分散式变电站综合自动化系统在电解铝行业中的应用及可靠性分析

　　摘要：目前我国电力系统中正在逐步应用和推广综合自动化技术，本文简要介绍分散式变电站综合自动化系统的基本构成、典型结构和技术特点，对常用的SEL保护装置、PML监测装置等设备的主要性能也作出说明，针对电解铝行业变电整流所的特殊性，探讨了应用综合自动化系统时应注意的事项和提高系统可靠性的措施，提出了自己的建议方案，同时对此系统应具备的功能也做了描述。
　　
　　关键词：综合自动化，继电保护，监测，电解铝，可靠性
　　前言在一个电解铝厂中，变电整流所及开关站是全厂的动力能源中心，为保证其安全可靠运行，需选用灵敏可靠的继电保护装置及精确的测量装置。以往电解铝厂的变电站普遍采用大量常规继电器及常规仪表构成继电保护系统和测量系统，这样不可避免的使系统存在设计工作繁杂、控制电缆敷设量多、可靠性和灵敏性不高、安装调试维修工作量大等问题。近年来，随着微机智能保护装置、智能测量设备和计算机控制技术的发展，采用先进可靠的综合自动化系统来改造原有变电站和装备新建变电站已成为大势所趋，分散式综合自动化系统能够真正实现继电保护、就地监测、远动的统一，保护功能和监测功能均在就地分散安装的装置中完成，监控的结果以数字信号送入监控微机，高性能的监控微机具备远动功能，能够做到遥测、遥控、遥信、遥调，对于电解铝厂的变电整流所来讲，分散式综合自动化系统有广阔的应用前景。以下就笔者了解的分散式变电站综合自动化系统做一简要介绍，并分析此类系统今后在电解铝厂的应用中需考虑的问题及解决措施，供大家参考。分散式变电站综合自动化系统系统采用单元结构，以微机保护装置和智能监测装置为核心，实现分散安装，减少大量二次电缆的敷设，结构简洁，功能全，可靠性高，可视为一个特殊的计算机网络。目前国内的系统集成商大多以美国SEL系列微机保护装置、加拿大PML系列电智能监测装置、监控微机、各种品牌的PLC以及自行开发的计算机软件来构成系统。系统组成SEL微机保护和PML智能监测装置：均为模块化结构设计，具有多种规格的远程数字通信接口，支持分散安装和上位监控SEL微机保护装置把多保护功能集中在一套装置中，并通过软件完成定值整定、修改、保护投退等功能；PML智能监测装置集测量
　　  
　　              
　　 　　
　　图1110KV及以下变电站综合自动化系统的典型结构
　　1． 常用的保护和监测装置
　　SEL---551线路及电动机过流综合保护装置，主要功能如下：
　　•瞬时过流、定时限过流、反时限过流
　　•带顺序配合的自动重合闸
　　•接地零序瞬时过流、定时限过流、反时限过流
　　•SELogic可编程功能，逻辑控制方程可生成多种保护方案
　　•负序瞬时过流、定时限过流、反时限过流
　　•事故顺序纪录报告和事件储存功能，
　　SEL---587双卷变压器、大型电机机电流差动保护装置，主要功能如下：
　　•高速电流差动
　　•高（低）压侧相（接地）过流后备保护 
　　•重瓦斯保护、轻瓦斯报警
　　•电流测量、动作电流纪录、二次和五次谐波测量
　　•SELogic可编程配置特殊保护方案
　　•事故顺序纪录报告和储存
　　SEL---351A通用型馈线综合保护装置，主要功能如下：
　　•过电流、低电压/过电压、低频率/过频率、功率方向保护，采用相、负序、零序电流组件、电压组件的各种组合来保护馈线及其它设备
　　•SELogic可编程功能，逻辑控制方程可生成多种复杂保护方案
　　•故障测距及定位
　　•重合闸
　　•事故顺序纪录报告和储存
　　PML75000ION智能电力监测装置，取代常规仪表、变送器等：
　　•测量一回线路或设备的全部三相电量，自动纪录测量量的最大值和最小值，U、I测量精度为0.1%，KWH、KAVRH的测量精度为0.5%
