魏 巍,劉愛芬

(華龍國際核電技術(shù)有限公司,北京 100036)

0 引言

隨著科技的發(fā)展和用戶對供電可靠性的要求越來越高,傳統(tǒng)配電方案的保護(hù)不靈敏、操作維護(hù)復(fù)雜的問題越來越突顯,核電廠對智能化電氣設(shè)備的需求也越來越大[1-3]。目前,智能電氣設(shè)備已經(jīng)在鐵路、醫(yī)院、博物館、機(jī)場、燃?xì)廨啓C(jī)電廠、石化廠、煤炭工廠、污水處理廠等多個(gè)領(lǐng)域有所應(yīng)用,反饋效果良好。為了提高核電廠的電氣智能化水平,本文對智能電氣設(shè)備在核電廠應(yīng)用的可行性進(jìn)行研究。

1 智能電氣設(shè)備的現(xiàn)狀分析

目前,中壓智能電氣設(shè)備有智能斷路器和智能中壓開關(guān)柜,低壓智能電氣設(shè)備有智能電機(jī)管理控制器、智能饋電線路保護(hù)控制器、智能電表、智能低壓斷路器和智能低壓開關(guān)柜。用于采集智能電氣設(shè)備數(shù)據(jù)的傳感器可以外置在智能電氣設(shè)備上,也可以集成到電氣設(shè)備內(nèi)部。智能本地控制系統(tǒng)可以使用現(xiàn)有集成的,也可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行個(gè)性化定制。目前大環(huán)境下云平臺是公有云平臺。

2 使用智能電氣設(shè)備的智能配電方案優(yōu)勢

使用智能電氣設(shè)備的智能配電能夠全方位改善配電系統(tǒng),通過對電氣系統(tǒng)故障的預(yù)警、預(yù)防以及預(yù)測,實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù),整體提高運(yùn)行維護(hù)的主動性;通過對設(shè)備的運(yùn)行和內(nèi)在狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤和分析,實(shí)時(shí)評估設(shè)備的健康狀態(tài),根據(jù)評估結(jié)果將維修工作從“預(yù)防”化為“預(yù)測”,從而預(yù)測設(shè)備的可持續(xù)性和換新需求;通過對設(shè)備數(shù)據(jù)信息的存檔、能源使用效率管理等,提升能源運(yùn)行效率、降低能源成本,全面提升運(yùn)營體系整體的高效性。

3 智能電氣設(shè)備應(yīng)用方案

智能電氣設(shè)備在核電廠的配電方案主要包括三個(gè)層級,分別為智能電氣設(shè)備層、智能本地控制系統(tǒng)以及云平臺,如圖1 所示。

圖1 智能電氣設(shè)備配電方案

3.1 智能電氣設(shè)備層

(1)中壓智能電氣設(shè)備應(yīng)用方案

中壓配電系統(tǒng)采用智能中壓斷路器,通過內(nèi)嵌式溫度傳感器對斷路器進(jìn)行溫度采集和在線監(jiān)測。智能中壓斷路器可對斷路器的分合閘線圈、儲能電機(jī)進(jìn)行智能監(jiān)測。在就地實(shí)時(shí)顯示智能中壓斷路器的特性,包括斷路器合分閘線圈波形、斷路器合分閘線圈的電流和動作時(shí)間、斷路器分合閘時(shí)間和速度及行程、斷路器合分閘線圈的健康指數(shù)、儲能電機(jī)儲能電流波形、儲能電機(jī)的電流和動作次數(shù)、儲能電機(jī)的健康指數(shù)等。同時(shí),將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄鼙镜乜刂葡到y(tǒng)中進(jìn)行在線監(jiān)測,通過對斷路器合分閘線圈和儲能電機(jī)歷史操作數(shù)據(jù)趨勢進(jìn)行分析,能夠快速、直觀地掌握斷路器的健康狀態(tài),并對斷路器的健康趨勢進(jìn)行動態(tài)診斷。

