智能水電廠機組現地控制單元結構體系研究

馮 黎 兵(四川水利職業技術學院，成都 611231)

從2009年開始實施的中國智能電網發展戰略涵蓋了發電、輸電、變電、配電、用電和調度等環節[1],但是與智能變電站迅速發展形成鮮明對比的是，我國目前僅在很少部分大中型水電廠進行了智能化改造嘗試，且未充分體現信息化、互動化的技術特征。究其原因，主要是水電廠自動控制需要測控管理的對象眾多，相關科研單位、制造廠家投入的研究資源不多，市場上未提供成熟的解決方案和足夠的智能化設備。水電廠自動控制最基礎、最核心的就是構建機組現地控制單元(以下簡稱機組LCU)，其智能化程度直接制約著水電廠智能化改造程度與進度[2]，也制約著智能電網“源網協調”目標的實現，所以對智能水電廠機組LCU的研究顯得尤為必要。

1 機組LCU的結構

1.1 現 狀

國內科研機構從2010年開始對智能水電廠體系結構進行了探討，通過借鑒智能變電站建設的成功經驗，文獻[3]從設計的角度對體系結構、關鍵技術及制約條件等方面提出了智能化水電站建設思路；文獻[4]從數據建模角度論述了勵磁系統智能化的實現手段；文獻[5]提出了符合IEC61850標準的水輪機調速器智能化方案；文獻[6]基于合并單元、斷路器智能終端及IEC61850規約轉換器的應用，提出了智能水電廠監控系統的2種過渡性結構方案；文獻[7]基于信息采集數字化要求，提出了發電廠電氣二次系統的一體化解決方案；文獻[8]從實現數字化、信息化、網絡化角度對機組現地控制系統結構和設備智能化趨勢進行了探討；文獻[9]在介紹葛洲壩電廠智能化改造方案基礎上，重點分析了機組信息模型的應用情況。

綜合以上研究成果，現階段機組LCU的結構方案可以概括為圖1所示。

圖1 機組LCU結構現狀Fig.1 The present situation of LCU

由圖1可見，在機組LCU范疇內微機保護、自動勵磁、自動調速等功能已響應IEC61850要求，基本具備信息采集數字化、信息傳輸網絡化的特征，為水電廠智能化奠定了堅實的基礎。這種過渡性質的結構方案應該說是一種最經濟的智能化改造模式，其優點是：僅增加少量裝置或僅對部分設備進行升級即可滿足站控層MMS網絡的“四遙”應用需求。但從智能水電廠的技術要求看，其缺點有5個：一是現地控制層測控功能的實現仍然需要依賴傳統的硬布線方式，信號傳輸過程中易受耦合干擾，系統可靠性不足；二是部分數據重復采集，信息共享性差；三是微機保護采用“網采網跳”方案，已有工程實踐證實其可靠性不足；四是現地測控功能高度依賴可編程控制器(以下簡稱PLC)實現，建模復雜且單個裝置故障影響范圍大，系統的分布性不足；五是當機組臺數較多時，現地層設備數量將急劇增加，對站控層網絡資源需求極大，MMS報文交換速度也受影響。

1.2 改進措施

針對上述缺點，為充分響應智能電網“一次設備智能化、二次設備網絡化”要求，機組LCU微機監控網絡結構應做如下優化，如圖2所示。

圖2 智能化機組LCU結構Fig.2 The LCU structure of the intelligent hydropower station

圖2中，過程層網絡、現地層網絡均按間隔配置。過程層設備主要由測量合并單元、開關智能終端、機組智能終端及可能發展出來的智能傳感器、智能執行元件等組成，過程層網絡采用100 M光纖以太網數字交換系統、GOOSE/SMV 2網合并的解決方案。現地層設備主要由微機保護、機組順控、自動調速、自動勵磁、輔機自控及在線監測等裝置構成，各裝置均按照IEC61850標準建立數據模型和通信服務，相對獨立地實現各自的保護測控功能。各裝置與站控層數據平臺之間、裝置與裝置之間采用1 000 M高速以太網、MMS協議進行數據交換，網絡介質采用增強型超5類屏蔽雙絞線或光纖[10]。

