Zusammenfassung: Dieser Beitrag analysiert den aktuellen Stand der Schutzsysteme im elektrischen Netz des Kraftwerks unter Berücksichtigung von Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit und Machbarkeit und schlägt das Grundkonzept sowie die technischen Anforderungen für die Umstellung des Stationsautomatisierungssystems des Kraftwerks vor. Schlüsselwörter: Stationsautomatisierungssystem, Schutz, Mess- und Regelungstechnik 1 Einleitung Mit der Anwendung und Weiterentwicklung der Computertechnologie in Energiesystemen haben sich die Mikrocomputerisierung und Automatisierung elektrischer Anlagen zum Standard und Trend der Energiesystementwicklung entwickelt. Das elektrische Netz des Kraftwerks Changling wurde in den 1970er Jahren in Betrieb genommen. Seine Primäranlagen sind veraltet, beschädigt und korrodiert, und der Aufwand sowie die Kosten für Wartung und Austausch steigen jährlich, ohne dass die Ergebnisse zufriedenstellend sind. Seine Sekundäranlagen spiegeln im Wesentlichen die Entwicklungsgeschichte des Relaisschutzes in China wider, vom ältesten elektromagnetischen Relaisschutz bis hin zum frühen mikrocomputergestützten Schutz auf Basis von Ein-Chip-Mikrocomputern, die alle in unserem Kraftwerk eingesetzt werden. Angesichts dieser Situation ist eine sinnvolle und wirtschaftliche Automatisierung erforderlich, um die von den Anlagen ausgehenden Gefahren für die Sicherheit und den optimalen Betrieb des Stromnetzes vollständig zu beseitigen. 2. Aktueller Stand des elektrischen Systems unseres Werks 2.1. Hauptverkabelung und wichtigste Primäranlagen 1) Drei 110-kV-Zuleitungen. Die 110-kV-Sammelschienen sind doppelt verkabelt. Alle 110-kV-Leistungsschalter, Trennschalter, Erdungsschalter, Sammelschienen, Spannungswandler usw. sind in inländischen, gasisolierten und vollständig gekapselten SF6-Schaltanlagen (GIS) untergebracht. 2) Zwei Haupttransformatoren des Typs SZ9-K-50000/110 mit Ynd11-Anschluss. 3) Das 6-kV-Hauptsystem ist doppelt segmentiert verkabelt. Das 6-kV-Hauptverteilungsgebäude verfügt über zwei Niederspannungs-Haupttransformatorkreise, zwei 6-kV-Sammelschienen-Verbindungskreise, einen segmentierten Schaltkreis, fünf Anlagenhilfsreaktorkreise und 43 Abzweigkreise. Ein 12.000-kW-Generator ist an die Notstrom-Sammelschiene angeschlossen. 4) Das 6-kV-Anlagenhilfssystem ist segmentiert und besteht aus einem Notstrom- und vier Betriebsabschnitten. Jeder Betriebsabschnitt verfügt über einen 3.000-kW-Generator. Die aktuelle 6-kV-Stromversorgung der Anlage erfolgt über eine GFC-Hochspannungsschaltanlage. 5) Die 380-V-Stromversorgung der Anlage besteht aus fünf Abschnitten, die jeweils über einen Anlagentransformator von einer 6-kV-Sammelschiene gespeist werden. Der im 380-V-Verteilerraum verwendete Schalter ist ein AH-Schalter. 2.2. Steuerungs-, Schutz- und Automatisierungseinrichtungen 1) Öffentliches System a. Das Gleichstromsystem besteht aus einer Batteriebank und zwei Ladegeräten. Es ist mit einem CXDL-III-Mikrocomputer von Baoding Innovation Electric zur Überwachung der Gleichstromspannung und zur Ortung von Erdschlüssen sowie einem TY-XJY-A-Batteriebetriebsüberwachungs- und Diagnosegerät von Beijing Chengtianji Technology Co., Ltd. ausgestattet. Das Gleichstromversorgungspanel verwendet einen vollständig geschlossenen, wartungsfreien GZMC-Batterie-Gleichstromversorgungsschrank von Hunan Keming Electric. b. Die