水電廠發(fā)電設(shè)備智能化設(shè)計(jì)的探討

彭滋忠

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410004）

1 概述

電力行業(yè)建設(shè)智能水電廠的呼聲日益高漲，水電廠智能化設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。智能化水電廠設(shè)計(jì)采用當(dāng)今流行的模塊化技術(shù)、電氣一次二次設(shè)備融合技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)及診斷技術(shù)，推動(dòng)智慧水電廠不斷的向前邁進(jìn)。

2 智能化水電廠設(shè)計(jì)及技術(shù)特點(diǎn)

（1）本文以大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組為模型對(duì)智能化水電廠的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，模型水電廠包括水輪發(fā)電機(jī)組及自動(dòng)化設(shè)備、廠用電、220 kV或500 kV升壓站等設(shè)備，主接線如圖1。

圖1 智能化水電廠電氣主接線圖模型

（2）智能化水電廠技術(shù)特點(diǎn)：

1）數(shù)字采樣技術(shù)：采用電子式互感器實(shí)現(xiàn)電壓電流信號(hào)的數(shù)字化采集。

2）數(shù)字化模塊技術(shù)：采集發(fā)電機(jī)組各軸承瓦溫、油溫、冷卻器溫度、流量、壓力等信號(hào)，再進(jìn)行數(shù)字化處理。采集機(jī)組轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉位置、制動(dòng)位置、剪斷銷(xiāo)位置、技術(shù)供水等信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。

3）智能傳感器技術(shù)：采用智能傳感器實(shí)現(xiàn)電氣一次設(shè)備的靈活控制。

4）信息共享技術(shù)：采用基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的信息交互模型實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備間的信息高度共享和互操作。

5）同步技術(shù)：采用B碼、秒脈沖或IEEEE1588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式實(shí)現(xiàn)采樣或?qū)r(shí)。

6）網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)：構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化二次回路實(shí)現(xiàn)采樣值及其他信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

3 水電廠發(fā)電設(shè)備的智能化設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)字化模塊技術(shù)

（1）水電廠機(jī)組自動(dòng)化元件點(diǎn)多、面廣、種類(lèi)繁多，建議采用數(shù)字化模塊技術(shù)，就地化安裝。

（2）數(shù)字化模塊分類(lèi)，按用途分，主要有：智能轉(zhuǎn)速傳感器；智能導(dǎo)葉位置傳感器；純開(kāi)關(guān)量輸入（如剪斷銷(xiāo)位置、風(fēng)閘位置）數(shù)字化處理設(shè)備（模塊）；按照系統(tǒng)分：技術(shù)供水系統(tǒng)；頂蓋排水；主軸密封供水；調(diào)速器壓油泵控制系統(tǒng)?？煽紤]采用智能控制器，具備采集溫度、壓力、流量、開(kāi)入、開(kāi)出、電壓、電流等多種信號(hào)接口及功能，具備網(wǎng)絡(luò)化智能接口。

（3）模塊化設(shè)備安裝選擇就地化安裝。測(cè)溫模塊箱式或柜式可考慮在發(fā)電機(jī)機(jī)身外掛、機(jī)坑內(nèi)壁或機(jī)坑外壁掛安裝，考慮機(jī)坑溫度較高，優(yōu)先選擇機(jī)坑外壁掛安裝。

（4）模塊接口技術(shù)：具備多個(gè) RS232、RJ45、光纖接口，采用IEC61850網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約，與其他設(shè)備用光纜連接，大幅度減少常規(guī)電纜的使用。

3.2 智能化發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁變、廠用變保護(hù)

參考國(guó)網(wǎng)公司智能變電站技術(shù)，在發(fā)電機(jī)出口及中性點(diǎn)安裝多組電子式組合互感器，組柜安裝。具備光纖接口，考慮與保護(hù)、勵(lì)磁、調(diào)速器設(shè)備光纖連接。在保證發(fā)電機(jī)保護(hù)“四性”要求的前提下，配置雙套發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁變、廠用變保護(hù)，直采直跳，測(cè)控組網(wǎng)。

3.3 智能化勵(lì)磁系統(tǒng)

（1）勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜采用雙自動(dòng)通道設(shè)計(jì)，功率測(cè)量具備與電子式互感器接口及功能。

