铝电解整流变电站综合自动化发展综述

1、铝电解整流变电站综合自动化发展综述云南铝业股份有限公司董仕毅1、 概述整流变电站是铝冶炼生产中的一个重要环节，它的运行情况直接影响到铝电解生产的连续、经济、可靠进行。整流变电站运行的关键，除一次设备外，在很大程度上取决于二次设备的工作性能。国内现有的整流变电站，电压等级大都在35KV220KV之间，其控制分为三种形式：一是早期的常规控制；二是80年代后期建设的部分铝厂实现的彩微机管理、具有一定自动化水平的新型控制；再就是现在正大量应用于大型铝电解系列中的全面微机化的综合自动化控制。在常规控制的整流变电站中，其继电保护、中央信号系统、检测系统、自动稳流系统等装置都有是采用传统的分立式设备，控制室

2、内有大量的控制、保护、计量用屏盘，使设备设置复杂、重复，占地面积大，日常维护管理工作繁重。这种常规整流变电站的一个致使弱点是电缆连接过多，系统不具备自诊断能力，对二次系统本身的故障无法检测。为了预防这种故障，需要频繁地定期进行各种试验和调试，而一旦出现了始料未及的设备故障，便会给整个变电站系统带来灾难性的后果。要提高变电站运行的可靠性及经济性，一个最基本的办法就是提高整流变电站运行管理的自动化水平，实现综合自动化，以微机化的新型二次设备取代传统使用的分立式设备。集保护、控制、监测及调度等功能为一体，做到设备共享、住处资源共享，使变电站设计简捷、布局紧凑，运行更加安全可靠。从国内外行业的发展趋势

3、来看，整流器流变电站实行综合自动化已是势在必行。2、 电力系统和铝电解生产变电站综合自动化的发展及应用状况2.1. 电力系统综合自动化的发展及应用国际上对于变电站综合自动化的研究，已经进行了多年，并取得了令人瞩目的发展。早在20世纪70年代未，日本就研制出了世界上第一套综合数字式保护的控制系统SDCSI。此后，美国、法国、德国等一些发达国家也相继在此领域内取得不同程度的进展。在八十年代初，美国西屋公司和EPRI联合研制出了SPCS变电站保护和控制综合自动化系统。到1984年，瑞士的BBC公司首次推出了他们的变电站综合自动化系统。1985年，西门子公司又推出了他们的第一套变电站综合自动化系统LS

4、A678，从此变电站综合自动化在国外开始得到普遍的应用。现在，国外大多数变电站都实现了综合自动化及无人值班方式。国内是六十年代开始研制变电站自动化技术。70年代初，先后研制出了电气集中控制装置和集保护、控制、信号为一体的“四合一”装置。80年代中期，由清华大学研制的35KV变电站微机保护、监测自动化系统在威海望岛变电站投入运行；与此同时，南京自动化研究院也开发出了220KV梅河口变电站综合自动化系统。此外国内许多高等院校及科研单位出在这方面做了大量的工作。所有这些都为国内变电站自动技术的发展起到了卓有成效的推动作用。2.2. 铝行业整流变电所综合自动化的发展及应用国外铝行业整流变电所综合自动化

5、的发展和应用是建立在电力系统综合自动化的基础上的。最早的应用是在八十年代后期新建的大量预焙电解系列的整焙电解系列的整流供电站，早期应用主要是以监控为主，采用微机进行监控，保护独立，自动稳流则自成一个独立的系统。到90年代初期，电力系统综合自动化应用已日趋完善，在新建的铝厂中开始采用综合自动化系统。国内铝厂在综合自动化技术的发展较国外晚，八十年代末九十年代初从国外引进了大型预焙电解生产系列的技术后，微机监控技术应用于整流变电所开始起步。93至94年，国内第一套整流电所微机监控系统由成都电子科技大学和云南铝厂共同开发应用。它采用V40单片机构成集中控制系统，把测量、自动稳流、信号集中监控。由于受当

