巴基斯坦卡洛特水电站电气二次设计研究

熊曼妮 刘月桥

摘要：卡洛特水电站是巴基斯坦境内吉拉姆河规划5个梯级电站的第4级，电站装设4台18万kW（180 MW）水轮发电机组，电站接入系统采用500 kV电压等级。针对卡洛特水电站项目以及巴基斯坦地区的特点，对系统结构、系统配置及系统功能设计等进行简要介绍，说明了设计中不同于中国国内的设计理念，指出了设计中的特点及亮点，能在水电站安全运行中发挥重要作用，可供借鉴。

关键词：电气二次系统;计算机监控系统;继电保护;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：TV741文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.021

文章编号：1006 - 0081（2021）11 - 0092 - 05

0 引 言

电气二次系统是电力系统不可缺少的重要组成部分，它实现了电气系统的联系监视、控制及保护，使电力系统能稳定、安全地运行。计算机监控系统控制着整个电站的运行，是后续运行人机交互最多的系统，继电保护系统在保证电力系统安全运行中起着至关重要的作用。

巴基斯坦卡洛特水电站是吉拉姆（Jhelum）河规划5个梯级电站的第4级，上一级为阿扎德帕坦水电站，下一级为曼格拉水电站，其供电范围为巴基斯坦国家电网。卡洛特电站装设4台水轮发电机组，总装机容量为72万kW（720 MW），采用单元接线方式，将4台发电机-变压器组接至500 kV系统，该系统为3/2接线方式，共有2回500 kV出线。

按照巴基斯坦国家电网现行调度管理体制，卡洛特水电站将由巴基斯坦国家电网调度，对水电站进行安全监视和自动发电控制（AGC），以确保巴基斯坦国家电网可靠、安全、优质及经济地运行。为保证巴基斯坦国家电网安全运行及安全监测，卡洛特水电站的远动信息将送往巴基斯坦国家电网。

本文针对巴基斯坦地区特点，研究了卡洛特水电站电气二次系统中的计算机监控系统及继电保护系统，说明设计中的计算机监控系统及继电保护系统与中国国内不同的设计理念及其设计中的特点及亮点。

1 计算机监控系统

1.1 设计原则

考虑到卡洛特水电站在系统中的地位以及电站厂房型式特点，为保证电站安全可靠、经济运行，提高电站运行和管理的自动化水平，电站监控系统的设计遵循以下原则：

（1）电站按初期“少人值班”，最终“无人值班”（少人值守）的原则设计;

（2）电站采用全计算机监控（不设常规监控），即电站集中监控和现地监控单元均采用计算机监控，并在电站设备的现地设就地监控设施;

（3）计算机监控系统应具有高度可靠、完善的监控功能，良好的开放性，以确保系统的可扩展性和移植性，保护用户的硬、软件投资;

（4）计算机监控系统应具有容错功能，主要环节采用冗余配置;

（5）计算机监控系统采用分层分布式结构，保证系统中任何局部设备的故障均不影响监控系统总体功能的实现;

（6）监控系统中的现地控制单元和各就地控制设施应能独立工作;

（7）机组LCU具有独立于监控系统的水机保护系统;

（8）采取二次系统安全防护措施，提高自身安全防护可靠性;

（9）满足接入系统的要求，设置相应的接口设备。

1.2 监控对象

电站监控系统的主要监控对象为：①4台水轮发电机组及其辅助设备;②4套发电机电压设备;③4台机组进水口闸门;④4台主变压器;⑤500 kV GIS设备;⑥全厂公用设备（包括厂用电、排水及气系统等）;⑦上、下游水位计;⑧泄洪闸门;⑨电站其他设备。