　　•最高63次谐波测量及监视
　　•每周波一次高速纪录电压、电流、功率波动过程
　　•96周波的故障录波
　　•24组电量越限监视、远程通信与联网
　　•560个事件纪录和存储,双RS—485接口，液晶显示板
　　技术特点
　　（1）继电保护和监测装置相对独立设置，监控微机集中统一管理，在综合自动化中继电保护的可靠性是最为重要的，独立设置保护装置有利于提高系统的可靠性，SEL保护装置一般通过其专用的智能通信处理器（如SEL2030）与综合自动化系统相连，杜绝了通过其他厂家设备传输信息引起数据丢失的可能。另外虽然SEL微机保护装置中也兼容了一些监测功能，但普遍存在测量精度不高、监测功能不全等缺陷，因此系统中独立设置保护和监测，由监控微机统一管理，在保证系统可靠性的同时，也保证了监控功能的全面性和完整性。
　　（2）系统分层、分散、系列化、多种配置，可满足不同用户的各种具体需求。SEL系列保护和PML监测系列的规格品种十分丰富，具有不同形式的通信接口和功能组合，扩展性好，便于用户按其系统的具体功能要求、费用预算、规模进行配置，还可分期分批投资。
　　（3）系统简单、可靠、综合造价低，由于SEL保护装置和PML监测装置为模块化结构，可就地分散安装，整个系统的结构简洁，在提高可靠性的同时，还节省了大量二次电缆，减少占地面机，节约投资。
　　（4）SEL保护装置特有的SELogic逻辑可编程功能，保证了用户可按照不同的运行方式配置准确的保护方案。PML系列的模块组合了不同的功能，如故障录波、谐波分析和谐波越限监视、大型电动机起停过程纪录、线路负荷动态过程纪录等，可按用户要求定义启动条件、纪录内容、提供非常有用的监测数据。
　　
　　一、 电解铝行业的特殊性及综合自动化系统应用中的需考虑的措施
　　1．电解铝厂通常是特一级用电负荷，一旦供电整流系统发生故障，如果不能及时恢复将造成非常大的经济损失，因此对系统设备的可靠性要求非常高。
　　大型电解铝厂（进线电压等级通常为220KV或110KV）的供电整流系统除包含一般变电站的进线、母联、主变压器和若干动力馈线回路外，另一类相当重要的设备是若干套直降式整流机组，它将直接为电解槽提供直流电能，通常包括大容量的整流变压器组、整流柜及自动稳流装置和冷却装置。整流机组按照独立间隔布置，整流变压器组又分为调压变压器和整流变压器；各机组的自动稳流装置、油风冷却装置以及纯水冷却装置一般都由PLC进行控制，整个系列还设有一套系列电流自动调节PLC。
　　电解铝厂的综合自动化系统不仅应具有完善的保护和监测功能，还应该具有全面的事故报警和纪录功能，既能有效地防止事故的发生和扩大，也能够在事故发生后及时准确的查找事故原因，便于采取有效措施，防止类似事故再次发生。
　　2．在现代控制理论中提高可靠性主要采用冗余、分散以及分层手段。具体到综合自动化系统中应采取以下措施：
　　系统采取双机双网对等结构，由于监控微机是面向操作运行人员的，而且微机通常留有开放的软驱、光驱接口，在总投资增加不多的前提下，设置双监控微机有利于避免因设备原因或人为因素造成故障而影响整个系统。网络通信介质主要是金属芯通信线或光缆，常需远距离敷设，故障概率比较高，另外通信介质的接口连接处也容易出现问题，采用双网结构的冗余配置非常合理和必要。
　　SEL保护装置、PML监测装置、PLC都通过冗余的通信网络与两台微机独立连接，网络和监控微机不仅冗余而且完全对等，任何一条通信网路或任何一台监控微机出现故障，均不会影响系统的正常运行，能显著提高提高系统的可靠性。
