潘偉峰，孫爾軍，朱傳古，朱正偉，董陽偉，唐擁軍

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 210003；2.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，江蘇省南京市 210029；3.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

0 引言

機(jī)組振擺保護(hù)[1]裝置通過對水輪發(fā)電機(jī)組主要部件的振動(dòng)、擺度等信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與處理、特征提取，實(shí)現(xiàn)機(jī)組振擺值越限報(bào)警及機(jī)組狀態(tài)異常越限停機(jī)信號輸出。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置通過對振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)等機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測量以及變壓器油色譜、GIS局部放電等變電設(shè)備某個(gè)或多個(gè)狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)、實(shí)時(shí)、連續(xù)的監(jiān)視和測量，實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組及變電設(shè)備主要部件運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測、越限告警、專項(xiàng)分析與輔助診斷。

目前，作為水電廠安全反措的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)手段，機(jī)組振擺保護(hù)裝置及狀態(tài)監(jiān)測裝置為機(jī)組、主變壓器等水電廠主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)視、非安全區(qū)域長時(shí)間運(yùn)行引起的異常故障征兆的及時(shí)發(fā)現(xiàn)，以及設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

有別于傳統(tǒng)機(jī)組振擺保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測裝置，智能振擺保護(hù)裝置和智能狀態(tài)監(jiān)測裝置作為智能水電廠兩類現(xiàn)地智能電子裝置[2]，以數(shù)字化的測量方式取代傳統(tǒng)模擬信號測量方式，利用智能水電廠[3]建立的標(biāo)準(zhǔn)通信總線，實(shí)現(xiàn)機(jī)組振擺保護(hù)測控信息及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息的數(shù)字化；再通過智能水電廠構(gòu)建的全廠統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用DL/T 860（IEC 61850）[4]國際開放的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)裝置與一體化平臺[5]之間的高速可靠數(shù)據(jù)傳輸，為基于一體化平臺的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)檢修決策支持[6]等決策智能化專業(yè)應(yīng)用組件提供數(shù)據(jù)來源，這也體現(xiàn)了智能水電廠信息數(shù)字化和通信網(wǎng)絡(luò)化的兩大主要特征。

1 體系架構(gòu)

智能振擺保護(hù)裝置與智能狀態(tài)監(jiān)測裝置的體系架構(gòu)應(yīng)按照智能水電廠分層分區(qū)體系架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)化現(xiàn)地測控設(shè)備為基礎(chǔ)、可靠高速光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)為物理主干的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其信息數(shù)字化和通信網(wǎng)絡(luò)化的目標(biāo)。

依據(jù)《智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 1547—2016），智能振擺保護(hù)裝置和智能狀態(tài)監(jiān)測裝置處于生產(chǎn)控制大區(qū)（包括安全Ⅰ區(qū)、安全Ⅱ區(qū)），生產(chǎn)控制大區(qū)縱向劃分為“三層兩網(wǎng)”，按過程層、單元層和廠站層的結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行布置，廠站層網(wǎng)為MMS網(wǎng)，過程層網(wǎng)為GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)，這樣廠站層網(wǎng)和過程層網(wǎng)在物理上相互獨(dú)立。

基于“一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，標(biāo)準(zhǔn)符合”的設(shè)計(jì)思路，即機(jī)組振擺保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)的信息全部數(shù)字化，信息傳遞網(wǎng)絡(luò)化，通信模型標(biāo)準(zhǔn)化，使各種設(shè)備和功能均能基于水電標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信總線及一體化平臺實(shí)現(xiàn)共享，這使得智能水電廠振擺保護(hù)裝置和狀態(tài)監(jiān)測裝置在可靠性、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)簡便性方面均比常規(guī)水電廠有大幅提升。

智能水電廠機(jī)組振擺保護(hù)裝置部署于生產(chǎn)控制大區(qū)的安全Ⅰ區(qū)，狀態(tài)監(jiān)測裝置部署于生產(chǎn)控制大區(qū)的安全Ⅱ區(qū)，振擺保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測裝置相互獨(dú)立，其總體架構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 智能水電廠振擺保護(hù)及狀態(tài)監(jiān)測典型架構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Typical vibration protection & condition mnonitoring architecture design diagram of smart hydropower plant

與智能化變電站的智能終端就地布置思路保持一致，振擺保護(hù)終端和狀態(tài)監(jiān)測智能裝置宜按發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層和尾水層分層分布布置，部署于信號采集傳感器或被監(jiān)測設(shè)備附近，這樣既大大減少了傳感器電纜的長度，也降低了信號傳輸?shù)母蓴_，使現(xiàn)場電纜布局更加簡潔合理，同時(shí)也方便了傳感器及設(shè)備的就地運(yùn)維巡檢。

