水电站同期系统的改造

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【摘要】 为了提高水电站运行控制及监测的自动化水平，中、小型水电站在由常规控制改造为计算机监控系统控制中面临很多问题，本文结合泉州市龙门滩二级电站的实际，对同期系统改造过程中因考虑的问题进行了阐述。经投入运行证明，所使用的同期装置和选定的同期方案是成功和稳定的。

【摘要】 水电站 微机自动准同期 改造 同期点 同期选线 并列操作

一 工程概况

泉州市龙门滩引水枢纽工程位于德化县龙门滩镇境内，是个跨流域北水南调、梯级开发、集引水、a发电、灌溉、养殖、旅游为一体，实现水资源优化配置的水利工程。龙门滩管理处从1999年开始对一、二级电站、水库大坝、梯调中心分步实施计算机监控改造，选用阿尔斯通（天津）水电设备限公司Alspa 320系统，二级电站于2003年3月全部改造完成。监控系统采用分层分布式结构，系统由三部分组成：梯调中心控制、电厂中控室控制、现地MMI控制。控制功能由控制单元的机组LCU、开关站LCU及现地执行机构完成。笔者参与了二级电站的整个改造的设计、安装及调试过程，现结合工作实际，谈谈同期部分的改造。

二级电站主接线图如图一示：

二 改造前的同期方式

龙门滩二级电站在SCADA系统投运之前，机组出口开关的同期采用手动同期和使用ZZQ-5自动准同期装置，其他开关均采用手动准同期。随着计算机监控系统的改造，更换同期方式已势在必行。

同期点的并列操作是电力系统中一项主要的操作内容。因为断路器的两端均有电源，若同期点断路器的合闸时机不适当，两端的电参数相差较大，就将会引起断路器爆炸甚至整个电力系统稳定破坏而导致崩溃，发生大面积停电的重大恶性事故。

电站以前采用的同期方式基本上也能将同期点断路器的合闸时间控制在一定的范围之内。但在以下方面存在一定缺陷：

1.没有自动选择时机的功能，合闸时机很难把握，所以对操作人员的要求较高，经常出现操作人员多次合闸不成功的事件。

2.合闸时机随意性大。只要操作人员合闸瞬间在同期装置的允许范围之内，断路器就能合闸。但断路器由于有机械和电气传动延时和断路器的固有合闸时间，很可能断路器在合闸时实际上已经不在并列操作的允许范围之内，从而造成非同期合闸，对断路器、发电机以及电系统造成冲击。

3.不能自动调节。对于发电机的各项电参数，必须由操作人员进行手工调节。这使得一个发电机的并网操作往往需要较长时间才能成功。

4.原有的手动准同期装置自投运至今已经10年以上，继电器存在老化因素，可靠性已大大降低。

基于以上的原因，我们采用一种能自动调节各种电参数，在条件满足的情况下，自动发出合闸脉冲指令的微机智能型准同期装置已势在必行。

三 自动准同期的条件分析

准同步方法：发电机在并列合闸前已励磁，当发电机频率、电压相角、电压大小分别和并列点系统侧频率、电压相角、电压大小接近相同时，将发电机断路器合闸，完成并列操作。

若发电机以准同步方式并列，则在并列操作时，要求1）并列瞬间，发电机的冲击电流不应超过规定的允许值。2）并列后，发电机应能迅速进入同步运行。

理想的准同步并列条件是在合上断路器主触头的瞬间uF和ux幅值相等、相位相同、频率相等，而实际上这三个条件是不可能同时满足的，如频率相等时，则uF和ux的相角差将保持不变，因而达不到uf和ux的相位相同的条件。

发电机在并列前处于空载状态。设发电机转子电流产生匝链定子绕组的磁链为φfd，φfd所产生的电势即为发电机端电压uf。在合闸瞬间，如uf和ux的相角差为δ时，则在交轴方向上的电压差分量为Uf-Uxcosδ，因相应的的磁链作用在直轴方向，其直轴电抗值为Xd"(设系统为无穷大),故相应冲击电流的周期分

由上式可看出，在并列瞬间，如δ≠0°或Uf≠Ux，则必将产生冲击电流。从限制冲击电流的角度出发，应控制并列瞬间的电压差值和δ角。

四 同期改造的方案

采用SCADA监控系统厂家提供的法国产的ALSPA CSR620 A1型微机同期装置，两个机组LCU柜各配一个，公用LCU柜配一个。机组的同期为微机同期为主，手动准同期为备用。下列断路器设置同期点：

(1) 发电机回路开关621、622、625、626；

(2) 三绕组变压器的高压侧开关121、122，中压侧开关 321、322；

(3)35KV龙一（A）、（B）联络线开关323、324；

(4)110KV龙德线、龙永线开关123、124。

其中，发电机回路的621、625开关在1#机LCU进行合闸，发电机回路的622、626开关在2#机LCU进行合闸，其余的在公用LCU柜进行。

1． 微机自动准同期装置的主要特点

装置的硬件由一块16/32位68000微处理器、两片128Kb的EEPROM程序存储器和两片128Kb的RAM以及输入/输出接口组成。面板有9个操作按钮和两行16位的显示器组成，可以设定参数，背部用RS232接口通过MOBUS通讯协议和下位机PLC通讯。