1.3 系统结构

为保证电站计算机监控系统具有较强的时效性、可靠性且可利用率高，满足系统开放性、可扩充性及运行灵活性等方面的要求，实现电站无人值班（少人值守），电站计算机监控系统采用全开放全分布式体系结构。由于该电站500 kV高压电气设备（含主变）与发电机、厂用电等其他电气设备分属巴基斯坦国家电力输电公司不同部门调度管理，因此全站监控系统由电站监控系统（CSCS）和500 kV监控系统（SAS）两部分组成。两个系统均分成主控级和现地控制級两层，全厂实时数据库和历史数据库分别分布在主控级计算机中，监控系统各功能分布在系统的各个节点上，每个节点严格执行指定的任务，并通过网络与其它节点进行通信。电站监控系统（CSCS）结构如图1所示，开关站监控系统（SAS）结构如图2所示。

监控系统采用全开放分层分布式网络结构，系统采用传输速率为1 000 Mbps 的工业以太网结构，系统内各节点全部接入该网络。该网络为双冗余热备。配置2 台工业以太网交换机，分别与每个现地LCU控制拒的2 台工业以太网交换机通过光纤接口连接，形成冗余连接方式，当主用链路出现断点时，在500 ms之内切换到备用链路。

现地控制级按监控对象分布设置现地控制单元。现地控制单元采用现场总线连接远程I/O及现地智能监测设备。现场总线采用开放、通用的协议;传输介质采用光纤。

1.4 系统配置

电站监控系统（CSCS）厂站层主要配置有：4台信息管理服务器，2台操作员工作站，1 台工程师工作站，1 台培训仿真工作站，2 台调度通信工作站，1 台厂内通信服务器，2 台Web数据服务器，2 台Web发布服务器，10台显示器，2套对时时钟装置（GPS和北斗各一套），1 套大屏幕显示系统，2套激光打印机，2台监视终端、UPS电源，1套控制台等。

CSCS现地控制单元节点配置有：4套机组LCU （LCU1-4 ） ，1套公用LCU（LCU5） ，进水口闸门及大坝公用设备LCU （LCU6）等。

开关站监控系统（SAS）厂站层配置有：2台操作员工作站、1台工程师工作站、2台调度通信工作站、2台对时时钟装置（GPS）、2套骨干网络交换机、1套黑白打印机、UPS电源、1套控制台等组成。

SAS现地控制单元（BCU）级按被控对象配置3套开关站间隔单元 （BCU1，BCU2，BCU3）。

BCU负责完成现地被控对象的过程控制，实时采集现地设备的各种信息，进行设备状态监视，完成开关站及线路上各断路器、刀闸的投/切等操作，并与厂站层进行通信。BCU分别配置通信接口，完成与保护系统设备之间的通信。

1.5系統特点

根据巴基斯坦电网调度要求，全站监控系统具有如下特点：

（1）电站监控系统（CSCS）和500 kV监控系统（SAS）相对独立，又相互联系。CSCS主站层两台交换机分别同时经两台规约转换器与SAS主站层两台交换机相互通信。CSCS和SAS 主站层设备可分别同时监视全站信息，但是两个系统的操作员工作站仅能对本辖区的电气设备进行远程控制操作。

（2）机组LCU、公用LCU和进水口闸门及大坝公用设备LCU采用单模光缆以双网结构接入CSCS站控层交换机;发电机保护柜、变压器保护柜内的每台保护装置以及发电机故障录波器的以太网接口与发电机故障录波柜内的交换机经网线连接，信号汇总后经单模光缆接入电站监控系统的通信管理机;发电机故障录波柜内的另一台交换机同样汇总上述装置的信号后经单模光缆接入全厂保护及故障信息管理子站。

（3）500 kV开关站现地控制单元（BCU1～BCU3）采用单模光缆以双网结构接入SAS站控层交换机;开关站共有4块故障录波柜，其中PFR2，PFR3柜分别装设1套交换机，用多模光缆采集开关站所有保护装置和开关站故障录波的信息，汇总后经单模光缆接入SAS站控层的两台交换机，实现网络冗余;PFR4柜装设1套交换机，用多模光缆汇总开关站所有保护装置和开关站故障录波的信息，再经单模光缆接入全厂保护及故障信息管理子站。