2 智能振擺保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)國網(wǎng)新源控股有限公司、華能瀾滄江水電股份有限公司等各大電力公司均要求電站新建或改造時(shí)應(yīng)配置機(jī)組振擺保護(hù)裝置。由于機(jī)組振擺保護(hù)與狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備在可靠性、功能等諸多方面存在明顯差異，應(yīng)該單獨(dú)配置。

智能振擺保護(hù)裝置用以實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行過程中振擺測值的在線監(jiān)視、越限報(bào)警及機(jī)組狀態(tài)異常越限停機(jī)信號的自動(dòng)輸出，主要由振擺保護(hù)終端和振擺保護(hù)主控裝置組成。典型立式水電機(jī)組振擺保護(hù)裝置分層分布架構(gòu)見圖2。

2.2 振擺保護(hù)終端

振擺保護(hù)終端用以實(shí)現(xiàn)振擺傳感器原始信號的采集、振擺特征值計(jì)算及向過程層GOOSE網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)布功能。振擺保護(hù)終端處于過程層，通過傳統(tǒng)I/O電纜采集振擺傳感器的輸出信號，并通過過程層網(wǎng)DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE報(bào)文規(guī)約將計(jì)算后的機(jī)組各部位振擺特征值（峰峰值、平均值、有效值）傳給振擺保護(hù)主控裝置。

圖2 智能水電廠振擺保護(hù)典型架構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Typical vibration protection architecture design diagram of smart hydropower plant

機(jī)組振擺保護(hù)主要測點(diǎn)為固定部件的結(jié)構(gòu)振動(dòng)及主軸擺度，當(dāng)前階段，由于完全滿足智能水電廠過程層接入要求的智能傳感器尚未研制成功，振擺保護(hù)終端僅需支持低頻速度傳感器、電渦流位移傳感器這兩類典型振擺傳感器信號的接入，將來，振擺保護(hù)終端還須具備通過過程層網(wǎng)GOOSE報(bào)文規(guī)約獲取智能振擺傳感器輸出的數(shù)字式波形信號的能力。

需要注意的是，對于立式水電機(jī)組，基于傳感器就近接入原則、盡量縮短傳感器信號傳輸電纜長度、便于傳感器前端接線維護(hù)及提升信號抗干擾能力的考慮，發(fā)電機(jī)層及水輪機(jī)層宜各自布置一套振擺保護(hù)終端，發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層的傳感器就近接入所屬的振擺保護(hù)終端；對于臥式機(jī)組，基于振擺傳感器的布置區(qū)域均比較集中，可以只布置一套振擺保護(hù)終端。

振擺保護(hù)終端應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)原則，各模塊均可獨(dú)立工作，其中某一通道、模塊的故障不影響其他部分正常工作。

2.3 振擺保護(hù)主控裝置

振擺保護(hù)主控裝置實(shí)現(xiàn)振擺特征值及機(jī)組工況信號的采集、測值在線監(jiān)視、機(jī)組工況判斷、越限報(bào)警及保護(hù)停機(jī)邏輯計(jì)算、異常動(dòng)作信號及振擺測值輸出功能。

振擺保護(hù)主控裝置處于單元層，保持獨(dú)立運(yùn)行，通過過程層網(wǎng)GOOSE報(bào)文規(guī)約獲取振擺保護(hù)終端采集的機(jī)組振擺特征值，以及有功、無功、斷路器位置等機(jī)組運(yùn)行工況信號，進(jìn)行機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行工況判斷、振擺越限告警及保護(hù)停機(jī)算法策略計(jì)算，實(shí)現(xiàn)機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)及振擺測值在線監(jiān)視，并通過過程層網(wǎng)GOOSE報(bào)文規(guī)約及硬接線向智能監(jiān)控裝置及時(shí)發(fā)出振擺越限告警或保護(hù)跳機(jī)信號，由智能監(jiān)控裝置執(zhí)行“機(jī)組振擺保護(hù)動(dòng)作”的負(fù)荷調(diào)整或解列停機(jī)流程（一般不直接動(dòng)作于出口斷路器）；同時(shí)，振擺保護(hù)主控裝置應(yīng)具備將機(jī)組振擺特征值、振擺越限告警及跳機(jī)信號、設(shè)備狀態(tài)等信息通過單元層和廠站層之間的DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)的MMS協(xié)議傳遞給安全Ⅰ區(qū)的一體化管控平臺或計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能。