6、时工控技术的限制，使用效果没有达到预期有目标。直到96年，由于国内电力系统综合自动化技术的应用越来越成熟，铝行业第一套集保护、控制、测量、管理于一体的综合自动化系统在云南铝厂95技改工程的220KV整流变电站工程上开始应用。系统采用美国WESCON公司技术和进口美国SEL公司的保护单元，构成了完整的综合自动化系统。整流机组控制采用美国AB公司的PLC进行测量、保护、自动稳流控制，自成系统后再与综合自动化系统通信，组成有别于电力系统综合自动化的铝行业综合自动化系统。该系统的应用获得了成功，在此之后新建的大型铝厂，开始全面使用综合自动化系统。2.3. 综合自动化发展的特点纵观我国综合自动化的发展状

7、况，可以看到，初期的变电站自动化，只是在常规二次设备配置的基础上增加了计算机管理功能，如CRT屏幕监视、数值计算、报表打印等，所增加的功能并不能取代常规的操作监控设备。80年代后，自动化技术得到了进一步的提高，但是此时的自动化管理仍未涉及到继电保护，只是在原有的PTV的基础上增加了以微机为控制中心的就地功能。各专业在技术上相互独立、资源上不能共享、设备设置重复、功能交叉覆盖，无论在技术上或经济上都不尽合理。进入90年代后，由于微机保护的发展，才使得变电站综合自动化技术产生了一个飞跃，使这项技术在我国进入了实质性发展阶段。随着我国铝待业的技术升级改造，电解铝容量越做越大，单系列产量越来越高，对供

8、电站系统的要求越来越严，因此，综合自动化技术在铝行业应用前景广阔。3、 综合自动化系统的构成方式3.1. 集中式结构初期的变电站自动化设计都是采用集中式结构，这种结构的设计方法是将设备按其不同功能进行归类划分，形成若干独立的子系统，各系统分别采用集中装置来完成自身的功能。这种结构方式的缺点是资源不能共享，设备设置重复，运行的可靠性低，功能有限，且需使用大量的控制电缆，屏柜多，占地面积大，因而这种结构方式并没有得到广泛的应用。3.2. 分散式结构这种方式一般是按一次回路进行设计，首先将设备按一次安装单位划分成若于单元，将控制单元、微机保护单元、数据采集单元安装在户外高压开关间隔附近。然后通过通信

9、电缆将分散单元连成网络，构成一个完整的分散式综合自动化系统。这种方式下各单个功能单元之间既有通信联系，又相互独立，便于扩展、维护，当某一环节出故障时，不至于相互影响。此外，它的抗电磁干扰性能强，可靠性高，还可以把计量、测量、控制、保护、稳流全为一体，可使得数据统一，避免设备重复设置。分散式结构在二次设计上能最大限度地减少二次设备占地面积和节省大量电缆及接线。3.3. 集中与分散相结合的结构这种结构方式介于集中与分散式两种结构之间，形式较多。这种方式具有分散式结构的全部优点，由于采用集中式组屏，非常有利于系统的设计，安装与维护管理。4、 综合自动化的主要功能一般来说，整流变电站综合自动化主要包括

10、数据采集及通信、数据处理、安全监视、微机保护、开关操作、整流输出电压调整、自动稳流、自诊断等功能。4.1. 数据采集及通讯功能其中包括整变、动力变及进线，母联等设备的交流测量，温度水压等非电量测量、整流器直流电压、电流测量、开关、刀闸等遥信量的实时采集、保护信息的收取、现场与主控室的通信等。4.2. 数据处理整变、动力变及各进线、母联的功率及功率因数计算，电能计算，谐波计算，事件顺序记录及事故追忆等。4.3. 安全监控包括系统运行工况监视、变电站一次系统运行状况监视、遥信变位的声光报警、遥测量的越限监视、事故信号、预告信号的告警显示、整变档位与自动稳定状况、整流器运行状况、在线自诊断等。4.4

