馮 黎 兵(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611231)

從2009年開始實(shí)施的中國智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略涵蓋了發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度等環(huán)節(jié)[1],但是與智能變電站迅速發(fā)展形成鮮明對比的是，我國目前僅在很少部分大中型水電廠進(jìn)行了智能化改造嘗試，且未充分體現(xiàn)信息化、互動(dòng)化的技術(shù)特征。究其原因，主要是水電廠自動(dòng)控制需要測控管理的對象眾多，相關(guān)科研單位、制造廠家投入的研究資源不多，市場上未提供成熟的解決方案和足夠的智能化設(shè)備。水電廠自動(dòng)控制最基礎(chǔ)、最核心的就是構(gòu)建機(jī)組現(xiàn)地控制單元(以下簡稱機(jī)組LCU)，其智能化程度直接制約著水電廠智能化改造程度與進(jìn)度[2]，也制約著智能電網(wǎng)“源網(wǎng)協(xié)調(diào)”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，所以對智能水電廠機(jī)組LCU的研究顯得尤為必要。

1 機(jī)組LCU的結(jié)構(gòu)

1.1 現(xiàn) 狀

國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)從2010年開始對智能水電廠體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討，通過借鑒智能變電站建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)，文獻(xiàn)[3]從設(shè)計(jì)的角度對體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及制約條件等方面提出了智能化水電站建設(shè)思路；文獻(xiàn)[4]從數(shù)據(jù)建模角度論述了勵(lì)磁系統(tǒng)智能化的實(shí)現(xiàn)手段；文獻(xiàn)[5]提出了符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的水輪機(jī)調(diào)速器智能化方案；文獻(xiàn)[6]基于合并單元、斷路器智能終端及IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用，提出了智能水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的2種過渡性結(jié)構(gòu)方案；文獻(xiàn)[7]基于信息采集數(shù)字化要求，提出了發(fā)電廠電氣二次系統(tǒng)的一體化解決方案；文獻(xiàn)[8]從實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化角度對機(jī)組現(xiàn)地控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備智能化趨勢進(jìn)行了探討；文獻(xiàn)[9]在介紹葛洲壩電廠智能化改造方案基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了機(jī)組信息模型的應(yīng)用情況。

綜合以上研究成果，現(xiàn)階段機(jī)組LCU的結(jié)構(gòu)方案可以概括為圖1所示。

圖1 機(jī)組LCU結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀Fig.1 The present situation of LCU

由圖1可見，在機(jī)組LCU范疇內(nèi)微機(jī)保護(hù)、自動(dòng)勵(lì)磁、自動(dòng)調(diào)速等功能已響應(yīng)IEC61850要求，基本具備信息采集數(shù)字化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化的特征，為水電廠智能化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這種過渡性質(zhì)的結(jié)構(gòu)方案應(yīng)該說是一種最經(jīng)濟(jì)的智能化改造模式，其優(yōu)點(diǎn)是：僅增加少量裝置或僅對部分設(shè)備進(jìn)行升級即可滿足站控層MMS網(wǎng)絡(luò)的“四遙”應(yīng)用需求。但從智能水電廠的技術(shù)要求看，其缺點(diǎn)有5個(gè)：一是現(xiàn)地控制層測控功能的實(shí)現(xiàn)仍然需要依賴傳統(tǒng)的硬布線方式，信號傳輸過程中易受耦合干擾，系統(tǒng)可靠性不足；二是部分?jǐn)?shù)據(jù)重復(fù)采集，信息共享性差；三是微機(jī)保護(hù)采用“網(wǎng)采網(wǎng)跳”方案，已有工程實(shí)踐證實(shí)其可靠性不足；四是現(xiàn)地測控功能高度依賴可編程控制器(以下簡稱PLC)實(shí)現(xiàn)，建模復(fù)雜且單個(gè)裝置故障影響范圍大，系統(tǒng)的分布性不足；五是當(dāng)機(jī)組臺(tái)數(shù)較多時(shí)，現(xiàn)地層設(shè)備數(shù)量將急劇增加，對站控層網(wǎng)絡(luò)資源需求極大，MMS報(bào)文交換速度也受影響。

1.2 改進(jìn)措施

針對上述缺點(diǎn)，為充分響應(yīng)智能電網(wǎng)“一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化”要求，機(jī)組LCU微機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)做如下優(yōu)化，如圖2所示。

圖2 智能化機(jī)組LCU結(jié)構(gòu)Fig.2 The LCU structure of the intelligent hydropower station

