熊曼妮 劉月橋

摘要：卡洛特水電站是巴基斯坦境內(nèi)吉拉姆河規(guī)劃5個梯級電站的第4級，電站裝設(shè)4臺18萬kW（180 MW）水輪發(fā)電機組，電站接入系統(tǒng)采用500 kV電壓等級。針對卡洛特水電站項目以及巴基斯坦地區(qū)的特點，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)配置及系統(tǒng)功能設(shè)計等進行簡要介紹，說明了設(shè)計中不同于中國國內(nèi)的設(shè)計理念，指出了設(shè)計中的特點及亮點，能在水電站安全運行中發(fā)揮重要作用，可供借鑒。

關(guān)鍵詞：電氣二次系統(tǒng);計算機監(jiān)控系統(tǒng);繼電保護;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TV741文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.021

文章編號：1006 - 0081（2021）11 - 0092 - 05

0 引 言

電氣二次系統(tǒng)是電力系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，它實現(xiàn)了電氣系統(tǒng)的聯(lián)系監(jiān)視、控制及保護，使電力系統(tǒng)能穩(wěn)定、安全地運行。計算機監(jiān)控系統(tǒng)控制著整個電站的運行，是后續(xù)運行人機交互最多的系統(tǒng)，繼電保護系統(tǒng)在保證電力系統(tǒng)安全運行中起著至關(guān)重要的作用。

巴基斯坦卡洛特水電站是吉拉姆（Jhelum）河規(guī)劃5個梯級電站的第4級，上一級為阿扎德帕坦水電站，下一級為曼格拉水電站，其供電范圍為巴基斯坦國家電網(wǎng)。卡洛特電站裝設(shè)4臺水輪發(fā)電機組，總裝機容量為72萬kW（720 MW），采用單元接線方式，將4臺發(fā)電機-變壓器組接至500 kV系統(tǒng)，該系統(tǒng)為3/2接線方式，共有2回500 kV出線。

按照巴基斯坦國家電網(wǎng)現(xiàn)行調(diào)度管理體制，卡洛特水電站將由巴基斯坦國家電網(wǎng)調(diào)度，對水電站進行安全監(jiān)視和自動發(fā)電控制（AGC），以確保巴基斯坦國家電網(wǎng)可靠、安全、優(yōu)質(zhì)及經(jīng)濟地運行。為保證巴基斯坦國家電網(wǎng)安全運行及安全監(jiān)測，卡洛特水電站的遠動信息將送往巴基斯坦國家電網(wǎng)。

本文針對巴基斯坦地區(qū)特點，研究了卡洛特水電站電氣二次系統(tǒng)中的計算機監(jiān)控系統(tǒng)及繼電保護系統(tǒng)，說明設(shè)計中的計算機監(jiān)控系統(tǒng)及繼電保護系統(tǒng)與中國國內(nèi)不同的設(shè)計理念及其設(shè)計中的特點及亮點。

1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 設(shè)計原則

考慮到卡洛特水電站在系統(tǒng)中的地位以及電站廠房型式特點，為保證電站安全可靠、經(jīng)濟運行，提高電站運行和管理的自動化水平，電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計遵循以下原則：

（1）電站按初期“少人值班”，最終“無人值班”（少人值守）的原則設(shè)計;

（2）電站采用全計算機監(jiān)控（不設(shè)常規(guī)監(jiān)控），即電站集中監(jiān)控和現(xiàn)地監(jiān)控單元均采用計算機監(jiān)控，并在電站設(shè)備的現(xiàn)地設(shè)就地監(jiān)控設(shè)施;

（3）計算機監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有高度可靠、完善的監(jiān)控功能，良好的開放性，以確保系統(tǒng)的可擴展性和移植性，保護用戶的硬、軟件投資;

（4）計算機監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有容錯功能，主要環(huán)節(jié)采用冗余配置;

（5）計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)中任何局部設(shè)備的故障均不影響監(jiān)控系統(tǒng)總體功能的實現(xiàn);

（6）監(jiān)控系統(tǒng)中的現(xiàn)地控制單元和各就地控制設(shè)施應(yīng)能獨立工作;

（7）機組LCU具有獨立于監(jiān)控系統(tǒng)的水機保護系統(tǒng);

