李 越,李 佶,蔡 群,于尚北,朱 磊

(1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司,北京 100038;2.甘肅張掖小孤山水電有限責(zé)任公司,甘肅 張掖 734000)

數(shù)字化調(diào)速器在巴拿馬BONYIC電站的應(yīng)用

李 越1,李 佶1,蔡 群1,于尚北1,朱 磊2

(1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司,北京 100038;2.甘肅張掖小孤山水電有限責(zé)任公司,甘肅 張掖 734000)

結(jié)合作者在數(shù)字化調(diào)速器實(shí)施過程中的體會,介紹了數(shù)字化調(diào)速器的需求和發(fā)展現(xiàn)狀,提出了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)速器的設(shè)計思路和解決方案,對當(dāng)今智能電網(wǎng)環(huán)境下,進(jìn)行數(shù)字化/智能化水電廠的系統(tǒng)集成具有一定的啟示與借鑒意義。

數(shù)字化調(diào)速器;網(wǎng)絡(luò)通信;硬接線;軟接點(diǎn);M M S IEC-61850

0 引言

數(shù)字化水電站是指在可靠的網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)上,信息采集、傳輸、處理、輸出過程完全數(shù)字化的水電站,基本特征為一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)化、運(yùn)行管理自動化等。

數(shù)字化水電站誕生的前提是電子式電流/電壓互感器(或光學(xué)互感器)、智能化開關(guān)、智能化變送器、智能化一次設(shè)備、以及相關(guān)在線檢測等技術(shù)發(fā)展到一定程度,水電站的二次側(cè)不再存在有模擬量傳輸,所有數(shù)據(jù)均在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺上以數(shù)字量的形式按統(tǒng)一的通信協(xié)議傳輸,站內(nèi)的各個智能設(shè)備之間具有良好的信息共享與相互操作性。

電網(wǎng)智能化已成為世界電網(wǎng)發(fā)展新趨勢,我國也提出了建設(shè)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)規(guī)劃,一些數(shù)字化變電站、電網(wǎng)智能化試點(diǎn)工程已經(jīng)啟動,按照規(guī)劃,2020年基本建成我國堅強(qiáng)智能電網(wǎng)?；诋?dāng)前電網(wǎng)智能化環(huán)境的特殊要求,提出進(jìn)行數(shù)字化水電廠建設(shè),具有長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略眼光,是非常及時與必要的。而水輪機(jī)調(diào)速器作為水輪機(jī)組核心控制設(shè)備,對調(diào)節(jié)電廠機(jī)組負(fù)荷、穩(wěn)定頻率,保證電網(wǎng)的供電品質(zhì)極其重要。這就要求相應(yīng)的調(diào)速系統(tǒng)具有高速可靠的通信網(wǎng)絡(luò),先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、冗余可靠的設(shè)計、高級的控制策略以及方便靈活的接口,實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠機(jī)組的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 調(diào)速器系統(tǒng)數(shù)字化需求分析

水輪機(jī)調(diào)速器是水電站水輪機(jī)組的核心控制設(shè)備,與電站二次回路或計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相配合,完成水輪發(fā)電機(jī)組的開機(jī)、停機(jī)、增減負(fù)荷、一次調(diào)頻、AGC、水位調(diào)節(jié)、緊急停機(jī)等任務(wù)。

數(shù)字化調(diào)速器是數(shù)字化水電站的重要組成部分,數(shù)字化調(diào)速器應(yīng)具有如下特點(diǎn):

(1)高可靠性和安全性

由于采用了智能一次設(shè)備,因此設(shè)備自身具有完善的自檢功能,當(dāng)智能一次設(shè)備異常時將自動發(fā)出報警,調(diào)速器可以據(jù)此采取相應(yīng)的容錯及保護(hù)措施,既能及時反映出故障點(diǎn),同時又減輕了運(yùn)行人員的工作量,提高了安全性。

(2)通信網(wǎng)絡(luò)取代繁雜的控制電纜

數(shù)字化調(diào)速器與二次設(shè)備之間基本采用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),一條信道可傳輸多個通道的信息。同時由于采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),通信線的數(shù)量約等于設(shè)備數(shù)量。因此數(shù)字化調(diào)速器的二次接線將大幅度簡化。

(3)提升測量精度

數(shù)字化水電站采用輸出數(shù)字信號的電子式互感器,數(shù)字化的電流/電壓信號在傳輸?shù)蕉卧O(shè)備和二次設(shè)備處理的過程中均不會產(chǎn)生附加誤差,提升了保護(hù)系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和計量系統(tǒng)的系統(tǒng)精度。

