樂昌峽水電站在線監測系統

曹三順 吳文勝 宋學超

【摘要】樂昌峽水電站在線監測系統采用分層分布式開放結構，以機組在線監測系統為核心，整合集成主變、GIS在線監測，利用TN8000強大功能實現水電站主要設備狀態在線監測。各監測子系統既能各自獨立發揮各自功能，又實現了集成整合和統一管理，具有可靠性高、實用性強、易用性好、開放性強和集成度高等特點，為電站充分發揮發電效益和實現現代化一流運行管理發揮重要作用。

【關鍵詞】在線監測系統;機組;GIS;主變壓器;TN8000

1、概述

樂昌峽水利樞紐工程位于韶關市樂昌境內、北江支流武江樂昌峽河段內，下距樂昌市約 14km，韶關市 81.4km，壩址以上集水面積4988km2。工程以防洪為主，結合發電，兼顧航運、 灌溉等綜合利用。電站采用混流式水輪發電機組，總裝機容量為 3×44MW，設計年發電量為 4.0766 億 kWh，3臺機組于2013年1月、6月并網發電，電站采用“無人值班”模式進行設計和運行管理。

樂昌峽水電站建成較為先進完備的在線監測系統。系統采用分層分布式結構，包括機組、220kV GIS和220kV主變壓器等三個子系統，三個監測子系統通過開放式接口統一整合集成到機組在線監測系統中，實現集中統一管理，為設備安全運行和運行管理現代化提供了重要支撐。

2、機組在線監測子系統

2.1 系統結構

機組在線監測系統采用華科同安TN8000系統，由傳感器、數據采集單元、服務器及相關網絡設備、軟件等組成。系統采用分層分布式結構，按層次劃分為電站層（上位機系統）和現地層兩級。電站層設備包括：狀態數據服務器、網絡設備等，全廠3 臺機組共用1 套;現地層設備包括：機組現地在線監測數據采集單元、各種傳感器、通訊接口、附件設備等。電站級設備和現地級設備之間采用光纖以太網結構，滿足工業通用的國際標準IEEE 802.3 和TCP/IP 規約。

每臺機組現地層設備設一個數據采集站，每個數據采集站設備集中組屏，成套在1面標準控制盤內，布置在發電機層機旁。數據采集站負責對機組的振動、擺度、壓力脈動、空氣間隙、機組工況參數等信號進行數據采集、處理、分析，以圖形、圖表、曲線等直觀的方式在計算機屏幕顯示器上顯示，同時對相關數據進行特征參數提取，得到機組狀態數據，完成機組故障的預警和報警，并將數據通過網絡傳至狀態數據服務器，供進一步的狀態監測分析和診斷。

狀態數據服務器用于存儲、分析、管理從各數據采集箱傳送過來的機組實時狀態數據、歷史狀態數據及各種特征數據，進行數據分析及故障診斷。在狀態數據服務器上可實現對機組狀態的監測、分析與診斷。系統網絡圖見圖1。

2.2 系統配置

（1）傳感器

1） 鍵相和擺度傳感器

采用加拿大Vibrosystm 公司的PCS302 電容式位移傳感器。根據測點配置情況，每臺機組配置7 套傳感器。

2） 低頻振動傳感器

采用北京豪瑞斯公司生產的低頻振動傳感器，其標稱的低頻下限為0.5Hz。根據測點配置情況，每臺機組配置10 個振動傳感器。

3）壓力脈動變送器

選用瑞士Keller 公司的21Y 系列壓力傳感器，根據測點配置情況，每臺機組配置4 個。

4）空氣間隙傳感器

選用VibroSystm 公司生產的VM3.1 空氣間隙傳感器，測量范圍為2～20mm。每臺機組布置4 個測點，周向均勻分布，氣隙傳感器的安裝采用粘貼方式粘貼在定子內壁上。

（2）監測裝置

1）數據采集站設備配置

每臺機組配數據采集站一個，數據采集站設備安裝在一標準機柜內， 標準機柜采用2260×800×600mm 機柜。機柜內放置TN8000數據采集箱2 臺、17″工業液晶屏1 個、光纖收發器1 個、共享器1 個、傳感器電源模塊1套、端子及輔件等。

