余 耀，麻亞東，張 弓，李 衛(wèi)

(1.內(nèi)蒙古蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021000;2.南京南瑞集團(tuán)公司 北京監(jiān)控技術(shù)中心，北京102200;3.國網(wǎng)吉林供電公司，吉林 吉林132001)

火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)一般包括升壓站計算機監(jiān)控系統(tǒng)(NCS)、廠用電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)(ECMS)、相量測量裝置(PMU)和自動電壓控制裝置(AVC)等多個系統(tǒng)［1－5］。其功能涉及一次設(shè)備和二次回路、運行、調(diào)度和網(wǎng)源協(xié)調(diào)等專業(yè)，在火電廠運行、維護(hù)和調(diào)度工作中發(fā)揮著越來越重要的作用，尤其是自動電壓控制裝置(AVC)和自動發(fā)電控制(AGC)的應(yīng)用對電氣監(jiān)控系統(tǒng)信息采集提出了更高的要求［6－7］。電氣監(jiān)控系統(tǒng)在提高火電廠自動化水平，減輕運行人員勞動強度的同時，其運行穩(wěn)定性也直接影響火電廠甚至電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運行。

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)加速發(fā)展，電力設(shè)備狀態(tài)檢修全面推進(jìn)，輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。目前電力系統(tǒng)的在線監(jiān)測技術(shù)的研究主要集中在一次設(shè)備上［8－11］，如變壓器、容性設(shè)備、斷路器等，技術(shù)上主要基于各種傳感器及檢測技術(shù)集成而實現(xiàn)。由于二次設(shè)備相對于一次設(shè)備而言其單元造價低很多，加上回路的復(fù)雜性，真正實現(xiàn)在線監(jiān)測的應(yīng)用很少。文獻(xiàn)［12］提出了電子式互感器在線監(jiān)測研究思路，對繼電保護(hù)裝置的在線監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用也有較多的研究，但已有文獻(xiàn)針對電氣監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的研究開展得較少。

目前，對運行中的火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)以定期檢驗為主。通過定期檢驗可查出設(shè)備故障或隱患，檢驗周期的長短決定查找并排除故障的及時性。顯然，過于頻繁的檢驗會降低系統(tǒng)的可用性，同時增加檢驗成本。定期檢驗是按照規(guī)定的時間間隔進(jìn)行，導(dǎo)致檢驗的針對性不強，盲目檢驗過多。對缺陷較多的設(shè)備檢修不足，對狀況較好的設(shè)備又檢修過剩，不僅增加了運維成本，也會在一定程度上影響系統(tǒng)使用壽命，甚至引起維修故障，并且在2次檢驗間隔中的設(shè)備隱患難以發(fā)現(xiàn)。

本文分析了火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)運行維護(hù)的現(xiàn)狀，針對定期監(jiān)測中工作量較大和難以實現(xiàn)的測試進(jìn)行了分析，提出了火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的在線監(jiān)測方案，對系統(tǒng)的設(shè)備和功能實現(xiàn)在線監(jiān)測，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的在線監(jiān)測軟硬件系統(tǒng)。

1 火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)運行維護(hù)現(xiàn)狀分析

目前運行的火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，多采用分層、分布、開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由站控層、間隔層以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。

站控層設(shè)備包括:

圖1 火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1)服務(wù)器，用于整個火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲及整合，實現(xiàn)自動化應(yīng)用、保護(hù)應(yīng)用、電量統(tǒng)計、智能告警、在線統(tǒng)計計算、性能分析和在線診斷等功能，是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心。一般按雙機冗余配置;

2)操作員站，是監(jiān)控系統(tǒng)的主要人機界面，用于圖形及報表顯示、事件記錄及報警狀態(tài)顯示和查詢，設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)的查詢，操作指導(dǎo)，操作控制命令的解釋和下達(dá)、閉鎖邏輯功能等。一般按雙機冗余配置;

3)工程師站，實現(xiàn)系統(tǒng)的維護(hù)、管理，可完成數(shù)據(jù)庫的定義、修改，系統(tǒng)參數(shù)的定義、修改，報表的制作、修改，及網(wǎng)絡(luò)管理維護(hù)、系統(tǒng)診斷等工作;

4)遠(yuǎn)動主機，通過站內(nèi)的數(shù)據(jù)網(wǎng)接入設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)的“直采直送”，通過專用通道以點對點方式向各級調(diào)度傳送遠(yuǎn)動信息;

5)公共接口設(shè)備，用于站內(nèi)其他設(shè)備的接入，包括繼電保護(hù)及故障信息管理子站、相量測量裝置、直流電源系統(tǒng)、交流不停電系統(tǒng)、火災(zāi)報警裝置、電能計量裝置及主要設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)等;

6)打印機和音響報警裝置等。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括:網(wǎng)絡(luò)交換機;其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括光/電轉(zhuǎn)換器，接口設(shè)備(如光纖接線盒)和網(wǎng)絡(luò)連接線、電纜、光纜等。