1.3 主要優點

圖2所示結構方案主要優點有3個：一是數據交換完全通過網絡實現數字化傳輸，在極大減少控制電纜使用量的同時，能有效地解決信號傳輸過程中耦合干擾問題，信息共享性好，系統可靠性高；二是微機保護裝置采用“直采直跳”方式，建設成本雖有所增加，但對于提升保護裝置的可靠性意義重大。其他現地層設備與過程層設備之間因無3 ms跳閘的要求，采用“網采網跳”方式[11]，節約投資；三是機組LCU的測控功能分別由在線監測裝置和機組順控裝置實現，在優化順控裝置結構和建模的同時，可提高系統功能的分散性。在線監測裝置還同時兼具前置機(或機組信息子站)功能，當站控層網絡通信中斷時，具備歷史數據庫功能，確保數據不丟失。在機組臺數較多情況下，還可降低對站控層網絡資源的需求。

2 關鍵技術

2.1 機組智能終端

水輪發電機組自動化測控需要采集機組本體部分位置信號、狀態信號，如：冷卻水中斷、軸承油位越限等，這些信號已由相應的機組自動化元件以開關量形式輸出至機組本體端子箱。通過設置機組智能終端，可與現地層設備經過程層網絡進行雙向數據交換，實現機組本體各類開關量信息的就地采集與發送，解析機組順控裝置下發的控制命令，執行剎車制動、冷卻水投切等操作任務，滿足機組自動控制需要。

機組智能終端應下放布置于機組本體端子柜內，與轉速測控裝置、溫控測控裝置、剪斷銷信號器及剎車制動裝置等集中組屏為機組本體匯控柜，解決信號長距離傳輸所帶來的靜電耦合干擾和電磁耦合干擾問題。

具體實現上可借鑒高壓斷路器智能終端的成功經驗，采用FPGA+ARM的硬件結構[12]，通過開入模塊采集水力機械保護與控制所需的轉速、溫度、壓力、流量等狀態信號，依據IEC61850標準建立數據模型、數據集及通信服務，以GOOSE報文形式分別上送機組順控裝置和在線監測裝置解析處理。對機組順控裝置下發的GOOSE控制報文，由機組智能終端解析后交付開出模塊執行，通過驅動繼電器完成冷卻水投切、剎車制動裝置投切等操作任務。以某立式混流機組為例，該裝置開入開出信息不完全統計如表1所示。

為監視水輪發電機組相關部位運行狀態，機組本體還安裝有數量較多的壓力、液位、轉速等傳感器。由于常規傳感器輸出的信號為4～20 mA模擬量，且這些數據一般不參與自動控制功能的實現，因此在無智能傳感器情況下，機組智能終端還需配置模入模塊采集本體各類模擬量數據，并按照IEC61850標準建立數據模型、數據集和通信服務，以MMS協議發送至在線監測裝置解析處理。機組智能終端模擬量輸入信息統計如表2所示。

表1 機組智能終端開入開出信息統計Tab.1 Intelligent terminal input and output information statistics

表2 機組智能終端模擬量輸入信息統計Tab.2 Intelligent terminal analog input information statistics

2.2 機組順控裝置

機組順控裝置主要實現水輪發電機組正常開停機與事故停機流程控制、工況轉換、自動準同期并網等控制任務，功能上類似于常規機組LCU中的PLC，但結構上不再需要開入、模入及開出模塊，取消常規硬布線回路，與其他裝置之間完全依靠通信進行數據交換，是實現水電廠智能化控制的核心。其數據流關系如圖3所示[3-8]。

由圖3可見，機組順控裝置只完成順序控制和自動準同期并網功能，控制所需的各類位置信息、電流電壓數值及控制命令通過“兩網”通信獲取，反映機組運行情況的各類狀態信號、模擬量信號等監視數據交給機組在線監測裝置采集處理。這樣可以最大限度降低過程總線負載，將大量的網絡資源預留給GOOSE報文收發使用，保證控制功能及時、可靠地執行。組屏時可借鑒傳統微機監控系統做法，設置一些就地手動操作器具，在現地層與站控層通訊中斷情況下滿足機組就地運行控制需要。

3 主要功能的實現方式

3.1 水機保護功能

轉速、溫度、壓力、流量、剪斷銷等機組自動化元件參數越限(或動作)后觸發機組智能終端向順控裝置發送GOOSE報文，由順控裝置解析、判斷后按既定的控制流程以GOOSE報文形式給相應裝置下發跳閘、停機、滅磁、關主閥、剎車制動等控制命令，并以MMS報文形式將報警信息、動作信息上送機組在線監視裝置。出于安全考慮，大多數水電廠在機組LCU都布置有常規硬布線控制邏輯實現手動、自動緊急停機，這點在智能水電廠改造中應繼承。

