水電站水輪發(fā)電機(jī)組自動化信號采集解決方案探析

馬德輝

(本溪關(guān)門山水庫實業(yè)有限公司，遼寧 本溪 117100)

0 引 言

目前，電網(wǎng)的智能化即智能電網(wǎng)已成為現(xiàn)今能源、電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展變革的重要體現(xiàn)，對于智能電網(wǎng)的建設(shè)與研究越來越引起電力部門的高度重視，并將其上升為國家戰(zhàn)略，被列入中國“十三五”發(fā)展規(guī)劃[1]。電網(wǎng)的數(shù)字化屬于智能電網(wǎng)的核心，只有實現(xiàn)高度數(shù)字化的控制、傳遞、采集等電網(wǎng)各環(huán)節(jié)信息處理，才能實現(xiàn)電網(wǎng)的智能化及其各項高級應(yīng)用。電網(wǎng)數(shù)字化涉及電網(wǎng)的用電、配電、輸電、發(fā)電等環(huán)節(jié)，而發(fā)電環(huán)節(jié)中水電站發(fā)揮著關(guān)鍵作用，所以有必要實現(xiàn)水電站的數(shù)字化。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布，使得變電站數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用日趨成熟，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于中國各個地區(qū)，國內(nèi)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)以數(shù)字化變電站為基礎(chǔ)，開始深入探究數(shù)字化水電站的有關(guān)內(nèi)容，而水電站現(xiàn)地設(shè)備與變電站相比擁有大量的自動化元件，對實現(xiàn)數(shù)字化傳輸存在較大的難度[2-5]。因此，實現(xiàn)數(shù)字化傳輸與共享自動化元件信號，對水電站數(shù)字化建設(shè)及實現(xiàn)智能電網(wǎng)的意義非常重大。

1 水電站自動化信號采集方式

1.1 自動化元件的功能

自動化元件擔(dān)負(fù)著執(zhí)行相關(guān)自動操作、發(fā)送報警信號、監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)等任務(wù)，它是自動控制水電站的最基礎(chǔ)元件。水電站中自動化元件的地位，正隨著自動控制要求的提升越來越重要，自動化元件的可靠性與質(zhì)量關(guān)系著整個電站各種功能的發(fā)揮和綜合自動化水平，在很大程度上決定著水電站的安全運(yùn)行[6]。

一般地，要考慮水電站自動化程度、全廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、結(jié)構(gòu)型式、機(jī)組容量等要求合理配置自動化元件。按照不同的功能作用，可以將自動化元件劃分為執(zhí)行、采集兩類元件，其中執(zhí)行相關(guān)動作接受遠(yuǎn)程命令信號的現(xiàn)地元件稱為自動化執(zhí)行元件，水電站常用的執(zhí)行元件有潤滑水電磁閥、剎車投退電磁閥及檢修圍帶控制電磁閥等；而采集非電量信息，如物位、轉(zhuǎn)速、流量、壓力、溫度、液位等供各系統(tǒng)設(shè)備越限報警使用、狀態(tài)監(jiān)測或反饋控制的現(xiàn)地傳感器元件稱為自動化采集元件，水電站常用的采集元件有PT100測溫電阻、位置傳感器、壓力變送器、差壓變送器、油混水報警器、液位變送器、測速探頭、主令開關(guān)、行程開關(guān)、流量開關(guān)、溫度計、液位計等。

1.2 信號采集方式與缺點(diǎn)

目前，水電站主變壓器部分和水輪發(fā)電機(jī)組部分多集中分布有自動化元件，其布置分散、類型多樣且數(shù)量眾多，一般在現(xiàn)地多個或單個端子箱內(nèi)的轉(zhuǎn)接端子上先集中引接自動化元件信號，然后再轉(zhuǎn)送需要信號的系統(tǒng)或監(jiān)控系統(tǒng)，并全部采用電纜完成自動化元件信號的轉(zhuǎn)出與接入，圖1反映了信號采集方式。

圖1 現(xiàn)狀自動化元件信號采集

目前實行的自動化元件采集傳輸方式有利于查線和管理，結(jié)構(gòu)形式簡單且端子箱內(nèi)無需供電，實際工作中仍存在一些不足：①為滿足多系統(tǒng)使用要求許多測點(diǎn)需要重復(fù)配置，自動化元件信號無法共享且元件數(shù)量增多；②自動化元件布置分散、數(shù)量眾多且電纜橋架負(fù)擔(dān)重，尤其是機(jī)組部分現(xiàn)地轉(zhuǎn)接端子箱電纜進(jìn)出過多；③自動化元件對電纜類型、芯數(shù)、截面等要求不同，由此增大施工難度；④采用電纜傳輸模擬量信號和DC 24V點(diǎn)源，信號易受干擾且輸送距離較長。

