分散式變電站綜合自動化系統(tǒng)在電解鋁行業(yè)中的應用及可靠性分析

　　摘要：目前我國電力系統(tǒng)中正在逐步應用和推廣綜合自動化技術(shù)，本文簡要介紹分散式變電站綜合自動化系統(tǒng)的基本構(gòu)成、典型結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點，對常用的SEL保護裝置、PML監(jiān)測裝置等設(shè)備的主要性能也作出說明，針對電解鋁行業(yè)變電整流所的特殊性，探討了應用綜合自動化系統(tǒng)時應注意的事項和提高系統(tǒng)可靠性的措施，提出了自己的建議方案，同時對此系統(tǒng)應具備的功能也做了描述�！　�

　　關(guān)鍵詞：綜合自動化，繼電保護，監(jiān)測，電解鋁，可靠性

　　前言在一個電解鋁廠中，變電整流所及開關(guān)站是全廠的動力能源中心，為保證其安全可靠運行，需選用靈敏可靠的繼電保護裝置及精確的測量裝置。以往電解鋁廠的變電站普遍采用大量常規(guī)繼電器及常規(guī)儀表構(gòu)成繼電保護系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，這樣不可避免的使系統(tǒng)存在設(shè)計工作繁雜、控制電纜敷設(shè)量多、可靠性和靈敏性不高、安裝調(diào)試維修工作量大等問題。近年來，隨著微機智能保護裝置、智能測量設(shè)備和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，采用先進可靠的綜合自動化系統(tǒng)來改造原有變電站和裝備新建變電站已成為大勢所趨，分散式綜合自動化系統(tǒng)能夠真正實現(xiàn)繼電保護、就地監(jiān)測、遠動的統(tǒng)一，保護功能和監(jiān)測功能均在就地分散安裝的裝置中完成，監(jiān)控的結(jié)果以數(shù)字信號送入監(jiān)控微機，高性能的監(jiān)控微機具備遠動功能，能夠做到遙測、遙控、遙信、遙調(diào)，對于電解鋁廠的變電整流所來講，分散式綜合自動化系統(tǒng)有廣闊的應用前景。以下就筆者了解的分散式變電站綜合自動化系統(tǒng)做一簡要介紹，并分析此類系統(tǒng)今后在電解鋁廠的應用中需考慮的問題及解決措施，供大家參考。分散式變電站綜合自動化系統(tǒng)系統(tǒng)采用單元結(jié)構(gòu)，以微機保護裝置和智能監(jiān)測裝置為核心，實現(xiàn)分散安裝，減少大量二次電纜的敷設(shè)，結(jié)構(gòu)簡潔，功能全，可靠性高，可視為一個特殊的計算機網(wǎng)絡(luò)。目前國內(nèi)的系統(tǒng)集成商大多以美國SEL系列微機保護裝置、加拿大PML系列電智能監(jiān)測裝置、監(jiān)控微機、各種品牌的PLC以及自行開發(fā)的計算機軟件來構(gòu)成系統(tǒng)。系統(tǒng)組成SEL微機保護和PML智能監(jiān)測裝置：均為模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有多種規(guī)格的遠程數(shù)字通信接口，支持分散安裝和上位監(jiān)控SEL微機保護裝置把多保護功能集中在一套裝置中，并通過軟件完成定值整定、修改、保護投退等功能；PML智能監(jiān)測裝置集測量　

　　圖1110KV及以下變電站綜合自動化系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

　　1． 常用的保護和監(jiān)測裝置

　　SEL---551線路及電動機過流綜合保護裝置，主要功能如下：

　　•瞬時過流、定時限過流、反時限過流

　　•帶順序配合的自動重合閘

　　•接地零序瞬時過流、定時限過流、反時限過流

　　•SELogic可編程功能，邏輯控制方程可生成多種保護方案

　　•負序瞬時過流、定時限過流、反時限過流

　　•事故順序紀錄報告和事件儲存功能，

　　SEL---587雙卷變壓器、大型電機機電流差動保護裝置，主要功能如下：

　　•高速電流差動

　　•高（低）壓側(cè)相（接地）過流后備保護 

　　•重瓦斯保護、輕瓦斯報警

　　•電流測量、動作電流紀錄、二次和五次諧波測量

　　•SELogic可編程配置特殊保護方案

　　•事故順序紀錄報告和儲存

　　SEL---351A通用型饋線綜合保護裝置，主要功能如下：

　　•過電流、低電壓/過電壓、低頻率/過頻率、功率方向保護，采用相、負序、零序電流組件、電壓組件的各種組合來保護饋線及其它設(shè)備

　　•SELogic可編程功能，邏輯控制方程可生成多種復雜保護方案

　　•故障測距及定位

　　•重合閘

　　•事故順序紀錄報告和儲存

　　PML75000ION智能電力監(jiān)測裝置，取代常規(guī)儀表、變送器等：

　　•測量一回線路或設(shè)備的全部三相電量，自動紀錄測量量的最大值和最小值，U、I測量精度為0.1%，KWH、KAVRH的測量精度為0.5%

　　•最高63次諧波測量及監(jiān)視

　　•每周波一次高速紀錄電壓、電流、功率波動過程

　　•96周波的故障錄波

　　•24組電量越限監(jiān)視、遠程通信與聯(lián)網(wǎng)