2）TN8000 數據采集箱

TN8000 數據采集箱是數據采集站的核心設備，主要負責各種信號的采集、存儲和數據處理，并進行實時監測和分析，同時對相關數據進行特征參數提取，得到機組狀態數據，完成機組故障的預警、并將數據通過網絡傳至數據服務器，供進一步的狀態監測分析和診斷。

3）上位機設備及其它外設

（3）臺機組在線監測系統共用一套上位機系統，每套上位機系統包括服務器及相關網絡設備。

2.3 系統功能

（1）振動擺度監測分析：包括實時監測、穩態數據分析、過渡過程數據分析;

（2）壓力脈動監測分析;（3）發電機氣隙監測分析;（4）數據管理和事故追憶;

（5）性能試驗：輔助用戶在機組投產試運期間以及將來檢修后進行各項試驗，包括穩定性試驗、過渡過程試驗;（6）動平衡計算：提供針對水輪機組的動平衡計算功能，能根據實測的擺度、振動幅值、相位及配重的經驗值自動計算出配重相位和重量;（7）數據通訊：可方便地與計算機監控系統LCU、電廠計算機系統（SCADA、MIS）、智能儀表進行通訊，實現數據共享;（8）提供預覽、打印、在線自診斷功能。

3、220kV GIS在線監測子系統

采用國電·昊致電氣公司推出的新一代大中型發電廠配電管理和控制系統W-PD8運行管理系統，對 GIS 氣室壓力、密度及微水等重要參數進行實時監測， 配合 GLM 環境 SF6 泄露進行實時監控，有效反應 GIS 內部 SF6 氣體狀態及 GIS 室環境 SF6 及氧氣含量;再加上 W-PD8 GIS 局部放電監測系統，全面、準確、實時地反應整個 GIS 的運行情況，并可以長時間保存歷史記錄，提供總要的報表及分析數據，對 GIS 運行出現不良狀況進行提前預警，保證現場運行人員人身安全。

3.1 系統組成

主要包括 4 大部分：

1. SDM-LS SF6 氣體在線監測

在 GIS 氣體區，間斷路器氣室配置 SF6 氣體壓力密度傳感器（SDM）及微水傳感器（GST），實時監測各斷路器氣室的氣體壓力、微水和溫度等參數，測量數據送 GIS 運行信息管理系統。功能：共 21 氣室需監測 SF6 的壓力密度及微水，傳感器內置微處理器，可實現數字式壓力 溫度補償，準確反映氣體密度。測量數據以 4-20mA 模擬量或 Modbus RTU 數字量形式輸出，采用 工業級RS232/485 接口。

SDM 氣體密度及微水傳感器能對 GIS 系統中各氣室的 SF6 氣體進行壓力、溫度及微水數據檢測，將壓力換算成 20℃時的壓力 P20 作為密度指示供顯示，同時將絕對水氣壓換算成 20℃時的水分體積比分值數，并進行超限報警。從而實現在生產過程中對 SF6 氣體密度含量進行實時、遠程監測以及歷史數據分析，加強監測手段，更好地保證設備安全、穩定運行。

2. GLM-LS SF6 氣體泄漏在線監測

GIS 室內配套 SF6 氣體泄漏檢測裝置（GLM），共安裝6 個傳感器，監測范圍包含整個 GIS 室及變壓器套管部分，實時監測 GIS 室內空氣中 SF6 氣體和氧氣含量，監測數據送 GIS 電氣信息組態系統。

3. W-PD8-LS 局部放電在線監測系統

配置局部放電檢測儀（W-PD8），實時測量 GIS 整體局部放電水平，每個間隔設 W-PD8 局放信號處理單元和內置式局放傳感器（每間隔兩組，一組三個點）對局放數據進行采集、分析、儲存;裝置軟件包括符合 IEC60270 標準規定的局放歷史趨勢分析、放電電壓、放電能量和放電重復率等監視功能。

4. GIS 運行信息管理系統SwitchGuard

按 IEC60354 要求集成 GIS 局放量、空氣中 SF6 氣體和氧氣含量、氣體壓力和微水含量等參數信息并進行組態、保存和分析，并可通過 OPC 方式接入廠用電管理系統（FECS），定期提供 GIS 運行和絕緣狀態報表，當出現異常情況時可通過系統調用 GIS 相關監測設備的歷史分析數據。