間隔層設(shè)備主要包括面向間隔的測控單元和保護(hù)單元。測控單元具有狀態(tài)量采集、交流采樣及測量、防誤閉鎖、同期檢測、就地斷路器緊急操作和單接線狀態(tài)及數(shù)字顯示等功能。測控單元的配置原則為開關(guān)電氣設(shè)備按每個電氣單元配置，發(fā)電機單獨配置，母線單元按每段母線單獨配置，公用單元單獨配置。主變壓器單元按各側(cè)電壓等級單獨配置，本體單獨配置。

目前，對運行中的火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)檢驗按照《繼電保護(hù)和電網(wǎng)安全自動裝置檢驗規(guī)程》的要求開展定期檢驗，定期檢驗分為3種［13］:1)全部檢驗;2)部分檢驗;3)用裝置進(jìn)行斷路器跳、合閘試驗。

部分檢驗周期為2～3年，規(guī)范性的檢驗項目如下:

1)外觀檢查;

2)交流回路的絕緣檢查(僅對停電元件);

3)所用穩(wěn)壓電源及穩(wěn)壓回路工作正確性及可靠性的檢驗;

4)上電檢查(時鐘、保護(hù)程序版本號、校驗碼等程序正確性及完整性的檢查);

5)數(shù)據(jù)采集回路各采樣值、計算值正確性的測定;

6)各開入、開出回路工作性能的檢驗;

7)各邏輯回路(手合、同期)工作性能的檢驗;

8)時間元件及延時元件工作時限的測定;

9)裝置網(wǎng)絡(luò)地址及設(shè)置的檢查;

10)至監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)度自動化系統(tǒng)的通信和網(wǎng)絡(luò)功能的檢驗;

11)各種告警信號的完好性。

在以上的測試項目中，第5項工作需使用符合等級指數(shù)要求穩(wěn)定度高的三相標(biāo)準(zhǔn)信號源和符合等級指數(shù)要求的測量儀表對相關(guān)測控裝置進(jìn)行精度測試。

第6項測試需通過傳動試驗和模擬開關(guān)量動作，在站控層檢查報警信息。第11項告警信號包括事故報警、預(yù)告報警和測量值(包括計算量值)越線報警，報警方式包括自動推畫面功能，人機界面上響應(yīng)設(shè)備狀態(tài)、顏色改變并閃爍和不同的報警聲音。以上檢測項目工作量較大，并需要專業(yè)的信號源和測量儀表。

火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)中的事件順序記錄(Sequence Of Event，SOE)功能也是運行、檢修人員的關(guān)注點，在定期檢驗過程中如果要準(zhǔn)確地檢測SOE信息的正確性需使用時間同步信號發(fā)生器，通過對SOE信息內(nèi)的時間和同步信號發(fā)生器的時間進(jìn)行比較，測出時間信號在應(yīng)用過程中的精度。該測試涉及到時間同步裝置和測控單元對時功能。

2 火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)在線監(jiān)測的內(nèi)容和方法

火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的主要對象是系統(tǒng)中的各個元件，包括站控層和間隔層每個設(shè)備。監(jiān)測的功能應(yīng)覆蓋監(jiān)控系統(tǒng)的全部功能，包括數(shù)據(jù)采集和處理，調(diào)節(jié)與控制，報警處理和遠(yuǎn)動功能等。

2.1 火電廠電氣監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測方法

火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)本身基于計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其設(shè)備本身的狀態(tài)監(jiān)測無論是在技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)方面都較容易做到［14，15］。

2.1.1 站控層設(shè)備在線監(jiān)測

站控層設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測包括站控層計算機硬件、軟件程序進(jìn)程及網(wǎng)絡(luò)運行情況監(jiān)測。站控層計算機采用的操作系統(tǒng)均具有較完善的監(jiān)測功能，可對計算機硬件故障和軟件故障進(jìn)行在線監(jiān)測。網(wǎng)絡(luò)運行工況的監(jiān)測也可以通過各種方式實現(xiàn)，簡單的心跳報文和握手信號可以監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通狀態(tài)。

2.1.2 間隔層設(shè)備在線監(jiān)測

間隔層保護(hù)測控裝置自診斷技術(shù)的發(fā)展為狀態(tài)監(jiān)測奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。裝置內(nèi)各模塊具有自診斷功能，可對裝置的電源、CPU、I/O接口、A/D轉(zhuǎn)換、存儲器等插件進(jìn)行巡查診斷。裝置具有看門狗和電源監(jiān)測硬件?？梢圆捎帽容^法、校驗法、監(jiān)視定時器法等故障測試方法。目前的測控裝置均可通過加載診斷程序，自動測試每臺設(shè)備和板件。測控裝置的狀態(tài)和板件級的故障均可在人機界面產(chǎn)生報警。

2.2 計算機監(jiān)控系統(tǒng)功能狀態(tài)監(jiān)測方法

相比于火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的在線監(jiān)測，其功能的在線監(jiān)測則需要較大的信息量和相應(yīng)的算法配合實現(xiàn)?；痣姀S電氣監(jiān)控系統(tǒng)除了自身采集的數(shù)據(jù)外，還通過和相量測量裝置、繼電保護(hù)及故障信息管理子站等子系統(tǒng)和裝置通信獲取數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)有較大的冗余性，為其功能的狀態(tài)監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。