（2）可控硅觸發(fā)脈沖具備光接口及功能，與勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜采用光纖連接。

（3）設(shè)計(jì)起勵(lì)、逆變滅磁、電制動(dòng)、投/退、增減勵(lì)磁等數(shù)字化接口，與其他設(shè)備采用光纜連接進(jìn)行通信。

（4）勵(lì)磁系統(tǒng)狀態(tài)顯示與其他設(shè)備采用光纜連接進(jìn)行通信。

（5）滅磁開(kāi)關(guān)采用電氣一次二次設(shè)備融合技術(shù)，與其他設(shè)備采用光纜連接進(jìn)行通信與控制。

（6）開(kāi)發(fā)智能型勵(lì)磁電壓及勵(lì)磁電流組合傳感器，消除諧波及勵(lì)磁過(guò)電壓對(duì)其他電氣設(shè)備的影響，并具有光纖接口。

（7）發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輔助限制性能協(xié)調(diào)優(yōu)化。

（8）勵(lì)磁軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，在保證勵(lì)磁控制主流程控制功能不變的前提下，設(shè)計(jì)新的通信軟件與其他設(shè)備通信，采用IEC61850通信規(guī)約，具備光纖通信接口，滿(mǎn)足水電廠智能化通信要求。

（9）具備在線監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程診斷功能及光纖接口。

3.4 智能化水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)

(1)調(diào)節(jié)柜采用雙自動(dòng)通道設(shè)計(jì)，功率測(cè)量具備與電子式互感器接口及功能。

（2）調(diào)節(jié)柜設(shè)計(jì)具有智能型轉(zhuǎn)速傳感器、導(dǎo)葉位置傳器光纖接口模塊。

（3）調(diào)速器機(jī)械柜旁設(shè)置智能接口裝置，集成各閥門(mén)、電磁閥等自動(dòng)化元件數(shù)字化光纖接口，與調(diào)節(jié)柜及其他設(shè)備光纖連接，采用IEC61850規(guī)約，具備顯示與控制功能。

（4）設(shè)計(jì)開(kāi)停機(jī)、投/退、增減速等數(shù)字化接口，與其他設(shè)備采用光纜連接進(jìn)行通信。

（5）調(diào)速器系統(tǒng)狀態(tài)顯示與其他設(shè)備采用光纜連接進(jìn)行通信。

（6）調(diào)速器軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，在保證調(diào)速器控制主流程不變的前提下，設(shè)計(jì)新的通信軟件與其他設(shè)備通信，采用IEC61850通信規(guī)約，滿(mǎn)足水電廠智能通信要求。

3.5 設(shè)置智能通信控制柜取代LCU柜

（1）大型水輪發(fā)電機(jī)組LCU柜一般設(shè)置為3～5面柜，與其他二次設(shè)備的連接為常規(guī)電纜連接，電纜使用量大，維護(hù)接線工作量大。建議設(shè)置智能通信控制柜取代LCU柜，可設(shè)置1～2面柜，與其他設(shè)備采用光纜連接，接線及維護(hù)工作量大大減少。在廠站層控制系統(tǒng)故障或退出運(yùn)行的情況下，水輪發(fā)電機(jī)組仍然能夠正常運(yùn)行。

（2）智能通信控制柜在保證水輪發(fā)電機(jī)正常開(kāi)機(jī)、停機(jī)流程；保證對(duì)發(fā)電設(shè)備正常操作、控制、顯示、監(jiān)視、通信、遠(yuǎn)程診斷的前提下，開(kāi)發(fā)新的軟件系統(tǒng)，使之與IEC61850通信規(guī)約兼容。網(wǎng)絡(luò)接線圖見(jiàn)圖2。

圖2 智能化水電廠網(wǎng)絡(luò)接線圖模型

4 水電廠升壓站設(shè)備的智能化設(shè)計(jì)

水電廠升壓站設(shè)備主要有變壓器、GIS設(shè)備、保護(hù)和通信設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備，借鑒、參考或選用國(guó)家電網(wǎng)公司智能化變電站的設(shè)計(jì)，在此不再贅述。