（4）数据采集。SAS网络支持IEC-61850 V2协议，可以实时对保护设备及BCU设备的运行状态和运行参数自动进行采集。

（5）与上级调度通信。按照调度要求采用IEC60870-5-104 或IEC60870-5-101规约。

（6）SAS设备对时。支持IEEE-1588 V2对时协议。

（7）系统设备支持IEC 62439-3 PRP通信协议。

2 继电保护系统

2.1 发电机保护

发电机保护按双套保护系统分别组成A，B两面屏柜的原则配置，每面屏柜配置完整的主、后备保护，保护功能完全独立。

（1）发电机保护A柜配置：①纵差保护（87G-A）;②裂相横差保护（87GUP-A）;③横差电流保护（87GN-A）;④定子一点接地保护（64G-A）;⑤定子过电压保护（59G-A）;⑥定子过负荷保护（51G-A）;⑦负序电流保护（46G-A）;⑧失磁保护（40G-A）;⑨发电机后备保护（50/51G-A）;⑩转子一点接地保护（64E-A）;11发电机出口断路器失灵保护（50BF-A）;12误上电保护（60/27G-A）;13失步保护（78-A）;14逆功率保护（32G-A）;15过激磁保护（24G-A）;16轴电流保护（38/51-A）;17励磁变速断保护（50ET-A）;18励磁变过流保护（51ET-A）;19励磁变过负荷保护（51ETL-A）;20TA/TV二次回路断线保护（95-A）。

（2）发电机保护B柜配置：B盘上配置与A盘完全相同的保护，要求及作用对象同A盘，定子一点接地保护、转子一点接地保护、失磁保护采用不同原理实现。

2.2 变压器保护

变压器电气量保护按双套保护配置，分别装于两面保护屏内。每面屏柜配置一套完整的变压器主保护及后备保护，能反映被保护设备的各种故障及异常状态，并能动作于跳闸或发信号。

主变压器及高压厂用变压器的非电量保护单独设置一面保护屏。

（1） 变压器保护A柜配置：①主变压器纵差保护（87T-A）;②主变高阻抗零差保护（87NT-A）;③变压器过激磁保护（24T-A）;④变压器方向过流保护（51/67T-A）;⑤主变压器中性点过流保护（51NT-A）;⑥厂用变压器差动保护（87ST-A）;⑦厂用变压器过电流保护（51ST-A）;⑧厂用变过负荷保护（51STL-A）;⑨TA/TV二次回路断线保护（95 -A）。

（2） 变压器保护B柜配置：发电机保护B柜的保护原理、动作对象和输出信号与A柜中的完全相同。

（3） 变压器保护C柜配置：①主变压器重瓦斯保护（80TH）;②主变压器轻瓦斯保护（80TL）;③主变压器温升保护（49T）;④主变压器压力释放保护（63T）;⑤主变压器冷却器故障保护（54T）;⑥厂用变压器温升保护（49ST）;⑦励磁变压器温升保护（49ET）。

2.3 500 kV系统保护

（1） 500 kV母线保护。每组500 kV母线配置两套不同厂家的微机型差动保护（87B-A、87B-B），两组母线共设置4套。每套母线保护设置一面单独的保护屏柜，保护动作后均瞬时跳开与母线相连接的所有断路器。

（2） 开关间短引线差动保护。在每个主变进线或500 kV出线的两个断路器之间区域分别设置一套短引线差动保护（87S），在进线或出线退出时自动投入运行。

（3） 500 kV断路器保护。500 kV断路器保护主要实现断路器失灵保护功能，同时根据巴基斯坦电网要求，增加了断路器同期合闸期间压差、频差、相角差分别满足同期合闸条件的信号输出功能。每台500 kV断路器设置一面断路器保护柜，边断路器保护则与开关间短引线差动保护共同组屏安装。

