程曉坤 宋連壯 馬 飛 孫立寧

喀麥隆曼維萊水電站電氣二次設(shè)計(jì)

程曉坤 宋連壯 馬 飛 孫立寧

曼維萊水電站工程位于喀麥隆共和國(guó)南部大區(qū)恩特姆省境內(nèi)，電站為引水徑流式，廠房為岸邊式地面式，裝機(jī)4臺(tái)，單機(jī)容量為52.75 MW，總裝機(jī)容量211 MW。電站以225 kV電壓等級(jí)接至電網(wǎng)。工程結(jié)合非洲實(shí)際情況，并考慮了國(guó)外咨詢工程師的意見(jiàn)，設(shè)計(jì)和國(guó)內(nèi)的工程實(shí)際相比具有一定的特點(diǎn)。

曼維萊水電站 計(jì)算機(jī)監(jiān)控 繼電保護(hù)

1 工程概況

曼維萊水電站工程位于喀麥隆共和國(guó)南部大區(qū)恩特姆省境內(nèi)，電站采用引水徑流式。主要建筑物包括攔河壩、主溢洪道及泄洪沖沙閘、輔助溢洪道及渠道進(jìn)水口、輸水明渠、前池及二道壩、壓力管道、電站主副廠房、開(kāi)關(guān)站及廠區(qū)附屬建筑物等。電站為岸邊式地面廠房，設(shè)計(jì)引水流量450 m3/s，總裝機(jī)容量211 MW，裝機(jī)4臺(tái)，多年平均年發(fā)電量11.87億kW·h，保證出力41.9 MW，年利用小時(shí)5 626 h。

電站設(shè)4臺(tái)主變壓器，容量為70 MVA，發(fā)電機(jī)與主變壓器采用一機(jī)一變的單元接線方式，225 kV高壓側(cè)采用雙母線帶母聯(lián)接線形式。電站以225 kV電壓等級(jí)接至電力系統(tǒng)，電站自動(dòng)化水平按無(wú)人值班(少人值守)設(shè)計(jì)。

2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

本電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上可分為電站控制級(jí)和現(xiàn)地單元控制級(jí)兩級(jí)。電站控制級(jí)是電站實(shí)時(shí)監(jiān)控中心，主要負(fù)責(zé)全廠重要機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，進(jìn)行全廠的自動(dòng)化運(yùn)行(包括AGC、優(yōu)化運(yùn)行、AVC等)、歷史數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)管理，以及實(shí)現(xiàn)全廠的人機(jī)對(duì)話功能等。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1，其中站控級(jí)主要硬件設(shè)備包括：主服務(wù)器2套、操作員工作站2套、工程師/培訓(xùn)工作站1套；遠(yuǎn)動(dòng)通信服務(wù)器1套、廠內(nèi)通信服務(wù)器1套；模擬屏及驅(qū)動(dòng)器 1套；GPS時(shí)鐘系統(tǒng)1套；彩色打印機(jī)1臺(tái)、黑白打印機(jī)1臺(tái)；上位機(jī)不間斷電源2套。現(xiàn)地單元控制級(jí)主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，控制與調(diào)節(jié)，以及與上位機(jī)的通信聯(lián)絡(luò)等。設(shè)備包括：電站機(jī)組現(xiàn)地控制單元(LCU1～4)4套；公用設(shè)備現(xiàn)地控制單元(LCU5)1套；開(kāi)關(guān)站現(xiàn)地控制單元(LCU6)1套；大壩現(xiàn)地控制單元(LCU7)1套?，F(xiàn)地控制單元為Schneider ModiconUnity Quantum系列冗余控制單元，并配有液晶觸摸屏作為人機(jī)接口。

