徐 亮
(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司,四川省成都市 610051)
勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分,其控制精度和可靠性對發(fā)電機(jī)輸出電壓的質(zhì)量、過壓和事故滅磁可靠動(dòng)作以及整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性有著非常重要的影響。隨著智能化水電站技術(shù)研究的不斷深入,水電廠勵(lì)磁系統(tǒng)智能化研究和應(yīng)用也取得了長足的發(fā)展[1]。結(jié)合本人參與水電廠勵(lì)磁系統(tǒng)新建、改造、運(yùn)維和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié),本文將對水電廠勵(lì)磁系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì),IEC 61850通信規(guī)約、紅外測溫系統(tǒng)、內(nèi)部通信光纖化、光纖脈沖傳輸技術(shù)、新型SIC非線性電阻及在線監(jiān)測技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用和智能綜合信息管理系統(tǒng)(SIMS)功能進(jìn)行介紹,為水電廠勵(lì)磁系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)應(yīng)用提出新思路。
勵(lì)磁系統(tǒng)至少具有完全獨(dú)立的、并聯(lián)冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的雙通道勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,有條件可具備第三個(gè)試驗(yàn)通道。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)具有硬/軟件的自診斷功能和完善的PSS2A/2B/4B功能,其重要電氣量(如勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓、PSS動(dòng)作量等)上送至PMU系統(tǒng),PID和PSS參數(shù)上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器還應(yīng)具備IEC 61850、Modbus TCP/IP、RS485等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約,可實(shí)現(xiàn)與智能電站各邏輯層級的互聯(lián)互通。通過復(fù)核計(jì)算、趨勢分析、歷史數(shù)據(jù)比較等手段,勵(lì)磁軟件能夠預(yù)測和診斷勵(lì)磁裝置各個(gè)環(huán)節(jié)的工作狀態(tài),并通過人機(jī)界面顯示診斷結(jié)果,定位故障點(diǎn)位置,提供處理方案,從而實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁裝置故障預(yù)診斷和智能定位。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測及自診斷功能,采用組態(tài)編程技術(shù),實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)對外輸出信號靈活定義,具有SNTP和IRIG -B碼對時(shí)功能等。
勵(lì)磁系統(tǒng)宜設(shè)置“過勵(lì)保護(hù)”(勵(lì)磁電流IL≥300%ILN)、“雙調(diào)節(jié)器故障”(雙調(diào)節(jié)器不工作)、“三功率柜故障”(任意3個(gè)功率柜發(fā)生功率柜退出,正常4個(gè)功率柜運(yùn)行)、“滅磁開關(guān)誤跳閘”(并網(wǎng)態(tài),滅磁開關(guān)位置為分位)、“空載過電壓保護(hù)”(雙調(diào)節(jié)器Ug≥120%Ugn)、“跨接器故障”{滅磁開關(guān)合位&跨接器正向電流>200A持續(xù)3s&[(IL≥100A)||(UL≥50V)]}和“勵(lì)磁變超溫跳閘”等導(dǎo)致停機(jī)跳閘出口壓板,并安裝在易于操作的位置,降低因二次作業(yè)安全措施解線接線誤操作的可能性,保證安全措施執(zhí)行更有效便捷。
勵(lì)磁系統(tǒng)宜采用工控機(jī)取代觸摸屏,通過工控機(jī)可查看系統(tǒng)狀態(tài)、事件記錄、故障報(bào)警、歷史錄波圖像,以及對所有的試驗(yàn)進(jìn)行操作,同時(shí)具備存儲(chǔ)數(shù)據(jù)精度高和空間大等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在工控機(jī)上能對機(jī)組進(jìn)行短路特性試驗(yàn)、空載特性試驗(yàn)、階躍響應(yīng)試驗(yàn)、零起升壓、小電流試驗(yàn)、限制器模擬動(dòng)作試驗(yàn)、模擬量自校核、參數(shù)越界限制等各種試驗(yàn)和操作,具備自動(dòng)數(shù)據(jù)記錄、增益計(jì)算、生成報(bào)告等智能試驗(yàn)系統(tǒng)。