　　•560個事件紀錄和存儲,雙RS—485接口，液晶顯示板

　　技術(shù)特點

　�。�1）繼電保護和監(jiān)測裝置相對獨立設(shè)置，監(jiān)控微機集中統(tǒng)一管理，在綜合自動化中繼電保護的可靠性是最為重要的，獨立設(shè)置保護裝置有利于提高系統(tǒng)的可靠性，SEL保護裝置一般通過其專用的智能通信處理器（如SEL2030）與綜合自動化系統(tǒng)相連，杜絕了通過其他廠家設(shè)備傳輸信息引起數(shù)據(jù)丟失的可能。另外雖然SEL微機保護裝置中也兼容了一些監(jiān)測功能，但普遍存在測量精度不高、監(jiān)測功能不全等缺陷，因此系統(tǒng)中獨立設(shè)置保護和監(jiān)測，由監(jiān)控微機統(tǒng)一管理，在保證系統(tǒng)可靠性的同時，也保證了監(jiān)控功能的全面性和完整性。

　�。�2）系統(tǒng)分層、分散、系列化、多種配置，可滿足不同用戶的各種具體需求。SEL系列保護和PML監(jiān)測系列的規(guī)格品種十分豐富，具有不同形式的通信接口和功能組合，擴展性好，便于用戶按其系統(tǒng)的具體功能要求、費用預算、規(guī)模進行配置，還可分期分批投資。

　�。�3）系統(tǒng)簡單、可靠、綜合造價低，由于SEL保護裝置和PML監(jiān)測裝置為模塊化結(jié)構(gòu)，可就地分散安裝，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡潔，在提高可靠性的同時，還節(jié)省了大量二次電纜，減少占地面機，節(jié)約投資。

　�。�4）SEL保護裝置特有的SELogic邏輯可編程功能，保證了用戶可按照不同的運行方式配置準確的保護方案。PML系列的模塊組合了不同的功能，如故障錄波、諧波分析和諧波越限監(jiān)視、大型電動機起停過程紀錄、線路負荷動態(tài)過程紀錄等，可按用戶要求定義啟動條件、紀錄內(nèi)容、提供非常有用的監(jiān)測數(shù)據(jù)�！�

　　一、 電解鋁行業(yè)的特殊性及綜合自動化系統(tǒng)應用中的需考慮的措施

　　1．電解鋁廠通常是特一級用電負荷，一旦供電整流系統(tǒng)發(fā)生故障，如果不能及時恢復將造成非常大的經(jīng)濟損失，因此對系統(tǒng)設(shè)備的可靠性要求非常高。

　　大型電解鋁廠（進線電壓等級通常為220KV或110KV）的供電整流系統(tǒng)除包含一般變電站的進線、母聯(lián)、主變壓器和若干動力饋線回路外，另一類相當重要的設(shè)備是若干套直降式整流機組，它將直接為電解槽提供直流電能，通常包括大容量的整流變壓器組、整流柜及自動穩(wěn)流裝置和冷卻裝置。整流機組按照獨立間隔布置，整流變壓器組又分為調(diào)壓變壓器和整流變壓器；各機組的自動穩(wěn)流裝置、油風冷卻裝置以及純水冷卻裝置一般都由PLC進行控制，整個系列還設(shè)有一套系列電流自動調(diào)節(jié)PLC。

　　電解鋁廠的綜合自動化系統(tǒng)不僅應具有完善的保護和監(jiān)測功能，還應該具有全面的事故報警和紀錄功能，既能有效地防止事故的發(fā)生和擴大，也能夠在事故發(fā)生后及時準確的查找事故原因，便于采取有效措施，防止類似事故再次發(fā)生。

　　2．在現(xiàn)代控制理論中提高可靠性主要采用冗余、分散以及分層手段。具體到綜合自動化系統(tǒng)中應采取以下措施：

　　系統(tǒng)采取雙機雙網(wǎng)對等結(jié)構(gòu)，由于監(jiān)控微機是面向操作運行人員的，而且微機通常留有開放的軟驅(qū)、光驅(qū)接口，在總投資增加不多的前提下，設(shè)置雙監(jiān)控微機有利于避免因設(shè)備原因或人為因素造成故障而影響整個系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)主要是金屬芯通信線或光纜，常需遠距離敷設(shè)，故障概率比較高，另外通信介質(zhì)的接口連接處也容易出現(xiàn)問題，采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)的冗余配置非常合理和必要。

　　SEL保護裝置、PML監(jiān)測裝置、PLC都通過冗余的通信網(wǎng)絡(luò)與兩臺微機獨立連接，網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控微機不僅冗余而且完全對等，任何一條通信網(wǎng)路或任何一臺監(jiān)控微機出現(xiàn)故障，均不會影響系統(tǒng)的正常運行，能顯著提高提高系統(tǒng)的可靠性。

