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(guó)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)(NCS)、廠用電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)(ECMS)、相量測(cè)量裝置(PMU)和自動(dòng)電壓控制裝置(AVC)等多個(gè)系統(tǒng)［1－5］。其功能涉及一次設(shè)備和二次回路、運(yùn)行、調(diào)度和網(wǎng)源協(xié)調(diào)等專業(yè)，在火電廠運(yùn)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(dòng)電壓控制裝置(AVC)和自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)的應(yīng)用對(duì)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(dòng)化水平，減輕運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，其運(yùn)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(yùn)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(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)集成而實(shí)現(xiàn)。由于二次設(shè)備相對(duì)于一次設(shè)備而言其單元造價(jià)低很多，加上回路的復(fù)雜性，真正實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用很少。文獻(xiàn)［12］提出了電子式互感器在線監(jiān)測(cè)研究思路，對(duì)繼電保護(hù)裝置的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用也有較多的研究，但已有文獻(xiàn)針對(duì)電氣監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究開展得較少。

目前，對(duì)運(yùn)行中的火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)以定期檢驗(yàn)為主。通過定期檢驗(yàn)可查出設(shè)備故障或隱患，檢驗(yàn)周期的長(zhǎng)短決定查找并排除故障的及時(shí)性。顯然，過于頻繁的檢驗(yàn)會(huì)降低系統(tǒng)的可用性，同時(shí)增加檢驗(yàn)成本。定期檢驗(yàn)是按照規(guī)定的時(shí)間間隔進(jìn)行，導(dǎo)致檢驗(yàn)的針對(duì)性不強(qiáng)，盲目檢驗(yàn)過多。對(duì)缺陷較多的設(shè)備檢修不足，對(duì)狀況較好的設(shè)備又檢修過剩，不僅增加了運(yùn)維成本，也會(huì)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(yàn)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(yùn)行維護(hù)的現(xiàn)狀，針對(duì)定期監(jiān)測(cè)中工作量較大和難以實(shí)現(xiàn)的測(cè)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(cè)方案，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)備和功能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)軟硬件系統(tǒng)。

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

目前運(yùn)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(gè)火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)及整合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化應(yīng)用、保護(hù)應(yīng)用、電量統(tǒng)計(jì)、智能告警、在線統(tǒng)計(jì)計(jì)算、性能分析和在線診斷等功能，是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心。一般按雙機(jī)冗余配置;

2)操作員站，是監(jiān)控系統(tǒng)的主要人機(jī)界面，用于圖形及報(bào)表顯示、事件記錄及報(bào)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(jī)冗余配置;

3)工程師站，實(shí)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(bào)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(dòng)主機(jī)，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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)的“直采直送”，通過專用通道以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式向各級(jí)調(diào)度傳送遠(yuǎn)動(dòng)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(cè)量裝置、直流電源系統(tǒng)、交流不停電系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警裝置、電能計(jì)量裝置及主要設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等;

6)打印機(jī)和音響報(bào)警裝置等。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括:網(wǎng)絡(luò)交換機(jī);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(cè)控單元和保護(hù)單元。測(cè)控單元具有狀態(tài)量采集、交流采樣及測(cè)量、防誤閉鎖、同期檢測(cè)、就地?cái)嗦菲骶o急操作和單接線狀態(tài)及數(shù)字顯示等功能。測(cè)控單元的配置原則為開關(guān)電氣設(shè)備按每個(gè)電氣單元配置，發(fā)電機(jī)單獨(dú)配置，母線單元按每段母線單獨(dú)配置，公用單元單獨(dú)配置。主變壓器單元按各側(cè)電壓等級(jí)單獨(dú)配置，本體單獨(dú)配置。

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

部分檢驗(yàn)周期為2～3年，規(guī)范性的檢驗(yàn)項(xiàng)目如下:

1)外觀檢查;

2)交流回路的絕緣檢查(僅對(duì)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(yàn);

4)上電檢查(時(shí)鐘、保護(hù)程序版本號(hào)、校驗(yàn)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(jì)算值正確性的測(cè)定;

6)各開入、開出回路工作性能的檢驗(yàn);

7)各邏輯回路(手合、同期)工作性能的檢驗(yàn);

8)時(shí)間元件及延時(shí)元件工作時(shí)限的測(cè)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(dòng)化系統(tǒng)的通信和網(wǎng)絡(luò)功能的檢驗(yàn);

11)各種告警信號(hào)的完好性。

在以上的測(cè)試項(xiàng)目中，第5項(xiàng)工作需使用符合等級(jí)指數(shù)要求穩(wěn)定度高的三相標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源和符合等級(jí)指數(shù)要求的測(cè)量?jī)x表對(duì)相關(guān)測(cè)控裝置進(jìn)行精度測(cè)試。