圖1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)圖

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用雙星型光纖工業(yè)以太網(wǎng)，100 Mb/s速率。站控級(jí)設(shè)備與現(xiàn)地LCU設(shè)備組成雙星型網(wǎng)，每一個(gè)現(xiàn)地控制單元接至各自EL0602系列網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，站控級(jí)設(shè)備均接自網(wǎng)絡(luò)柜的EL1612交換機(jī)。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，機(jī)組LCU備用水車控制回路作為保證電站安全的最后緊急事故停機(jī)操作，采用簡(jiǎn)易PLC建立，反應(yīng)于機(jī)組機(jī)械過(guò)速、電氣過(guò)速、調(diào)速器拒動(dòng)和油壓裝置事故低油壓等緊急事故，動(dòng)作于停機(jī)、滅磁、跳出口斷路器等。該回路于主回路并行運(yùn)行，并且所有回路包括電源回路、信號(hào)輸入回路、跳閘輸出回路等完全獨(dú)立于主回路。相比于以往的繼電器回路，簡(jiǎn)易PLC回路更加靈活，邏輯的使用更加清晰，修改更改方便容易，PLC相較與單獨(dú)的繼電器元件可靠性更高。

輔助設(shè)備控制系統(tǒng)主要包括閘門控制系統(tǒng)、電站排水控制系統(tǒng)、中低壓壓縮空氣控制系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)和消防水控制系統(tǒng)。輔助設(shè)備控制系統(tǒng)均采用以PLC為基礎(chǔ)的控制方式，并通過(guò)通信接口與LCU通信，重要信號(hào)通過(guò)硬接線連接。根據(jù)工程的布置特點(diǎn)，廠房?jī)?nèi)輔控系統(tǒng)中排水控制系統(tǒng)和中低壓壓縮空氣控制系統(tǒng)采用MB+現(xiàn)地控制網(wǎng)和繼保室公用LCU連接，消防水控制系統(tǒng)通過(guò)共用通信系統(tǒng)光纖和公用LCU連接。本站空調(diào)控制系統(tǒng)自成一體，作為通風(fēng)控制系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，通過(guò)通信方式和繼保室通風(fēng)集中控制柜連接，通風(fēng)集中控制柜與公用LCU連接。因大壩離廠房較遠(yuǎn)，大壩6套液壓閘門控制系統(tǒng)和7套固定卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)控制系統(tǒng)也采用了MB+網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與大壩LCU聯(lián)系，再經(jīng)由單模光纜送至電站中控室。

3 勵(lì)磁系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)晶閘管靜止勵(lì)磁，微機(jī)型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。勵(lì)磁系統(tǒng)可滿足發(fā)電、準(zhǔn)同期、線路充電和帶線路零起升壓等要求。每套勵(lì)磁系統(tǒng)包括：勵(lì)磁電源變壓器、晶閘管整流裝置、微機(jī)型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、滅磁裝置和過(guò)電壓保護(hù)裝置、直流起勵(lì)裝置等。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器具有兩個(gè)互為冗余的自動(dòng)調(diào)節(jié)通道和一個(gè)手動(dòng)通道，自動(dòng)調(diào)節(jié)為完全的雙通道，每個(gè)通道從輸入到輸出可獨(dú)立工作。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，采用殘壓起勵(lì)。初次起勵(lì)采用直流起勵(lì)并作為備用。勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)逆變滅磁和滅磁開(kāi)關(guān)裝置兩種滅磁方式，機(jī)組正常停機(jī)采用逆變滅磁，事故停機(jī)采用滅磁開(kāi)關(guān)滅磁。在任何需要滅磁的情況下(包括發(fā)電機(jī)空載強(qiáng)勵(lì))都將保證可靠快速滅磁。硅晶閘管整流輸出側(cè)裝設(shè)過(guò)電壓保護(hù)裝置。

本站機(jī)組單機(jī)功率52.75 MW，容量62.06 MVA，同時(shí)要求具有10%的超發(fā)能力。主機(jī)廠家原勵(lì)磁回路額定電流為1 020 A，最大勵(lì)磁電流1 342 A，考慮到非洲的電網(wǎng)特性，勵(lì)磁回路額定電流按1 342 A設(shè)計(jì)。勵(lì)磁系統(tǒng)整流裝置額定電流根據(jù)主機(jī)要求按1 342 A設(shè)計(jì)；因此，曼維萊水電站勵(lì)磁系統(tǒng)可滿足電站各種運(yùn)行工況的要求。

