數(shù)字化水電站智能型調(diào)速器功能設(shè)想

戴 驅(qū)，刀亞娟，吳 威

（華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明650214）

0 引言

水輪機(jī)是在調(diào)速器系統(tǒng)的控制下運(yùn)行的，調(diào)速器是水電廠重要控制設(shè)備，承擔(dān)著機(jī)組的啟動、停止、工況轉(zhuǎn)換、負(fù)荷調(diào)整等重要任務(wù)，其性能指標(biāo)直接影響水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，關(guān)系到機(jī)組安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，甚至可能影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定。目前國內(nèi)的水電站，其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)均是嚴(yán)格按照國家相關(guān)設(shè)計導(dǎo)則來制定的。調(diào)速器系統(tǒng)也一樣，均由業(yè)內(nèi)所熟知的機(jī)械部分和電氣部分組成，兩部分設(shè)備分工協(xié)作又緊密配合，共同完成相關(guān)調(diào)節(jié)任務(wù)，從技術(shù)版本的角度來講仍屬于常規(guī)設(shè)計。但近年來在國家推動工業(yè)4.0和“互聯(lián)網(wǎng)+”等概念的大背景下，電力行業(yè)發(fā)展迅速，水電站也逐漸朝著數(shù)字化、智能化、智慧型等方向前進(jìn)，水電站設(shè)備在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信接口、GPS對時、信息冗余、故障錄波、事件登錄、狀態(tài)監(jiān)測、仿真與測試接口等方面均提出了一些新的要求，顯然當(dāng)前的調(diào)速器系統(tǒng)不能滿足越來越高的技術(shù)要求。

從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)看，信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡(luò)化、集成標(biāo)準(zhǔn)化、業(yè)務(wù)互動化、運(yùn)行最優(yōu)化、決策智能化為特征的數(shù)字化水電廠，要求具有高速可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、冗余可靠的設(shè)計、高級的控制策略以及方便靈活的調(diào)試手段，調(diào)速器系統(tǒng)迫切需要往智能化方向發(fā)展，來實(shí)現(xiàn)電站機(jī)組控制的智能化、信息化及安全可靠運(yùn)行。當(dāng)前相關(guān)研究單位和設(shè)備制造方也意識到了技術(shù)進(jìn)步的需求和方向，正在投入大量的資金、人力物力等進(jìn)行開發(fā)，大家對這方面情況的認(rèn)識也保持了高度一致，相信不久后相關(guān)智能調(diào)速器產(chǎn)品就可制造出來并加以應(yīng)用。

1 常規(guī)調(diào)速器現(xiàn)狀

目前水電站一般采用微機(jī)調(diào)速器匹配機(jī)械液壓元件等設(shè)備來組成調(diào)速器系統(tǒng)，具備如下功能：導(dǎo)葉開度控制、頻率（轉(zhuǎn)速）控制、功率控制，一次調(diào)頻功能，機(jī)組開停機(jī)控制等，以及必要的開度（功率）限制、過速保護(hù)等功能。調(diào)節(jié)器本身一般會帶有串行通信接口，可與監(jiān)控系統(tǒng)LCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，但受通信接口和相關(guān)協(xié)議的制約，數(shù)據(jù)通信的量和速率均不太理想，由于不具備以太網(wǎng)接口，不能適應(yīng)數(shù)字化及智能化的要求，與外系統(tǒng)的通信功能一般仍以硬接線為主，串行接口通信往往作為備用或比對數(shù)據(jù)使用。機(jī)械柜一般只布置純機(jī)械和液壓元件，不能實(shí)現(xiàn)液壓元件的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷等高級功能。

2 智能型調(diào)速器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

從當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢分析，今后的智能調(diào)速系統(tǒng)必須具備強(qiáng)大的通信功能，基本不需要硬接線來傳輸數(shù)據(jù)和指令，滿足IEC61850等多種現(xiàn)場通信總線及規(guī)約，實(shí)現(xiàn)與智能電站現(xiàn)場通信總線、監(jiān)控系統(tǒng)的快速實(shí)時信息交換和協(xié)調(diào)控制，信息傳輸?shù)目偭亢退俾示蟠筇嵘?，對相關(guān)設(shè)備問題動作反應(yīng)靈敏程度也要有量級的提升，保證水輪機(jī)設(shè)備更加安全可靠地運(yùn)行。

