喀麦隆曼维莱水电站电气二次设计

2017-11-13程晓坤宋连壮孙立宁

水利水电工程设计 2017年3期

程晓坤宋连壮马飞孙立宁

喀麦隆曼维莱水电站电气二次设计

程晓坤宋连壮马飞孙立宁

曼维莱水电站工程位于喀麦隆共和国南部大区恩特姆省境内，电站为引水径流式，厂房为岸边式地面式，装机4台，单机容量为52.75 MW，总装机容量211 MW。电站以225 kV电压等级接至电网。工程结合非洲实际情况，并考虑了国外咨询工程师的意见，设计和国内的工程实际相比具有一定的特点。

曼维莱水电站计算机监控继电保护

1 工程概况

曼维莱水电站工程位于喀麦隆共和国南部大区恩特姆省境内，电站采用引水径流式。主要建筑物包括拦河坝、主溢洪道及泄洪冲沙闸、辅助溢洪道及渠道进水口、输水明渠、前池及二道坝、压力管道、电站主副厂房、开关站及厂区附属建筑物等。电站为岸边式地面厂房，设计引水流量450 m3/s，总装机容量211 MW，装机4台，多年平均年发电量11.87亿kW·h，保证出力41.9 MW，年利用小时5 626 h。

电站设4台主变压器，容量为70 MVA，发电机与主变压器采用一机一变的单元接线方式，225 kV高压侧采用双母线带母联接线形式。电站以225 kV电压等级接至电力系统，电站自动化水平按无人值班(少人值守)设计。

2 计算机监控系统

本电站计算机监控系统在结构上可分为电站控制级和现地单元控制级两级。电站控制级是电站实时监控中心，主要负责全厂重要机电设备的实时监视和控制，进行全厂的自动化运行(包括AGC、优化运行、AVC等)、历史数据处理、系统管理，以及实现全厂的人机对话功能等。计算机监控系统图见图1，其中站控级主要硬件设备包括：主服务器2套、操作员工作站2套、工程师/培训工作站1套；远动通信服务器1套、厂内通信服务器1套；模拟屏及驱动器 1套；GPS时钟系统1套；彩色打印机1台、黑白打印机1台；上位机不间断电源2套。现地单元控制级主要负责生产过程的实时数据采集和预处理，控制与调节，以及与上位机的通信联络等。设备包括：电站机组现地控制单元(LCU1～4)4套；公用设备现地控制单元(LCU5)1套；开关站现地控制单元(LCU6)1套；大坝现地控制单元(LCU7)1套。现地控制单元为Schneider ModiconUnity Quantum系列冗余控制单元，并配有液晶触摸屏作为人机接口。

图1 计算机监控系统图

计算机监控系统采用双星型光纤工业以太网，100 Mb/s速率。站控级设备与现地LCU设备组成双星型网，每一个现地控制单元接至各自EL0602系列网络交换机，站控级设备均接自网络柜的EL1612交换机。

计算机监控系统设计中，机组LCU备用水车控制回路作为保证电站安全的最后紧急事故停机操作，采用简易PLC建立，反应于机组机械过速、电气过速、调速器拒动和油压装置事故低油压等紧急事故，动作于停机、灭磁、跳出口断路器等。该回路于主回路并行运行，并且所有回路包括电源回路、信号输入回路、跳闸输出回路等完全独立于主回路。相比于以往的继电器回路，简易PLC回路更加灵活，逻辑的使用更加清晰，修改更改方便容易，PLC相较与单独的继电器元件可靠性更高。

辅助设备控制系统主要包括闸门控制系统、电站排水控制系统、中低压压缩空气控制系统、通风空调控制系统和消防水控制系统。辅助设备控制系统均采用以PLC为基础的控制方式，并通过通信接口与LCU通信，重要信号通过硬接线连接。根据工程的布置特点，厂房内辅控系统中排水控制系统和中低压压缩空气控制系统采用MB+现地控制网和继保室公用LCU连接，消防水控制系统通过共用通信系统光纤和公用LCU连接。本站空调控制系统自成一体，作为通风控制系统的一个子系统，通过通信方式和继保室通风集中控制柜连接，通风集中控制柜与公用LCU连接。因大坝离厂房较远，大坝6套液压闸门控制系统和7套固定卷扬启闭机控制系统也采用了MB+网络，通过网络与大坝LCU联系，再经由单模光缆送至电站中控室。

3 励磁系统

发电机励磁系统采用自并励晶闸管静止励磁，微机型励磁调节器。励磁系统可满足发电、准同期、线路充电和带线路零起升压等要求。每套励磁系统包括：励磁电源变压器、晶闸管整流装置、微机型励磁调节器、灭磁装置和过电压保护装置、直流起励装置等。励磁调节器具有两个互为冗余的自动调节通道和一个手动通道，自动调节为完全的双通道，每个通道从输入到输出可独立工作。发电机正常运行时，采用残压起励。初次起励采用直流起励并作为备用。励磁系统设逆变灭磁和灭磁开关装置两种灭磁方式，机组正常停机采用逆变灭磁，事故停机采用灭磁开关灭磁。在任何需要灭磁的情况下(包括发电机空载强励)都将保证可靠快速灭磁。硅晶闸管整流输出侧装设过电压保护装置。