圖2中，過程層網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)地層網(wǎng)絡(luò)均按間隔配置。過程層設(shè)備主要由測量合并單元、開關(guān)智能終端、機(jī)組智能終端及可能發(fā)展出來的智能傳感器、智能執(zhí)行元件等組成，過程層網(wǎng)絡(luò)采用100 M光纖以太網(wǎng)數(shù)字交換系統(tǒng)、GOOSE/SMV 2網(wǎng)合并的解決方案。現(xiàn)地層設(shè)備主要由微機(jī)保護(hù)、機(jī)組順控、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)勵(lì)磁、輔機(jī)自控及在線監(jiān)測等裝置構(gòu)成，各裝置均按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建立數(shù)據(jù)模型和通信服務(wù)，相對獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)各自的保護(hù)測控功能。各裝置與站控層數(shù)據(jù)平臺(tái)之間、裝置與裝置之間采用1 000 M高速以太網(wǎng)、MMS協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)采用增強(qiáng)型超5類屏蔽雙絞線或光纖[10]。

1.3 主要優(yōu)點(diǎn)

圖2所示結(jié)構(gòu)方案主要優(yōu)點(diǎn)有3個(gè)：一是數(shù)據(jù)交換完全通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化傳輸，在極大減少控制電纜使用量的同時(shí)，能有效地解決信號傳輸過程中耦合干擾問題，信息共享性好，系統(tǒng)可靠性高；二是微機(jī)保護(hù)裝置采用“直采直跳”方式，建設(shè)成本雖有所增加，但對于提升保護(hù)裝置的可靠性意義重大。其他現(xiàn)地層設(shè)備與過程層設(shè)備之間因無3 ms跳閘的要求，采用“網(wǎng)采網(wǎng)跳”方式[11]，節(jié)約投資；三是機(jī)組LCU的測控功能分別由在線監(jiān)測裝置和機(jī)組順控裝置實(shí)現(xiàn)，在優(yōu)化順控裝置結(jié)構(gòu)和建模的同時(shí)，可提高系統(tǒng)功能的分散性。在線監(jiān)測裝置還同時(shí)兼具前置機(jī)(或機(jī)組信息子站)功能，當(dāng)站控層網(wǎng)絡(luò)通信中斷時(shí)，具備歷史數(shù)據(jù)庫功能，確保數(shù)據(jù)不丟失。在機(jī)組臺(tái)數(shù)較多情況下，還可降低對站控層網(wǎng)絡(luò)資源的需求。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 機(jī)組智能終端

水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)化測控需要采集機(jī)組本體部分位置信號、狀態(tài)信號，如：冷卻水中斷、軸承油位越限等，這些信號已由相應(yīng)的機(jī)組自動(dòng)化元件以開關(guān)量形式輸出至機(jī)組本體端子箱。通過設(shè)置機(jī)組智能終端，可與現(xiàn)地層設(shè)備經(jīng)過程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)機(jī)組本體各類開關(guān)量信息的就地采集與發(fā)送，解析機(jī)組順控裝置下發(fā)的控制命令，執(zhí)行剎車制動(dòng)、冷卻水投切等操作任務(wù)，滿足機(jī)組自動(dòng)控制需要。

機(jī)組智能終端應(yīng)下放布置于機(jī)組本體端子柜內(nèi)，與轉(zhuǎn)速測控裝置、溫控測控裝置、剪斷銷信號器及剎車制動(dòng)裝置等集中組屏為機(jī)組本體匯控柜，解決信號長距離傳輸所帶來的靜電耦合干擾和電磁耦合干擾問題。

具體實(shí)現(xiàn)上可借鑒高壓斷路器智能終端的成功經(jīng)驗(yàn)，采用FPGA+ARM的硬件結(jié)構(gòu)[12]，通過開入模塊采集水力機(jī)械保護(hù)與控制所需的轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量等狀態(tài)信號，依據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建立數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)集及通信服務(wù)，以GOOSE報(bào)文形式分別上送機(jī)組順控裝置和在線監(jiān)測裝置解析處理。對機(jī)組順控裝置下發(fā)的GOOSE控制報(bào)文，由機(jī)組智能終端解析后交付開出模塊執(zhí)行，通過驅(qū)動(dòng)繼電器完成冷卻水投切、剎車制動(dòng)裝置投切等操作任務(wù)。以某立式混流機(jī)組為例，該裝置開入開出信息不完全統(tǒng)計(jì)如表1所示。

為監(jiān)視水輪發(fā)電機(jī)組相關(guān)部位運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)組本體還安裝有數(shù)量較多的壓力、液位、轉(zhuǎn)速等傳感器。由于常規(guī)傳感器輸出的信號為4～20 mA模擬量，且這些數(shù)據(jù)一般不參與自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)，因此在無智能傳感器情況下，機(jī)組智能終端還需配置模入模塊采集本體各類模擬量數(shù)據(jù)，并按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建立數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)集和通信服務(wù)，以MMS協(xié)議發(fā)送至在線監(jiān)測裝置解析處理。機(jī)組智能終端模擬量輸入信息統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表1 機(jī)組智能終端開入開出信息統(tǒng)計(jì)Tab.1 Intelligent terminal input and output information statistics

