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直流系统自动化要求及应用研究

  1、概述

  随着计算机及其网络技术的不断发展和日趋成熟,计算机监控已在发电厂和变电所中广泛应用,使发电厂和变电所的控制、保护、测量、信号系统从产品结构到系统设计都发生了根本的改变,这些系统引入了一种全新的、高度集成、高度智能化的模式,也对发电厂和变电所的辅助系统的自动化水平提出了新的要求。

  直流系统,作为发电厂、变电所的重要电源,直接影响发电厂和变电所的系统和设备的安全、可靠运行及整体自动化水平。随着发电厂、变电所自动化水平的不断提高,直流系统自动化水平的提高也提到议事日程。新产品、新技术逐步在直流系统中广泛应用,使新型直流系统较传统直流系统从设备配置到系统构成上均发生了很大的变化:

  (1)阀控式铅酸蓄电池的广泛采用,逐步取代固定式铅酸蓄电池和镍镉电池;

  (2)直流系统充电装置逐步由高频开关电源取代硅整流装置;

  (3)智能式直流断路器大量采用,优化了传统刀熔开关的保护和控制性能,使直流系。统的远方控制成为可能;

  (4)蓄电池管理装置的使用;将蓄电池与充电装置特性密切配合,并实现了蓄电池的远程在线监视;

  (5)直流监控系统的引入,将直流系统各装置和元件从控制和监视的角度集成化、智能化,使直流系统远程控制和监视成为可能。

  本文结合现行直流系统自动化水平概况,针对变电所采用计算机监控和发电厂电气纳入DCS监控时对直流系统自动化水平的要求,对直流系统自动化水平及其实施进行探讨。

  2、直流系统成套装置自动化水平

  目前,应用于发电厂、变电所的直流系统均可配备蓄电池管理、绝缘监察、充电器监控三种微机自动监控装置,由其构成以充电器监控装置为核心的直流监控系统,采用分层集散式结构,共同完成对直流系统及其设备的远方和就地监控。

  2.1直流监控系统功能

  2.1.I蓄电池管理装置:

  (1)在线蓄电池的运行工况,检测蓄电池状态参数,计算蓄电池充、放电容量和内阻;

  (2)根据蓄电池的端电压、电池电流和环境温度的变化,自动选择均充、浮充、恒压、恒流充电方式,并对浮充电进行温度补偿,防止电池出现欠充或过充,保持电池始终处于满容量状态;

  (3)装置自检、自调试功能;

  (4)信号远传、远端计算机遥控接口。

  蓄电池管理功能可采用独立装置实现,也可由直流监控系统完成。

  2.1.2绝缘监察装置:

  (1)长期监测直流系统电压和绝缘水平;

  (2)显示正、负母线对地电压;

  (3)显示直流母线电压,高低值越限报警;

  (4)显示正、负母线对地电阻,低值越限报警;

  (5)循环检测各直流支路绝缘,显示各支路绝缘电阻,低值越限报警;

  (6)装置自检、自调试功能;

  (7)信号远传、远端计算机遥控接口。

  2.1.3充电器监控装置:

  充电器监控装置又称微机监控单元或微机控制单元,是直流系统监控的核心,包括充电装置监控和直流系统监控两部分功能。

  (1)监视功能:

  (a)监视三相交流输入值及其是否缺相;

  (b)监视直流母线的电压值;

  (c)监视蓄电池进线、充电进线和浮充电的电流;

  (d)监视直流系统断路器的状态。

  (2)控制功能:

  (a)自动充电功能:

  微机监控单元能控制充电装置自动进行恒流限压充电恒压充电浮充电进入正常运行状态;

  (b)定期充电功能:

  根据整定时间,控制充电装置定期自动地对蓄电池进行均衡充电,确保蓄电池组随时具有额定容量。

  (3)自诊断和显示功能:

  (a)诊断装置内部故障和不正常的运行状态,发出声光报警;

  (b)显示各种运行参数,通过整定输入键,可以整定或修改各种运行参数。

  (4)远传功能:

  监控器通过通信接口对充电模块、充电柜、馈电柜、蓄电池管理装置、绝缘监测装置等下级智能设备实施数据采集,加以显示;同时通过RS--232、RS--485/RS--422或MODEM接口与上位机通信,远传以下信息,实现直流系统的四遥功能:

  (a)遥测:系统母线电压、负载总电流;电池电压、电池充放电电流;交流输入电压;充电装置(各充电模块)输出电压、输出电流;母线对地绝缘电阻等。

  (b)遥信:直流系统各回路断路器状态;蓄电池充电电流过大;蓄电池欠压、过压;交流失压、缺相;交流电压异常;直流母线电压异常;直流母线对地电阻;充电装置故障;绝缘监测装置故障;蓄电池管理装置故障等等。

  (c)遥控:充电模块开启、关停控制;充电模块均/浮充转换控制。

  (d)遥调:充电模块输出电流无级限流控制(根据监控器的命令,在10%一100%范围内调节充电模块输出电流限流点);充电模块输出电压调节控制(根据监控器的命令,调节充电模块输出电压的大小)。

  由上可见,充电器监控装置是直流监控系统的核心,由其监控模块汇集直流系统各装置和元件的各种数据、工作状态,通过整理、分析,实现对直流系统以及蓄电池充放电的全自动监控,并将相关信息远传。目前,充电器监控装置大都配有人机接口设备,运行人员可通过其显示屏、下拉式菜单提示,将直流系统的运行参数、运行状态、故障信号显示,通过键盘对系统相关参数及直流系统远方/就地控制方式进行设置,通过其通信接口将所需信息上传下送。

  2.2直流监控系统产品结构

  随着直流系统自动化水平的提高,直流系统设备间的联系愈加紧密,直流系统设备的选择与供货已向成套设备发展。特别是高频开关电源充电模块和阀控式铅酸蓄电池的广泛应用,以及直流监控系统的引入,使直流系统的成套供货成为必然趋势。直流系统生产厂家也顺应市场需求,从原来提供单个直流系统设备的厂家,逐步发展成为直流电源成套厂家,如原来只生产充电装置的厂家,现在能提供成套直流设备(也可包括蓄电池)。

  直流监控系统主要由蓄电池管理、绝缘监察、充电器监控三部分构成,由充电器厂家成套供货。监控系统可具备常规蓄电池管理和母线绝缘监察功能,专用的绝缘监察装置和蓄电池管理装置也可为外购产品,经通信接口与充电器监控器相连,实现直流系统的协调监控。充电器监控装置为监控系统的核心,具备完整的人机接口和通信接口,完成直流系统的就地和远方监控功能。其基本原理框图见图1所示。

  2.3直流监控系统产品自动化水平

  各直流系统设备成套厂家充分利用微机技术和网络技术,研究开发了满足发电厂、变电所各种自动化水平需求的产品。目前,常用的直流监控系统设备及其自动化水平见表1。

  由上表可见,直流系统的监控似乎是随高频开关电源充电模块的应用和发展而发展的,而且其供电系统的自动化水平已趋于完善和成熟。

  3、直流系统自动水平应用现状

  目前,绝大部分新设计变电所均采用了计算机监控系统,取消了硬接线及其常规控制屏;大型火力发电厂的电气系统纳入DCS控制,部分老厂(所)也在逐步进行控制系统改造。我院近期设计的所有变电所,不论是110kV及以下的无人值班变电所,还是220kV和500kV枢纽变电所,都采用了计算机监控系统,取消了硬接线(操动机构部分仍采用硬接线)。我院正在设计的单机容量为300MW和600MW的燃煤火力发电厂,也采用了DCS控制模式,除保留了安全停机必须的少量电气硬接线外,所有集控室电气设备和系统均纳入DCS控制。独立设置的电气保护和自动装置也经通信接口与计算机监控系统或DCS相连。对于采用计算机监控系统的变电所和电气纳入DCS控制的发电厂,其直流系统均采用了智能型监控装置,具有完善的就地微机集中监控功能和远程监控接口,能经通信接口与计算机监控系统或DCS相连。

