相互跟踪,不仅实现了瞬
间无扰动相互切换,而且也提高了调速器的整体可靠性。
德国BOSCH公司生产的比例伺服阀作为调速器液压系统的电液转换元件。该阀动态响应好、静态精度高、温漂小,精确制造的硬质阀芯和硬质阀套其轴向配合精度达到01002mm,保证了机械液压系统具有优良的动、静态性能。系统中比例伺服阀1和比例伺服阀2互为备用,由电气柜对调速器伺服环回路进行实时检测和故障判断,根据切换逻辑控制比例伺服阀切换电磁阀,实现2个比例伺服阀之间的无扰切换;电气柜根据比例伺服阀的输入、输出特性Q=f(UE),由比例伺服阀功放板接收±10V的控制信号,与比例电磁铁一同完成闭环控制。
油压系统包括补气装置、2台螺杆泵和1台增加泵,系统的打压、补气均采用经典的PLC技术;同时,可将所有信息以通信的方式上送现地控制单元(LCU),极大地减轻了运行人员的劳动强度。
4 继电保护系统
龙滩水电站机组采用发电机-线,发电机出口设断路器,接入500kV气体GIS)。500kVGIS采用4/,出线侧均设置隔离刀闸。4.1 发变组保护
由于龙滩水电站水轮发电机容量大(Sn=77718MVA)、电压低(18kV)、电流高(25kA)、每相并联分支数多(a=8)、定子绕组内部可能发生的短路故障多、中性点采用经接地变压器电阻接地方式等,因此,发变组主保护配置设计时遵循“既有相间短路主保护,更应有匝间短路主保护;采用双屏配置全套主、后备保护”的原则。
发电机保护采用发电机保护装置RCS2985GW和励磁变保护装置RCS2985TJ,以及发电机定子接地保护装置。变压器保护由变压器保护装置RCS2985TW和厂高变保护装置RCS2985TJ、变压器非电量保护装置RCS2974A组成。
发变组保护配置包括:发电机不完全差动保护、发电机裂相横差保护、发电机中性点不平衡保护、带记忆的低压过流保护、定子接地保护、叠加方波电压式转子一点接地保护、失磁保护、定子过负荷保护、定子过电压保护、发电机过激磁保护、转子表层负序过负荷保护、失步保护、发电机断路器失灵保护、轴电流保护、励磁绕组过负荷保护、误上电保护、主变
差动保护、主变负序过流保护、主变过负荷保护、主
变过激磁保护、主变零序电流保护、主变非电量保护、励磁变差动保护、厂高变差动保护、厂高变速断保护、厂高变(励磁变)过流保护、厂高变(励磁变)过负荷保护。4.2 500kV联络电缆保护
每条500kV联络电缆配2套光纤差动保护装置,保护功能配置有分相电流差动和零序电流差动。4.3 500kVGIS保护
500kVGIS保护包括断路器保护装置RCS2921A、短引线保护装置RCS2922A和操作箱CZX222R1。主要保护功能包括断路器失灵保护、三相不一致保护、死区保护、充电保护、重合闸、短引线保护、母差保护。4.4 线路保护
龙滩水电站每条线路按双重化配置,包括线路保护PSL2602GSN和RCS2,以及数字式远跳判别装置SSR530A222套电抗器2电抗器非电量保护2龙滩水电站闸门控制系统由西安航天自动化股份有限公司(简称西航)提供,整个系统包括溢洪道、底孔弧形工作门和进水口事故闸门控制系统三大部分组成。系统采用全开放、分布式、模块化、容错结构设计。5.1 溢洪道和底孔弧形工作门控制系统
溢洪道和底孔弧形工作门控制系统的监控对象包括7扇溢洪道弧形闸门和2扇底孔弧形工作门,以及坝顶配电间设备。
系统分别为它们提供独立的控制系统,以100Mbit・s-1/10Mbit・s-1自适应以太网与闸门集中控制中心通信。集控系统与现地子站相互配合,形成功能完善、统一协调的控制系统,并与监控系统通信,上送系统所有测量值,用于远程监视。
系统具有压力保护和报警、滤油器堵塞报警、油箱油位异常报警、油箱温度异常报警等功能,具有手动分步操作、主备泵自动轮换和一次指令完成启门或闭门操作、逐孔启闭闸门、数孔同时启闭闸门、全开或局部开启闸门等功能。5.2 进水口闸门控制系统
龙滩水电站进水口闸门控制系统采用独立的电气控制系统,实现工作闸门启闭全过程控制以及液压泵站的自动启停、工作泵与备用泵切换等控制,并
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通过通信接口与机组LCU进行数据通信。