zentrale Signalschaltung verwendet ein herkömmliches elektromagnetisches Relais. c. Die automatische Synchronisierungseinrichtung verwendet einen NAS-2-Mikrocomputer der NARI System Control Branch. d. Jede der 6-kV-Hauptsammelschienen verfügt über eine Lichtbogenlöschspule, die mit einem XHK-II-Automatikabstimmungsgerät von Shanghai Siyuan Electric Co., Ltd. gesteuert wird. 2) Konfiguration der Schutz- und Automatisierungseinrichtungen: a) Die 110-kV-Leitungen von Xia 1# und Xia 2# verwenden das WXH-11-Leitungsschutzgerät von Xuji. b) Die 110-kV-Leitung in Bachang ist mit dem Leitungsschutzgerät LFP-941 des Nanjing Automation Research Institute (Shenzhen Institute) ausgestattet. c) Die Schutzeinrichtungen für 110-kV-QBZT, LBZT, 110-kV-Sammelschienenverbindung, Haupttransformator, 6-kV-Hauptsammelschiene, 6-kV-Hauptsammelschienenverbindung, 6-kV-Haupttrennschalter BZT, Anlagenreaktor, Anlagentransformator, 6-kV-VBZT, 380-VBZT, 6-kV-Zuleitung und den zentralen Kompensationskondensator auf der Niederspannungsseite des Haupttransformators sind allesamt mit Schutzgeräten der Serie ISA-1H des Nanjing Automation Research Institute (Shenzhen Institute) ausgestattet. d) Die Erdschlussortungseinrichtung für niedrige Ströme verwendet das Schutzgerät WJX-4 des Nanjing Automation Research Institute (Shenzhen Institute). e) Die Generatoren 1#, 2#, 3#, 4# und 6# werden durch das Generator-Mikroprozessorschutzgerät der Serie LFP-900 von NARI-Relay Protection geschützt. Die Erregerregler für die Generatoren f, 1#, 2# und 3# sind FWL/S-Mikrocomputer-Erregerregler der Firma NARI System Control Co., Ltd.; die Generatoren 4# und 6# verwenden den SJ-800-Mikrocomputer-Erregerregler desselben Herstellers. 3) Messbereich: Im 110-kV-Umspannwerk sind digitale 110-kV-Energiezähler installiert, die über Kommunikationsschnittstellen zur Anbindung an Computer verfügen. Die Energiezähler für alle 6-kV-Hauptverteilungsleitungen sowie die Wirk- und Blindenergiezähler für jeden Generator befinden sich im Energiezählerraum im ersten Stock des 6-kV-Hauptumspannwerks. Alle Energiezähler sind Impulszähler und können zur Datenerfassung an die Mess- und Steuereinheit angeschlossen werden. Die Energiezähler für den Hilfsstrombereich des Werks sind in der Hochspannungsschaltanlage im 6-kV-Hilfsstromverteilerraum installiert. Die meisten sind impulslose Energiezähler. 3. Prinzipien und Konzepte der Modernisierung Das übergeordnete Gestaltungsprinzip besteht darin, den Arbeitsaufwand zu minimieren, die bestehende Ausrüstung weitgehend unverändert zu lassen oder nur minimal zu modifizieren, ein neues zentrales Steuerungssystem zur Automatisierung der Stromverteilung einzurichten und die vorhandene Ausrüstung für technische Modernisierungen optimal zu nutzen, um die Modernisierungskosten zu senken und verschiedene Funktionen bestmöglich zu erweitern. Basierend auf einer Untersuchung vor Ort und einer umfassenden Analyse der tatsächlichen Situation des elektrischen Systems unseres Werks, unter Berücksichtigung der aktuellen Anwendung von Technologien zur Automatisierung von Stromversorgungssystemen in China und des begrenzten Budgets für die Modernisierung des Stromversorgungssystems in unserem Werk werden die folgenden Grundkonzepte für die Modernisierung des Automatisierungssystems der Stromverteilung unseres Werks vorgeschlagen: 1) Das Gesamtsystem verwendet eine geschichtete, verteilte Struktur, horizontal unterteilt nach Spannungsebenen und Feldern und vertikal in eine dreischichtige Systemstruktur: Stationssteuerungsschicht, Feldschicht und Kommunikationsschicht. 