（4） 500 kV线路保护。每回500 kV线路配置两套不同厂家的微机型高频距离保护作为主保护，自带距离II段、距离III段作为后备保护，分别独立组盘安装。第一块线路保护柜另配3套独立的过压保护装置分别实现低定值长延时、高定值短延时以及反时限过压保护功能;第二块线路保护柜另配一套反应相间及相地故障的方向过流保护装置作为后备。此外，每块线路保护柜分别配置1套重合闸装置，在线路故障时每套重合闸装置能独立对与线路相连的两个断路器分别进行重合闸操作，在非线路保护动作时，重合闸功能被可靠闭锁。

（5）500 kV電抗器保护。500 kV电抗器配置双重化的差动保护、高阻抗零差保护、过流及接地保护，两套保护分别组盘安装。电抗器回路断路器的失灵保护装在第一块保护盘内，电抗器非电量保护装在第二块保护盘内。

（6）远方跳闸保护。与线路相连的两个断路器失灵保护长延时动作、线路过压保护动作时，经复用载波通道远跳对侧断路器。

（7）故障录波系统。每个发变组单元设置1套故障录波装置，共4套;500 kV系统设置多套西门子的故障录波装置，分别装于4块盘内。整个电站发生故障或振荡的准确时间和电气量的波形以及保护动作信息、断路器状态变化均可以实时得到准确记录。

2.4 保护及故障信息管理系统

卡洛特水电站设置1套保护及故障信息管理系统，对全站所有保护装置和故障录波装置（包括发变组、500 kV开关站等保护及故障录波设备）进行在线管理、监视与维护，并对事故、故障信息进行监视、分析、打印并将信息送至电站计算机监控系统和上级调度部门。

各保护装置及故障录波装置经电口或多模光口与交换机组网后，由交换机经单模光缆与保护及故障信息管理系统联接。保护及故障信息管理系统具有与电站综合自动化系统的数据通讯接口及与上级调度部门的远传通讯接口。

2.5 系统特点

卡洛特水电站继电保护系统的设计遵循巴基斯坦国家电网输配电公司的技术规范《NTDC 500 KV Specification （Final） P 204 2008》，某些方面有别于中国国内的做法，其特点如下：

（1）线路过压保护采用3套相互独立的非线路保护内置的保护装置;

（2）双重化配置的每套线路保护，均要启动两个保护通信接口装置（PLC）将欠范围允许动作信号传到对侧。任一PLC正常工作，都能确保线路两端的保护协同工作;

（3）线路单相故障时，先跳三相而非单相，习惯于三相重合闸;

（4）母线保护具有EFP功能：某串边断路器断开情况下，母线保护所连CT与该断路器之间发生短路故障，EFP仅切除与该边断路器相连的线路或机组，并跳开该串中间断路器。无需断开与母线相连的所有断路器;

（5）变压器或电抗器的非电量保护均启动断路器失灵;

（6）电抗器保护屏配有1套过零点投切装置，实现并联电抗器回路断路器每相正常操作时过零点投切;

（7）双重化配置的保护，每套保护均动作于断路器的双跳线圈;

（8）所有保护动作，均有常闭接点输出闭锁相关断路器的手动合闸;

（9）所有保护柜电流电压、保护动作出口采用TEST BLOCK试验端子盒，取消所有保护及跳闸出口压板;

（10）所有保护盘柜均设直流双电源切换装置;

（11）PT开口引出电压回路设有空开及其常闭接点：一次不接地系统发生单相接地、且PT开口二次回路短接情况下，可避免PT烧损事故;常闭接点引出报警，避免了空开断开时零序电压未引入引起的疏忽。这一条值得国内借鉴推广。

3 结 论

对巴基斯坦而言，卡洛特水电站规模较大，在电网中占据着重要的地位，因此巴方NTDC和工程监理工程师对于涉网二次设备要求极为严格，上述设计方案都是经过多次反复讨论研究形成的。该水电站系统结构更复杂，可靠性更高，值得借鉴。实践表明：该电气二次系统设计对卡洛特水电站安全、可靠、稳定运行发挥了重要的作用。

（编辑：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