振擺保護(hù)主控裝置應(yīng)根據(jù)不同機(jī)組運(yùn)行工況設(shè)置振擺通道的報(bào)警定值及延時(shí)、停機(jī)定值、保護(hù)停機(jī)邏輯及延時(shí)，并支持多點(diǎn)組合，設(shè)置時(shí)應(yīng)充分考慮水電機(jī)組正常開停機(jī)、額定負(fù)荷運(yùn)行、振動(dòng)區(qū)運(yùn)行、甩負(fù)荷等不同運(yùn)行工況特征。

2.4 振擺保護(hù)傳感器

基于傳感器安裝維護(hù)的便利性及數(shù)據(jù)同源的要求，狀態(tài)監(jiān)測宜與振擺保護(hù)共用一套振動(dòng)、擺度傳感器，相關(guān)信號由傳感器先直接上送振擺保護(hù)終端，再由振擺保護(hù)終端轉(zhuǎn)送至機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測智能裝置。由振擺保護(hù)終端轉(zhuǎn)送至機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測智能裝置的信號應(yīng)滿足傳感器的性能指標(biāo)要求和機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所需的信號精度要求，機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測智能裝置的故障不應(yīng)引起振擺保護(hù)裝置誤動(dòng)。振擺傳感器的工作電源可由振擺保護(hù)終端提供或單獨(dú)提供。

以立式機(jī)組為例，智能水電廠機(jī)組振擺保護(hù)裝置所需傳感器測點(diǎn)典型布置如表1所示。

表1 立式機(jī)組振擺保護(hù)典型測點(diǎn)配置表Tab.1 Typical vibration protection sensor points configuration of vertical hydroelectric unit

3 智能狀態(tài)監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

3.1 功能要求

智能狀態(tài)監(jiān)測裝置主要包括機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測智能裝置和變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能裝置，處在單元層，主要完成各類設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測傳感器信號量的采集與計(jì)算、實(shí)時(shí)監(jiān)測與告警、現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)管理和分析試驗(yàn)等功能，并將采集、計(jì)算、分析后的各類設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息，通過安全Ⅱ區(qū)單元層和廠站層之間的MMS網(wǎng)上傳給安全Ⅱ區(qū)的一體化平臺。

智能狀態(tài)監(jiān)測裝置與傳統(tǒng)水電廠設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)地狀態(tài)監(jiān)測采集分析裝置對應(yīng)，其設(shè)備部署及功能實(shí)現(xiàn)應(yīng)滿足GB/T 28570、DL/T 1197等水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)和變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對其現(xiàn)地狀態(tài)監(jiān)測裝置的要求。

目前，除定子光纖測溫傳感器外，尚未有完全滿足智能水電廠過程層接入要求的狀態(tài)監(jiān)測智能傳感器。基于該現(xiàn)狀，各類現(xiàn)地智能狀態(tài)監(jiān)測裝置仍采用傳統(tǒng)I/O電纜與常規(guī)狀態(tài)監(jiān)測傳感器相連；今后，智能狀態(tài)監(jiān)測裝置還須具備通過過程層網(wǎng)GOOSE報(bào)文規(guī)約獲取狀態(tài)監(jiān)測智能傳感器輸出的數(shù)字式波形信號的能力。

智能狀態(tài)監(jiān)測裝置應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下基本功能：

（1）傳感器信號數(shù)字化。針對信號類型及處理方法的不同，將傳感器模擬信號進(jìn)行數(shù)字化采集轉(zhuǎn)換。

（2）數(shù)據(jù)分析計(jì)算和存儲管理。具備現(xiàn)地狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析計(jì)算、監(jiān)測告警（特征值計(jì)算監(jiān)測、波形頻譜分析等），波形的整周期采集，傳感器原始波形數(shù)據(jù)高保真高壓縮，暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)事件數(shù)據(jù)記錄“黑匣子”事故數(shù)據(jù)錄波追憶等。

（3）狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)IEC 61850-MMS通信上送。能夠?qū)⒀b置采集、計(jì)算、分析后的各類設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息，通過Ⅱ區(qū)單元層和廠站層之間的廠站層網(wǎng)以DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)的MMS協(xié)議上傳至安全Ⅱ區(qū)的一體化平臺。

3.2 機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測智能裝置架構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測智能裝置負(fù)責(zé)采集振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)、空氣間隙、磁通密度、定子局放、定子測溫等機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測量傳感器信號。