在每個(gè)功率柜均配備配置有一套獨(dú)立的智能控制系統(tǒng)裝置,該系統(tǒng)包括智能檢測單元、溫度及支臂電流通信接口、傳感器、LCD顯示屏以及相應(yīng)的輸入輸出接口電回路等,實(shí)現(xiàn)功率柜智能檢測顯示,并能通過光纖將本柜狀態(tài)信息、報(bào)警信息(如可控硅狀態(tài)監(jiān)視、快熔狀態(tài)、功率柜溫度、各橋臂電流監(jiān)視、風(fēng)機(jī)狀態(tài)、脈沖檢測等信息、啟停風(fēng)機(jī)、均流系數(shù)等信號)上送至勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和勵(lì)磁智能綜合信息管理系統(tǒng)。
智能功率柜,智能均流采用高頻脈沖列觸發(fā)技術(shù)的晶閘管橋臂智能均流,應(yīng)實(shí)現(xiàn)智能化動(dòng)態(tài)均流、自動(dòng)退柜、信息顯示和調(diào)試智能化,各元件工作狀態(tài)和風(fēng)口溫度測量、分析、調(diào)節(jié)和報(bào)警功能。宜具備自控和智能檢測功能,實(shí)現(xiàn)故障判斷自動(dòng)硬/軟件封脈沖及退柜和信息顯示[2]。
功率柜應(yīng)具有良好的風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì),各功率柜間設(shè)置擋板,風(fēng)道獨(dú)立,在關(guān)鍵部位安裝測溫元件,如風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口、阻容保護(hù)回路、可控硅等,并將溫度實(shí)時(shí)顯示在本柜顯示器上。
智能滅磁柜應(yīng)配置可操作控制和顯示本柜狀態(tài)信息、溫度信息、報(bào)警信息等智能檢測裝置,能通過網(wǎng)線將本柜磁場斷路器分合狀態(tài)信息、磁場斷路器斷口處溫度、非線性電阻溫度、磁場斷路器動(dòng)作次數(shù)、跨接器動(dòng)作次數(shù)、轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)動(dòng)作信號、轉(zhuǎn)子繞組溫度等上送至勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和勵(lì)磁智能綜合信息管理系統(tǒng),并具有試驗(yàn)智能錄波并存儲(chǔ)滅磁開關(guān)跳閘前后的轉(zhuǎn)子電壓值、轉(zhuǎn)子電流值、滅磁電壓值、滅磁電流值。
滅磁時(shí)序應(yīng)設(shè)計(jì)不同工況下的滅磁時(shí)序,保證事故滅磁快速性的同時(shí),減少正常滅磁對系統(tǒng)的損傷。滅磁跳閘回路設(shè)計(jì)應(yīng)能正確區(qū)分正常分閘和故障跳閘,對滅磁開關(guān)的現(xiàn)地、監(jiān)控、保護(hù)跳閘回路獨(dú)立設(shè)計(jì),并設(shè)計(jì)監(jiān)視回路進(jìn)行監(jiān)視記錄,信號送至滅磁柜智能檢測裝置和監(jiān)控系統(tǒng),可提高事故分析的精度和效率。
跨接器設(shè)計(jì)采用不同動(dòng)作原理跨接器的冗余配置方式,兼具快速性和可靠性。建議采用雙套電子跨接器并具備跨接器故障檢測功能,在跨接器回路設(shè)置一個(gè)電流傳感器,當(dāng)滅磁開關(guān)在合閘位且跨接器正向電流持續(xù)幾秒大于設(shè)定值即出口報(bào)警或跳閘,可極大地提高系統(tǒng)安全性。
新型SIC非線性電阻及在線監(jiān)測技術(shù),可采取紅外或者熒光纖測溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)SIC非線性電阻的溫度監(jiān)視和采用霍爾元件采集每支路電流,實(shí)時(shí)監(jiān)測滅磁電阻工作狀態(tài)。滅磁開關(guān)柜智能檢測裝置通過變送器獲得滅磁時(shí)滅磁電阻兩端的電壓,通過霍爾傳感器獲得滅磁電阻流過的總電流,從而可以計(jì)算滅磁過程中滅磁電阻消耗的能量。同時(shí)結(jié)合定期采用非線性電阻特性測試儀對SIC非線性電阻的伏安特性測試,綜合評估SIC非線性電阻性能[3]。
為實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組及引出線的絕緣情況,避免發(fā)生發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路兩點(diǎn)接地影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行,建議每臺(tái)發(fā)電機(jī)均配置一套轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測和接地定位裝置和兩套不同原理的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置(注入式和乒乓式),三套裝置均安裝于勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁電阻盤柜內(nèi),互補(bǔ)配合,可實(shí)現(xiàn)無死區(qū)、高靈敏的大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù),避免不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地的重大故障,對于發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的安全運(yùn)行發(fā)揮了重要作用[4]。