（8）采取二次系統(tǒng)安全防護措施，提高自身安全防護可靠性;

（9）滿足接入系統(tǒng)的要求，設(shè)置相應(yīng)的接口設(shè)備。

1.2 監(jiān)控對象

電站監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控對象為：①4臺水輪發(fā)電機組及其輔助設(shè)備;②4套發(fā)電機電壓設(shè)備;③4臺機組進水口閘門;④4臺主變壓器;⑤500 kV GIS設(shè)備;⑥全廠公用設(shè)備（包括廠用電、排水及氣系統(tǒng)等）;⑦上、下游水位計;⑧泄洪閘門;⑨電站其他設(shè)備。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為保證電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有較強的時效性、可靠性且可利用率高，滿足系統(tǒng)開放性、可擴充性及運行靈活性等方面的要求，實現(xiàn)電站無人值班（少人值守），電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用全開放全分布式體系結(jié)構(gòu)。由于該電站500 kV高壓電氣設(shè)備（含主變）與發(fā)電機、廠用電等其他電氣設(shè)備分屬巴基斯坦國家電力輸電公司不同部門調(diào)度管理，因此全站監(jiān)控系統(tǒng)由電站監(jiān)控系統(tǒng)（CSCS）和500 kV監(jiān)控系統(tǒng)（SAS）兩部分組成。兩個系統(tǒng)均分成主控級和現(xiàn)地控制級兩層，全廠實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫分別分布在主控級計算機中，監(jiān)控系統(tǒng)各功能分布在系統(tǒng)的各個節(jié)點上，每個節(jié)點嚴格執(zhí)行指定的任務(wù)，并通過網(wǎng)絡(luò)與其它節(jié)點進行通信。電站監(jiān)控系統(tǒng)（CSCS）結(jié)構(gòu)如圖1所示，開關(guān)站監(jiān)控系統(tǒng)（SAS）結(jié)構(gòu)如圖2所示。

監(jiān)控系統(tǒng)采用全開放分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用傳輸速率為1 000 Mbps 的工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點全部接入該網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)為雙冗余熱備。配置2 臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機，分別與每個現(xiàn)地LCU控制拒的2 臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機通過光纖接口連接，形成冗余連接方式，當(dāng)主用鏈路出現(xiàn)斷點時，在500 ms之內(nèi)切換到備用鏈路。

現(xiàn)地控制級按監(jiān)控對象分布設(shè)置現(xiàn)地控制單元?，F(xiàn)地控制單元采用現(xiàn)場總線連接遠程I/O及現(xiàn)地智能監(jiān)測設(shè)備。現(xiàn)場總線采用開放、通用的協(xié)議;傳輸介質(zhì)采用光纖。

1.4 系統(tǒng)配置

電站監(jiān)控系統(tǒng)（CSCS）廠站層主要配置有：4臺信息管理服務(wù)器，2臺操作員工作站，1 臺工程師工作站，1 臺培訓(xùn)仿真工作站，2 臺調(diào)度通信工作站，1 臺廠內(nèi)通信服務(wù)器，2 臺Web數(shù)據(jù)服務(wù)器，2 臺Web發(fā)布服務(wù)器，10臺顯示器，2套對時時鐘裝置（GPS和北斗各一套），1 套大屏幕顯示系統(tǒng)，2套激光打印機，2臺監(jiān)視終端、UPS電源，1套控制臺等。

CSCS現(xiàn)地控制單元節(jié)點配置有：4套機組LCU （LCU1-4 ） ，1套公用LCU（LCU5） ，進水口閘門及大壩公用設(shè)備LCU （LCU6）等。

開關(guān)站監(jiān)控系統(tǒng)（SAS）廠站層配置有：2臺操作員工作站、1臺工程師工作站、2臺調(diào)度通信工作站、2臺對時時鐘裝置（GPS）、2套骨干網(wǎng)絡(luò)交換機、1套黑白打印機、UPS電源、1套控制臺等組成。

SAS現(xiàn)地控制單元（BCU）級按被控對象配置3套開關(guān)站間隔單元 （BCU1，BCU2，BCU3）。

BCU負責(zé)完成現(xiàn)地被控對象的過程控制，實時采集現(xiàn)地設(shè)備的各種信息，進行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視，完成開關(guān)站及線路上各斷路器、刀閘的投/切等操作，并與廠站層進行通信。BCU分別配置通信接口，完成與保護系統(tǒng)設(shè)備之間的通信。