5 智能化發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

5.1 在線監(jiān)測(cè)與診斷

（1）采用泄漏電流傳感器的避雷器監(jiān)測(cè)；（2）采用UHF傳感器的局部防電監(jiān)測(cè)；（3）采用小電流傳感器的套管絕緣監(jiān)測(cè)；（4）振動(dòng)擺度監(jiān)測(cè)；

（5）汽輪機(jī)油在線濾油及理化指標(biāo)的監(jiān)測(cè)；（6）采用特制光纖的繞組溫度監(jiān)測(cè)；

（7）采用電子式互感器的單相接地電容電流監(jiān)測(cè)。

5.2 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)消弧線圈及接地變壓器的設(shè)計(jì)

對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的消弧線圈及接地變壓器進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，根據(jù)采集到的單相接地電容電流自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償度。

6 智能化10 kV開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)

智能開(kāi)關(guān)柜的關(guān)鍵是電氣操作的安全控制技術(shù)。

6.1 智能開(kāi)關(guān)柜控制部分的組成

（1）智能開(kāi)關(guān)柜設(shè)備分合閘功能實(shí)現(xiàn)是由開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)、控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)3部分組成。其中控制器是核心控制部件。分為電子控制器和電氣裝置控制器。

電氣控制器由電動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定機(jī)械動(dòng)作的完成。電氣控制系統(tǒng)分為電氣設(shè)備二次控制回路，不同的設(shè)備有不同的控制回路?？刂苹芈酚蓡?dòng)保護(hù)（啟動(dòng)電流恒流控制）、制動(dòng)反饋（電機(jī)停止）2部分組成。

電子控制器主要是指用弱電的電子集成元件控制強(qiáng)電的電氣裝置的電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)電子控制器的單片機(jī)和電腦的通信，電腦作為主要的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，發(fā)送給單片機(jī)不同的信息，通過(guò)電子控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣裝置的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

（2）開(kāi)關(guān)柜電操控制器是智能化開(kāi)關(guān)柜的核心單元。

1）控制器就是控制部件，而外圍設(shè)備相對(duì)控制器來(lái)說(shuō)就是執(zhí)行部件。控制部件與執(zhí)行部件的一種聯(lián)系就是通過(guò)控制線。

2）控制器需要接收和識(shí)別上級(jí)命令：控制中心的程序可以向控制器發(fā)送多種不同的命令，設(shè)備控制器應(yīng)能接收并識(shí)別這些命令?？刂破鞑粩嘞蛟O(shè)備各種傳感器發(fā)送電子查詢(xún)，并且向上級(jí)回復(fù)執(zhí)行結(jié)果。

3）控制器根據(jù)每個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功能分為：?jiǎn)蜗蚩刂破骱碗p向控制器。控制器還需要配備電機(jī)恒流控制技術(shù)：電機(jī)啟動(dòng)扭轉(zhuǎn)電流和動(dòng)態(tài)運(yùn)行電流匹配一致，提高電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩均衡，在機(jī)械齒輪故障扭矩增大情況下能對(duì)電機(jī)和整體設(shè)備做安全保護(hù)。

4）控制部件通過(guò)控制線向執(zhí)行部件發(fā)出各種控制命令。

5）控制器自動(dòng)檢測(cè)與之相關(guān)的接口狀態(tài)，如外部開(kāi)關(guān)信號(hào)等等，一旦出現(xiàn)故障，控制器自動(dòng)實(shí)施保護(hù)，充分保證設(shè)備的安全，當(dāng)故障排除后控制器的保護(hù)狀態(tài)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。

6）控制器要具備電流控制元件的合適選擇，能夠適用于任何一款電機(jī)，并且具有相當(dāng)安全的控制效果，不再需要匹配，提高了電機(jī)控制器的普遍適應(yīng)性，使電機(jī)和控制器不再需要現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備匹配，方便安裝和使用。

7）控制器具備自動(dòng)/手動(dòng)操作功能一體化，根據(jù)不同的使用環(huán)境進(jìn)行靈活配置。自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器是一種智能雙功能切換系統(tǒng)?？刂破鞯碾姎饴?lián)鎖配合機(jī)械聯(lián)鎖，確?？刂破鲄?shù)的自動(dòng)調(diào)整。