(4)提高信號傳輸?shù)目煽啃?/p>

數(shù)字化水電站的信號傳輸均用計算機(jī)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。通信系統(tǒng)在傳輸有效信息的同時傳輸信息校驗(yàn)碼和通道自檢信息,一方面杜絕誤傳信號,另一方面在通信系統(tǒng)故障時可及時告警。

(5)數(shù)字信號可以用光纖傳輸,從根本上解決抗干擾問題

傳統(tǒng)水電站一次設(shè)備和二次設(shè)備間直接通過電纜傳輸,沒有校驗(yàn)信息的信號,當(dāng)信號出錯或電纜斷線、短路時都難以發(fā)現(xiàn),且傳輸模擬信號難以使用光纖技術(shù),易受干擾。

理想的數(shù)字化調(diào)速器應(yīng)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺,其結(jié)構(gòu)示意如圖圖1所示。水電站現(xiàn)地級包括監(jiān)控、調(diào)速器、勵磁、輔機(jī)系統(tǒng)等不同設(shè)備。在試圖建立統(tǒng)一平臺的過程中,擬參照數(shù)字化變電站的建設(shè)方案,將現(xiàn)地數(shù)據(jù)采集和測量按類似于“過程層”、“間隔層”、“廠站層”的結(jié)構(gòu)層次布置,采用兩層網(wǎng)絡(luò)(MMS網(wǎng)):廠站層網(wǎng)、過程層網(wǎng)組成。全站網(wǎng)絡(luò)采用高速光纖以太網(wǎng)組成。

廠站層由監(jiān)控系統(tǒng)后臺主機(jī)(操作員站)和智能設(shè)備接口機(jī)等構(gòu)成,智能設(shè)備接口機(jī)可將調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等接入站控層MMS網(wǎng),由監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管理控制間隔層、過程層設(shè)備以及其他設(shè)備功能,形成全站監(jiān)控、管理中心,并能與遠(yuǎn)方調(diào)度中心通信,通信標(biāo)準(zhǔn)符合DL/T860(IEC61850)。

間隔層由若干個子系統(tǒng)組成,如繼電保護(hù)、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控LCU單元等二次設(shè)備,實(shí)現(xiàn)使用一個間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設(shè)備的功能,即與各種遠(yuǎn)方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。

過程層由電子式互感器、數(shù)字變送器等構(gòu)成,完成與一次設(shè)備或其他設(shè)備相關(guān)的功能,包括實(shí)時運(yùn)行電氣量(頻率、功率)、開關(guān)量(液壓系統(tǒng)狀態(tài)、報警等)和非電氣量(行程、油壓、油位等)的采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等。

在站控層網(wǎng)絡(luò),調(diào)速器的各種狀態(tài)信息(如轉(zhuǎn)速、功率、開度等)以MMS網(wǎng)接入監(jiān)控系統(tǒng),并與其他系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)。調(diào)速器將采集的數(shù)據(jù)處理后(功率、開度、報警等)以MMS協(xié)議發(fā)送至過程層供監(jiān)控系統(tǒng)采用。監(jiān)控系統(tǒng)的各種指令(功率給定、水位信號、開停機(jī)命令等)可以通過MMS協(xié)議傳輸給調(diào)速器,調(diào)速器采集的各種信息也可用該協(xié)議傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 數(shù)字化調(diào)速器數(shù)據(jù)平臺結(jié)構(gòu)

2 數(shù)字化調(diào)速器的實(shí)現(xiàn)階段

雖然數(shù)字化水電站優(yōu)勢明顯,但智能化、數(shù)字化水電站建設(shè)是一個艱辛復(fù)雜的過程,需投入大量的時間、人力與物力,因此通常按以下階段開展工作:

(1)選擇能滿足接收數(shù)字信號的機(jī)械液壓部分,采用可靠的數(shù)字通信接口,但實(shí)際控制依然以硬接線方式實(shí)現(xiàn),通信基本不參與控制,只是用于信息交換;我們稱之為初級階段。

(2)采用硬接線(Hardwired)和軟接點(diǎn)(Soft point)相結(jié)合的方式,特別重要的信號采用硬接線,其他都以軟接點(diǎn)實(shí)現(xiàn);采取混合控制方式,支持可靠實(shí)時通信的PLC控制器構(gòu)建調(diào)速器硬件平臺,初步驗(yàn)證基于IEC61850的LCU以太網(wǎng)通信的實(shí)時性、可靠性、堅固性、安全性。我們稱之為中級階段。

