水电站直流系统改造及运行稳定性分析

五凌电力有限公司株溪口水电站 谢澍宇 钱 程 刘 禹

1 电厂概况

株溪口电站位于湖南省安化县境内，电站装机容量4×18.5MW，于2008年5月首台机并网发电。电站直流系统在正常运行方式下，为电站监控系统、控制信号、继电保护装置、安全自动装置、断路器操作回路、辅机控制回路等提供稳定持续的直流电源。在异常情况下，如全厂失压，直流系统蓄电池供电维持直流电源。在遭遇电网故障引起全厂失压的情况下，保证继电保护装置可靠动作，监控上位机执行指令，机组GCB可靠断开，保证机组在事故情况下紧急停机，限制事故的发展和扩大。

原直流系统为“两充两馈”结构，分2段运行，由1号整流屏、1号馈电屏、直流联络屏、2号整流屏、2号联络屏、事故照明屏组成。正常运行为分段运行，故障或检修情况下可由其中1段带2段负荷运行，自2008年投运至今，存在设备老化的情况，“两充两馈”结构仍有其局限，电站直流系统安全稳定运行仍有一定的隐患。过分析原直流系统存在如下问题：

直流系统绝缘在线监测装置不满足国家能源局颁布的新版二十五项反措第22.2.3.23.2条要求，绝缘在线监测装置无交流窜直流检测功能。交流为接地系统，如窜入直流系统未及时发现，可能导致继电保护装置中继电器的失灵、误动、拒动，甚至造成直流控制的一次设备误动、拒动，危害电站设备设施安全稳定运行；国家电力行业二十五项反措对直流系统要求，发电站站端直流系统应具备2充1备的条件。目前电站只有两套充电装置，缺少备用充电装置。

直流系统2组蓄电池电压、内阻在线监测装置无电，现有直流监控系统无法监视蓄电池的运行情况，上位机经常误报蓄电池电压低等问题，影响运行人员的监盘，存在较大的不安全隐患；设备使用寿命已到年限。运行十年的直流系统经常误发告警信号、且无法查看报警记录、只能按消音按钮，无法给维护人员提供准确的故障信息，导致很难查找故障原因，存在安全隐患。

高频开关整流器散热风扇易烧坏、使整流柜温度升高，导致电站直流电源不稳无法保证安全自动装置的供电可靠性能；直流系统监控装置时间未同步GPS时钟，且触摸屏无法进行时间设置，与上位机时间差距较大，导致故障查找不便；现在直流220V系统测控装置触摸屏老化不灵敏，导致参数不能设置、触摸屏上信息无法查看。

2 新系统结构配置及相关参数

2.1 改造内容

更换2个直流系统整流充电屏内所有设备，包括高频开关整流器、微机直流监控装置及其相关设备；更换2台母线正、负极绝缘监控装置，以及2个馈电屏内所有负荷测量CT电流互感器，并接入绝缘在线监控装置；增加蓄电池在线监测装置，能够实时监视208个蓄电池的运行电压、内阻情况，集中显示、并与监控系统保持正常通讯；增加1套备用充电整流屏柜，具备2充1备的条件。现有两组蓄电池和整流充电屏分别接在同一段直流母线上，第三套充电装置（备用充电装置〉可在直流系统两段母线之间进行切换，当任一直流母线上的工作充电装置发生故障退运，可将故障充电装置隔离，倒换直流系统运行方式使用备用充电装置。

更换直流系统全部电压表、电流表、直流断路器等，采用高精度浮充电流显示装置；拆、装2个整流屏，对改造后的所有设备进行整体调试，对直流系统Ⅰ段、Ⅱ段蓄电池进行一次充放电试验；更换两段直流蓄电池至中控室馈电屏柜的正负极25mm2的电缆，并作好红、蓝色标；直流系统与上位机监控系统建立通讯，除硬回路报警节点接入监控系统公用开关站外，还应保持串口通讯，项目整体验收。

2.2 改造后设备参数

2.2.1 高频开关整流器

直流控制和保护电源为220V直流系统。分段直流母线各配置一套充电装置，充电装置使用高频开关的充电模块和N+1备份工作方式。高频关整开流器技术参数如下：装置输入三相四线380V±15%，50±2Hz交流电源；输出电压调节范围：180~320V DC连续可调；直流输出额定电压220V；额定容量20A；控制母线额定电压230V；电流调节范围0~100%Ie；均衡充电电压DC245V；稳压精度≤±0.3%；稳流精度≤±0.3%；输出电压纹波系数≤±0.1%；均流不平衡度≤±0.5%；功率因数≥0.95；效率≥0.94；噪声50dB；输入过压保护值485±10VAC；输入欠压保护值300±5VAC；输出过压保护值：受控模式265V±5V，自主模式295±5V；限流值设定范围1~20A；最大输入功率6kVA。

具备稳压限流运行功能：自动整流模块能以设定的电压值或限流值长期对电池组充电带负载运行。当输出电流大于限流值时模块进入稳流运行状态，输出电流小于限流值时应自动进入稳压运行状态。