4 繼電保護(hù)系統(tǒng)

繼電保護(hù)系統(tǒng)主要包括發(fā)電機(jī)保護(hù)、主變壓器保護(hù)、225 kV母線保護(hù)和線路保護(hù)等，所有保護(hù)設(shè)備均采用微機(jī)型保護(hù)裝置。本工程保護(hù)系統(tǒng)根據(jù)非洲工程特點(diǎn)并結(jié)合外方工程師意見(jiàn)較國(guó)內(nèi)普通保護(hù)配置有一些差異。

4.1 發(fā)電機(jī)保護(hù)

發(fā)電機(jī)保護(hù)按雙重化配置，采用南瑞繼保有限公司生產(chǎn)的ZD-PCS-985系列微機(jī)成套保護(hù)裝置。發(fā)電機(jī)保護(hù)配置包括：縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)(87G)、橫差保護(hù)(60)、電流記憶低壓過(guò)流保護(hù)(27/51)、100%定子接地保護(hù)(64N)、定子過(guò)壓保護(hù)(59)、失磁保護(hù)(40)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)(51G)、負(fù)序過(guò)電流保護(hù)(46)、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)(64F)、軸電流保護(hù)(96)、電流反向保護(hù)(32)、頻率保護(hù)(81u/o)、過(guò)電壓保護(hù)(59N)、磁極滑動(dòng)保護(hù)(78)、勵(lì)磁變壓器限時(shí)電流速斷保護(hù)(50ET)、勵(lì)磁變壓器過(guò)流保護(hù)(51ET)和勵(lì)磁變壓器溫度保護(hù)(49ET)。保護(hù)裝置通過(guò)通信接口可實(shí)現(xiàn)與機(jī)組LCU的通信。

曼維萊水電站單機(jī)容量為52.75 MW，不同于國(guó)內(nèi)主后備保護(hù)的配置，本工程發(fā)電機(jī)保護(hù)硬件和軟件均采用冗余配置，即配置2套發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置，且每套裝置均具備全部的主后備保護(hù)功能。從保護(hù)功能上，較常規(guī)配置，增設(shè)了電流反向保護(hù)(32)、頻率保護(hù)(81u/o)、低壓側(cè)過(guò)電壓保護(hù)(59N)和磁極滑動(dòng)保護(hù)(78)等。從保護(hù)功能原理上，100%定子接地保護(hù)采用注入式定子接地保護(hù)。

4.2 主變壓器保護(hù)

主變壓器保護(hù)按雙重化配置，包括2套電量保護(hù)和1套非電量保護(hù)，采用南瑞繼保有限公司生產(chǎn)的ZD-PCS-985系列微機(jī)成套保護(hù)裝置。主變壓器保護(hù)配置包括：差動(dòng)保護(hù)(87T)、復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)流保護(hù)(27/51T)、零序過(guò)流保護(hù)(67N)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)(51T)、斷路器失靈(50BF)、過(guò)勵(lì)磁保護(hù)(24T)、零差保護(hù)(64REF)、重瓦斯保護(hù)(95-1)、壓力釋放保護(hù)(63P)、輕瓦斯保護(hù)(95-2)、溫度保護(hù)(49T)、冷卻器故障(30T)和油位保護(hù)(71)。保護(hù)裝置通過(guò)通信接口可實(shí)現(xiàn)與機(jī)組LCU的通信。

對(duì)于主變保護(hù)，增加設(shè)置了零差保護(hù)(64REF)和過(guò)勵(lì)磁保護(hù)(24)。

4.3 225 kV母線保護(hù)

225 kV母線保護(hù)按雙重化配置，采用南瑞繼保有限公司生產(chǎn)的ZD-PCS-915系列微機(jī)成套保護(hù)裝置。母線保護(hù)配置包括：差動(dòng)保護(hù)(87B)、電流速斷保護(hù)(50)、過(guò)電流保護(hù)(51)、零序過(guò)電流保護(hù)(51N)、斷路器失靈(52BF)。