由于快速闸门为应对水电站紧急事故的最后一道关口,对其控制应十分可靠。当机组出现紧急事故时,要打开有杆腔控制阀,闸门在持住力的作用下快速下降直至全关。为此,龙滩水电站对事故时快速闸门的控制脱离西航控制系统,由硬接线来启动启闭机内油路电磁阀,以快速、可靠地关闭闸门。
6 存在的问题及采取的措施
虽然龙滩水电站综合自动化系统设计之初均以最高标准进行设计,但随着电站1号～4号机组的相继投产和运行,自动化元器件、自动控制装置的一些缺陷和不完善之处逐渐凸现,包括控制逻辑不合理、电源可靠性低、无元件故障检测手段、回路设计不完善等问题。这些问题不仅降低了水电站综合自动化水平,使水电站失去报警、控制和保护功能,甚至误动作而引发事故,直接威胁水电站的安全稳定运行。针对以上问题,先后提出近50项改造建议,并得到设计院和公司认可,得到了具体实施。以下对部分改造进行说明。
1)自动化元器件供电的可靠性
可靠性,当电源消失时,,造成机组的事故停机件损坏、击穿,。因此,对所有自动化系统进行了系统性改造。
将全部工作电源为AC220V强电的自动化元器件改造为工作电源为DC24V弱电的设备。重新加装一块DC24V直流电源分配屏,从机组交直流分馈电柜引入交直流电源各2路,分别经开关电源模块输出2路DC24V电源,引至ABBSS822电源监视切换模块,由SS822输出至DC24V电源分配端子排,提供给各自动化元器件。为了防止进出口自动化元器件同时断电,它们的工作电源分别由2路DC24V提供(见附录A图A1)。同时,SS822模件的电源监视接点上送至监控系统,当电源发生故障时,不仅在上位机进行报警,同时在水流或油流中断启动事故流程中加判该接点,防止机组由于自动化元器件失电导致事故停机。
2)推力外循环、高压油顶起装置控制回路改造在法国ALSTOM公司提供的推力外循环及高压油顶起系统控制中,虽然设计为2台油泵互为备用,当主泵在运行过程中发生故障时自动切换到备用泵,但未考虑油泵在运行过程中进线电源开关跳闸后也要切换到备用泵的情况,致使推力外循环及—28
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高压油顶起控制系统在上述状况下主、备用油泵不能切换,系统控制信号消失,泵停止,直接威胁机组的安全运行。针对此问题,将系统失压信号引入控制,并对控制回路进行了改造。
3)监控系统事故启动源由事件顺序记录(SOE)量转DI量采集,并增加启动滤波延时
龙滩水电站监控系统SOE量模件(施耐德140ERT85410)自身采集方式为附带时标并以数据包的形式存在,PLC在解包时有可能丢失数据和出现误码。同时,在投运试验时发现,全球定位系统(GPS)时钟的消失也会造成模件信号故障,使所有数据丢失。
根据现场实际试验分析,认为事故启动源信号应采用可靠的DI量模件(施耐德140DDI35300)直接采集,不宜采用SOE量方式。同时,考虑工作现场人为和电磁干扰因素的存在,为防止误动,所有事故启动源增加了500ms软件滤波。
4)ABB压改造
,励磁系统功率柜。检查发现,风机电源回,有的参数值较低,而80%额定值启动风机时,有时风机无法启动,造成开机建压不成功。可以认为,电容质量的下降和风机启动电压过低是造成该问题的主要原因。
从故障现场看,风机电容安装在风机通风道线槽内,由于风道内灰尘较多,线槽密封不易散热,造成电容性能加速衰变,发生故障。因此,将其全部移至通风道外面右侧安装,以改善起励电容工作环境,增加散热面积。为了防止滤网清洗变形,在通风罩加装一正方形方框,以紧贴通风滤网,减少厂房灰尘的进入。同时,考虑了励磁系统接收机组开机令后,先投入厂用电使风机运行,建压达到机组额定电压值时再切换为自用电运行。
改造后的自动控制装置和自动化元器件运行稳定,安全可靠,效果非常明显。龙滩水电站从投产至今已安全稳定运行1年。
7 结语
自动化水平随着科技的发展在逐步提高,龙滩水电站的综合自动化之路任重道远。但是有理由相信,随着龙滩水电站机组的全面投产,将为“无人值
(少人值守)打下坚实的基础,综合自动化系统将班”
在龙滩水电站发挥其巨大的经济和社会效益。
附录见本刊网络版(http://www.aeps2info.