2) Im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit des Systems verwendet die Stationssteuerungsebene eine Dual-Ethernet-Konfiguration, die Feldebene hingegen eine Feldbuskonfiguration. 3) Die Stationssteuerungsebene ist in Bediener- und Ingenieursstationen unterteilt. Die Bedienerstation verfügt über zwei Überwachungsrechner (einen primären und einen Backup-Rechner) für die tägliche Überwachung, Wartung und den Betrieb. Die Ingenieursstation ist mit einem Überwachungsrechner (installiert in der Werkstatt) ausgestattet, der hauptsächlich für die Änderung von Schutzeinstellungen, Fehleranalysen usw. zuständig ist. 4) Aufgrund begrenzter Mittel für das technische Modernisierungsprojekt werden vorhandene Schutzgeräte weitestgehend wiederverwendet. 5) Aufgrund der aktuellen Nutzung der Primärausrüstung in unserem Werk ist eine vollständig dezentrale Installation der Mess- und Steuereinheit vor Ort schwierig zu realisieren. Es kann jedoch ein mehrschichtiges, dezentrales und zentralisiertes Panel-System eingesetzt werden, bei dem die Panels zentral in jedem Umspannwerk (Verteilerstation) platziert werden und mit dem Überwachungsrechner im Hauptleitstand kommunizieren. Dadurch wird der Bedarf an Sekundärverkabelung erheblich reduziert und die Modernisierungskosten werden deutlich gesenkt. 6) Die Mikrocomputer-Schutzeinrichtungen für die Leitungen Xia Nr. 1 und Xia Nr. 2 funktionieren derzeit nicht einwandfrei und verfügen nicht über die notwendigen Kommunikationsschnittstellen. Daher sind Nachrüstungen erforderlich. 7) Aufgrund der großen Anzahl von 55 6-kV-Abzweigleitungen in unserem Werk wird empfohlen, zur Kosteneinsparung ein integriertes Gerät einzusetzen, das die Schutzeinheit und die Mess- und Steuereinheit kombiniert. 8) Um die tägliche Überwachung durch die Bediener zu erleichtern und im Störungsfall eine genaue Beurteilung und ein zeitnahes Eingreifen zu ermöglichen, sollte im alten Hauptleitstand ein dynamisches Simulationspanel mit Computerschnittstelle installiert werden. 9) Die Impulssignale des Messstromwandlers und des Impulsstromzählers sollten mit der Mess- und Steuereinheit verbunden werden. Dabei werden zwei völlig unterschiedliche Messmethoden verwendet: Die erste dient hauptsächlich der Überwachung, die zweite der Stromberechnung. 4. Grundlegende technische und funktionale Anforderungen 4.1. Vier Fernfunktionen: 1) Fernmessung: Messung der Maximal- und Minimalwerte von Strom und Spannung an jedem Messpunkt; Phasenfolge von Strom und Spannung; Grenzwerte; Elektrische Größen wie P, Q, kWh, kVah, cosφ und f sowie nicht-elektrische Größen wie die Öltemperatur des Haupttransformators, der Luftdruck und der Hydraulikdruck in jedem Feld des 110-kV-GIS; 2) Fernsignalisierung: Das System sollte die Positionssignale von Leistungsschaltern, Trennschaltern und Erdungsschaltern, Schutz- und Fehlersignale, Selbsttest- und Alarmsignale der Geräte sowie Störsignale anderer Betriebsmittel wie Öldruck und Luftdruck im 110-kV-GIS präzise erfassen können; 3) Fernsteuerung: a. Es sollte die Fernsteuerung jedes Leistungsschalters und aller elektrisch betätigten Trennschalter und Kontaktschalter ermöglichen; b. Es sollte über Schutzfunktionen gegen