中壓系統(tǒng)采用智能中壓開關(guān)柜,通過內(nèi)嵌式的溫度傳感器對母排、電纜等溫度進(jìn)行采集和在線監(jiān)測。通過智能中壓開關(guān)柜對斷路器與開關(guān)柜的配合狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測;通過柜內(nèi)視頻對手車和接地開關(guān)的位置進(jìn)行在線監(jiān)測;通過遠(yuǎn)程或就地控制對斷路器的分合閘進(jìn)行電動操作;通過直觀的顯示斷路器剩余電壽命,對斷路器的剩余電壽命進(jìn)行在線監(jiān)測;具有單獨(dú)的弧光保護(hù),通過電流弧光雙重判據(jù)快速做出響應(yīng),快速切除故障;通過微機(jī)綜保,對回路電流、電壓等電氣參量進(jìn)行測量來實(shí)現(xiàn)多種保護(hù);可對避雷器的泄露電流和放電次數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測。同時(shí),將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄鼙镜乜刂葡到y(tǒng)中進(jìn)行在線監(jiān)測。

(2)低壓智能電氣設(shè)備應(yīng)用方案

對于電動機(jī)回路,采用智能電機(jī)管理控制器來實(shí)現(xiàn)對低壓電動機(jī)的控制、保護(hù)和監(jiān)測。智能電機(jī)管理控制器可實(shí)現(xiàn)從簡單到復(fù)雜的多種電動機(jī)啟動方案,實(shí)現(xiàn)完善的保護(hù)功能,并可對電動機(jī)回路電氣參量進(jìn)行監(jiān)測,包括電流、電壓、功率因數(shù)、有功、視在功率、接地故障電流、電度、頻率等。還可對熱過載脫扣時(shí)間、熱過載復(fù)位時(shí)間、電機(jī)狀態(tài)、主開關(guān)狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控。另外,可記錄電動機(jī)的運(yùn)行時(shí)間、啟動次數(shù)、脫扣次數(shù)、停機(jī)時(shí)間等,方便后期維護(hù)。智能電機(jī)管理控制器以以太網(wǎng)替代傳統(tǒng)的硬接線,來減少控制連接電纜,實(shí)現(xiàn)高速和海量的數(shù)據(jù)傳輸。將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄鼙镜乜刂葡到y(tǒng),對設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,進(jìn)而提高設(shè)備使用率和管理質(zhì)量。即便在設(shè)備發(fā)生故障的情況下,也能在第一時(shí)間提供故障根本原因分析,可以縮短維護(hù)時(shí)間,從而有效地確保維持產(chǎn)能。智能電機(jī)管理控制器預(yù)留了擴(kuò)展接口,用于后期可能增加的功能。

對于饋線回路,采用智能饋電線路保護(hù)控制器來實(shí)現(xiàn)對饋線回路的監(jiān)測、保護(hù)和告警。智能饋電線路保護(hù)控制器可實(shí)現(xiàn)對饋線回路的測量,包括電流、電壓、頻率、有功、無功、視在功率、功率因數(shù)、溫度、有功電度量、無功電度量、視在電度量等。智能饋電線路保護(hù)控制器可實(shí)現(xiàn)對線路的保護(hù)功能,包括過電壓、低電壓、過流、接地故障、溫度管理、漏電保護(hù)、通信中斷、相序保護(hù)等。智能饋電線路保護(hù)控制器可監(jiān)控開關(guān)量的狀態(tài)、主開關(guān)的狀態(tài)以及各功能的告警和脫扣。另外,還可顯示維護(hù)信息,包括運(yùn)行時(shí)間、停機(jī)時(shí)間、抽屜插拔次數(shù)、參數(shù)下載次數(shù)、干擾記錄等。智能饋電線路保護(hù)控制器預(yù)留了擴(kuò)展接口,用于后期可能增加的功能。

對于進(jìn)線回路,采用智能電表對進(jìn)線回路的電氣參量進(jìn)行測量,包括電流和電壓的瞬時(shí)值、平均值、最大值和不平衡率、頻率的瞬時(shí)值、平均值、最大值,有功、無功、視在功率、功率因數(shù)的瞬時(shí)值、平均值、最大值和負(fù)荷曲線、溫度、有功電度量、無功電度量、視在電度量等?？稍谥悄茈姳砩巷@示電氣參量,同時(shí),將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄鼙镜乜刂葡到y(tǒng)中進(jìn)行在線監(jiān)測和存儲。

低壓智能配電方案采用智能低壓斷路器,通過內(nèi)嵌式溫度傳感器對斷路器進(jìn)行溫度采集和在線監(jiān)測。在就地實(shí)時(shí)顯示智能低壓斷路器相關(guān)的電氣狀態(tài)參量。同時(shí),將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄鼙镜乜刂葡到y(tǒng)中進(jìn)行在線監(jiān)測,可快速、直觀地掌握斷路器的健康狀態(tài)。