2.2.2 微机直流测控装置

具有遥测、遥信、遥控、遥调及对蓄电池的智能化管理等功能，满足电力系统无人或少人值守的要求。具有浮充电方式、持续运行和交流电源突然中断的控制程序；对充电模块、充电柜、馈电柜、电池巡检仪、绝缘检测仪等实施数据采集并显示，按其设置数据进行报警、历史数据管理，并能对处理结果加以分析判断，实行电池管理、输出控制和故障信息汇报监控系统。可对各参数进行设定、修改，能实现与后台机通讯；通过RS485实现通讯功能，将各充电模块监控、充电柜、馈电柜监控、电池巡检仪、绝缘监测联为一体，提供接口与电站计算机监控系统通讯。通过对不同监控系统发出数据采集或控制命令，获取参数，实施控制。

电池巡检信息子菜单显示单节最高、最低电压等实时数据；电池温度采用温度探头（环境监测温度探头除外），系统显示温度。当系统没有连接电池温度探头时显示电池温度参数；电池单节电压告警功能，需显示当前该电池组各节电池的电压，每一行各节电池的编号从左到右加1步进递增。当系统存在单体过压、欠压或故障告警时，对应该节告警电池的电压参数显示变为红色；电池单节内阻显示各节电池的内阻，每一行各节电池的编号从左到右加1步进递增。综合比对后产生的落后内阻参数将以红色显示；具备IRIG-B码对时或者分脉冲对时功能。

2.2.3 微机直流绝缘监测装置

通过监测母线对地的漏电流，在线监测直流母线和各分支路绝缘情况；全中文的屏幕液晶显示器（约8寸），正、负母线的电压，接地电阻、准确定位接地回路和接地极性。可根据需要设置母线电压越限值和母线对地电阻的门限值；供电电压180~270V DC，电压测量精度≤1%，接地电阻测量精度≤10%，功率≤20W；对整个直流系统采用分散测量，集中管理的集散模式；监测绝缘信息应满足无须向直流系统中注入任何信号，对直流系统无不良影响。能避免直流系统的对地电容所产生的不良影响。所使用的智能互感器能够抗剩磁影响，可以长期可靠运行。所使用的智能开口CT互感器与装置之间进行数字化通讯，系统抗干扰能力强。

实时采集并显示两段母线、蓄电池出口线路的电压电流信息和绝缘水平，出现异常能够立即告警。电压告警门限和绝缘告警门限值可自由设定，灵活可靠。能够存储大量的告警记录信息和事件记录信息，便于对系统故障原因进行排查；直流充电系统应用采用模块化结构的思路，每部分承担单独的工作，互为备用，不影响其它部分的工作，提高系统的可靠性，同时也使得系统更便于维护管理；开关输入单元集成电路安装布置在内部，使用24V直流电源驱动。能够迅速、及时、稳定、可靠处理故障事件，增强了系统的运行稳定性能性并且方便系统维护和检修。

新型人机交互界面，以及大屏幕点阵式的液晶显示器，能满足全汉字显示，具有分辨率高、窗口式界面化等特点，且界面简洁美观，便于操作和维护；装置需提供RS-232、RS-485多种通讯方式与上位机进行通讯，用户可根据需要选择任何一种通讯方式与后台通讯，大大方便了设备的维护管理；在某些负荷回路出现绝缘降低(绝缘电阻值未达到设定的告警阈值时)，但此时直流母线由于多条负荷回路并联而导致绝缘告警，绝缘在线监测系统能够准确的显示绝缘降低回路的正负母线对地电压电流和绝缘水平情况，便于及时找到故障、消除隐患，方便人员处理。

在出现正负母线和支路平衡接地时，应能准确监测到接地支路的绝缘电阻。可监测正负母线绝缘等值下降及多条支路同时发生一点接地或平衡接地故障；具备交流窜入检测功能。能够查找到寄生支路及两段母线的互联故障；能够检测母线对地电容。具有母线调平功能，能够多机并联运行，能够监测馈线开关的状态，具有自检功能，具有两级报警功能，具有GPS校时功能、B码校时功能。

3 改造后运行情况分析

株溪口电站目前更新后直流系统在3月10号投入运行。装置技术指标合理，各项参数均符合国家标准和电能技术监督的相关要求，从一段时间的运行情况来看，改造后直流系统稳定可靠，操作简便、自动化水平高、日常维护工作减少、直流系统的保护功能齐全，反映故障灵敏、装置动作可靠。

运行可靠性：直流系统将原来的WJY－3000A型绝缘监测装置更换为具有交流窜入检测功能的绝缘监测装置。经试验，当直流绝缘在线监测装置交流窜直流检测功能，能正确预警，对排除安全隐患起了很大的作用；更换了2个直流系统整流充电屏内所有设备，新增3号整流充电屏，“两充一备”结构，当主用整流充电屏出现故障时，3号整流充电屏可替代故障整流充电屏继续工作；新增蓄电池在线监测装置，间隔15分钟巡视一圈蓄电池运行电压、内阻，可通过触摸屏查看各个蓄电池的电压、内阻。

结论：改造后的直流系统性能稳定，自动化水平高，安全可靠灵敏，为提升株溪口电站的安全生产工作和可靠性提供了有力的支撑，保障了机组、主变、线路等控制保护装置和设备设施的可靠安全稳定运行。