表2 機(jī)組智能終端模擬量輸入信息統(tǒng)計(jì)Tab.2 Intelligent terminal analog input information statistics

2.2 機(jī)組順控裝置

機(jī)組順控裝置主要實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組正常開停機(jī)與事故停機(jī)流程控制、工況轉(zhuǎn)換、自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)等控制任務(wù)，功能上類似于常規(guī)機(jī)組LCU中的PLC，但結(jié)構(gòu)上不再需要開入、模入及開出模塊，取消常規(guī)硬布線回路，與其他裝置之間完全依靠通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，是實(shí)現(xiàn)水電廠智能化控制的核心。其數(shù)據(jù)流關(guān)系如圖3所示[3-8]。

由圖3可見，機(jī)組順控裝置只完成順序控制和自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)功能，控制所需的各類位置信息、電流電壓數(shù)值及控制命令通過“兩網(wǎng)”通信獲取，反映機(jī)組運(yùn)行情況的各類狀態(tài)信號、模擬量信號等監(jiān)視數(shù)據(jù)交給機(jī)組在線監(jiān)測裝置采集處理。這樣可以最大限度降低過程總線負(fù)載，將大量的網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留給GOOSE報(bào)文收發(fā)使用，保證控制功能及時(shí)、可靠地執(zhí)行。組屏?xí)r可借鑒傳統(tǒng)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)做法，設(shè)置一些就地手動(dòng)操作器具，在現(xiàn)地層與站控層通訊中斷情況下滿足機(jī)組就地運(yùn)行控制需要。

3 主要功能的實(shí)現(xiàn)方式

3.1 水機(jī)保護(hù)功能

轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量、剪斷銷等機(jī)組自動(dòng)化元件參數(shù)越限(或動(dòng)作)后觸發(fā)機(jī)組智能終端向順控裝置發(fā)送GOOSE報(bào)文，由順控裝置解析、判斷后按既定的控制流程以GOOSE報(bào)文形式給相應(yīng)裝置下發(fā)跳閘、停機(jī)、滅磁、關(guān)主閥、剎車制動(dòng)等控制命令，并以MMS報(bào)文形式將報(bào)警信息、動(dòng)作信息上送機(jī)組在線監(jiān)視裝置。出于安全考慮，大多數(shù)水電廠在機(jī)組LCU都布置有常規(guī)硬布線控制邏輯實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)緊急停機(jī)，這點(diǎn)在智能水電廠改造中應(yīng)繼承。

3.2 事故停機(jī)聯(lián)鎖功能

微機(jī)保護(hù)、自動(dòng)調(diào)速器、自動(dòng)勵(lì)磁等裝置向機(jī)組順控裝置下發(fā)事故停機(jī)聯(lián)鎖GOOSE報(bào)文，由該裝置解析后按順控程序以GOOSE報(bào)文形式下發(fā)機(jī)組智能終端解析并執(zhí)行剎車、制動(dòng)、關(guān)冷卻水等操作任務(wù)。命令始發(fā)者與最終執(zhí)行者間不直接通信的原因是事故停機(jī)有一整套操作流程，把該項(xiàng)功能交付機(jī)組順控裝置執(zhí)行有利于簡化其他裝置軟硬件設(shè)計(jì)。雖然停機(jī)命令經(jīng)中間裝置轉(zhuǎn)發(fā)會(huì)造成執(zhí)行速度延遲，但發(fā)電機(jī)組在跳閘、滅磁后停機(jī)時(shí)間長短已經(jīng)不影響設(shè)備安全性。當(dāng)然，緊急停機(jī)時(shí)關(guān)閉主閥命令仍然需要直接發(fā)送到主閥智能控制裝置執(zhí)行，不宜由測量順控裝置轉(zhuǎn)發(fā)，以確?？煽啃?。

3.3 勵(lì)磁控制功能

微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是一套相對獨(dú)立的子系統(tǒng)，一般就地布置于機(jī)旁，且技術(shù)相對較為成熟。其智能化的主要思路是按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建立勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的信息模型和通信服務(wù)模型，這里只闡述該裝置與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問題。以自并勵(lì)裝置為例，電壓、電流數(shù)值及斷路器位置狀態(tài)等經(jīng)過程層網(wǎng)絡(luò)采集，機(jī)組順控裝置所發(fā)控制命令(起勵(lì)、并網(wǎng)、滅磁、增磁、減磁、緊急停機(jī)、分合滅磁開關(guān)等)以GOOSE快速報(bào)文形式接收并解析、執(zhí)行，同時(shí)應(yīng)能解析站控層裝置所發(fā)MMS控制報(bào)文，勵(lì)磁裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)和報(bào)警信息則通過MMS報(bào)文與在線監(jiān)測裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。輸入輸出數(shù)據(jù)接口關(guān)系如表3所示。