機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),采用轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測和接地定位裝置與注入式或者乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置配合方式運(yùn)行,其工作邏輯:轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測和接地定位裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測轉(zhuǎn)子絕緣,當(dāng)轉(zhuǎn)子絕緣低于絕緣降低整定值(暫定50kΩ)時(shí),轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測和接地定位裝置及時(shí)發(fā)出“轉(zhuǎn)子絕緣降低”報(bào)警信號;當(dāng)絕緣值繼續(xù)低于轉(zhuǎn)子接地整定值(如暫定10kΩ)時(shí),延時(shí)時(shí)間(暫定7s),發(fā)出接地告警信號和定位接地點(diǎn),可查詢接地前后的絕緣變化過程,同時(shí)轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測和接地定位裝置內(nèi)部的大軸線自動(dòng)斷開,將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置(注入式或乒乓式)的大軸引線接通,當(dāng)檢測出接地電阻Rg確實(shí)小于一點(diǎn)接地報(bào)警值(暫定20kΩ)時(shí),延時(shí)時(shí)間(暫定3s),報(bào)“注入式或者乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地信號”報(bào)警,如果轉(zhuǎn)子接地電阻繼續(xù)降低小于絕緣降低報(bào)警值(暫定5kΩ)時(shí),延時(shí)時(shí)間(暫定5s),報(bào)“注入式或者乒乓式轉(zhuǎn)子接地跳閘”報(bào)警,出口跳閘。
IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域唯一的全球通用標(biāo)準(zhǔn),它實(shí)現(xiàn)了智能電站的工程標(biāo)準(zhǔn)化,使得智能電站的工程實(shí)施變得規(guī)范、統(tǒng)一和透明。它定義了電站的信息分層結(jié)構(gòu),采用了面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模技術(shù),數(shù)據(jù)自描述和網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立性,是智能化電站發(fā)展不可或缺的基礎(chǔ)[5]。
勵(lì)磁系統(tǒng)與監(jiān)控LCU和勵(lì)磁系統(tǒng)智能綜合信息管理系統(tǒng)(SIMS)之間實(shí)現(xiàn)了IEC 61850 通信,包括開關(guān)量信號的MMS和GOOSE通信,模擬量采樣的SV通信等。單臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)上送500多個(gè)信號,實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)對勵(lì)磁系統(tǒng)信息的全面收集,極大地方便了設(shè)備運(yùn)行分析。
勵(lì)磁系統(tǒng)安裝一套獨(dú)立的紅外測溫系統(tǒng),對柜內(nèi)包括可控硅、功率柜阻容保護(hù)裝置、滅磁電阻、滅磁開關(guān)觸頭、風(fēng)道出入口、銅排連接點(diǎn)等重要部位進(jìn)行在線測溫,可實(shí)時(shí)觀看到各部位溫度,及早發(fā)現(xiàn)異常,其歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸,可用于設(shè)備趨勢分析。
勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部通信光纖化,具備抗電磁干擾能力強(qiáng)和傳輸容量大的優(yōu)點(diǎn),能夠監(jiān)控勵(lì)磁系統(tǒng)各關(guān)鍵部分的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行報(bào)警和自動(dòng)采取應(yīng)對措施,大大提高了勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性和安全性[6]。光纖通信網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器和可控硅的狀態(tài)量、起勵(lì)回路、滅磁及過壓保護(hù)裝置等內(nèi)部狀態(tài)、各種模擬量和開關(guān)量都能夠被采集,勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部光纖通信示意圖如圖1 所示。
圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部光纖通信示意圖Figure 1 Schematic diagram of internal optical fiber communication of excitation system
大型水輪發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜常規(guī)采用扁平或者同軸電纜傳輸脈沖,存在抗干擾能力差的問題。建議觸發(fā)脈沖傳輸介質(zhì)采用光纖,取消了扁平或者同軸電纜傳輸脈沖??煽毓栌|發(fā)脈沖信號采用點(diǎn)對光纖傳輸技術(shù),勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出的觸發(fā)脈沖經(jīng)過光纖分別傳送至各個(gè)整流橋,增強(qiáng)勵(lì)磁主控制回路的可靠性[7]。使用光纖進(jìn)行脈沖觸發(fā)信號的傳輸,極大地提高了抗干擾能力。勵(lì)磁系統(tǒng)脈沖光纖傳輸示意圖如圖2所示。
圖2 勵(lì)磁系統(tǒng)脈沖光纖傳輸示意圖Figure 2 Schematic diagram of pulse optical fiber transmission of excitation system
勵(lì)磁系統(tǒng)綜合信息管理系統(tǒng)(SIMS)對多臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)通過IEC 61850通信規(guī)約進(jìn)行組網(wǎng),用于接收及處理每臺(tái)勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)指定的開關(guān)量和模擬量,具有數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)功能、數(shù)據(jù)查詢及圖表展示、統(tǒng)計(jì)分析等功能,為電站的生產(chǎn)運(yùn)行提供指導(dǎo)依據(jù)。該系統(tǒng)由三層以太網(wǎng)骨干交換機(jī)、防火墻、數(shù)據(jù)服務(wù)器及現(xiàn)地單元組成,并提供IEC 61850通信接口、Web Service應(yīng)用程序接口,與水電廠建設(shè)的智能決策分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息交換,作為電站智能化建設(shè)的重要組成部分。
智能綜合信息管理系統(tǒng)(SIMS)獨(dú)立于勵(lì)磁系統(tǒng)之外,并設(shè)置橫向隔離裝置,無需擔(dān)心外網(wǎng)入侵對勵(lì)磁系統(tǒng)正常運(yùn)行造成影響,其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
圖3 智能綜合信息管理系統(tǒng)(SIMS)結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Structure diagram of intelligent integrated information management system(SIMS)
通過IEC 61850通信規(guī)約的方式固定周期從勵(lì)磁智能管理單元上獲得各個(gè)機(jī)組勵(lì)磁運(yùn)行的模擬量、開關(guān)量。將機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫,顯示勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)及趨勢波形。實(shí)時(shí)采集顯示單臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、操作事件和帶時(shí)標(biāo)的數(shù)據(jù)簡報(bào),運(yùn)維人員可查看各臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)報(bào)警狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)[8]。
數(shù)據(jù)變碼、誤碼分析及數(shù)據(jù)傳輸誤差控制。對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行開關(guān)量標(biāo)時(shí),同時(shí)與全站時(shí)鐘系統(tǒng)對時(shí),以供后續(xù)數(shù)據(jù)查詢分析使用。對數(shù)據(jù)進(jìn)行閥值設(shè)置比較分析,正常/異常操作、報(bào)警和故障事件按照時(shí)標(biāo)順序記錄,形成報(bào)警信息和歷史數(shù)據(jù)庫。