11、. 运行记录故障记录、运行记录、后台数据记录、设备运行记录以及各种记录的统计、报表的人工与自动打印等。4.5. 微机保护包括整流变压器保护、动力变保护、进线保护、母线保护、滤波系统保护、整流器保护及其它保护。4.6. 直流电压、电流的控制及自动稳流包括手动升降、自动升降档控制、自动稳流开环闭环控制等功能。4.7. 人机联系功能主要功能有在线生成、修改各种报表及画面，在线修改数据库参数，控制闭锁与解除，多窗口显示，画面大及缩小，远方和当地操作的防误操作闭锁等功能。5、 铝厂变电站综合自动化系统设计原则及评价标准5.1. 设计原则（1） 高可靠性原则：可靠的网络结构；元器件有较强的干扰能力。（2）

12、 易用性、扩展性原则：操作、使用人性化，留有扩展空间，后台软件界面中文化、操作简单化。（3） 结构分散式、单元独立化：各个单元相对独立，每个单元由各自的保护单元、监控单元及智能通讯单元组成，模块标准化，单元之间能互换。（4） 有较强的数据处理功能和实时控制功能。（5） 网络带宽足够大，支持多种通讯规约。（6） 自动稳流数字化，提高稳流精度，能方便地实现大闭环、小闭环控制。（7） 系统连接简单化：减少电气连接。（8） 报表、数据、界面实用化。本着以上原则，选用比较实用的系统结构和高质量、高可靠性的元器件单元，做到各单元独立运行，双网相互切换，电气连接尽可能减少，软件的稳定性高、操作简单、维护方便

13、。5.2. 评价标准评价一个综合自动化系统性能的优劣，主要从它所具有的功能、可靠经济性、运行的灵活性及操作维护的方便性等几个方面来评价。目前对功能的要求有几个方面：微机保护、微机监控、测量及远方通信等，其中最重要的是保护功能，要求对所有故障都能准确地实施保护，而且在动作的快速性及可靠性方面优于常规保护。监控功能在综合自动化中占有很重要的地位，要求系统不但能对变电站的一次系统运行工况进行全方位的监控，且对系统本身的工作异常能及时发现并显示告警。另外，考虑到发展的需求，综合自动化系统应配置功能工具以供继系开发。对可靠性的评价，主要有两方面：构成系统的硬件和软件故障具有较强检出能力，较高的响应速度及

14、合理的处理方式。操作和维护的方便性。操作控制设计应尽可能简单明了，一般运行人员容易掌握，经过短期培训，能熟练地进行操作。另外，在软件设计上要使系统的自诊断功能完善，且要求在结构设计时，注重元件的检修和更换的简捷方便。系统的灵活性。要求通过简单个性某些技术指标和功能，使系统可适应铝电解分期投产和扩建。构成系统的各元件和模块应实现系列化和标准化。综合自动化系统必须具有较强的抗干扰性能。对强磁场、电磁干扰、射频干扰以及各种传导性暂态浪涌干扰、谐波电压干扰、感应过电压要有可靠的抗干扰措施和防范措施。对于分散式结构的系统最好用光纤连接各分散单元。在系统投运前，必须进行各种抗干扰性能试验。经济性是评价的一

15、项重要指标。综合自动化系统与常规系统投资的差别，主要体现在投资费用和运行维护费用上。在投资费用不宽裕的项目上，可选用经济可靠的综合自动化系统。6、 铝行业综合自动化的发展趋势随着计算机技术的发展及在工业生产中的应用，综合自动化系统已越来越完善。铝行业的技术升级改和发展将带动综合自动化技术在电解铝行业中的应用。从目前的发展趋势上看，今后综合自动化在铝行业的应用将向以下几个方面发展：（1） 功能越来越强大，结构越来越简单，可靠性越来越高。（2） 系统结构标准化、模块化，以分散式结构为主，网络功能越来越强。（3） 集整个生产线的控制于一身，变电站自动化、整流所自动化、槽控自动化系统逐渐统一，并向无人值班方向发展。（4） 一次设备与二次设备一体化，使整个结构更加简单，可靠