微机自动准同期装置具有以下几个控制单元。

（1）频差平衡单元。它的任务是检测待并系统（发电机）电压uF与大系统电压ux之间的频差，发送增减频率信号给调速器,使发电机的频率接近系统频率，频率调整脉冲时间可在0.2～60秒之间调整，每次调整精度为0.1秒。

（2）电压平衡单元。它的功能是检测uF和ux之间的电压差，发送调节电压的脉冲给励磁装置，使发电机的电压与电网电压平衡，电压调整脉冲在0～50秒/伏特之间调整，每次调整精度为0.1秒/伏特。

（3）合闸控制单元。检查并列条件，当待并机组的频率、电压都满足并联条件时，合闸控制单元就选择合适的时间发出合闸信号，使并列断路器的主触头接通时，相角差δ接近0或控制在允许范围之内。其中导前时间对应断路器的合闸时间，具体是在断路器两端无电压的情况下,对断路器进行强制合闸,根据自动同期装置显示的断路器闭合时间来确认,可以在20ms～550ms调整，每次可调10ms；同步的压差可以在2～15V之间调整；同步的频差可以在0.05～0.2Hz之间调整.

2．同期接线和同期过程

（1）机组的同期。机组出口断路器的操作有同期合闸、无压合闸、分闸三种。同期合闸可在机组开机并网程序中被调用。无压合闸必须是发电机两侧均无电压，它在黑启动中被调用。分闸可在正常、事故停机和单独的断路器操作程序中被调用。如开机的同期调用程序如图二

从上可以看出，同期有一定的时限控制，如果调速器和励磁装置的调节性能不好，就无法在相应的时间内完成同期合闸任务，有时需要再次下发同期操作命令。所以不同电站要根椐调速器和励磁装置的响应速度确定合理的同期程序执行时限。

下面，以1#发电机的同期接线原理图如(图三)说明同期点选线过程：

当621采用微机同期合闸时，执行如下：

当程序执行投同期装置电源开关时，开出继电器042XR动作，其1-3、8-6接点闭合，同期装置投入。接着投大机同期，023XR动作，其1-3、8-6接点闭合，选线接触器101XR、102XR励磁，101XR的13-14、23-24、33-34闭合，同期装置采集机组出口和母线的电压。同时，102XR的13-14、23-24、33-34、43-44、53-54闭合，同期装置可根据频差对调速器进行增速或减速，可根据压差对大机励磁装置进行升压或减压。当压差、频差满足要求时，同期装置发合闸命令实现对621的合闸。

二级站采用的励磁装置是南瑞的SAVR2000微机励磁装置，在系统电压正常的情况下，默认使用励磁系统自动跟踪系统电压，同期装置的调压不起作用。调速器使用的是武汉四创的TDBWT步进电机PLC调速器，在网频信号正常的情况下，默认使用调速器自动跟踪系统频率，同期装置的调频不起作用。同期装置只判断压差、频差，当条件满足时发合闸命令。

手动准同期作为备用，为防止在突发事件下造成LCU不能正常工作或微机同期装置故障时投入使用。

（2）开关站的同期。对于两台主变高压侧121、122断路器和中压侧321、322断路器，龙德线123、龙永线124、龙-A线323、龙-B线324断路器的合闸有两种操作方式，一种为无压合闸，一种为同期合闸。当PLC收到断路器的无压合闸命令时，首先判断断路器两端是否有电压，若有一端或两端无电压，则发无压合闸命令，不通过同期装置由下位机PLC执行合闸命令。当PLC收到断路器的同期合闸命令时，首先投自动准同期装置，然后进行同期合闸选线由同期装置判断压差、频差条件确认合闸命令，对于开关站这8个断路器的同期合闸，同期装置不对机组进行调压、调频。当PLC收到断路器的分闸命令时，进行断路器的跳闸操作。另外，对于110KV断路器121、122、123、124进行分/合闸操作时，应考虑断路器油压操作机构的油压闭锁。

开关站的同期点接线原理图如图四：

当同期点选在主变中压侧321、322断路器时，10KV母线和35KV母线分别为运行和待并系统，由于变压器为Y/Y/Δ-12-11点接线，35KV侧落后10KV侧30度，35KV母线PT的二次电压通过转角变压器进行补偿，使同期双方的电压相位相等。

当同期点选在35KV出线323、324断路器时，35KV母线和线路分别为运行和待并系统，35KV母线PT的二次电压直接引入。当同期点选在110KV侧121、122断路器时，10KV母线和110V母线分别为运行和待并系统，由于变压器为Y/Y/Δ-12-11点接线，110KV侧落后10KV侧30度，110KV母线PT的二次电压引用开口三角形的AC相电压。

在断路器的跳、合闸控制回路中，仍采用常规的跳跃闭锁继电器来防止断路器的“跳跃”。断路器在合闸前，其两侧的隔离开关必须先合上，即断路器合闸闭锁。具体是将隔离开关的合位辅助接点引至PLC，在PLC的执行程序中实现的。

五 结论

同期的改造是个复杂的过程，如改造设备与运行设备之间的带电联系；改造设备停电时间的限制；如何提高自动化元件的水平等。龙门滩二级水电站已改造6年了，事实证明是所使用的同期装置和选定的同期方案是成功和稳定的。

参考文献

〔1〕西技莱克公司的Alspa CSR620同期装置技术参考手册

〔2〕小型水电站计算机监控技术 中国计划出版社1999 北京

〔3〕电气二次回路运行与维护 中国计划出版社1999 北京

〔4〕电力系统自动装置中国电力出版社1990年第一版