公伯峽電站智能化勵(lì)磁系統(tǒng)研究應(yīng)用

李軍邦，劉文堯，劉強(qiáng)文，孔德豪，鄭 筱，林偉成

（青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810008）

0 引言

公伯峽水電站位于青海省循化撒拉族自治縣和化隆回族自治縣交界處的黃河干流上，電站裝機(jī)容量1 500 MW，是國家西電東送北部重要通道，也是中國水電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到1 億kW·h 的重要里程碑。目前該電站勵(lì)磁系統(tǒng)采用的是廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司的EXC9000 靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，是廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司首款數(shù)字化的勵(lì)磁系統(tǒng)，至今已穩(wěn)定運(yùn)行十?dāng)?shù)年。隨著改造周期到來以及電力行業(yè)對勵(lì)磁系統(tǒng)智能化、智慧化的需求，公伯峽水電站決定對勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行智能化升級(jí)。

1 公伯峽水電站智能化方案

針對行業(yè)智能化勵(lì)磁進(jìn)行調(diào)研后，公伯峽水電站對智慧化勵(lì)磁提出了一種勵(lì)磁系統(tǒng)全生命周期管理的智慧化方案，實(shí)現(xiàn)可視化的勵(lì)磁運(yùn)行過程，能夠提前預(yù)判勵(lì)磁系統(tǒng)的安全隱患，評(píng)估勵(lì)磁元件的老化程度，并能在發(fā)生勵(lì)磁故障后及時(shí)確定故障位置，給出解決方案。因此，該方案要求勵(lì)磁系統(tǒng)在傳統(tǒng)數(shù)字化勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，額外收集大量的測量數(shù)據(jù)，并能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，上送至數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。

2 公伯峽水電站智能化勵(lì)磁設(shè)備的研制

數(shù)字化、智能化，需針對常規(guī)勵(lì)磁系統(tǒng)中勵(lì)磁各組成部分的各種電量、非電量數(shù)據(jù)進(jìn)行更為全面的采集，因此需通過對相關(guān)控制器件升級(jí)并增加相應(yīng)的測量元件來達(dá)到數(shù)據(jù)測量的全面覆蓋[1]。

2.1 勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)柜的智能化

勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)柜作為勵(lì)磁系統(tǒng)的大腦，其核心控制單元采用高性能PowerPC 作為CPU 主處理器，大容量FPGA 芯片為協(xié)處理器，組成多CPU 的高速實(shí)時(shí)采樣和處理系統(tǒng)，采用了主頻為800 MHz 的32位高性能處理器，帶雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算器，用于完成復(fù)雜邏輯控制、復(fù)雜運(yùn)算和通信。同時(shí)其要實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)據(jù)采集功能，對勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行過程的調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)、功率柜數(shù)據(jù)、滅磁柜數(shù)據(jù)進(jìn)行收集以及標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用國家智能電網(wǎng)的核心通信協(xié)議IEC61850 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。調(diào)節(jié)柜人機(jī)界面使用工業(yè)電腦，采用Linux 嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互開發(fā)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、操作并將示波器波形顯示功能及波形分析功能集成至勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工控機(jī)中，支持RJ45 接口、USB、串口等多種接口，可接入多個(gè)監(jiān)測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了開環(huán)、零起升壓、短路升流等多個(gè)實(shí)驗(yàn)的一鍵式操作。同時(shí)公伯峽勵(lì)磁系統(tǒng)裝設(shè)了勵(lì)磁系統(tǒng)智能化單元，該單元是一種為了適應(yīng)多元化的智能采集設(shè)備，利用高速CPU、大容量內(nèi)存與其豐富的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析工作，并為外部數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)提供對應(yīng)的接口，從而為實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)智能化做好數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的設(shè)備[2]。

2.2 勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜的智能化

勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜主要構(gòu)成為功率元件、散熱元件以及相應(yīng)的部分控制元件，要實(shí)現(xiàn)功率柜的智能化，除對單只可控硅電流和整流橋總輸出電流、脈沖狀態(tài)、快熔狀態(tài)、風(fēng)機(jī)開停狀態(tài)、風(fēng)壓接點(diǎn)檢測、交直流側(cè)刀閘位置狀態(tài)、本功率柜投退狀態(tài)等常規(guī)信息實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采集外，還通過風(fēng)速儀、紅外測溫裝置進(jìn)行可控硅溫度、可控硅散熱器溫度、阻容保護(hù)電阻溫度、風(fēng)機(jī)風(fēng)速、柜內(nèi)溫度、環(huán)境溫度、交直流側(cè)刀閘每相溫度、各電源開關(guān)位置及開關(guān)電氣量等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采集。這些數(shù)據(jù)將用于功率柜風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率的狀態(tài)分析以及勵(lì)磁系統(tǒng)可控硅老化分析。