・发电控制技术及设备・ 孔德宁,等
龙滩水电站综合自动化系统应用
com/hadm/ch/index.aspx)。
参考文献
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)男,通信作者,工程师,主要研究方向:孔德宁(1975—
水电厂自动控制。E2mail:[email protected]
电力出版社,2004.
ApplicationofIntegratedAutomationSystemtoLongtanHydropowerStation
KONGDening,ZHUHuaiying,LIZhenjiang,ZhangYan
(LongtanHydropowerPlant,Tian’e547300,China)
Abstract:TheLongtanhydropowerstation,oneofthestrategicprojectofnationalwestdevelopmentand“WesttoEastElectricityTransmission",playsanimportantroleintheSouthPowerGrid.Theintegratedautomationsystemisimportantforthesafetyandstabilityofthestationandtherealizationofanunmannedstation.Thecharacteristicsandconfigurationoftheintegratedautomationsystemanddevices,suchasmonitoringandcontrolsystem,regulationsystem,excitationsystem,relayprotectionsystemandsluicecontrolsystem,aresummarized.
Keywords:hydropowerstation;integratedautomationsystem;characteristics;configuration
(上接第14页)
4 结语
该SCADA期考验,能够准确、行实时监控,通、OPC服务器、网络等先进技术和PLC技术,根据实际需要设置监控对象属性,实现对该对象的动画及事件的触发;同时可以调用Windows系统的API函数,实现VB和VC等高级语言所能实现的功能。系统整体设计简单,通用性能和功能完全达到发电机蒸发冷却系统监控保护及各种工况试验条件下的监控要求,运行监控界面的直观、动态显示,使得控制过程清晰、明确,可以准确把握系统当前的各种运行状况,简化了操作,提高了对蒸发冷却系统运行的监控能力。
://www.aeps2info.aspx)。
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),女,通信作者,硕士,主要研究方向:汽国建鸿(1972—
轮发电机蒸发冷却技术研究及系统控制。E2mail:[email protected]
SCADASystemDesignfortheEvaporativeCoolingSystemofLargeHydro2generators
GUOJianhong,GUGuobiao,YUANJiayi,TIANXindong
(InstituteofElectricalEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)
Abstract:Fortheengineeringapplicationofevaporativecoolingforhydro2generators,basedontheresearchforthecharacteristicsofevaporativecoolingsystem,theindustrialconfigurationsoftwareWinCCisfirstappliedtothedevelopmentofaSCADAsystemforevaporativecoolingofhydro2generators.TheprincipleoftheevaporativecoolingsystemandthenecessityofdevelopingtheSCADAsystemarediscussed.Theimplementationofthesystemfunctionssuchasdataacquisition,calculation,reporting,filingandprinting,andthedatatransmissionamongWinCC,PLCandflukedatacollectorareintroduced.
Keywords:hydro2generator;evaporativecoolingsystem;SCADA;industrialconfiguration;WinCC;PLC
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