Pumpen, Fehlbedienung und Unterbrechung von Steuerkreisen verfügen; c. Es sollte grundlegende Verriegelungsfunktionen gegen Fehlbedienung besitzen, wie z. B. das Öffnen und Schließen von Trennschaltern unter Last, das Schließen von Erdungsschaltern unter Spannung und das Schließen von Leistungsschaltern (Trennschaltern) bei eingeschalteten Erdungsschaltern. d. Es kann drei Arten von automatischen Quasi-Synchronisationsvorgängen am Synchronisationspunkt innerhalb des Computers durchführen: keine Erkennung, Erkennung von Spannungslosigkeit und Erkennung von Synchronisation. 4) Ferneinstellung: a. Der Computer sollte die Stufenschalterposition des Laststufenschalters des Haupttransformators fernsteuern können; b. Er sollte die Stufenschalterposition der Lichtbogenlöschspule der automatischen Abstimmvorrichtung manuell einstellen können; c. Nach bestimmten technischen Modifikationen sollte er die Blindleistung (Klemmenspannung) des Generators über das vorhandene Mikrocomputer-Erregersystem des Generators manuell einstellen können; d. Nach bestimmten technischen Modifikationen sollte er die differenzielle Netzanschlussbetätigung des Generatorleistungsschalters über die vorhandene Mikrocomputer-automatische Quasi-Synchronisationsvorrichtung automatisch einstellen können. 4.2. Es ist skalierbar. Die Systemauslegung sollte die zukünftigen Anforderungen an die Umspannwerksgröße und die Funktionserweiterung berücksichtigen. 4.3. Betriebsdatenberechnung und -statistik: Akkumulierte Eigenleistung, akkumulierte Bezugsleistung, Nutzungsstatistiken, tägliche und monatliche Betriebsberichte, Maximal- und Minimalwerte, tägliche, monatliche und jährliche Lastkurven usw. Berichte können automatisch generiert werden. 4.4. Verfügt über Selbsttest-Fehleralarme für interne Geräte und eine blinkende Popup-Bildschirmfunktion im Störfall. 4.5. Verfügt über 110-kV-Fehleraufzeichnung, Störfallwiedergabe (SOE) und GPS-Satellitenzeitsynchronisation für eine einfache Störfallanalyse und -beurteilung. 4.6. Verfügt über lokale und ferngesteuerte Betriebsfunktionen mit gegenseitiger Verriegelung. 4.7. Verfügt über mindestens eine Fehlbedienungsverriegelung, die das Öffnen und Schließen von Trennschaltern unter Last, das Schließen von Erdungsschaltern unter Spannung und das Schließen von Leistungsschaltern (Trennschaltern) unter Erdungsschaltern verhindert. In diesen Fällen ist der Betrieb zu verweigern und entsprechende Warnungen sind auszugeben. 4.8. Verfügt über Funktionen zum Generieren, Üben und Drucken von Betriebsbelegen. 4.9. Verfügt über eine Funktion zur Auswahl der Erdungsleitung bei niedrigen Strömen. 4.10. Idealerweise sollte es mit dem bestehenden, mikrocomputerbasierten „Fünf-Punkt-Sicherheitssystem“ von Zhuhai Youte in unserem Werk kompatibel sein. 5. Weitere Vorsichtsmaßnahmen und Anforderungen 5.1. Da die derzeitigen 6-kV-Trennschalter unseres Werks alle bei der Errichtung des Werks in Betrieb genommen wurden, ist die Anzahl ihrer Hilfskontakte unzureichend. Darüber hinaus sind die Geräte nach fast 30 Jahren Betriebsdauer stark gealtert und arbeiten äußerst unzuverlässig. Um die Genauigkeit der Datenerfassung und -eingabe durch die Mess- und Steuereinheit zu gewährleisten, Bedienungsfehler und Geräteausfälle zu vermeiden und sicherzustellen, dass das Stromverteilungsautomatisierungssystem nicht nur eine Formalität ist, sondern seine Funktion tatsächlich erfüllt, müssen alle Hilfskontakte der 6-kV-Trennschalter unseres Werks ausgetauscht werden. Es wird empfohlen, Vakuum-Hilfskontakte von Zhuhai Youte zu verwenden. 