低壓智能配電方案采用智能低壓開關(guān)柜,通過柜內(nèi)集成的溫度控制系統(tǒng),連續(xù)對抽屜內(nèi)環(huán)境以及電氣設(shè)備的溫度進(jìn)行在線監(jiān)測,并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄鼙镜乜刂葡到y(tǒng),同時(shí)對于溫度偏差進(jìn)行計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)超溫預(yù)警,及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障點(diǎn)。智能低壓開關(guān)柜的故障抽屜無需斷電即可更換,可減少斷電時(shí)間,提高設(shè)備運(yùn)行連續(xù)性和可靠性。智能低壓開關(guān)柜可將綜合能耗情況傳輸至智能本地控制系統(tǒng),進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)分析,方便用戶優(yōu)化能源使用,提高能源效率。

3.2 智能本地控制系統(tǒng)

本方案采用獨(dú)立的智能本地控制系統(tǒng)來接收智能電氣設(shè)備傳輸過來的數(shù)據(jù),并進(jìn)行處理和分析。智能本地控制系統(tǒng)具有能源效率管理、運(yùn)行維護(hù)管理、電能質(zhì)量管理和電氣設(shè)備管理等功能。

(1)能源效率管理

能源效率管理通過可視化的界面,按照負(fù)載類型、計(jì)量區(qū)域、不同工況等統(tǒng)計(jì)能耗,對能源使用情況進(jìn)行分析,明確系統(tǒng)中的能源流向,快速找出系統(tǒng)中的用能大戶,挖掘能效提高空間,從而優(yōu)化能源效率及運(yùn)營決策,以減少能耗達(dá)到節(jié)能的目的?？砂凑詹煌啻位虿煌O(shè)備生成能耗對標(biāo)報(bào)告,以便進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

(2)運(yùn)行維護(hù)管理

運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)顯示系統(tǒng)單線圖、柜面圖、通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖等,可查看電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)、設(shè)備通訊狀態(tài)等。在單線圖及柜面圖上,可查看斷路器老化程度以及設(shè)備磨損程度,便于運(yùn)行人員后期維護(hù)管理。遠(yuǎn)程圖形界面控制開關(guān)的分合閘,使系統(tǒng)使用更加安全?？蓮耐娫O(shè)備的安全距離遠(yuǎn)程操作斷路器,將潛在的電弧閃光風(fēng)險(xiǎn)降到最低。用戶可自定義各電氣設(shè)備的報(bào)警限值,實(shí)現(xiàn)對運(yùn)維人員實(shí)時(shí)提醒及報(bào)警,減少突發(fā)事故帶來的財(cái)產(chǎn)損失。系統(tǒng)可記錄近期報(bào)警、近期事故以及近期事件,方便運(yùn)行人員查閱?？筛鶕?jù)時(shí)間、嚴(yán)重程度、設(shè)備狀態(tài)、優(yōu)先級等對告警進(jìn)行過濾、分類和分析,并形成報(bào)警報(bào)告便于查閱。

通過智能監(jiān)控取代人工定期巡檢,可減少運(yùn)維人力及時(shí)間成本,并提前預(yù)警設(shè)備故障,實(shí)現(xiàn)前瞻性維護(hù),替代了事后維修模式,減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間,確保安全、可靠、持續(xù)的用電需求。

(3)電能質(zhì)量管理

電能質(zhì)量管理可對電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,包括功率因數(shù)和總諧波畸變率等。對電能質(zhì)量發(fā)生時(shí)間以及事件類型進(jìn)行捕捉和記錄,并生成電能質(zhì)量波形報(bào)告、諧波報(bào)告、電能質(zhì)量報(bào)告等。另外,可查閱近期發(fā)生的電壓擾動事件、電壓暫降事件、電壓波動事件、過電壓事件、欠電壓事件、電壓不平衡事件、電壓閃變事件以及頻率變化等。還可對電能質(zhì)量治理設(shè)備(如無功補(bǔ)償柜、濾波器等)以及柜內(nèi)的電子設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。通過電能質(zhì)量管理,可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)高效電能管理策略。

(4)電氣設(shè)備管理

電氣設(shè)備管理聚合了不同的電氣設(shè)備,能夠呈現(xiàn)電氣設(shè)備的運(yùn)行健康情況,還可以呈現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備信息及運(yùn)行參數(shù)。實(shí)現(xiàn)對中壓開關(guān)柜健康狀態(tài)、中壓斷路器老化情況、低壓配電柜健康狀態(tài)、低壓斷路器老化情況等進(jìn)行分析。