母線保護(hù)為分布式母線保護(hù)裝置，每個(gè)間隔單獨(dú)配置電流采集模塊，所有間隔采集后送入保護(hù)主模塊。

4.4 225 kV線路保護(hù)

225 kV 線路保護(hù)按雙重化配置，最終配置包括：光纖差動(dòng)保護(hù)(A套87L)/高頻距離保護(hù)(B套21/85)、速斷電流保護(hù)(50)、相間距離保護(hù)(21)、過(guò)電流保護(hù)(51)、零序過(guò)電流保護(hù)(51N)、零序方向過(guò)電流保護(hù)(67N)、低電壓保護(hù)(27)、斷路器失靈保護(hù)(50BF)、自動(dòng)重合閘。

線路保護(hù)的設(shè)計(jì)根據(jù)非洲當(dāng)?shù)仉娏Σ块T要求，選用1套光纖差動(dòng)保護(hù)和1套高頻距離保護(hù)。

5 直流系統(tǒng)

根據(jù)電站的建筑物布置，為滿足控制保護(hù)電源要求，本站分設(shè)3套直流電源系統(tǒng)。電站廠房設(shè)置220 V直流電源系統(tǒng)，配置蓄電池2組，容量為600 Ah，共設(shè)2套充電裝置；開(kāi)關(guān)站設(shè)置220 V直流電源系統(tǒng)，配置蓄電池2組，容量為400 Ah，共設(shè)2套充電裝置；大壩設(shè)置220 V直流電源系統(tǒng)，配置蓄電池1組，容量為300 Ah，設(shè)2套充電裝置，并將蓄電池組屏布置。每套直流系統(tǒng)設(shè)備均包括：交流配電單元、整流充電單元、監(jiān)控單元、直流饋電單元、絕緣監(jiān)測(cè)單元、閥控式密封鉛酸蓄電池、電池監(jiān)測(cè)單元等。

6 設(shè)備布置

電氣二次設(shè)備主要布置的機(jī)旁、副廠房及各控制用房?jī)?nèi)。其中，在主廠房發(fā)電機(jī)層各機(jī)組段的兩側(cè)布置有該機(jī)組的機(jī)旁盤，包括：LCU盤、保護(hù)盤、測(cè)量盤、勵(lì)磁盤、調(diào)速器電氣柜等。在副廠房二層，布置有中央控制室、繼電保護(hù)室、通訊設(shè)備及值班室等，中控室布置主服務(wù)器、工程師站、操作員站、火災(zāi)報(bào)警主機(jī)等，繼保室布置網(wǎng)絡(luò)柜、公用LCU、主變保護(hù)柜和直流系統(tǒng)盤柜等；在副廠房一層，設(shè)有蓄電池室和電纜室。

225 kV開(kāi)關(guān)站內(nèi)設(shè)置控制用房，包括二次盤柜室、蓄電池室、通信設(shè)備室等。其中的二次盤柜室布置開(kāi)關(guān)站LCU、母線保護(hù)柜、線路保護(hù)柜、故障錄波盤和直流系統(tǒng)盤柜等。

大壩區(qū)域設(shè)置控制用房，其二次盤柜室內(nèi)布置大壩LCU、大壩直流系統(tǒng)及其蓄電池盤等。

7 結(jié) 語(yǔ)

本工程地處非洲，設(shè)計(jì)者結(jié)合非洲實(shí)際情況，多次和當(dāng)?shù)仉娏Σ块T及各相關(guān)方溝通，有效地解決了和電力系統(tǒng)相關(guān)的問(wèn)題。在和法國(guó)咨詢工程師的溝通中，也考慮了國(guó)外工程師的意見(jiàn)，并應(yīng)用于工程中。目前，機(jī)電設(shè)備安裝已經(jīng)完成。本工程設(shè)計(jì)中的一些特點(diǎn)也可供其他的非洲工程設(shè)計(jì)借鑒。

TV736

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1007-6980(2017)03-0054-03

程曉坤 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

宋連壯 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

馬 飛 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

孫立寧 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

2017-07-03)