2 數(shù)字化水電站自動化信號采集解決方案

2.1 基本要求

數(shù)字化水電站采用了過程層網(wǎng)絡(luò)(SV網(wǎng)、GOOSE網(wǎng))、站控層網(wǎng)絡(luò)(MMS)2網(wǎng)和過程層、單元層、站控層3層的結(jié)構(gòu)，其建設(shè)基礎(chǔ)為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字化水電站均通過網(wǎng)絡(luò)傳輸實現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)共享、傳輸、采集等，將信號利用光纜直接發(fā)布至過程層的GOOSE網(wǎng)以供電站單元層各系統(tǒng)使用，對此網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要實現(xiàn)自動化元件信號的傳輸。然而，現(xiàn)有的自動化元件絕大多數(shù)仍無法直接將信號發(fā)布至GOOSE網(wǎng)，不支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 主變壓器信號采集方式

水電站與變電站具有非常相似的主變壓器，數(shù)字化水電站參考數(shù)字化變電站實施方案，也可以對主變壓器區(qū)域的自動化元件信號利用主變本體智能終端來采集，為實現(xiàn)各系統(tǒng)共享可將其發(fā)布至GOOSE網(wǎng)。

2.3 水輪發(fā)電機(jī)組信號采集方式

水輪發(fā)電機(jī)組的自動化元件相對于主變壓器部分，其安裝環(huán)境更差、類型更復(fù)雜且數(shù)量更多，也需要更多的對側(cè)系統(tǒng)信號[8]。因此，為滿足信號采集需求無法僅靠單臺智能終端實現(xiàn)，若利用多臺智能終端又要引入過多的設(shè)備，在滿足采集需求的同時增大了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了系統(tǒng)的可靠性與運(yùn)行效率。目前，可編程控制器(PLC)作為控制領(lǐng)域的核心設(shè)備現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水電站現(xiàn)地控制中，并且應(yīng)用技術(shù)日趨成熟，隨著數(shù)字化水電站概念的提出以及數(shù)字化變電站的不斷發(fā)展，支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的PLC產(chǎn)品現(xiàn)已被國內(nèi)外許多廠家推廣應(yīng)用，并證明了可靠性[7]。

根據(jù)水電站現(xiàn)地控制單元(LCU)模式和數(shù)字化變電站智能終端，對現(xiàn)地數(shù)字化采集單元設(shè)置支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的PLC，并將模擬量、開關(guān)量信號利用電纜接受自動化元件編譯成IEC61850 GOOSE報文，并利用光纖直接發(fā)布至GOOSE網(wǎng)，圖2反映了數(shù)字化水電機(jī)組信號采集方式。

圖2 數(shù)字化水電站元件信號采集方式

將支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)GOOSE網(wǎng)的PLC設(shè)置于數(shù)字化采集單元內(nèi)，按需配置開關(guān)量、RTC溫度量、模擬量、開關(guān)量輸入模塊和點(diǎn)源模塊等。為確保數(shù)據(jù)的可靠性，可以對點(diǎn)源模塊及采集單元的PLC實行冗余設(shè)置，由此實現(xiàn)GOOSE雙網(wǎng)接受采集的信息。根據(jù)電站需要可以把數(shù)字化采集單元分區(qū)域、分層設(shè)置，在現(xiàn)地機(jī)組自動化元件集中區(qū)域?qū)⑵渑c現(xiàn)地轉(zhuǎn)接箱合并布置，由此實現(xiàn)對上接入IEC61850 GOOSE網(wǎng)，對下現(xiàn)地控制和采集自動化元件的信息，實現(xiàn)與調(diào)速器、監(jiān)控系統(tǒng)的通信。

3 結(jié) 語

數(shù)字化采集單元具有明顯的優(yōu)勢，能夠滿足數(shù)字化水電站采集和控制自動化元件信號的需求，具體如下：①對于單個自動化元件信號數(shù)字化采集單元可以將其發(fā)布至多系統(tǒng)共享的GOOSE網(wǎng)，從而有效解決重復(fù)配置元件的問題；②可就近供自動化元件使用的數(shù)字化采集單元內(nèi)的DC 24V點(diǎn)源模塊，有效解決了電路易受干擾及低電壓點(diǎn)源供電線路過長的問題；③油溫、瓦溫后，數(shù)字化采集單元采集機(jī)組可對運(yùn)行溫度利用內(nèi)部PLC實現(xiàn)邏輯判斷，由此實現(xiàn)事故停機(jī)信號發(fā)布及機(jī)組溫度報警，把信號自動傳送至GOOSE網(wǎng)；④布置在現(xiàn)地的數(shù)字化采集單元與自動化元件連接電路較短，其經(jīng)濟(jì)性較好且受干擾概率較低。

將自動化元件利用采集單元實現(xiàn)數(shù)字化的方式存在較高的可行性、可靠性，該模式原理簡單。采用模塊化結(jié)構(gòu)的數(shù)字化采集單元有利于擴(kuò)展，可以按照實際接入的信號數(shù)量、類型靈活的配置輸入與輸出模塊，并且不限制輸入與輸出回路。數(shù)字化后的自動化元件，有利于降低施工難度、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減少二次電纜施用量以及提高水電站自動化水平。