基于傳感器信號接入就地化、信號抗干擾能力提升及前端接線維護(hù)便利性的考慮，應(yīng)在發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層、尾水層分別布置一套機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測智能裝置，機(jī)組各部位的狀態(tài)監(jiān)測傳感器就近接入發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層和尾水層所屬的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測智能裝置；對于臥式機(jī)組，由于所有狀態(tài)監(jiān)測傳感器信號均布置于同一水平區(qū)域且相對集中，可以只布置一套機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測智能裝置。

典型立式水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測智能裝置分層分布架構(gòu)設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 智能水電廠典型立式水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測智能裝置架構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.3 Typical architecture design diagram of condition monitoring intelligent device for vertical hydroelectric unit in smart hydropower plant

需要注意的是，對于機(jī)組振擺保護(hù)已安裝的振動(dòng)、擺度傳感器，機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測宜與之共用，信號取自振擺保護(hù)終端轉(zhuǎn)引的傳感器原始信號緩沖輸出或?qū)Ｓ眯盘柛綦x放大器輸出，而不必再另行配置一套。

3.3 變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能裝置架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能水電廠變電狀態(tài)監(jiān)測[7]智能裝置負(fù)責(zé)采集分析各類變電狀態(tài)監(jiān)測傳感器信號，主要包括：智能變壓器/電抗器狀態(tài)監(jiān)測裝置、智能斷路器/GIS狀態(tài)監(jiān)測裝置及智能電容性設(shè)備/避雷器狀態(tài)監(jiān)測裝置等。變壓器/電抗器狀態(tài)監(jiān)測單元主要負(fù)責(zé)采集分析油中溶解氣體、局部放電以及鐵芯電流等信號，斷路器/GIS狀態(tài)監(jiān)測裝置主要采集分析SF6氣體密度及微水、GIS室SF6氣體泄漏、斷路器機(jī)械特性、GIS局部放電等信號，電容性設(shè)備/避雷器狀態(tài)監(jiān)測裝置主要采集電容型設(shè)備及金屬氧化物避雷器絕緣狀態(tài)參數(shù)。

典型智能水電廠變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能裝置分層分布架構(gòu)設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 智能水電廠典型變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能裝置架構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.4 Typical architecture design diagram of condition monitoring intelligent device for electricity transmission equipment in smart hydropower plant

3.4 機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測傳感器測點(diǎn)接入設(shè)計(jì)

以典型立式水電機(jī)組為例，根據(jù)測點(diǎn)對象的安裝位置，共布置三套機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測智能裝置，分別布置于發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層、尾水層，各層狀態(tài)監(jiān)測傳感器就近接入上述三套機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測智能裝置。典型的傳感器測點(diǎn)、安裝位置、傳感器配置見表2。

表2 典型智能水電廠立式機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測傳感器測點(diǎn)配置表Tab.2 Typical condition monitoring sensor points configuration of vertical hydroelectric unit

4 結(jié)束語

作為智能水電廠的兩類現(xiàn)地智能電子裝置，智能振擺保護(hù)裝置與智能狀態(tài)監(jiān)測裝置是實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組、變壓器等主設(shè)備的運(yùn)行安全保護(hù)與運(yùn)行性態(tài)在線精確測量的技術(shù)保證，同時(shí)也為基于一體化平臺的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)檢修決策支持等決策智能化專業(yè)應(yīng)用組件提供數(shù)據(jù)來源，其體系架構(gòu)、設(shè)備組成及功能部署要求充分體現(xiàn)了智能水電廠信息數(shù)字化和通信網(wǎng)絡(luò)化這兩大主要特征。

筆者有幸參與了智能水電廠機(jī)組振擺保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測裝置的科研和運(yùn)用工作，現(xiàn)總結(jié)如下：

（1）截至目前，完全滿足智能水電廠體系架構(gòu)和設(shè)備功能要求的智能振擺保護(hù)裝置（含振擺保護(hù)終端、振擺保護(hù)主控裝置）和智能狀態(tài)監(jiān)測裝置尚未有投入實(shí)際工程運(yùn)用的案例。

（2）相對于機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測智能裝置來說，變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能裝置技術(shù)成熟，且在國內(nèi)眾多的智能變電站建設(shè)中得到了較為廣泛的運(yùn)用。

（3）智能水電廠機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測裝置已在吉林白山及松江河發(fā)電廠智能化建設(shè)項(xiàng)目上得到了初步的應(yīng)用。

（4）智能水電廠相關(guān)振擺保護(hù)裝置已初步完成實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，下一步的工作重點(diǎn)是尋求試點(diǎn)工程的現(xiàn)場運(yùn)用。