圖3 機(jī)組順控裝置數(shù)據(jù)流關(guān)系示意Fig.3 The data flow relationship of sequence control device

表3 勵(lì)磁裝置主要數(shù)據(jù)接口統(tǒng)計(jì)Tab.3 Excitation device main data interface statistics

3.4 轉(zhuǎn)速控制功能

微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)也是一套相對獨(dú)立且技術(shù)成熟的子系統(tǒng)，其智能化的思路同微機(jī)勵(lì)磁裝置一樣，在裝置內(nèi)增加一套處理系統(tǒng)，專門解決數(shù)據(jù)的輸入輸出問題，篇幅所限，此處不再贅述。

3.5 溫度測控功能

水輪發(fā)電機(jī)組測溫點(diǎn)位多，不僅需要實(shí)時(shí)監(jiān)視溫度數(shù)值，還要求溫度越限時(shí)自動(dòng)報(bào)警或執(zhí)行停機(jī)操作。傳統(tǒng)的溫度測控儀和溫度巡檢儀雖具備這些功能，但因布置于測溫制動(dòng)屏內(nèi)，測溫電阻引接線較長易引入干擾信號導(dǎo)致測溫?cái)?shù)值不精確，且信號輸出方式不能滿足機(jī)組順控裝置需求。解決辦法是將軸承溫度測控儀和機(jī)組溫度巡檢儀下放布置到機(jī)組本體端子柜內(nèi)，與機(jī)組智能終端布置于同一面柜內(nèi)，縮短測溫電阻引接線長度。溫度測控儀、溫度巡檢儀輸出的開關(guān)量和模擬量由機(jī)組智能終端采集處理，將停機(jī)信號組成一個(gè)數(shù)據(jù)集以GOOSE報(bào)文形式發(fā)送至機(jī)組順控裝置解析并執(zhí)行，將報(bào)警信號和溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組成2個(gè)數(shù)據(jù)集并以MMS報(bào)文形式發(fā)送至機(jī)組在線監(jiān)測裝置解析處理。溫度測控功能實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示。

圖4 溫度測控功能實(shí)現(xiàn)方式Fig.4 The realization method of temperature measurement and control functio

3.6 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測功能

反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的各類參數(shù)(機(jī)端電流、電壓、轉(zhuǎn)速、軸承溫度、冷卻水壓力等)及機(jī)組LCU范疇下各智能電子設(shè)備的報(bào)警信息、動(dòng)作信息均以MMS報(bào)文形式上送機(jī)組在線監(jiān)測裝置，其他獨(dú)立的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測裝置(如振動(dòng)與擺度監(jiān)測裝置、氣隙監(jiān)測裝置、定子絕緣監(jiān)測裝置等)在智能化后也可將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至機(jī)組在線監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)組各類運(yùn)行數(shù)據(jù)的就地存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)監(jiān)視。同時(shí)，采集的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)應(yīng)分別組建為遙測數(shù)據(jù)集、遙信數(shù)據(jù)集、報(bào)警信號數(shù)據(jù)集和保護(hù)動(dòng)作數(shù)據(jù)集等，以MMS報(bào)文形式上送站控層數(shù)據(jù)平臺(tái)，為后臺(tái)監(jiān)視、應(yīng)用及狀態(tài)檢修決策提供全面、詳實(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

源網(wǎng)協(xié)調(diào)是智能電網(wǎng)的重要標(biāo)志之一，為提高水電廠智能化程度，本文從機(jī)組LCU的結(jié)構(gòu)方式上將測量功能與控制功能徹底分開，并較為詳細(xì)地論證了主要測控功能的實(shí)現(xiàn)方法，通過設(shè)置機(jī)組智能終端和機(jī)組在線監(jiān)測裝置，既可以優(yōu)化機(jī)組順控裝置的硬件結(jié)構(gòu)與建模，又有利于提升整套系統(tǒng)的可靠性和信息化程度，對水電廠實(shí)施智能化改造具有一定的應(yīng)用價(jià)值。從水電廠自動(dòng)化發(fā)展的歷史進(jìn)程來看，盡管現(xiàn)階段對智能化改造有不同的認(rèn)識，但是伴隨著技術(shù)進(jìn)步、價(jià)格降低及體制改革強(qiáng)勢推進(jìn)，水電廠實(shí)施智能化改造將是必然選擇。

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