5.2. Für die Messanforderungen sollten die Stromzähler im 6-kV-Verteilerschrank des Werks durch Impulsstromzähler oder intelligente elektrische Messgeräte mit Kommunikationsschnittstellen ersetzt werden. 5.3. Der zentrale Signalstromkreis (einschließlich Fehler- und Warnsignale) arbeitet unabhängig, wird direkt vom Schutzgerät ausgegeben und nicht vom Überwachungssystem gesteuert. Dadurch wird sichergestellt, dass auch bei Fehlfunktionen der Hintergrundüberwachung oder des Kommunikationsnetzes korrekte Signale ausgegeben werden, sodass die Bediener umgehend reagieren können. 5.4. Die Schutzsysteme für die Leitungen Xia 1# und Xia 2# müssen aktualisiert werden und benötigen Distanzschutz, Richtungsschutz gegen Nullstrom und Wiedereinschaltfunktion. Sie sollten im Hauptleitstand unter Verwendung der vorhandenen digitalen und analogen Eingangskabel des Schutzgeräts installiert werden. 5.5. Anforderungen an die Einstellungen für den Leitungsschutz: a. Dreistufiger Stromschutz, d. h. Sofortiger Überstromschutz, zeitgesteuerter Überstromschutz und zeitgesteuerter Überstromschutz; b. Nullstromschutz/Niederstrom-Erdschlussortungsfunktion; c. Unterfrequenz-Lastabwurfschutz. 5.6. Das vorhandene Niederstrom-Erdschlussortungsgerät WJX-4 des Shenzhen Institute of Automation, Nanjing Automation Research Institute, kann weiterhin für die Niederstrom-Erdschlussortung verwendet werden. Es empfiehlt sich jedoch, die integrierte Schutz- und Steuerungseinheit zu nutzen, um Felddaten an die Hintergrundüberwachungsanlage zu senden. Dort analysiert und bewertet die Software die Daten, um die Erdschlussortungsfunktion zu realisieren. 5.7. Der Niederspannungsschutz für die 6-kV-Hochspannungsmotoren im Werk verwendet derzeit einen herkömmlichen elektromagnetischen Relaisschutz, der zentral in jedem PT-Schaltschrank installiert ist. Er schaltet jeden Hochspannungsmotor durch Aktivierung zweier verzögerter Auslösesammelschienen bei 3,5 s und 9,0 s ab. Es wird jedoch erwartet, dass die 6-kV-Primärausrüstung des Werks innerhalb der nächsten zwei Jahre modernisiert wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Niederspannungsschutz für die Hochspannungsmotoren getrennt, sodass der Motor über einen eigenen Niederspannungsschutz verfügt, der seinen eigenen Schalter auslöst. Daher wird der Niederspannungskreis vorerst nicht aufgerüstet, jedoch müssen die relevanten Signalkreise, wie z. B. „Niederspannungssicherung durchgebrannt“, an das Überwachungssystem angeschlossen werden. Gleiches gilt für die Niederspannungskreise in jedem 380-V-Abschnitt. 5.8. Das Analogpanel kann in Echtzeit mit dem Hintergrundüberwachungsrechner kommunizieren und ermöglicht so eine automatische dynamische Anpassung basierend auf Änderungen der Öffnungs- und Schließpositionen von Leistungsschaltern und Trennschaltern im Bereich 110 kV – Haupt-6-kV – Werks-6-kV-Leistungsschalter – Werks-380-V-Leistungsschalter. 5.9. Oberhalb des Simulationsbildschirms befinden sich Messgeräte, die die 110-kV-Spannung des elektrischen Systems, die Spannung jedes Abschnitts der Haupt-6-kV-Sammelschiene, die Frequenz, den Niederspannungsstrom des Haupttransformators und die Stufenschalterstellung des Haupttransformators unter Last anzeigen können.