  3.1发电厂直流系统自动化水平

  考虑到发电厂均采用有人值班方式,而发电厂的直流系统大都布置在单元控制楼内,所以,无论发电厂的电气系统采用何种控制方式,其直流系统的监控主要在于其接地监控功能的强化和直流系统本身控制水平的提高,而未对其远方监控(即DCS监控)提出要求。直流系统与DCS之间无论是通过硬接线还是通过通信接口连接,均只单向由直流系统向DGS传输重要测量和报警信号,如:直流母线电压、充电电流、蓄电池电压、馈线断路器断开(熔断器熔断)、充电装置故障、主回路故障等等。

  3.2变电所直流系统自动化水平

  由于变电所计算机监控系统的监控对象就是电气系统,而直流系统又是变电所很重要的组成部分,故变电所直流系统作为一个完整和独立的智能系统与计算机监控系统经通信接口可靠连接,在变电所计算机监控系统操作员站或远方控制终端上,可完成直流系统就地监控模块所能完成的全部监控功能。

  目前,我院正在设计或已经投运的变电所的计算机监控系统对直流系统采用如下监控模式:

  (1)直流系统经通信接口(通常为RS232或RS485)直接接入计算机监控系统的公用接口单元,通过公用接口单元直接与计算机监控系统站控层网络相连;

  (2)计算机监控系统显示直流系统主回路画面,通过人机接口监视直流系统参数和运行状态;

  (3)运行人员通过人机接口可对充电装置参数进行遥调;

  (4)直流系统重要设备和装置的故障状态监视;

  (5)对于无人值班变电所,直流系统信息可通过计算机监控系统的RTU接口或监控终端送至中心控制室或调度端,实现直流系统的遥测、遥信。

  4、直流系统远程监控自动化要求

  如前所述,采用高频开关电源或相控式充电装置的直流系统成套设备的自动化水平已发展到较高程度,不论发电厂、变电所采用何种控制模式,其直流系统供电设备和系统的就地监控功能均已软件化、集成化、自动化,并具备了远程控制条件。目前,直流供电系统及及其设备的就地微机监控已大量应用,使用良好;远程监控在变电所也逐步推广,已成趋势,然而,对直流系统的远程监控自动化还需提出如下的具体要求。

  4.1馈电系统自动化

  直流系统的供电方式大都采用全辐射方式或辐射加局域环网供电方式,对小规模的变电所,一般从直流馈电屏直接向负荷供电;对发电厂或大型变电所,大都采用直流主屏分屏供电方式。考虑到直流电源对用电设备的重要性,直流分屏或重要直流负荷均采用双路供电方式,两路电源取自不同母线段。

  4.1.1馈电系统自动化的必要性

  馈电系统是直流系统必不可少的重要组成部分,是直流系统向直流负荷供电的通道,是直流供电系统连接直流负荷的桥梁,因此,馈电系统自动化水平的高低,直接影响直流系统整体自动化水平与发电厂、变电所运行的可靠性。馈电系统的自动化主要为双回馈电电源的自动切换、馈电回路状态监视和事故告警三个方面。馈电回路分为直流主屏与分屏间的联络回路和至负荷的馈电回路。

  对于发电厂和220kV及以上变电所,由于其采用有人或少人值班方式,加之其直流系统规模较大,馈线回路众多,故DCS或计算机监控系统没必要对整个直流系统进行动态画面显示和事故告警,但应有主回路动态画面显示和主回路故障告警(主回路应包括至直流分屏馈线回路、直流油泵供电回路、蓄电池及充电装置回路),至直流分屏的双电源自动切换及馈线回路总告警信号。对无人值班的变电所,其直流系统规模较小,值班人员离现场较远,可考虑计算机监控系统对整个直流系统远程监控的可能性。

  4.1.2馈电系统自动化的可行性随着直流断路器的国产化,它已大量在直流系统中应用,使直流系统的保护特性相对于熔断器更稳定、完善和可靠,同时,随着直流断路器电动操作结构的诞生,使直流系统的远程控制成为可能。

  (1)主屏与分屏间的联络线的自动切换

  在主屏和分屏侧分别装设配备电动操作结构的断路器,主屏侧断路器配失压脱扣器,分屏侧断路器不配失压脱扣,则先跳本回路分屏侧断路器,自投另一回路主屏侧和分屏侧断路器。此控制功能可通过直流系统的监控模块实现。