智能調(diào)速器系統(tǒng)按照3層控制結(jié)構(gòu)設(shè)計，即設(shè)置廠站層、單元層、過程層，包含兩層網(wǎng)絡(luò)，廠站層與單元層之間采用MMS以太網(wǎng)，單元層與過程層之間采用GOOSE、SV網(wǎng)，總體遵循IEC61850通信協(xié)議。廠站層監(jiān)控系統(tǒng)通過61850規(guī)約可以下發(fā)功率設(shè)定值、水頭、時鐘等信息，屬于指令的發(fā)出方和反饋的接收方，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的功率閉環(huán)控制、時鐘校準(zhǔn)等；單元層調(diào)速器控制系統(tǒng)采用雙網(wǎng)雙機(jī)交叉冗余控制，調(diào)速器通過61850規(guī)約可以上送轉(zhuǎn)速、開度、機(jī)組有功、故障量、狀態(tài)量等，在MMS網(wǎng)上可以實(shí)現(xiàn)共享，調(diào)速器單元還配置以太網(wǎng)和模擬量接口，方便后續(xù)試驗(yàn)設(shè)備、仿真系統(tǒng)的接入；過程層裝配有模擬量信號合并單元，實(shí)現(xiàn)頻率、開度、油壓裝置油位、壓力、溫度、功率等信號從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并通過SV網(wǎng)上送至單元層（圖1）。

圖1 智能型調(diào)速器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

在具體設(shè)備結(jié)構(gòu)上，電氣部分，采用合并單元采集互感器信號并轉(zhuǎn)化為SV網(wǎng)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過新型測速模塊采集計算后送到GOOSE網(wǎng)上，相關(guān)開關(guān)位置信號及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)由智能終端轉(zhuǎn)換后送到GOOSE網(wǎng)，主控制器在網(wǎng)上直接讀取數(shù)據(jù)，系統(tǒng)與監(jiān)控上位機(jī)經(jīng)過MMS網(wǎng)完成數(shù)據(jù)交互。機(jī)械方面，主要實(shí)現(xiàn)電液轉(zhuǎn)換器的電氣閉環(huán)控制，手自動切換電磁閥、增減電磁閥、緊急停機(jī)電磁閥的控制等。機(jī)械柜主要依靠布置在柜內(nèi)的智能終端實(shí)現(xiàn)將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化并接入GOOSE網(wǎng)，因機(jī)械柜基本只與調(diào)速器電氣柜進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可將機(jī)械柜上的智能終端通過光纜與電氣柜的主控制器相連，接收主控制器下發(fā)的控制指令，智能終端與機(jī)械柜內(nèi)元器件的連接則采用硬接線。

全廠GPS對時系統(tǒng)向廠站層上位機(jī)提供時鐘源，可將上位計算機(jī)作為對時服務(wù)器，單元層調(diào)速器設(shè)備可自動與上位機(jī)對時，GPS時鐘系統(tǒng)也可主動向下層各設(shè)備下達(dá)時鐘信號以校準(zhǔn)時間。

3 智能化功能設(shè)想

智能型調(diào)速器除了在數(shù)據(jù)采集、傳輸及相關(guān)指令操作執(zhí)行層面較傳統(tǒng)調(diào)速器有很大進(jìn)步外，其內(nèi)置的一些功能性應(yīng)用也需要匹配其智能程度來設(shè)置，并支撐調(diào)速器作為電站智能化的重要設(shè)備組成。

（1）在基本的調(diào)節(jié)與控制功能上，由于具備了強(qiáng)大的通信、運(yùn)算處理能力和快速傳遞能力，相應(yīng)的機(jī)組啟停、工況轉(zhuǎn)換可以更高效和準(zhǔn)確地完成，自主能力大大增強(qiáng)，很少需要外部干預(yù)，比如基本的開停機(jī)過程，調(diào)速器在接到開機(jī)令后即時利用從各采集元件處得來的參數(shù)分析設(shè)備狀態(tài)，精確運(yùn)算得出需要采取的動作值，并發(fā)出相應(yīng)指令至執(zhí)行元件，在各執(zhí)行元件逐一動作過程中實(shí)時跟蹤分析下一步動作要求并能隨時調(diào)整，整個開機(jī)過程都處于動態(tài)調(diào)節(jié)，保證每一步動作均是在前面已完成動作的基礎(chǔ)上采取的最優(yōu)方案，大大提升設(shè)備執(zhí)行效率和開機(jī)可靠度。在機(jī)組運(yùn)行中，對相關(guān)設(shè)備上偶爾出現(xiàn)的異常情況也能迅速做出準(zhǔn)確判斷和正確的行為反應(yīng)，不會出現(xiàn)調(diào)節(jié)不當(dāng)或錯誤反應(yīng)，比如運(yùn)行中突然跳閘了，調(diào)速器應(yīng)根據(jù)所帶負(fù)荷、導(dǎo)葉開度、水頭流量壓力等多方面數(shù)據(jù)運(yùn)算得出如何調(diào)整導(dǎo)葉來使設(shè)備各方面受到的沖擊最小，而不是簡單地按照參數(shù)所設(shè)定的分段值來操作。