(3)全部以軟接點(diǎn) (Soft point)方式實(shí)現(xiàn)所有控制,達(dá)到調(diào)速器系統(tǒng)智能化、數(shù)字化的預(yù)期目標(biāo),如圖1所示,我們稱之高級階段。

3 數(shù)字化調(diào)速器的通信技術(shù)路線

實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)速器的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)可靠的IEC-61850通信,在完成這個目標(biāo)時根據(jù)硬件條件有如下幾個方案:

(1)采用轉(zhuǎn)換盒方式,就是調(diào)速器的主控PLC本身并不支持IEC-61850協(xié)議,但在調(diào)速器和外部的通信口之間加了轉(zhuǎn)換盒,由轉(zhuǎn)換盒把調(diào)速器的信號轉(zhuǎn)換成IEC-61850信號和外部進(jìn)行通信。這個方案比初級階段多了一個步驟,實(shí)時性和可靠性不如初級階段,目前是個可行方案。葛洲壩電廠投運(yùn)的數(shù)字化調(diào)速器就接近該方案,但該項(xiàng)目完整保留了硬接線,且通信量(軟接點(diǎn))并未代替硬接線直接參與控制,所以還是應(yīng)該算為初級階段應(yīng)用。

(2)用調(diào)速器的主控PLC直接通信,且通信量(軟接點(diǎn))代替硬接線直接參與控制,這種方式中間環(huán)節(jié)少可靠性高,也最符合數(shù)字化調(diào)速器的要求,但這就要求調(diào)速器的主控PLC支持IEC-61850的通信協(xié)議。目前能支持的PLC廠家不多,本公司在巴拿馬BONYIC水電廠應(yīng)用的項(xiàng)目就是采用這種方式。這實(shí)際已是中級階段的應(yīng)用。

(3)采用LCU整體方案,就是調(diào)速器的主控PLC與LCU通信還是采用傳統(tǒng)的通信協(xié)議,LCU再把調(diào)速器的信號轉(zhuǎn)換成IEC-61850信號和監(jiān)控進(jìn)行通信。這個方案是最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方案,對用戶應(yīng)用來看整體是實(shí)現(xiàn)了IEC-61850信號通信,目前還未見使用該方案的工程實(shí)例。

4 應(yīng)用實(shí)例

北京中水科水電科技開發(fā)有限公司(簡稱:中水科技)為巴拿馬Bonyic水電廠提供了3臺機(jī)組數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速器,于2014年12月首臺投入商業(yè)運(yùn)行,至今已運(yùn)行1年多,運(yùn)行一直穩(wěn)定可靠。

該項(xiàng)目采用中水科技公司的DVG2000系列數(shù)字式調(diào)速器,機(jī)械液壓系統(tǒng)基本模式為“高速開關(guān)閥＋邏輯插裝閥”,調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制方式為直接數(shù)字開關(guān)控制。該調(diào)速器具有如下主要特征:

(1)機(jī)械部分直接采用數(shù)字信號接收調(diào)節(jié)命令;

(2)取消了部分硬接線,其信號傳輸功能由通信完成;

(3)通信協(xié)議采用MMS;

(4)功率給定(AGC定值)和實(shí)時功率采集通過通信完成。

根據(jù)以上特點(diǎn)我們認(rèn)為該項(xiàng)目調(diào)速器具有數(shù)字化調(diào)速器中級階段的水平。

DVG2000數(shù)字化調(diào)速器部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DVG2000數(shù)字化調(diào)速器部分結(jié)構(gòu)圖

5 投運(yùn)的中水科技調(diào)速器基本介紹

5.1 電氣原理

微機(jī)調(diào)節(jié)器接收LCU命令,根據(jù)采集得到的機(jī)頻/網(wǎng)頻、有功、水頭、開度等信號,通過軟件進(jìn)行調(diào)節(jié)規(guī)律的綜合,進(jìn)而得出相應(yīng)的控制量,其控制量通過開關(guān)量接口與智能功放板驅(qū)動液壓隨動系統(tǒng)的高速開關(guān)閥+邏輯插裝閥;最終實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)葉接力器及其機(jī)組的相應(yīng)調(diào)節(jié)與控制。

