數(shù)字化水電站在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案研究

劉 松，昝亞峰，李文金

（1.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明650051；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明650214）

自 2006年我國首座基于IEC61850（DL/T860）通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站投運以來，我國數(shù)字化變電站建設(shè)發(fā)展迅猛，截止2017年底，我國建成了上千座數(shù)字化變電站，電壓等級涵蓋110 kV～750 kV。而對于數(shù)字化水電站的建設(shè)，國內(nèi)目前僅少數(shù)幾個水電站進行了數(shù)字化通信的嘗試，并未得出完整的解決方案，也還沒有建成真正意義上的全數(shù)字化水電站。本文旨在依托數(shù)字化水電站3層（站控層、單元層和過程層）2網(wǎng)（站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)）的自動化體系結(jié)構(gòu)[1]，對水電站數(shù)字化在線監(jiān)測系統(tǒng)提出解決方案。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 運用現(xiàn)狀

當(dāng)前水電站的在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為電站層和現(xiàn)地層，電站層包括上位機和交換機，現(xiàn)地層包括機組監(jiān)測屏和現(xiàn)地傳感器。電站層對機組監(jiān)測屏上送的動態(tài)參數(shù)進行集成，建立設(shè)備狀態(tài)綜合數(shù)據(jù)庫，自動生成設(shè)備狀態(tài)參數(shù)報表和變化趨勢曲線，對設(shè)備狀態(tài)的歷史參數(shù)趨勢分析和相對比較相結(jié)合，綜合專家數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的診斷，同時通過網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程/現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)測、診斷和評估[2]。

現(xiàn)地層的機組監(jiān)測屏通過電纜采集各個傳感器上送的機組狀態(tài)參數(shù)，如振動、擺度、壓力脈動、空氣間隙、局部放電等，同時通過硬接線從其他外部設(shè)備采集并網(wǎng)信號、滅磁開關(guān)位置、機組的有功和無功功率、勵磁電流和電壓等數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)在機組監(jiān)測屏進行處理和分析后，在機旁進行結(jié)果展示并通過光纖傳輸上送至上位機。當(dāng)前水電站在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 當(dāng)前水電站在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 行業(yè)應(yīng)用情況

當(dāng)前水電站暫無數(shù)字化機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用。隨著數(shù)字化變電站的大力推廣，數(shù)字化輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)已有較為成熟的產(chǎn)品及方案。

1.2.2 廠家研發(fā)、制造情況

①國電南瑞：國電南瑞現(xiàn)階段正在開發(fā)內(nèi)置IEC61850模塊的在線監(jiān)測采集裝置，此裝置集數(shù)據(jù)采集和基本數(shù)據(jù)分析功能于一身，可布置于現(xiàn)地端子箱附近或者于機旁組屏安裝。裝置已進行MMS網(wǎng)和SV網(wǎng)的相關(guān)研究，CT、PT的數(shù)據(jù)可進入合并單元后上送SV網(wǎng)，裝置直接從SV網(wǎng)交換機采集電流及電壓數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)可通過硬接線接入或從MMS網(wǎng)上采集，收集的數(shù)據(jù)直接上送MMS網(wǎng)交換機，但該裝置暫不支持GOOSE網(wǎng)。②華科同安：華科同安的數(shù)據(jù)采集箱TN8000可通過硬接線從現(xiàn)地傳感器采集數(shù)據(jù)并進行分析處理，再將處理后的數(shù)據(jù)通信至上位機或硬接線連接至其他系統(tǒng)。TN8000現(xiàn)階段不支持MMS網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)采集和上傳數(shù)據(jù)，暫未進行本系統(tǒng)的建模。華科同安公司表示，可對TN-8000外部接口進行數(shù)字化相關(guān)研究，研究成果能夠滿足IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)的要求，開發(fā)難度較小且開發(fā)周期也會較短。③武漢南瑞：武漢南瑞的輸配電在線監(jiān)測設(shè)備可支持IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)，已有多個成熟產(chǎn)品支持IEC61850且通過多個機構(gòu)的一致性檢測，在數(shù)字化變電站中有大量的應(yīng)用業(yè)績，有成熟的產(chǎn)品及解決方案。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)字化解決方案

2.1 總體解決思路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字化水電站在線監(jiān)測系統(tǒng)按照“過程層”、“單元層”、“站控層”的結(jié)構(gòu)層次布置。該方案基于“一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，符合IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)”的設(shè)計思路，信息全部做到數(shù)字化，傳遞實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，通信模型達到標(biāo)準(zhǔn)化。這使得數(shù)字化水電站在系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟性、維護簡便性方面均比當(dāng)前水電站有大幅提升[3]。

在線監(jiān)測系統(tǒng)的上位機系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及打印機等組成，其中數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲和管理電廠各重要設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，WEB服務(wù)器負(fù)責(zé)在線監(jiān)測系統(tǒng)與電廠局域網(wǎng)之間的通信。本文僅對機組在線監(jiān)測系統(tǒng)進行描述，機組振擺保護系統(tǒng)和輸配電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理與機組在線監(jiān)測系統(tǒng)基本一致。

2.2 機組在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)字化解決方案

2.2.1 數(shù)字化機組在線監(jiān)測系統(tǒng)具體需求分析

機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)字化主要包括3個部分：上位機（站控層）的數(shù)字化、數(shù)據(jù)采集分析裝置（中間層）的數(shù)字化、傳感器和端子箱（過程層）的數(shù)字化，即要求上述設(shè)備滿足IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（1）上位機的數(shù)字化

機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的上位機需支持與MMS網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)采集分析裝置的數(shù)字化