1.5系統(tǒng)特點

根據(jù)巴基斯坦電網(wǎng)調(diào)度要求，全站監(jiān)控系統(tǒng)具有如下特點：

（1）電站監(jiān)控系統(tǒng)（CSCS）和500 kV監(jiān)控系統(tǒng)（SAS）相對獨立，又相互聯(lián)系。CSCS主站層兩臺交換機分別同時經(jīng)兩臺規(guī)約轉(zhuǎn)換器與SAS主站層兩臺交換機相互通信。CSCS和SAS 主站層設(shè)備可分別同時監(jiān)視全站信息，但是兩個系統(tǒng)的操作員工作站僅能對本轄區(qū)的電氣設(shè)備進行遠程控制操作。

（2）機組LCU、公用LCU和進水口閘門及大壩公用設(shè)備LCU采用單模光纜以雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)接入CSCS站控層交換機;發(fā)電機保護柜、變壓器保護柜內(nèi)的每臺保護裝置以及發(fā)電機故障錄波器的以太網(wǎng)接口與發(fā)電機故障錄波柜內(nèi)的交換機經(jīng)網(wǎng)線連接，信號匯總后經(jīng)單模光纜接入電站監(jiān)控系統(tǒng)的通信管理機;發(fā)電機故障錄波柜內(nèi)的另一臺交換機同樣匯總上述裝置的信號后經(jīng)單模光纜接入全廠保護及故障信息管理子站。

（3）500 kV開關(guān)站現(xiàn)地控制單元（BCU1～BCU3）采用單模光纜以雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)接入SAS站控層交換機;開關(guān)站共有4塊故障錄波柜，其中PFR2，PFR3柜分別裝設(shè)1套交換機，用多模光纜采集開關(guān)站所有保護裝置和開關(guān)站故障錄波的信息，匯總后經(jīng)單模光纜接入SAS站控層的兩臺交換機，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余;PFR4柜裝設(shè)1套交換機，用多模光纜匯總開關(guān)站所有保護裝置和開關(guān)站故障錄波的信息，再經(jīng)單模光纜接入全廠保護及故障信息管理子站。

（4）數(shù)據(jù)采集。SAS網(wǎng)絡(luò)支持IEC-61850 V2協(xié)議，可以實時對保護設(shè)備及BCU設(shè)備的運行狀態(tài)和運行參數(shù)自動進行采集。

（5）與上級調(diào)度通信。按照調(diào)度要求采用IEC60870-5-104 或IEC60870-5-101規(guī)約。

（6）SAS設(shè)備對時。支持IEEE-1588 V2對時協(xié)議。

（7）系統(tǒng)設(shè)備支持IEC 62439-3 PRP通信協(xié)議。

2 繼電保護系統(tǒng)

2.1 發(fā)電機保護

發(fā)電機保護按雙套保護系統(tǒng)分別組成A，B兩面屏柜的原則配置，每面屏柜配置完整的主、后備保護，保護功能完全獨立。

（1）發(fā)電機保護A柜配置：①縱差保護（87G-A）;②裂相橫差保護（87GUP-A）;③橫差電流保護（87GN-A）;④定子一點接地保護（64G-A）;⑤定子過電壓保護（59G-A）;⑥定子過負荷保護（51G-A）;⑦負序電流保護（46G-A）;⑧失磁保護（40G-A）;⑨發(fā)電機后備保護（50/51G-A）;⑩轉(zhuǎn)子一點接地保護（64E-A）;11發(fā)電機出口斷路器失靈保護（50BF-A）;12誤上電保護（60/27G-A）;13失步保護（78-A）;14逆功率保護（32G-A）;15過激磁保護（24G-A）;16軸電流保護（38/51-A）;17勵磁變速斷保護（50ET-A）;18勵磁變過流保護（51ET-A）;19勵磁變過負荷保護（51ETL-A）;20TA/TV二次回路斷線保護（95-A）。

（2）發(fā)電機保護B柜配置：B盤上配置與A盤完全相同的保護，要求及作用對象同A盤，定子一點接地保護、轉(zhuǎn)子一點接地保護、失磁保護采用不同原理實現(xiàn)。