第6項(xiàng)測(cè)試需通過傳動(dòng)試驗(yàn)和模擬開關(guān)量動(dòng)作，在站控層檢查報(bào)警信息。第11項(xiàng)告警信號(hào)包括事故報(bào)警、預(yù)告報(bào)警和測(cè)量值(包括計(jì)算量值)越線報(bào)警，報(bào)警方式包括自動(dòng)推畫面功能，人機(jī)界面上響應(yīng)設(shè)備狀態(tài)、顏色改變并閃爍和不同的報(bào)警聲音。以上檢測(cè)項(xiàng)目工作量較大，并需要專業(yè)的信號(hào)源和測(cè)量?jī)x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(yùn)行、檢修人員的關(guān)注點(diǎn)，在定期檢驗(yàn)過程中如果要準(zhǔn)確地檢測(cè)SOE信息的正確性需使用時(shí)間同步信號(hào)發(fā)生器，通過對(duì)SOE信息內(nèi)的時(shí)間和同步信號(hào)發(fā)生器的時(shí)間進(jìn)行比較，測(cè)出時(shí)間信號(hào)在應(yīng)用過程中的精度。該測(cè)試涉及到時(shí)間同步裝置和測(cè)控單元對(duì)時(shí)功能。

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

火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象是系統(tǒng)中的各個(gè)元件，包括站控層和間隔層每個(gè)設(shè)備。監(jiān)測(cè)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(bào)警處理和遠(yuǎn)動(dòng)功能等。

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

火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)本身基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其設(shè)備本身的狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)

站控層設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括站控層計(jì)算機(jī)硬件、軟件程序進(jìn)程及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)。站控層計(jì)算機(jī)采用的操作系統(tǒng)均具有較完善的監(jiān)測(cè)功能，可對(duì)計(jì)算機(jī)硬件故障和軟件故障進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行工況的監(jiān)測(cè)也可以通過各種方式實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單的心跳報(bào)文和握手信號(hào)可以監(jiān)測(cè)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(cè)

間隔層保護(hù)測(cè)控裝置自診斷技術(shù)的發(fā)展為狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(duì)裝置的電源、CPU、I/O接口、A/D轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)器等插件進(jìn)行巡查診斷。裝置具有看門狗和電源監(jiān)測(cè)硬件?？梢圆捎帽容^法、校驗(yàn)法、監(jiān)視定時(shí)器法等故障測(cè)試方法。目前的測(cè)控裝置均可通過加載診斷程序，自動(dòng)測(cè)試每臺(tái)設(shè)備和板件。測(cè)控裝置的狀態(tài)和板件級(jí)的故障均可在人機(jī)界面產(chǎn)生報(bào)警。

2.2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)，其功能的在線監(jiān)測(cè)則需要較大的信息量和相應(yīng)的算法配合實(shí)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(cè)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(cè)奠定了基礎(chǔ)。

2.2.1 狀態(tài)量采集功能的監(jiān)測(cè)

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

火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)量不僅從保護(hù)測(cè)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(dòng)作的數(shù)字信號(hào)。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(diǎn)信號(hào)。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(yùn)行中發(fā)生狀態(tài)量信號(hào)變位，可通過其相關(guān)信息集合判定其真?zhèn)危瑥亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)量采集功能的監(jiān)測(cè)。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(huì)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(duì)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(cè)

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(jí);輸入電流互感器、電壓互感器的二次值，計(jì)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(cè)量誤差小于或等于0.2%，有功功率、無功功率測(cè)量誤差小于或等于0.5%;電網(wǎng)頻率測(cè)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(diǎn)可調(diào)。

運(yùn)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(cè)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(cè)進(jìn)行站內(nèi)狀態(tài)估計(jì)的方法。其算法具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小、計(jì)算速度快、實(shí)時(shí)可靠的優(yōu)點(diǎn)。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(cè)，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(chǔ)時(shí)間節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)站內(nèi)狀態(tài)估計(jì)，并存儲(chǔ)狀態(tài)估計(jì)結(jié)果。按照式(1)～(3)進(jìn)行模擬量精度測(cè)試。

式中:Mgti為ti時(shí)刻狀態(tài)估計(jì)值;Mcti為ti時(shí)刻測(cè)量值;SB為基準(zhǔn)值;Wj為第j路測(cè)量值的相對(duì)誤差。

3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要適應(yīng)火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線及發(fā)展趨勢(shì)，采用模塊化、平臺(tái)化的設(shè)計(jì)思想，本文設(shè)計(jì)開發(fā)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由基礎(chǔ)平臺(tái)、支撐體系、高級(jí)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(cè)的基礎(chǔ)平臺(tái)由硬件平臺(tái)、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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的配置要求;支撐體系由人機(jī)界面子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、報(bào)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(jí)應(yīng)用提供支撐體系。高級(jí)應(yīng)用可根據(jù)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行擴(kuò)充，目前開發(fā)有設(shè)備監(jiān)測(cè)功能，包括站控層設(shè)備監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)測(cè)和間隔層設(shè)備監(jiān)測(cè)，功能監(jiān)測(cè)包括開關(guān)量功能監(jiān)測(cè)和電氣量功能監(jiān)測(cè)［17］。

在線監(jiān)測(cè)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能可單獨(dú)放置在一臺(tái)計(jì)算機(jī)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(cè)功能嵌入服務(wù)器中。監(jiān)控系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)功能應(yīng)具備與上級(jí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中心通信的功能，以便將狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)送到廠級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)。

圖2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件結(jié)構(gòu)

圖3 在線監(jiān)測(cè)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(yùn)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(cè)方法和開關(guān)量、電氣量采集功能的監(jiān)測(cè)方法，并設(shè)計(jì)開發(fā)了在線監(jiān)測(cè)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(yùn)行水平，降低維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的水平。

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