6.2 智能開(kāi)關(guān)柜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）選用電子式電壓傳感器，采用電阻/容分壓式傳感器，成本低、精度高、體積小、重量輕、受環(huán)境影響小、無(wú)二次短路的危險(xiǎn)。技術(shù)參數(shù)要求：相電壓0.5級(jí)精度，零序電壓1級(jí)精度。負(fù)載阻抗＞10 MΩ。

（2）選用電子式電流傳感器，采用低功耗線圈方案，直接輸出小電壓信號(hào)，無(wú)二次開(kāi)路危險(xiǎn)，工藝簡(jiǎn)單，精度高、無(wú)飽和、頻率響應(yīng)范圍寬、線性度好，在系統(tǒng)故障狀態(tài)下可使保護(hù)正確動(dòng)作。

（3）數(shù)據(jù)采集：提供Ua、Ub、Uc、U0、Ia、Ib、Ic、I0（保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量）

（4）故障切除時(shí)間不大于100 ms。

（5）計(jì)量功能：精度0.5級(jí)；計(jì)算正方向有功電量和四象限無(wú)功電量、功率因數(shù)。具備計(jì)量數(shù)據(jù)凍結(jié)功能，包括日凍結(jié)、功率方向改變時(shí)的凍結(jié)。

（6）故障錄波：故障前4個(gè)后8個(gè)周波，錄波數(shù)據(jù)循環(huán)存儲(chǔ)60條，支持上傳主站。采樣點(diǎn)數(shù)不少于80點(diǎn)/周波，包括電流電壓、開(kāi)關(guān)、位置。

（7）數(shù)據(jù)調(diào)閱：支持歷史數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程調(diào)閱，以文件方式上傳至主站；日凍結(jié)電量、電能、功率、電流、電壓定點(diǎn)數(shù)據(jù)；電壓、電流日極值數(shù)。

（8）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：循環(huán)存儲(chǔ)、失電不丟失。

6.3 自適應(yīng)綜合型就地饋線自動(dòng)化

具備自適應(yīng)綜合型就地饋線自動(dòng)化功能，不依賴(lài)主站和通信，通過(guò)短路/接地故障檢測(cè)技術(shù)、無(wú)壓分閘、故障路經(jīng)自適應(yīng)來(lái)電合閘等控制邏輯，實(shí)現(xiàn)單相接地故障的就地選線、區(qū)域定位和隔離；出線開(kāi)關(guān)一次合閘、實(shí)現(xiàn)永久性短路故障的區(qū)段定位和瞬時(shí)性故障的供電恢復(fù)。

6.4 智能開(kāi)關(guān)柜采用模塊化設(shè)計(jì)

（1）在結(jié)構(gòu)上采用獨(dú)立功能的組件進(jìn)行裝配，即采用所謂模塊化的積木式拼裝結(jié)構(gòu)，用較少品種滿(mǎn)足各種不同的使用要求，即功能多樣化,減少采購(gòu)成本和維護(hù)成本。

（2）即插即用技術(shù)。

6.5 控制單元技術(shù)提升

（1）高可靠、小型化、易維護(hù)的工藝；研究標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、集成化制造工藝，結(jié)合工業(yè)級(jí)芯片實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化升級(jí)。

（2）基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的即插即用技術(shù)，研究終端與主站的自識(shí)別、自診斷的智能交互及監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制單元的即插即用。

6.6 一、二次設(shè)備的深度融合技術(shù)

（1）一、二次設(shè)備的深度融合，DTU分布式安裝。

（2）三遙動(dòng)作型DTU安裝在各單元間隔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)本間隔的三遙、計(jì)量、相間與接地故障處理、通信功能。DTU通信方式接入通信單元，由通信單元對(duì)上通信。

（3）DTU和通信模塊實(shí)現(xiàn)裝置級(jí)可更換，支持熱插拔。

7 智能化400 V低壓電器的選型

目前，各主要低壓電器制造廠商均有比較成熟的產(chǎn)品可供選擇。

8 總結(jié)

智能水電廠水機(jī)自動(dòng)化采用模塊化設(shè)計(jì)及就地化安裝技術(shù)，勵(lì)磁及調(diào)速器采用智能化接口設(shè)計(jì)，升壓站采用國(guó)網(wǎng)公司智能變電站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，對(duì)減少二次接線及維護(hù)工作量具有重要意義。

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