3.2 事故停機聯鎖功能

微機保護、自動調速器、自動勵磁等裝置向機組順控裝置下發事故停機聯鎖GOOSE報文，由該裝置解析后按順控程序以GOOSE報文形式下發機組智能終端解析并執行剎車、制動、關冷卻水等操作任務。命令始發者與最終執行者間不直接通信的原因是事故停機有一整套操作流程，把該項功能交付機組順控裝置執行有利于簡化其他裝置軟硬件設計。雖然停機命令經中間裝置轉發會造成執行速度延遲，但發電機組在跳閘、滅磁后停機時間長短已經不影響設備安全性。當然，緊急停機時關閉主閥命令仍然需要直接發送到主閥智能控制裝置執行，不宜由測量順控裝置轉發，以確保可靠性。

3.3 勵磁控制功能

微機勵磁系統是一套相對獨立的子系統，一般就地布置于機旁，且技術相對較為成熟。其智能化的主要思路是按照IEC61850標準建立勵磁調節器的信息模型和通信服務模型，這里只闡述該裝置與外部設備的數據關聯問題。以自并勵裝置為例，電壓、電流數值及斷路器位置狀態等經過程層網絡采集，機組順控裝置所發控制命令(起勵、并網、滅磁、增磁、減磁、緊急停機、分合滅磁開關等)以GOOSE快速報文形式接收并解析、執行，同時應能解析站控層裝置所發MMS控制報文，勵磁裝置運行數據和報警信息則通過MMS報文與在線監測裝置進行數據交互。輸入輸出數據接口關系如表3所示。

圖3 機組順控裝置數據流關系示意Fig.3 The data flow relationship of sequence control device

表3 勵磁裝置主要數據接口統計Tab.3 Excitation device main data interface statistics

3.4 轉速控制功能

微機調速系統也是一套相對獨立且技術成熟的子系統，其智能化的思路同微機勵磁裝置一樣，在裝置內增加一套處理系統，專門解決數據的輸入輸出問題，篇幅所限，此處不再贅述。

3.5 溫度測控功能

水輪發電機組測溫點位多，不僅需要實時監視溫度數值，還要求溫度越限時自動報警或執行停機操作。傳統的溫度測控儀和溫度巡檢儀雖具備這些功能，但因布置于測溫制動屏內，測溫電阻引接線較長易引入干擾信號導致測溫數值不精確，且信號輸出方式不能滿足機組順控裝置需求。解決辦法是將軸承溫度測控儀和機組溫度巡檢儀下放布置到機組本體端子柜內，與機組智能終端布置于同一面柜內，縮短測溫電阻引接線長度。溫度測控儀、溫度巡檢儀輸出的開關量和模擬量由機組智能終端采集處理，將停機信號組成一個數據集以GOOSE報文形式發送至機組順控裝置解析并執行，將報警信號和溫度實時數據組成2個數據集并以MMS報文形式發送至機組在線監測裝置解析處理。溫度測控功能實現方式如圖4所示。

圖4 溫度測控功能實現方式Fig.4 The realization method of temperature measurement and control functio

3.6 運行狀態監測功能

反映機組運行狀態的各類參數(機端電流、電壓、轉速、軸承溫度、冷卻水壓力等)及機組LCU范疇下各智能電子設備的報警信息、動作信息均以MMS報文形式上送機組在線監測裝置，其他獨立的機組狀態監測裝置(如振動與擺度監測裝置、氣隙監測裝置、定子絕緣監測裝置等)在智能化后也可將相關數據發送至機組在線監測裝置，實現機組各類運行數據的就地存儲和實時監視。同時，采集的機組運行數據應分別組建為遙測數據集、遙信數據集、報警信號數據集和保護動作數據集等，以MMS報文形式上送站控層數據平臺，為后臺監視、應用及狀態檢修決策提供全面、詳實的運行數據。

4 結 語

源網協調是智能電網的重要標志之一，為提高水電廠智能化程度，本文從機組LCU的結構方式上將測量功能與控制功能徹底分開，并較為詳細地論證了主要測控功能的實現方法，通過設置機組智能終端和機組在線監測裝置，既可以優化機組順控裝置的硬件結構與建模，又有利于提升整套系統的可靠性和信息化程度，對水電廠實施智能化改造具有一定的應用價值。從水電廠自動化發展的歷史進程來看，盡管現階段對智能化改造有不同的認識，但是伴隨著技術進步、價格降低及體制改革強勢推進，水電廠實施智能化改造將是必然選擇。

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