其核心部件為可編程控制器、輸入/輸出信號調(diào)理模塊、智能功放/驅(qū)動回路;它具有高可靠性和直觀、方便的人機(jī)接口,提供了全方位、最直接的監(jiān)測、調(diào)試和維護(hù)手段。

(1)可編程控制器組成:CPU單元、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、高速計數(shù)模塊、遠(yuǎn)程通信模塊、電源模塊。

(2)智能功放/驅(qū)動回路:將微機(jī)輸出的脈沖信號放大后,驅(qū)動+24 V電壓等級的高速開關(guān)閥,輸出信號為數(shù)字脈沖信號。

主要特點(diǎn):

(1)采用可編程控制器作為硬件主體,裝置可靠性高,平均無故障時間MTBF≥250 000 h;

(2)具有頻率(轉(zhuǎn)速)/開度/功率等多種調(diào)節(jié)模式,適應(yīng)水電廠不同運(yùn)行工況的要求;

(3)調(diào)節(jié)參數(shù)(bp、Kp、Ki、Kd)用平板觸摸顯示屏調(diào)整;

(4)采用指針式電表、平板觸摸顯示屏調(diào)整作為與運(yùn)行人員的接口,具有顯示清晰、準(zhǔn)確、直觀、操作方便等優(yōu)點(diǎn);

(5)頻率調(diào)節(jié)模式采用適應(yīng)式變參數(shù)PID調(diào)節(jié)規(guī)律,開度和功率調(diào)節(jié)模式采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律;

(6)具有與上位機(jī)的通信接口;

(7)可根據(jù)不同的水頭改變機(jī)組的加速開度和最大出力限制,隨著水頭的增加,可自動減小機(jī)組的加速開度和最大電氣開限值,以保證機(jī)組在啟動過程中平穩(wěn)迅速并網(wǎng)和安全有效運(yùn)行;

(8)可在平板觸摸顯示屏上設(shè)置機(jī)組啟動過程的加速特性。

5.2 機(jī)械原理

機(jī)械部分接受的是并行數(shù)字量信號,由若干高速開關(guān)閥并行控制接力器,提高了可靠性。由高速開關(guān)閥(也稱數(shù)字閥)與邏輯插裝閥進(jìn)行元件-組件-回路的多層次組合與優(yōu)化設(shè)計,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)速器機(jī)柜的所有功能。特點(diǎn)如下:

(1)由標(biāo)準(zhǔn)的高速開關(guān)閥(數(shù)字閥)組取代電液轉(zhuǎn)換器,無需D/A轉(zhuǎn)換,抗干擾能力強(qiáng);

(2)由標(biāo)準(zhǔn)的邏輯插裝閥組取代主配壓閥,使主配離散化,無需“中間位置”;

(3)采用數(shù)字邏輯插裝技術(shù),圓滿的解決了響應(yīng)速度與調(diào)節(jié)精度(微米)的矛盾;

(4)因采用錐閥線密封結(jié)構(gòu),無發(fā)卡機(jī)理,元件/系統(tǒng)耐油污強(qiáng),密封性好,穩(wěn)態(tài)耗油量小,油泵及電機(jī)啟動時間間隔長,節(jié)能省電;

(5)元件及裝置均采用標(biāo)準(zhǔn)液壓件,互換性好,機(jī)械液壓柜集成度高,使機(jī)柜象電柜一樣實(shí)現(xiàn)雙冗余或多冗余。

5.3 DVG2000調(diào)速器與一般調(diào)速器機(jī)械液壓部分

技術(shù)比較(表1)

表1

6 保留硬接線分析

6.1 是否保留硬接線的原則

根據(jù)對數(shù)字化調(diào)速器功能基本要求的認(rèn)識,結(jié)合多年開發(fā)制造及現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗(yàn),我們認(rèn)為對是否有必要保留硬接線應(yīng)該按以下原則進(jìn)行設(shè)計。

(1)確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)網(wǎng)絡(luò)擁堵時不出大問題,網(wǎng)絡(luò)故障時能手動運(yùn)行。

(3)滿足上述兩點(diǎn)的情況下盡量采用數(shù)據(jù)信息采集網(wǎng)絡(luò)化。

根據(jù)以上原則在目前的條件下有必要保留部分硬接線。

6.2 需要保留的硬接線

根據(jù)以上原則,我們提出以下數(shù)據(jù)為硬接線直接采集,即所謂的“直采”:

(1)機(jī)組轉(zhuǎn)速

1)未見滿足IEC61850規(guī)約的機(jī)組轉(zhuǎn)速變送器

目前主流測頻是各廠家自行將PT/齒盤信號進(jìn)行采樣、放大、整形、隔離送入PLC自身的測頻模塊進(jìn)行測頻。個別廠家是用單片機(jī)測頻然后通過串口通信(通常是自己定的規(guī)約,肯定不是IEC 61850規(guī)約)傳給調(diào)速器主控制器,且信號的時間同步問題無法解決。

2)滿足安全運(yùn)行需要

當(dāng)需要頻率調(diào)節(jié)時如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁堵,頻率不能及時反饋到調(diào)速器,容易造成機(jī)組不穩(wěn)定,甚至出現(xiàn)安全問題。。

3)滿足網(wǎng)絡(luò)中斷時手動運(yùn)行要求

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷需要手動降級運(yùn)行時,調(diào)速器電柜自行測量頻率和導(dǎo)葉位移可以保證機(jī)組手動運(yùn)行的需要。

(2)導(dǎo)葉位移

1)未見滿足IEC61850規(guī)約的導(dǎo)葉位移變送器

目前測量導(dǎo)葉位移常見的是各廠家將位移傳感器送出的電量通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采集的。

2)滿足安全運(yùn)行需要

當(dāng)需要調(diào)節(jié)時如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁堵,位移信號不能及時反饋到調(diào)速器,容易造成機(jī)組不穩(wěn)定。

3)滿足網(wǎng)絡(luò)中斷時手動運(yùn)行要求

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷需要手動降級運(yùn)行時,調(diào)速器電柜自行測量頻率和導(dǎo)葉位移可以保證機(jī)組手動運(yùn)行的需要。

(3)機(jī)組出口斷路器位置

這個開關(guān)量理論上可以通過通信傳遞過來,但因?yàn)檫@個開關(guān)量實(shí)時性要求很高,如果有毫秒級的延時的話,就可能造成不動時間指標(biāo)超出有關(guān)規(guī)程要求;極端情況下,若甩負(fù)荷時網(wǎng)絡(luò)擁堵,那必然引起機(jī)組過速,故建議保留。

(4)緊急停機(jī)

這個開關(guān)量理論上可以通過通信傳遞過來,但在緊急情況下如果網(wǎng)絡(luò)擁堵,那將無法完成緊急停機(jī)動作,引發(fā)安全問題,故建議保留。

6.3 保留的硬接線

保留的硬接線見表2。

表2

7 結(jié)語

我國數(shù)字化水電廠的嘗試才剛開始,目前國內(nèi)的傾向是:一提起數(shù)字化水電廠,就言必稱IEC61850、“過程層”+“間隔層”+“站控層”+數(shù)字化傳感器/變送器等,若以此標(biāo)準(zhǔn)去套用,則“數(shù)字化水電廠”的實(shí)現(xiàn)將是十分遙遠(yuǎn)的事情,例如,水電廠大量的傳感器/變送器10年后也不見得能支持IEC61850。

本項(xiàng)目的成功實(shí)施,對于數(shù)字化水電廠的概念理解提供了有益的啟示。最明顯之處在于,整個設(shè)計對于“數(shù)字化”的定位范疇是各級控制設(shè)備之間,而傳感器/變送器信號則由特定的設(shè)備自行按傳統(tǒng)采集方式直接采集,不采用網(wǎng)絡(luò)方式傳輸。例如,接力器位移、頻率、斷路器接點(diǎn)、主令接點(diǎn)等信號由調(diào)速器直接自行采集,采用傳統(tǒng)方式,LCU等設(shè)備無需重復(fù)采集這些信號,通過網(wǎng)絡(luò)共享即可。同樣,水位信號、機(jī)組功率等由LCU通過傳統(tǒng)變送器方式采集,調(diào)速器等也無需重復(fù)采集,可通過網(wǎng)絡(luò)共享。但個別安全級別很高的信號,必須采用硬接線,如“斷路器狀態(tài)”、“緊急停機(jī)令”等。

通過本項(xiàng)目的實(shí)施,我們認(rèn)為,數(shù)字化水電廠沒必要刻意排斥硬接線、傳統(tǒng)傳感器采集等。取消信號的重復(fù)采集、設(shè)備間信息實(shí)時共享且通信高度可靠、通信量直接參與控制,才是數(shù)字化水電廠的實(shí)質(zhì)所在。

TV734.4

B

1672-5387(2017)07-0060-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.019

2017-04-27

李 越(1964-),男,高級工程師,從事調(diào)速器設(shè)計開發(fā)工作。