在線監(jiān)測現(xiàn)地數(shù)據(jù)采集箱需支持電纜/GOOSE網(wǎng)（依傳感器輸出的數(shù)據(jù)格式而定）的形式采集狀態(tài)監(jiān)測量參數(shù)，支持從MMS網(wǎng)采集工況參數(shù)和過程量參數(shù)；數(shù)據(jù)采集箱對數(shù)據(jù)進行初步的分析和處理后，需支持MMS網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)。

（3）傳感器的數(shù)字化

如圖2所示，機組在線監(jiān)測系統(tǒng)所需采集的參數(shù)包括以下3類：機組的振動、擺度、軸向位移、壓力脈動、空氣間隙、磁通密度、局部放電、定子線棒端部振動等反映發(fā)電機組狀態(tài)的狀態(tài)監(jiān)測量；軸瓦溫度、油溫、油位、冷卻水溫度、定子鐵心溫度等變化相對較慢的過程量參數(shù)；機組轉(zhuǎn)速、有功及無功功率、勵磁電流及電壓、定子電流及電壓、導(dǎo)葉開度、槳葉轉(zhuǎn)角、水頭、機組流量、GCB位置等表征水輪發(fā)電機組各種運行工況特征的工況參數(shù)[4]。

圖2 在線監(jiān)測系統(tǒng)采集參數(shù)分類

狀態(tài)監(jiān)測量參數(shù)詳見圖3，狀態(tài)監(jiān)測量都配置有專用的傳感器，各種傳感器輸出的數(shù)據(jù)格式見表1。

圖3 機組狀態(tài)監(jiān)測量參數(shù)基本配置

表1 在線監(jiān)測傳感器輸出數(shù)據(jù)形式

壓力脈動傳感器、氣隙傳感器、磁通量傳感器以及局部放電檢測裝置輸出的參數(shù)格式較為常規(guī)，為4～20 mA模擬量或串口通信方式傳輸，振動傳感器、擺度傳感器及鍵相傳感器輸出為非常規(guī)的電壓型模擬量。水電站數(shù)字化的過程中，在線監(jiān)測系統(tǒng)過程層的數(shù)字化有兩種方案，①傳感器數(shù)字化，即從傳感器直接送出GOOSE數(shù)據(jù)包，②就近配置智能采集單元，通過電纜采集傳感器的數(shù)據(jù)并打包上傳。傳感器直接數(shù)字化涉及到的廠家較多且受到技術(shù)發(fā)展的限制，現(xiàn)階段較難實現(xiàn)，建議現(xiàn)地配置智能采集單元。

工況參數(shù)需由其他系統(tǒng)提供，當(dāng)前在線監(jiān)測系統(tǒng)通過硬接線從自動化元件、CT、PT、勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機出口斷路器等設(shè)備采集。因在線監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的時效性要求不高，而上述各參數(shù)均存在于MMS網(wǎng)上，直接從MMS網(wǎng)采集即可。

過程量參數(shù)在當(dāng)前在線監(jiān)測系統(tǒng)中通過通信的方式從監(jiān)控系統(tǒng)采集，在數(shù)字化水電站中，軸瓦溫度、油溫、油位、冷卻水溫度、定子鐵心溫度等數(shù)據(jù)進入智能單元后以MMS數(shù)據(jù)包的形式進入交換機，在線監(jiān)測系統(tǒng)可直接從MMS網(wǎng)采集該部分?jǐn)?shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)字化機組在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

結(jié)合各個在線監(jiān)測系統(tǒng)廠家的發(fā)展現(xiàn)狀以及數(shù)字化水電站的需求，提出以下方案，見圖4。

圖4 在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)字化方案結(jié)構(gòu)圖

該方案中數(shù)據(jù)采集箱要求模塊化、微型化，采用分布式布置，盡可能靠近傳感器，在線監(jiān)測系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)。

過程層包含現(xiàn)地傳感器，受傳感器現(xiàn)階段的技術(shù)制約，決定了傳感器和數(shù)據(jù)采集箱之間采用電纜連接。

數(shù)據(jù)采集箱需支持MMS網(wǎng)上采集工況參數(shù)及過程量參數(shù)。圖中的數(shù)據(jù)采集箱個數(shù)需依據(jù)電站實際情況確定，通過劃分區(qū)域就近布置數(shù)據(jù)采集箱，依據(jù)DL/T 1197-2012的要求，數(shù)據(jù)采集單元根據(jù)每臺機組監(jiān)測的參數(shù)數(shù)量和信號類別來確定，振動、擺度、壓力脈動等穩(wěn)定性參數(shù)共用1套數(shù)據(jù)采集單元，空氣間隙、磁場強度和局部放電等發(fā)電機參數(shù)共用1套數(shù)據(jù)采集單元。

站控層上位機需支持MMS網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)。

在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)字化之后，數(shù)據(jù)采集箱的分布式布置將各個機組狀態(tài)量參數(shù)現(xiàn)地數(shù)字化，僅保留很少的硬接線，數(shù)據(jù)采集箱通過光纜與站控層上位機通信，充分發(fā)揮了光纖優(yōu)良的抗干擾性能?，F(xiàn)階段大多數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)廠家已有數(shù)據(jù)采集箱的成型產(chǎn)品，僅需針對IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)進行二次開發(fā)，研發(fā)成本低、周期短；該方案的數(shù)字化程度較高。

3 結(jié)束語

通過對水電站中機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能和IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求的比較分析，可以看出：目前，機組在線監(jiān)測系統(tǒng)雖然暫不具備滿足IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)中2網(wǎng)（站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)）的通信能力，但各主流廠家均在開發(fā)滿足IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品[5]，且主流廠家大多具有數(shù)字化變電站中輸配電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的實際應(yīng)用經(jīng)驗，數(shù)字化機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的二次開發(fā)難度不大。因此，可以預(yù)測，數(shù)字化水電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用指日可待！