圖1 功率柜分布圖

智能化的功率柜實(shí)現(xiàn)了工況檢測智能化、工況顯示智能化、信息傳輸智能化、控制智能化、智能退柜、動(dòng)態(tài)均流等功能。智能化方案為功率柜提供了全方位監(jiān)測，大大簡化了功率柜的操作回路，功率柜的任一種故障信號(hào)、任一個(gè)狀態(tài)信號(hào)均可通過總線方式輸出[3]。采用動(dòng)態(tài)均流技術(shù)可以確?，F(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行功率柜均流系數(shù)97%以上。

2.3 勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁柜的智能化

滅磁柜采用液晶顯示屏替代了傳統(tǒng)的表計(jì)及指示燈，通過液晶屏實(shí)現(xiàn)了對滅磁開關(guān)操作、采樣校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置等功能的操作，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸也實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，還可采集正常運(yùn)行時(shí)滅磁開關(guān)主觸頭、匯流排溫度值以及滅磁電阻及其支路的實(shí)時(shí)電流值，實(shí)時(shí)監(jiān)測和診斷滅磁電阻特性。自動(dòng)錄波并存儲(chǔ)滅磁開關(guān)跳閘前后的轉(zhuǎn)子電壓值、轉(zhuǎn)子電流值、滅磁電壓值、滅磁電流值和滅磁時(shí)間，計(jì)算滅磁總能量以及轉(zhuǎn)子溫度。

3 IEC61850 通信協(xié)議的應(yīng)用

IEC61850 是國際電工委員會(huì)(IEC)TC57 工作組制定的《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)，是基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一的國際標(biāo)準(zhǔn)。在第二版的標(biāo)準(zhǔn)中增加了水電站自動(dòng)化監(jiān)控通信標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850-7-410；水電站邏輯節(jié)點(diǎn)建模導(dǎo)引IEC 61850-7-510 等標(biāo)準(zhǔn)。

在公伯峽水電廠的勵(lì)磁系統(tǒng)中引入了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，解決了不同設(shè)備之間的互操作性、信息共享等問題，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性并解決了二次電纜鋪設(shè)過多導(dǎo)致的安全隱患。通過采用IEC 61850 的方式，單臺(tái)勵(lì)磁機(jī)組的通信點(diǎn)數(shù)量將由原來的幾十個(gè)上升到近千個(gè)，為數(shù)據(jù)的全方位傳輸提供個(gè)了協(xié)議基礎(chǔ)及速度保障。

4 勵(lì)磁智慧診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

勵(lì)磁智慧診斷系統(tǒng)又稱綜合信息管理系統(tǒng)，是一款利用Modbus/TCP 或IEC61850 通信協(xié)議對電廠每套勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)指定的開關(guān)量、模擬量進(jìn)行采集記錄，在有需要的情況下可以調(diào)出對應(yīng)時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行返顯，并根據(jù)指定信號(hào)利用專家經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，為生產(chǎn)運(yùn)行提供指導(dǎo)依據(jù)。是一種以發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依靠專家運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及智能化數(shù)據(jù)模型用以提高電廠勵(lì)磁系統(tǒng)智能化水平的系統(tǒng)。

公伯峽水電站采用IEC61850 通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)從勵(lì)磁系統(tǒng)收集到智慧診斷系統(tǒng)。智慧診斷系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)信息作出以下分析：

（1）限制器動(dòng)作可靠性分析：通過對欠勵(lì)限制、過勵(lì)限制、伏赫限制、過無功限制、過定子電流限制器的動(dòng)作前電壓、動(dòng)作后電壓、動(dòng)作后電流、理論反時(shí)限、實(shí)際反時(shí)限及限制器動(dòng)作后果等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測，對各類限制器動(dòng)作正確情況進(jìn)行分析判斷，為勵(lì)磁系統(tǒng)各功能運(yùn)行狀況實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)分析。限制器分析模型采用“通道互證、三方校驗(yàn)”的方法來驗(yàn)證勵(lì)磁系統(tǒng)限制器動(dòng)作的正確性及可靠性。勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)有3 個(gè)調(diào)節(jié)器通道，而勵(lì)磁系統(tǒng)智能化單元能夠通過從每個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器通道獲取運(yùn)行數(shù)據(jù)及參數(shù)定值，并結(jié)合自身或LCU 作為第三方采樣單位所采集到的數(shù)據(jù)，根據(jù)對應(yīng)的欠勵(lì)限制模型、過勵(lì)限制模型、過定子電流限制模型、伏赫限制模型（圖2）、過無功限制模型等進(jìn)行計(jì)算，將得出的結(jié)果進(jìn)行相互比照，并引入對應(yīng)限制器值進(jìn)行動(dòng)作正確性判定。