2.2 變壓器保護

變壓器電氣量保護按雙套保護配置，分別裝于兩面保護屏內(nèi)。每面屏柜配置一套完整的變壓器主保護及后備保護，能反映被保護設(shè)備的各種故障及異常狀態(tài)，并能動作于跳閘或發(fā)信號。

主變壓器及高壓廠用變壓器的非電量保護單獨設(shè)置一面保護屏。

（1） 變壓器保護A柜配置：①主變壓器縱差保護（87T-A）;②主變高阻抗零差保護（87NT-A）;③變壓器過激磁保護（24T-A）;④變壓器方向過流保護（51/67T-A）;⑤主變壓器中性點過流保護（51NT-A）;⑥廠用變壓器差動保護（87ST-A）;⑦廠用變壓器過電流保護（51ST-A）;⑧廠用變過負荷保護（51STL-A）;⑨TA/TV二次回路斷線保護（95 -A）。

（2） 變壓器保護B柜配置：發(fā)電機保護B柜的保護原理、動作對象和輸出信號與A柜中的完全相同。

（3） 變壓器保護C柜配置：①主變壓器重瓦斯保護（80TH）;②主變壓器輕瓦斯保護（80TL）;③主變壓器溫升保護（49T）;④主變壓器壓力釋放保護（63T）;⑤主變壓器冷卻器故障保護（54T）;⑥廠用變壓器溫升保護（49ST）;⑦勵磁變壓器溫升保護（49ET）。

2.3 500 kV系統(tǒng)保護

（1） 500 kV母線保護。每組500 kV母線配置兩套不同廠家的微機型差動保護（87B-A、87B-B），兩組母線共設(shè)置4套。每套母線保護設(shè)置一面單獨的保護屏柜，保護動作后均瞬時跳開與母線相連接的所有斷路器。

（2） 開關(guān)間短引線差動保護。在每個主變進線或500 kV出線的兩個斷路器之間區(qū)域分別設(shè)置一套短引線差動保護（87S），在進線或出線退出時自動投入運行。

（3） 500 kV斷路器保護。500 kV斷路器保護主要實現(xiàn)斷路器失靈保護功能，同時根據(jù)巴基斯坦電網(wǎng)要求，增加了斷路器同期合閘期間壓差、頻差、相角差分別滿足同期合閘條件的信號輸出功能。每臺500 kV斷路器設(shè)置一面斷路器保護柜，邊斷路器保護則與開關(guān)間短引線差動保護共同組屏安裝。

（4） 500 kV線路保護。每回500 kV線路配置兩套不同廠家的微機型高頻距離保護作為主保護，自帶距離II段、距離III段作為后備保護，分別獨立組盤安裝。第一塊線路保護柜另配3套獨立的過壓保護裝置分別實現(xiàn)低定值長延時、高定值短延時以及反時限過壓保護功能;第二塊線路保護柜另配一套反應(yīng)相間及相地故障的方向過流保護裝置作為后備。此外，每塊線路保護柜分別配置1套重合閘裝置，在線路故障時每套重合閘裝置能獨立對與線路相連的兩個斷路器分別進行重合閘操作，在非線路保護動作時，重合閘功能被可靠閉鎖。

（5）500 kV電抗器保護。500 kV電抗器配置雙重化的差動保護、高阻抗零差保護、過流及接地保護，兩套保護分別組盤安裝。電抗器回路斷路器的失靈保護裝在第一塊保護盤內(nèi)，電抗器非電量保護裝在第二塊保護盤內(nèi)。

（6）遠方跳閘保護。與線路相連的兩個斷路器失靈保護長延時動作、線路過壓保護動作時，經(jīng)復(fù)用載波通道遠跳對側(cè)斷路器。

（7）故障錄波系統(tǒng)。每個發(fā)變組單元設(shè)置1套故障錄波裝置，共4套;500 kV系統(tǒng)設(shè)置多套西門子的故障錄波裝置，分別裝于4塊盤內(nèi)。整個電站發(fā)生故障或振蕩的準(zhǔn)確時間和電氣量的波形以及保護動作信息、斷路器狀態(tài)變化均可以實時得到準(zhǔn)確記錄。