　　所有SEL保护和PML监测装置按间隔采取单元式配置方式，通过装置的分散设置，也就减小了故障影响的范围。电解铝厂的整流机组普遍已考虑为N+1方式，即任何一个机组出现故障，都不会对整个电解生产造成影响，如果几套整流机组共用一套监测装置，一旦监测装置出现故障，则所有整流机组的监测将无法实施，单元式设置可以有效避免这类情况的发生。SEL保护装置、PML监测装置本身具有数据和事件的存储和记忆功能，不依赖通信方式，也能保证故障和事件的可追溯性。
　　通信管理层也采用双智能通信管理器对现场的所有保护和监测设备进行管理。监控微机以WindowsNT为平台，通过以太网还可以提供数据库服务功能，实现全厂生产调度系统对综合自动化系统数据的共享。
　　3．综上所述，分散式综合自动化系统在电解铝行业中可考虑图2的配置方案：
　　
　　             
　　　　
　　                                                                  图2电解铝厂应采用的系统结构示意图
　　
　　三、分散式综合自动化系统可实现的主要功能
　　1．数据采集：
　　每一回路的V、I、P、Q、COSφ、KWH、KVARH、f、谐波等实时数据
　　全部直流电量：直流电压、电流、电度.，直流电流小时、电压小时、系列电压、电流
　　断路器和隔离刀闸的状态、保护信号和接点状态、变压器分接头位置和油温等状态量
　　整流机组、油风冷却器、纯水冷却器、直流刀开关的运行状态等
　　2．系统运行监视：
　　系统的运行状态（主接线画面和多个分画面），实时显示主要运行参数，如进线电流、有功功率、无功功率、母线电压、变压器电流、整流柜温度、水压、系列电流、电压、最大需量等
　　整流机组运行状态、油风冷却器运行状态、纯水冷却器运行状态
　　电解系列直流电压、直流电流运行曲线
　　整流变油温、整流柜水温、水压运行曲线
　　3． 事故报警和纪录：
　　顺序事件纪录
　　对电气模拟量和非电气模拟量（如U、I、KWH、KVARH、f、温度、压力、液位等）可以设置上、下限值，但测量值超越限值时发出报警（声光方式）
　　开关量变位可发出报警
　　分类纪录报警事件的时间和日期
　　保护动作纪录、系统设置纪录、通信故障纪录、操作纪录
　　电压、电流故障录波
　　谐波测量和越限监视
　　独立报警事故画面
　　4． 统计、报表、打印
　　分类整理实时采集的各类电量
　　小时、日、月、年电能统计
　　分时计费功能
　　班报、日报、月报等统计报表并定时打印
　　所有画面、曲线打印
　　每机组直流电流、系列直流电压、电流、电流小时、电压小时、功率小时打印
　　历史数据分类查询显示并打印
　　5． 稳流控制
　　系列电流的大闭环稳流调节
　　系列最大需量控制
　　各机组电流的自动分配
　　系列电流设定
　　6． 整定值设定
　　可显示继电保护整定值、保护的投入和退出情况、设定保护定值（通常利用口令设置权限）
　　显示各机组的控制绕组电流，但电解发生效应或电网波动时，稳流系统可以自动调节饱和电抗器的控制电流，达到恒流的目的，必要时自动升降有载调压开关。
　　7． 遥控操作
　　在主控室通过键盘或鼠标可执行对断路器、刀闸、有载调压开关等设备的的操作，还可以进行停、送电操作、母线切换操作，油风冷却器、纯水冷却器的启停操作，远动操作与就地操作互相闭锁，每个被控对象同时只能执行一条指令。
　　
　　二、 结语
　　综合自动化系统在国内总降改造项目及一些小型技改项目中已经采用，效果良好。但如何将综合自动化系统应用于电解铝厂的大型变电整流所改造，特别是最近开工的电解铝工程中应如何充分利用这类系统，系统的可靠性与投资费用如何掌握，仍是一个需认真思考的题目，本文在这方面作了一些探讨，可供今后确定电解铝工程综合自动化系统方案时参考。