2.2.1 狀態(tài)量采集功能的監(jiān)測

繼電器節(jié)點抖動、寄生回路的存在、光電隔離端子的損壞和驅(qū)動電源故障等原因均可能影響狀態(tài)量采集功能的正常運行。

火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)量不僅從保護(hù)測控裝置獲得，還可以通過站內(nèi)數(shù)據(jù)網(wǎng)從繼電保護(hù)及故障信息管理子站獲得大量保護(hù)動作的數(shù)字信號。有些重要的狀態(tài)量，如斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)(手車位置)等通常取雙位置接點信號。狀態(tài)量采集的信息冗余度較高。所以火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)運行中發(fā)生狀態(tài)量信號變位，可通過其相關(guān)信息集合判定其真?zhèn)危瑥亩鴮崿F(xiàn)對開關(guān)量采集功能的監(jiān)測。具體方法如下:

假定狀態(tài)量Zi的相關(guān)狀態(tài)量信息集合為Yi=［Yi1，Yi2，…，Yin］，如狀態(tài)量Zi發(fā)生變位，其相關(guān)信息集合Yi內(nèi)的狀態(tài)量也會發(fā)生相應(yīng)變位，集合Yi變位結(jié)果產(chǎn)生序列Ai(i=0～n)，其總加和為，通過對A值進(jìn)行分析可得出狀態(tài)量Zi變位的真?zhèn)?。如果狀態(tài)量Zi是信息集合Yi“與”邏輯的結(jié)果，那么若A=n則狀態(tài)量Xi變位為“真”，反之為“偽”;如果狀態(tài)量Zi是信息集合Yi“或”邏輯的結(jié)果，那么若A≥1則狀態(tài)量Zi變位為“真”，反之為“偽”。

2.2.2 模擬量采集功能的監(jiān)測

目前的火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的模擬量均采用交流采樣，模擬量數(shù)字量的轉(zhuǎn)換位數(shù)不少于14位，采樣精度不低于0.2級;輸入電流互感器、電壓互感器的二次值，計算三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電流量、電壓量測量誤差小于或等于0.2%，有功功率、無功功率測量誤差小于或等于0.5%;電網(wǎng)頻率測量誤差小于或等于0.01 Hz。模擬量越死區(qū)傳送整定最小值大于或等于0.1%(額定值)，并逐點可調(diào)。

運行中的火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)模擬量采集誤差主要是由于測控單元采樣回路元器件老化和溫度漂移影響而產(chǎn)生的。

文獻(xiàn)［16］提出了采用三相模型和多源三相量測進(jìn)行站內(nèi)狀態(tài)估計的方法。其算法具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小、計算速度快、實時可靠的優(yōu)點。該方法可應(yīng)用于火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的電氣量采集功能的監(jiān)測，具體方法如下:

按照火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫電氣量存儲時間節(jié)點啟動站內(nèi)狀態(tài)估計，并存儲狀態(tài)估計結(jié)果。按照式(1)～(3)進(jìn)行模擬量精度測試。

式中:Mgti為ti時刻狀態(tài)估計值;Mcti為ti時刻測量值;SB為基準(zhǔn)值;Wj為第j路測量值的相對誤差。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要適應(yīng)火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)路線及發(fā)展趨勢，采用模塊化、平臺化的設(shè)計思想，本文設(shè)計開發(fā)的在線監(jiān)測系統(tǒng)由基礎(chǔ)平臺、支撐體系、高級應(yīng)用系統(tǒng)組成，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在線監(jiān)測的基礎(chǔ)平臺由硬件平臺、Unix/Linux安全性較高的操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，適應(yīng)當(dāng)今主流的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的配置要求;支撐體系由人機界面子系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、報表子系統(tǒng)、WEB發(fā)布子系統(tǒng)和通信交互子系統(tǒng)構(gòu)成，為系統(tǒng)的高級應(yīng)用提供支撐體系。高級應(yīng)用可根據(jù)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行擴充，目前開發(fā)有設(shè)備監(jiān)測功能，包括站控層設(shè)備監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)測和間隔層設(shè)備監(jiān)測，功能監(jiān)測包括開關(guān)量功能監(jiān)測和電氣量功能監(jiān)測［17］。

在線監(jiān)測的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，狀態(tài)監(jiān)測功能可單獨放置在一臺計算機中，通過站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)與站控層服務(wù)器通信獲取數(shù)據(jù);也可將在線監(jiān)測功能嵌入服務(wù)器中。監(jiān)控系統(tǒng)的在線監(jiān)測功能應(yīng)具備與上級狀態(tài)監(jiān)測中心通信的功能，以便將狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果發(fā)送到廠級應(yīng)用系統(tǒng)。

圖2 狀態(tài)監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu)

圖3 在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 語

本文分析了火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的運行維護(hù)現(xiàn)狀，研究了火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測方法和開關(guān)量、電氣量采集功能的監(jiān)測方法，并設(shè)計開發(fā)了在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用于火電廠可提高火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的運行水平，降低維護(hù)人員的勞動強度，提升電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的水平。

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