  当分屏直流母线故障时,分屏侧断路器动作,主屏侧断路器不动作,此时不进行电源切换,避免了分屏母线故障的自投可能引起的故障扩大;当只有主屏侧断路器动作时,则有可能是主屏母线失电,或联络馈线故障,则先跳故障回路分屏侧断路器,切开故障馈线,再通过自投自动恢复分屏母线供电。

  主分屏联络馈线的上述自动切换方式,既简单又安全可靠,特别是对直流分屏分散设置的发电厂和变电所,可减轻运行人员的劳动强度,提高直流供电的可靠性。

  (2)直流系统断路器的远方控制和动态画面显示

  由于各直流用电回路都有完善的电源监视手段,故对有人值班的变电所和发电厂,考虑到其直流馈线较多,全部进入将影响直流微机监控模块、计算机监控系统或DCS系统的容量配置,因此,直接至负荷的直流馈线无必要进行远方控制和动态画面显示。而对无人值班变电所,一般直流系统的规模较小,不会对监控系统容量配置造成大的影响,而且控制地点离变电所现场较远,就地控制需要较长时间。因此,对无人值班变电所,可视系统规模、控制地点远近,对重要或全部馈线进行远方控制,对整个直流系统进行动态画面显示,以提高直流系统的运行水平。

  当然,对于直流主回路,由于直流系统的监控模块已考虑了其监控容量,而主回路的监控点数不会影响监控系统或DCS的容量,故直流主回路应在监控系统或DCS进行监控,其画面显示方式可与厂用电系统相类似。

  (3)事故报警

  馈线事故报警的内容主要包括馈线绝缘降低和馈线开关跳闸。由于直流断路器大都采用热磁式保护脱扣器,无保护动作信号输出。事故报警信号应用与远方监控对象一一对应,对于远方一对一监控的馈线,其报警信号应一对一发出,以利于运行人员对监控对象进行事故判断。

  对于馈线绝缘降低信号,可经直流监控模块绝缘监察装置间的通信接口输出,各馈线断路器跳闸信号,也即断路器跳闸位置信号,可经断路器辅助触点送出。

  4.2直流系统与计算机监控系统或DCS的接口方式

  直流系统的监控模块均配有RS232、RS485或MODEM接口,完成直流系统的上下级通信。对变电所,直流系统通过公用接口单元直接与监控系统站控层网络相连;对发电厂,直流系统仅通过硬接线向DCS传送几个重要的报警信号。直流系统到底采用何种方式与计算机监控系统或DCS相连比较合适呢?

  4.2.1有人值班变电所接口方式

  有人值班变电所大都为220kV及以上枢纽变电所,其规模较大,一般采用分层分布式计算机监控系统,间隔层设备及直流分屏分散放置于就地继电小室内,直流主屏可根据具体情况放置于主控制楼或就地继电小室。对于这类变电所,计算机监控系统只对直流主回路及至分屏的联络线进行监控,直流监控系统与计算机监控系统间的信息传输量至多在134点左右,其中报警量约14点,断路器位置信号约64点,模拟信号约6点,控制调节信号约50点。

  变电所计算机监控系统的站控层采用以太网,与直流监控模块的RS232或RS485接口间不能直接通信,目前,计算机监控系统对这类独立设置的智能装置设置有公用接口单元,直流监控系统通过公用接口单元与站控层网络相连。

  考虑到RS232接口传输距离(一般为100m)和传输方式(电子传输)的缺陷,直流监控系统应采用RS485或RS422接口。

  当然,若直流监控系统自行配置通信管理装置,完成与以太网的通信功能,则直流系统可直接与站控层网络相连。

  4.2.2无人值班变电所接口方式

  这类变电所大都为110kV及以下城网变电所,其计算机监控方式分为两类;第一类为目前新建变电所,其计算机监控系统采用综合自动化系统;第二类为老所改造项目,其计算机监控大都在原RTU装置上扩展控制功能。