3.3 云平臺

由于目前大環(huán)境下云平臺是公有云平臺,考慮到核電數(shù)據(jù)的安全問題,本方案采用專用云平臺。智能電氣設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過核電廠無線通信5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綄Ｓ迷破脚_。專用云平臺提供了統(tǒng)一的設(shè)備管理、數(shù)據(jù)的收集以及分析能力,將從設(shè)備采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚在云平臺上,進(jìn)行存儲和分析。專用云平臺主要有監(jiān)測、優(yōu)化、管理和預(yù)測等功能。

4 智能電氣設(shè)備應(yīng)用的可行性分析

(1)技術(shù)方面

目前,智能電氣設(shè)備的產(chǎn)品較為成熟,功能也較為全面,能夠滿足核電廠的需求,而且在其他行業(yè)有眾多成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn),效果反饋良好,故可將其應(yīng)用在核電廠電氣系統(tǒng)中。

(2)經(jīng)濟(jì)方面

本方案前期投資成本高,但會帶來多方面經(jīng)濟(jì)效益,如可減少計(jì)劃外停電帶來的損失,可降低能耗成本、運(yùn)維成本、管理成本,可減少維修和運(yùn)行人員的成本等。因此,經(jīng)濟(jì)上需要多方面綜合考慮做出決策。

(3)布置方面

中壓配電系統(tǒng):本方案中使用的智能中壓斷路器與傳統(tǒng)中壓斷路器的尺寸相同,因此所占中壓開關(guān)柜的空間不變,不會增加中壓開關(guān)柜的數(shù)量。本方案中使用的智能中壓開關(guān)柜與傳統(tǒng)中壓開關(guān)柜的尺寸相同,因此所占中壓開關(guān)柜的布置空間不變。

低壓配電系統(tǒng):本方案中使用的智能電機(jī)管理控制器、智能饋電線路保護(hù)控制器、智能低壓斷路器和智能電表,所占低壓開關(guān)柜抽屜的尺寸與原有配電方案相同,因此不會增加低壓開關(guān)柜的數(shù)量。本方案中使用的智能低壓開關(guān)柜與傳統(tǒng)低壓開關(guān)柜的尺寸相同,因此所占低壓開關(guān)柜的布置空間不變。

智能本地控制系統(tǒng)與專用云平臺共用一臺設(shè)備,該設(shè)備預(yù)留有傳輸5G 的網(wǎng)絡(luò)接口,在考慮布置方案時(shí),需為智能本地控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備預(yù)留空間。

綜上所述,電氣設(shè)備布置方案可采用原有布置方案,所需布置空間不變,需預(yù)留智能本地控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的空間。

(4)對其他專業(yè)的影響方面

本方案的智能電氣設(shè)備在運(yùn)行時(shí)所需環(huán)境溫度為5～35℃,原方案的電氣設(shè)備在運(yùn)行時(shí)所需環(huán)境溫度為5～35℃,因此對暖通專業(yè)沒有影響;

本方案需為智能本地控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備預(yù)留空間,需土建專業(yè)配合在設(shè)計(jì)階段對方案進(jìn)行調(diào)整;

本方案考慮到后期可能需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺厥?需要儀控專業(yè)預(yù)留相關(guān)的接口。

(5)存在的風(fēng)險(xiǎn)

對于在運(yùn)核電廠,現(xiàn)有電氣方案是否能夠改造成智能化電氣方案,存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。另外,需要為智能本地控制系統(tǒng)預(yù)留布置空間,現(xiàn)有布置方案是否有改造預(yù)留空間,存在風(fēng)險(xiǎn)。

對于新建核電廠,可直接采購智能電氣設(shè)備,在設(shè)計(jì)階段為智能本地控制系統(tǒng)預(yù)留空間,不存在風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

本文提出了智能電氣設(shè)備在核電廠中的應(yīng)用方案,分析了在技術(shù)方面、經(jīng)濟(jì)方面、布置方面、對其他專業(yè)的影響,對于在運(yùn)核電廠存在一定的風(fēng)險(xiǎn),但新建核電廠具備可行性。由于核電的特殊性,對安全要求較高,故可以先在核島非安全級電氣系統(tǒng)中應(yīng)用,待智能電氣設(shè)備通過核級鑒定并積累一定運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)后,再逐步應(yīng)用于核島安全級電氣系統(tǒng)。