系統提供 GIS 氣室壓力微水、 GIS 局放和 GIS SF6泄漏解決方案，系統采集就地控制單元數據進行數據保存，歷史數據查詢，提供數據趨勢圖。

系統提供圖形化界面模擬現場，繪制圖形準確表述每臺被監測裝置，系統支持多線程應用，可以同時從多個監測設備上采集數據。

Swichguard是一個動態的、適應智能的、交互的集成系統，用來監測和管理GIS設備的性能。用戶在主界面當中，可以實時查詢每個氣室的壓力微水及局放情況，一旦探測出一個故障并且對其發展進行跟蹤監視，那么就可以對該故障的嚴重程度進行評估，從而可依據監視做出行動決定。每個氣室的報警狀態采用色塊顯示，預警為黃色，報警為紅色。

4、主變壓器在線監測子系統

選用ALSTOM公司MS3000在線監測系統。其配置及功能如下：

（1）安裝在一臺主變壓器控制箱里的MS 3000智能化電子裝置（IED），包括以下部件：

1臺用于采集在線數據并進行儲存、處理和控制的智能化電子裝置;

母線控制卡1件;控制軟件，用于數據采集、處理、可視化和通訊;模擬調制解調器或GSM調制解調器1件;使用TCP/IP 協約的以太網RJ45端口1件;以太網開關1件;光纖端口1件，ST格式;供可選擇的通訊規約使用的局域網端口（RJ45）1件;按Alstom Grid的互用標準，通過IEC 60870-5-101或IEC 60870-5-104或DNP3.0 或IEC 61850或Modbus規約與數字式控制和保護系統進行通訊。

（2）2套安裝在 2臺三相變壓器上的監控模塊，每套包括：

測量負載電流用的轉換器1件;

高壓側探測電壓峰值用的傳感器和轉換器1件;

測量頂層油溫的探頭1件;

測量環境溫度的探頭1件;

探測H2 （100%）， CO （18%）， C2H2 （8%）， C2H4 （1.5%），型號為Hydran 201 Ti的探頭1件;

探測變壓器油中水份的探頭，型號為Vaisala MMT318，并帶有2米長 的電纜1件;供冷卻單元電流狀態描述的數字輸入12件（8件供風扇使用，4件供油泵使用）;瓦斯繼電器狀態描述的數字輸入2件（警告和警報）;主油箱油位指示器狀態描述的數字輸入2件（最低和最高）;供狀態描述用的數字輸入7件，包括指示器狀態描述、壓力釋放裝置狀態描述、隔膜、油流指示器等;不銹鋼控制箱1件，并帶有母線端子排、電源和保險絲;Profibus銅纜供變壓器之間互相聯接。

5 、系統整合

與電站計算機監控系統接口在上位機數據服務器端，采用光纖串口通信（RS485），通信協議為標準MODBUS;主變壓器在線監測子系統、GIS在線監測子系統通過串口（通信協議為標準MODBUS）與機組在線監測子系統上位機服務器通信;TN8000 系統集成主變監測子系統和GIS監測子系統的數據，并將數據存儲到TN8000數據服務器中，利用TN8000功能對機組、主變和GIS監測數據進行統一分析。

6、結語

樂昌峽水利樞紐工程為廣東省重點工程、民心工程，以優質工程、精品工程、爭創魯班獎為目標，工程設計起點高，在機電方面廣泛運用當前行業新技術、新設備。水電站在線監測系統采用分層分布式開放結構，機組、主變、GIS在線監測均選用優秀集成供應商產品，系統以機組在線監測系統為核心，整合集成主變、GIS在線監測，利用TN8000強大功能實現水電站主要設備狀態在線監測。系統投入試運行近半年來，為電站設備調試、試驗、日常運行和綜合分析提供了準確、直觀和科學的狀態呈現和展示，為電站安全運行管理和日后實現狀態檢修提供了強大技術支撐。各監測子系統既能各自獨立發揮各自功能，又實現了集成整合和統一管理，具有可靠性高、實用性強、易用性好、開放性強和集成度高等特點，必將為電站充分發揮發電效益和實現現代化一流運行管理發揮重要作用。

參考文獻：

[1]北京華科同安監控技術有限公司.《廣東樂昌峽水電站TN8000 機組在線監測系統技術說明》.2012.6-3.