  无人值班变电所的显著特点为运行人员远离设备现场,对现场设备采用远程监控方式。这类变电所的规模普遍较小,现场设备多采用集中放置方式。如前所述,这类变电所的直流系统规模也较小,宜采用全部远程监控方式。

  对于新建的采用综合自动化系统的变电所,其直流系统与计算机监控系统的接口方式与有人值班变电所一致。对采用原RTU改造的监控系统,若RTU系统的遥测、遥信、遥控接口装置有足够的容量,其主机有与直流监控系统连接的通信接口,则直流监控系统可直接与RTU主机通信;若RTU主机无接口,或连接困难,则直流系统可采用MODEM方式,通过电话线路实现四遥功能。

 

 4.2.3发电厂接口方式

  对于采用DCS控制的发电厂,其直流系统按机组设置,直流系统应与单元机组DCS连接。如前所述,发电厂直流系统的主回路应纳入DCS监控,因此,直流系统应通过通信接口与DCS相连,而不是硬接线。

  电气纳入DCS控制后,控制回路用直流电源由UPS电源取代,直流系统的供电范围主要为电气继电器室内的保护和自动装置、高低压配电装置室内的操作回路、直流油泵、事故照明、以及其它零星电源。

  蓄电池及直流系统主屏大都放置在单元控制楼零米或中二层,高压厂用配电装置一般放置在汽机房,低压厂用配电装置视具体情况放置在汽机房或单元控制楼内。直流系统一般采用主屏分屏供电方式,在电气继电器室、高压厂用配电装置室设有直流分屏,对低压厂用配电装置,视其布置地点和直流用电情况设或不设直流分屏。

  从直流系统供电范围、直流及电气设备布置位置、以及直流分屏的设置可知,发电机和主变压器或发电机一变压器组控制单元和单元厂用电控制单元内设备是直流系统的主要供电对象,也即直流系统与发电机和主变压器或发电机一变压器组控制单元和单元厂用电控制单元有密切联系。因此,直流系统与DCS之间可采用如下连接方式:

  (1)方式一:通过单元厂用电控制单元的配网综合自动化系统与单元机组DCS网络相连;

  (2)方式二:通过直流监控系统的通信接口管理机直接与单元机组DCS网络相连;

  方式二是直流系统纳入DCS监控最直接、最可靠的一种方式。但需要直流系统成套设备厂家提供通信接口管理机,完成直流监控系统与DCS之间的通信规约转换,同时会增加DCS网络上接口数量。

  对方式一,由于配网综合自动化系统可以配置有通信接口管理机,用于对厂用配电系统进行就地集中监控、完成配电系统综合测控装置的RS232或RS485接口与上位机连接的通信规约转换,故直流监控系统可直接与其通信管理机相连。再者,厂用配电系统对电厂的重要性高于直流系统,直流系统通过单元厂用电控制单元与DCS相连并不降低其监控可靠性。因此,就目前电气纳入DCS控制模式看,直流系统通过单元厂用电控制单元进入DCS监控是简单而行之有效的方式。

  上述直流系统纳入DCS控制的上述模式是在现有设备及控制水平前提下的方式。随着控制系统和设备技术的发展,直流系统纳入DCS的控制方式也将随之发生变化。

  5、结束语

  直流系统,作为发电厂、变电所的控制电源系统,对发电厂、变电所安全可靠运行、以及控制水平的提高的重要性不容质疑。直流系统应纳入变电所计算机或发电厂DCS监控,并推荐采用如下方式:

  (1)对无人值班变电气,宜将整个直流系统纳入计算机监控系统进行远程监控;

  (2)对有人或少人值班变电所和发电厂,应将直流主回路纳入计算机监控系统或DCS监控;

  (3)变电所直流系统应直接与站控层网络相连,发电厂直流系统宜通过单元厂用配电装置配网综合自动化系统与单元机组DCS网络相连,也可直接与单元机组DCS网络相连。

  为适应直流系统的计算机或DCS监控,直流系统应完善其监控模块性能和数据处理能力、直流断路器的遥控性能和保护性能,直流监控模块应具有可靠的与计算机监控系统和DCS网络连接的通信规约转换能力。

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