圖2 V/F 限制可靠性分析流程

（2）運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與分析：利用勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)定值Ugd以及發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓采樣值進(jìn)行變化過程分析，對機(jī)組起勵(lì)過程的起勵(lì)時(shí)間、振蕩次數(shù)、調(diào)節(jié)時(shí)間等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算并將結(jié)果存入趨勢數(shù)據(jù)庫，根據(jù)相關(guān)指標(biāo)的發(fā)展趨勢，對勵(lì)磁機(jī)組的相關(guān)性能做出評(píng)估，與其類似的，也可針逆變工況作出相應(yīng)評(píng)估；同時(shí)將滅磁開關(guān)動(dòng)作信號(hào)作為觸發(fā)點(diǎn)，附加針對勵(lì)磁電壓、電流、發(fā)電機(jī)電壓的變化過程分析，對滅磁開關(guān)動(dòng)作情況作出評(píng)估；利用勵(lì)磁給定Ugd以及發(fā)電機(jī)無功功率Q的變化趨勢，對機(jī)組的無功波動(dòng)情況作出評(píng)估。

（3）勵(lì)磁變壓器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測及評(píng)估：公伯峽電廠分別在勵(lì)磁變壓器高低壓繞組處裝設(shè)了熒光光纖測溫，并使用智能測量儀表對勵(lì)磁副邊的電壓電流進(jìn)行采集，將勵(lì)磁變壓器三相繞組測量溫度、電流、電壓等信息送至智慧診斷系統(tǒng)，實(shí)行在線監(jiān)測，形成監(jiān)測數(shù)據(jù)與負(fù)荷比例曲線，與歷史數(shù)據(jù)及趨勢比較分析，對變壓器進(jìn)行故障預(yù)警。

（4）勵(lì)磁狀態(tài)評(píng)估：公伯峽電廠通過對勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、移相角、功率柜溫度、滅磁電阻漏電流、可控硅溫度，各整流柜橋臂電流、勵(lì)磁系統(tǒng)重要開關(guān)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。實(shí)現(xiàn)以了對可控硅、滅磁電阻等主要元件的性能評(píng)估。以可控硅老化評(píng)估為例：以月、季、年作分析，①進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，將單個(gè)功率柜電流以額定勵(lì)磁電流為基礎(chǔ)進(jìn)行標(biāo)幺化。并將電流每1%進(jìn)行數(shù)據(jù)分段，并以日為單位查詢每天每段數(shù)據(jù)下，6 個(gè)橋臂的電流值。如進(jìn)行月分析，若額定勵(lì)磁電流為1 000 A,則可將電流分為0～15，15～25，25～35……975～985,985～1 000。以日為位，查詢這個(gè)月內(nèi)的功率柜電流在每個(gè)電流段內(nèi)6 個(gè)橋臂的電流值。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，首先判斷每日是否出現(xiàn)功率柜斷流，如快熔熔斷或者脈沖故障，如果有，則當(dāng)日數(shù)據(jù)應(yīng)被剔除。之后計(jì)算每段電流下每個(gè)橋臂電流均流系數(shù)并進(jìn)行尖峰消除，剔除當(dāng)日6 個(gè)橋臂中均流系統(tǒng)偏差大于平均值41.4%的數(shù)據(jù)。最后將處理后數(shù)據(jù)的平均值作為當(dāng)日該段數(shù)據(jù)下該橋臂的均流系數(shù)。②進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。將月、季、年內(nèi)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，并對擬合出的函數(shù)趨勢進(jìn)行判斷，若函數(shù)在一個(gè)月內(nèi)為波動(dòng)情況，即函數(shù)即增又減，將認(rèn)為功況正常。若函數(shù)為單調(diào)增、或單調(diào)減。則認(rèn)為其有老化趨勢。若在月分析中得到單調(diào)趨勢，則應(yīng)對該月以前半年或一年內(nèi)的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行年時(shí)間范圍內(nèi)的趨勢分析，若依然為單調(diào)趨勢，則進(jìn)行老化預(yù)警。若是波動(dòng)，則評(píng)估終點(diǎn)值與起始值的偏離，目前電廠以20%內(nèi)為合理偏移，否則為不合理。

5 結(jié)束語

綜上所述，公伯峽電站所研制的智能化勵(lì)磁系統(tǒng)從硬件結(jié)構(gòu)與軟件系統(tǒng)上都區(qū)別于以往的常規(guī)勵(lì)磁系統(tǒng)，通過硬件設(shè)備對勵(lì)磁運(yùn)行數(shù)據(jù)的大面積覆蓋式的收集，再運(yùn)用軟件系統(tǒng)進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理，形成數(shù)據(jù)分析結(jié)果，供電站運(yùn)維人員使用，同時(shí)根據(jù)勵(lì)磁設(shè)備的運(yùn)行趨勢，對勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能以及主要元器件的全生命周期進(jìn)行評(píng)估、管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，針對性的提出解決方案，達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、提前預(yù)警的效果?？梢姡畭{電站的智能化勵(lì)磁系統(tǒng)方案是一種針對智慧化電廠中勵(lì)磁系統(tǒng)的新的嘗試。