　　所有SEL保護和PML監(jiān)測裝置按間隔采取單元式配置方式，通過裝置的分散設(shè)置，也就減小了故障影響的范圍。電解鋁廠的整流機組普遍已考慮為N+1方式，即任何一個機組出現(xiàn)故障，都不會對整個電解生產(chǎn)造成影響，如果幾套整流機組共用一套監(jiān)測裝置，一旦監(jiān)測裝置出現(xiàn)故障，則所有整流機組的監(jiān)測將無法實施，單元式設(shè)置可以有效避免這類情況的發(fā)生。SEL保護裝置、PML監(jiān)測裝置本身具有數(shù)據(jù)和事件的存儲和記憶功能，不依賴通信方式，也能保證故障和事件的可追溯性。

　　通信管理層也采用雙智能通信管理器對現(xiàn)場的所有保護和監(jiān)測設(shè)備進行管理。監(jiān)控微機以WindowsNT為平臺，通過以太網(wǎng)還可以提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)功能，實現(xiàn)全廠生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)對綜合自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享。

　　3．綜上所述，分散式綜合自動化系統(tǒng)在電解鋁行業(yè)中可考慮圖2的配置方案：

　　三、分散式綜合自動化系統(tǒng)可實現(xiàn)的主要功能

　　1．數(shù)據(jù)采集：

　　每一回路的V、I、P、Q、COSφ、KWH、KVARH、f、諧波等實時數(shù)據(jù)

　　全部直流電量：直流電壓、電流、電度.，直流電流小時、電壓小時、系列電壓、電流

　　斷路器和隔離刀閘的狀態(tài)、保護信號和接點狀態(tài)、變壓器分接頭位置和油溫等狀態(tài)量

　　整流機組、油風冷卻器、純水冷卻器、直流刀開關(guān)的運行狀態(tài)等

　　2．系統(tǒng)運行監(jiān)視：

　　系統(tǒng)的運行狀態(tài)（主接線畫面和多個分畫面），實時顯示主要運行參數(shù)，如進線電流、有功功率、無功功率、母線電壓、變壓器電流、整流柜溫度、水壓、系列電流、電壓、最大需量等

　　整流機組運行狀態(tài)、油風冷卻器運行狀態(tài)、純水冷卻器運行狀態(tài)

　　電解系列直流電壓、直流電流運行曲線

　　整流變油溫、整流柜水溫、水壓運行曲線

　　3． 事故報警和紀錄：

　　順序事件紀錄

　　對電氣模擬量和非電氣模擬量（如U、I、KWH、KVARH、f、溫度、壓力、液位等）可以設(shè)置上、下限值，但測量值超越限值時發(fā)出報警（聲光方式）

　　開關(guān)量變位可發(fā)出報警

　　分類紀錄報警事件的時間和日期

　　保護動作紀錄、系統(tǒng)設(shè)置紀錄、通信故障紀錄、操作紀錄

　　電壓、電流故障錄波

　　諧波測量和越限監(jiān)視

　　獨立報警事故畫面

　　4． 統(tǒng)計、報表、打印

　　分類整理實時采集的各類電量

　　小時、日、月、年電能統(tǒng)計

　　分時計費功能

　　班報、日報、月報等統(tǒng)計報表并定時打印

　　所有畫面、曲線打印

　　每機組直流電流、系列直流電壓、電流、電流小時、電壓小時、功率小時打印

　　歷史數(shù)據(jù)分類查詢顯示并打印

　　5． 穩(wěn)流控制

　　系列電流的大閉環(huán)穩(wěn)流調(diào)節(jié)

　　系列最大需量控制

　　各機組電流的自動分配

　　系列電流設(shè)定

　　6． 整定值設(shè)定

　　可顯示繼電保護整定值、保護的投入和退出情況、設(shè)定保護定值（通常利用口令設(shè)置權(quán)限）

　　顯示各機組的控制繞組電流，但電解發(fā)生效應或電網(wǎng)波動時，穩(wěn)流系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)飽和電抗器的控制電流，達到恒流的目的，必要時自動升降有載調(diào)壓開關(guān)。

　　7． 遙控操作

　　在主控室通過鍵盤或鼠標可執(zhí)行對斷路器、刀閘、有載調(diào)壓開關(guān)等設(shè)備的的操作，還可以進行停、送電操作、母線切換操作，油風冷卻器、純水冷卻器的啟停操作，遠動操作與就地操作互相閉鎖，每個被控對象同時只能執(zhí)行一條指令�！�

　　二、 結(jié)語

　　綜合自動化系統(tǒng)在國內(nèi)總降改造項目及一些小型技改項目中已經(jīng)采用，效果良好。但如何將綜合自動化系統(tǒng)應用于電解鋁廠的大型變電整流所改造，特別是最近開工的電解鋁工程中應如何充分利用這類系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性與投資費用如何掌握，仍是一個需認真思考的題目，本文在這方面作了一些探討，可供今后確定電解鋁工程綜合自動化系統(tǒng)方案時參考�！　