根據(jù)選定的時(shí)間區(qū)域及所需要顯示的報(bào)警信號進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢,顯示查詢信號發(fā)生的時(shí)間、次數(shù)等信號,同時(shí)可通過雙擊信息獲得對應(yīng)波形數(shù)據(jù)。波形數(shù)據(jù)可以通過選擇模擬量進(jìn)行對應(yīng)數(shù)據(jù)的顯示,便于數(shù)據(jù)分析。
根據(jù)勵(lì)磁智能管理單元上獲得的開關(guān)量、模擬量數(shù)據(jù)和時(shí)標(biāo)事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,開關(guān)量信號以一定周期內(nèi)的發(fā)生次數(shù)、間隔時(shí)間統(tǒng)計(jì),模擬量數(shù)據(jù)以一定周期內(nèi)的數(shù)據(jù)趨勢波形統(tǒng)計(jì),時(shí)標(biāo)事件以數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)特性分類統(tǒng)計(jì)。
為保證智能綜合信息管理系統(tǒng)分析的真實(shí)性和準(zhǔn)確性,需要剔除勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)和記錄:在勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí),需進(jìn)入勵(lì)磁系統(tǒng)智能綜合信息管理系統(tǒng)試驗(yàn)態(tài),試驗(yàn)期間數(shù)據(jù)將存入試驗(yàn)區(qū)域,不對整體數(shù)據(jù)分析造成影響。
(1)具備勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器運(yùn)行分析:對勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)、逆變和機(jī)端電壓調(diào)節(jié)等各個(gè)調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)過程,階躍試驗(yàn)中系統(tǒng)對暫態(tài)試驗(yàn)的所需驗(yàn)證進(jìn)行時(shí)間、超調(diào)量、峰谷值、有效值等多數(shù)據(jù)計(jì)算分析。對各勵(lì)磁限制器動(dòng)作的情況進(jìn)行動(dòng)作時(shí)長分析,動(dòng)作合理性分析,復(fù)歸時(shí)長及復(fù)歸后穩(wěn)態(tài)值分析等,以確認(rèn)限制器工作的可靠性。
(2)具備勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜和滅磁柜各關(guān)鍵部件運(yùn)行分析:功率柜可控硅支臂電流、快熔狀態(tài)、阻容單元、風(fēng)機(jī)狀態(tài)、進(jìn)出風(fēng)口溫度等數(shù)據(jù)以及橋臂電流的平衡度與均流系統(tǒng)的計(jì)算分析。滅磁柜滅磁開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)接口溫度、轉(zhuǎn)子溫度、滅磁電阻溫度、滅磁電阻支路電流、滅磁時(shí)間、轉(zhuǎn)子過壓、保護(hù)動(dòng)作狀態(tài)等數(shù)據(jù)分析。
(3)具備WAMS系統(tǒng)振蕩分析功能:采用PRONY或FFT方法,對主要設(shè)備特征參數(shù)(比如:無功功率、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、機(jī)組振動(dòng))振蕩模式進(jìn)行識別[9],關(guān)聯(lián)特性信息包括振蕩頻率、幅值、阻尼比,在機(jī)組帶負(fù)載運(yùn)行階躍試驗(yàn)中對振蕩的幅值及阻尼比進(jìn)行分析計(jì)算,評估PSS對低頻振蕩的抑制效果。同時(shí)具備發(fā)生無功功率/機(jī)端電壓波動(dòng)時(shí)原因分析功能,建立設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)分析及輔助決策系統(tǒng),進(jìn)行故障預(yù)估,生成設(shè)備健康評估、運(yùn)行趨勢預(yù)測和設(shè)備異常分析報(bào)告[10]。
本文通過對水電廠勵(lì)磁系統(tǒng)智能化研究,設(shè)計(jì)理念先進(jìn),設(shè)備選型可靠,功能設(shè)計(jì)完備,眾多成熟先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用,極大保障了電站機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。將IEC 61850通信規(guī)約、紅外測溫系統(tǒng)、內(nèi)部通信光纖化、光纖脈沖傳輸技術(shù)、新型SIC非線性電阻及在線監(jiān)測技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)和智能綜合信息管理系統(tǒng)(SIMS)應(yīng)用于勵(lì)磁系統(tǒng),為水電廠勵(lì)磁系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)應(yīng)用提出了新思路,希望為同行提供借鑒意義。