本站机组单机功率52.75 MW，容量62.06 MVA，同时要求具有10%的超发能力。主机厂家原励磁回路额定电流为1 020 A，最大励磁电流1 342 A，考虑到非洲的电网特性，励磁回路额定电流按1 342 A设计。励磁系统整流装置额定电流根据主机要求按1 342 A设计；因此，曼维莱水电站励磁系统可满足电站各种运行工况的要求。

4 继电保护系统

继电保护系统主要包括发电机保护、主变压器保护、225 kV母线保护和线路保护等，所有保护设备均采用微机型保护装置。本工程保护系统根据非洲工程特点并结合外方工程师意见较国内普通保护配置有一些差异。

4.1 发电机保护

发电机保护按双重化配置，采用南瑞继保有限公司生产的ZD-PCS-985系列微机成套保护装置。发电机保护配置包括：纵联差动保护(87G)、横差保护(60)、电流记忆低压过流保护(27/51)、100%定子接地保护(64N)、定子过压保护(59)、失磁保护(40)、过负荷保护(51G)、负序过电流保护(46)、转子一点接地保护(64F)、轴电流保护(96)、电流反向保护(32)、频率保护(81u/o)、过电压保护(59N)、磁极滑动保护(78)、励磁变压器限时电流速断保护(50ET)、励磁变压器过流保护(51ET)和励磁变压器温度保护(49ET)。保护装置通过通信接口可实现与机组LCU的通信。

曼维莱水电站单机容量为52.75 MW，不同于国内主后备保护的配置，本工程发电机保护硬件和软件均采用冗余配置，即配置2套发电机保护装置，且每套装置均具备全部的主后备保护功能。从保护功能上，较常规配置，增设了电流反向保护(32)、频率保护(81u/o)、低压侧过电压保护(59N)和磁极滑动保护(78)等。从保护功能原理上，100%定子接地保护采用注入式定子接地保护。

4.2 主变压器保护

主变压器保护按双重化配置，包括2套电量保护和1套非电量保护，采用南瑞继保有限公司生产的ZD-PCS-985系列微机成套保护装置。主变压器保护配置包括：差动保护(87T)、复合电压启动的过流保护(27/51T)、零序过流保护(67N)、过负荷保护(51T)、断路器失灵(50BF)、过励磁保护(24T)、零差保护(64REF)、重瓦斯保护(95-1)、压力释放保护(63P)、轻瓦斯保护(95-2)、温度保护(49T)、冷却器故障(30T)和油位保护(71)。保护装置通过通信接口可实现与机组LCU的通信。

对于主变保护，增加设置了零差保护(64REF)和过励磁保护(24)。

4.3 225 kV母线保护

225 kV母线保护按双重化配置，采用南瑞继保有限公司生产的ZD-PCS-915系列微机成套保护装置。母线保护配置包括：差动保护(87B)、电流速断保护(50)、过电流保护(51)、零序过电流保护(51N)、断路器失灵(52BF)。

母线保护为分布式母线保护装置，每个间隔单独配置电流采集模块，所有间隔采集后送入保护主模块。

4.4 225 kV线路保护

225 kV 线路保护按双重化配置，最终配置包括：光纤差动保护(A套87L)/高频距离保护(B套21/85)、速断电流保护(50)、相间距离保护(21)、过电流保护(51)、零序过电流保护(51N)、零序方向过电流保护(67N)、低电压保护(27)、断路器失灵保护(50BF)、自动重合闸。

线路保护的设计根据非洲当地电力部门要求，选用1套光纤差动保护和1套高频距离保护。

5 直流系统

根据电站的建筑物布置，为满足控制保护电源要求，本站分设3套直流电源系统。电站厂房设置220 V直流电源系统，配置蓄电池2组，容量为600 Ah，共设2套充电装置；开关站设置220 V直流电源系统，配置蓄电池2组，容量为400 Ah，共设2套充电装置；大坝设置220 V直流电源系统，配置蓄电池1组，容量为300 Ah，设2套充电装置，并将蓄电池组屏布置。每套直流系统设备均包括：交流配电单元、整流充电单元、监控单元、直流馈电单元、绝缘监测单元、阀控式密封铅酸蓄电池、电池监测单元等。

6 设备布置

电气二次设备主要布置的机旁、副厂房及各控制用房内。其中，在主厂房发电机层各机组段的两侧布置有该机组的机旁盘，包括：LCU盘、保护盘、测量盘、励磁盘、调速器电气柜等。在副厂房二层，布置有中央控制室、继电保护室、通讯设备及值班室等，中控室布置主服务器、工程师站、操作员站、火灾报警主机等，继保室布置网络柜、公用LCU、主变保护柜和直流系统盘柜等；在副厂房一层，设有蓄电池室和电缆室。

225 kV开关站内设置控制用房，包括二次盘柜室、蓄电池室、通信设备室等。其中的二次盘柜室布置开关站LCU、母线保护柜、线路保护柜、故障录波盘和直流系统盘柜等。

大坝区域设置控制用房，其二次盘柜室内布置大坝LCU、大坝直流系统及其蓄电池盘等。