2.4 保護及故障信息管理系統(tǒng)

卡洛特水電站設(shè)置1套保護及故障信息管理系統(tǒng)，對全站所有保護裝置和故障錄波裝置（包括發(fā)變組、500 kV開關(guān)站等保護及故障錄波設(shè)備）進行在線管理、監(jiān)視與維護，并對事故、故障信息進行監(jiān)視、分析、打印并將信息送至電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)和上級調(diào)度部門。

各保護裝置及故障錄波裝置經(jīng)電口或多模光口與交換機組網(wǎng)后，由交換機經(jīng)單模光纜與保護及故障信息管理系統(tǒng)聯(lián)接。保護及故障信息管理系統(tǒng)具有與電站綜合自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊接口及與上級調(diào)度部門的遠傳通訊接口。

2.5 系統(tǒng)特點

卡洛特水電站繼電保護系統(tǒng)的設(shè)計遵循巴基斯坦國家電網(wǎng)輸配電公司的技術(shù)規(guī)范《NTDC 500 KV Specification （Final） P 204 2008》，某些方面有別于中國國內(nèi)的做法，其特點如下：

（1）線路過壓保護采用3套相互獨立的非線路保護內(nèi)置的保護裝置;

（2）雙重化配置的每套線路保護，均要啟動兩個保護通信接口裝置（PLC）將欠范圍允許動作信號傳到對側(cè)。任一PLC正常工作，都能確保線路兩端的保護協(xié)同工作;

（3）線路單相故障時，先跳三相而非單相，習(xí)慣于三相重合閘;

（4）母線保護具有EFP功能：某串邊斷路器斷開情況下，母線保護所連CT與該斷路器之間發(fā)生短路故障，EFP僅切除與該邊斷路器相連的線路或機組，并跳開該串中間斷路器。無需斷開與母線相連的所有斷路器;

（5）變壓器或電抗器的非電量保護均啟動斷路器失靈;

（6）電抗器保護屏配有1套過零點投切裝置，實現(xiàn)并聯(lián)電抗器回路斷路器每相正常操作時過零點投切;

（7）雙重化配置的保護，每套保護均動作于斷路器的雙跳線圈;

（8）所有保護動作，均有常閉接點輸出閉鎖相關(guān)斷路器的手動合閘;

（9）所有保護柜電流電壓、保護動作出口采用TEST BLOCK試驗端子盒，取消所有保護及跳閘出口壓板;

（10）所有保護盤柜均設(shè)直流雙電源切換裝置;

（11）PT開口引出電壓回路設(shè)有空開及其常閉接點：一次不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地、且PT開口二次回路短接情況下，可避免PT燒損事故;常閉接點引出報警，避免了空開斷開時零序電壓未引入引起的疏忽。這一條值得國內(nèi)借鑒推廣。

3 結(jié) 論

對巴基斯坦而言，卡洛特水電站規(guī)模較大，在電網(wǎng)中占據(jù)著重要的地位，因此巴方NTDC和工程監(jiān)理工程師對于涉網(wǎng)二次設(shè)備要求極為嚴格，上述設(shè)計方案都是經(jīng)過多次反復(fù)討論研究形成的。該水電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，可靠性更高，值得借鑒。實踐表明：該電氣二次系統(tǒng)設(shè)計對卡洛特水電站安全、可靠、穩(wěn)定運行發(fā)揮了重要的作用。

（編輯：李 晗）

Study on electric secondary design of Karot hydropower Station

XIONG Manni，LIU Yueqiao

（Changjiang Survey，Planning， Design and Research Co.，Ltd.， Wuhan 430010，China）

Abstract：Karot hydropower station is the fourth cascade of planned five power stations on the Jhelum River in Pakistan.The power station is equipped with four 18×104 kW （180 MW） hydrogenerator sets， and the power station access system adopts 500 kV voltage grade.According to the characteristics of Karot Hydropower station and Pakistan， this paper briefly introduces the system structure， system configuration and system function design， explains the design concept different from the domestic design， and points out the characteristics and highlights of the design， which can play an important role in the safe operation of hydropower station and can be used as a reference.

Key words： electric secondary system; computer monitoring and control system; relay protection system;Karot Hydropower Station; Pakistan