（2）系統(tǒng)具有良好的自我狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)，配置多種智能傳感元件，像神經(jīng)末梢一樣遍布系統(tǒng)設(shè)備各處，實(shí)時監(jiān)測設(shè)備物理狀態(tài)及電氣狀態(tài)并上傳數(shù)據(jù)，在后臺配置有強(qiáng)大的分析處理軟件，對接收到的數(shù)據(jù)開展多層次多維度的不間斷分析，實(shí)現(xiàn)對調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)測、診斷、評估并自動產(chǎn)生處理指令促使設(shè)備采取處理措施，類似于自主管理自身設(shè)備，也便于運(yùn)維人員檢查維護(hù)及故障處理等，比如在機(jī)組增加負(fù)荷的調(diào)節(jié)過程中，調(diào)速器可分析液壓系統(tǒng)油壓儲能是否能滿足機(jī)組調(diào)到相應(yīng)負(fù)荷，若不夠可在調(diào)節(jié)時就啟動油泵打壓或是備用泵也啟動來滿足機(jī)組調(diào)節(jié)過程，若液壓系統(tǒng)不能達(dá)到所預(yù)設(shè)的要求，調(diào)速器可提前發(fā)出提示告知運(yùn)行人員，而不是等到出了結(jié)果再來告警。

（3）集成仿真功能，可內(nèi)置多套不同參數(shù)，不同工作狀態(tài)需求下盡快切換至不同參數(shù)執(zhí)行，可高效完成調(diào)速器靜特性、空轉(zhuǎn)、負(fù)載、甩負(fù)荷等試驗(yàn)，并支持試驗(yàn)簡報、波形圖等的自動導(dǎo)出。對于庫水位變幅大的電站，調(diào)速器可自動根據(jù)水位變化來匹配不同的參數(shù)，如水頭流量和最大開限等，甚至可以實(shí)現(xiàn)隨水頭變化無級調(diào)節(jié)，保證任何水頭下參數(shù)設(shè)定都是最優(yōu)的，使機(jī)組對能量的轉(zhuǎn)換保持在高效區(qū)，大大提升經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

對外圍系統(tǒng)或設(shè)備，智能型調(diào)速器應(yīng)顯示出友好互動的能力及優(yōu)秀的匹配適應(yīng)和兼容性，便于協(xié)同周邊系統(tǒng)更好地完成相關(guān)運(yùn)行操作和工況轉(zhuǎn)換，智能型調(diào)速器不但能使本系統(tǒng)所有設(shè)備均處于良好運(yùn)行狀態(tài)，對自身出現(xiàn)的異常和問題可以及時有效處理，還能兼顧到外圍的勵磁、保護(hù)、監(jiān)控等設(shè)備，使自身的動作能很好地配合外圍系統(tǒng)的運(yùn)行，在其他系統(tǒng)或設(shè)備出現(xiàn)問題時，也能及時發(fā)現(xiàn)并主動調(diào)整自身的運(yùn)行策略，最大限度地保護(hù)機(jī)組和設(shè)備的安全。

4 結(jié)語

目前，水電站智能型調(diào)速器系統(tǒng)技術(shù)正在逐步研究和完善，相信很快就會有工程實(shí)例出現(xiàn)。同時，智能化技術(shù)應(yīng)該說只有開始沒有結(jié)束，是永無止境的，今后隨著運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的不斷積累、研究的逐漸深入和設(shè)備制造水平的不斷提升，調(diào)速器設(shè)備的智能化程度將越來越高，伴隨而來的是水電站的智能化程度也將不斷進(jìn)步，對設(shè)備技術(shù)水平和人員技能水平等都將提出更高要求。