抽水蓄能機組勵磁系統智能化設計

吳　杰　方　淵

（國電南瑞科技股份有限公司，南京　210061）

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抽水蓄能機組勵磁系統智能化設計

吳杰方淵

（國電南瑞科技股份有限公司，南京210061）

本文對抽水蓄能機組勵磁系統智能化的設計進行一些設想，對各個組成部分的智能化進行了設計，為設備智能化進行了初步探索。

抽水蓄能；能化設計；勵磁系統

抽水蓄能電站發電機組具有靈活多樣的運行方式，不僅可以削峰填谷，還可以提供包括負荷跟蹤、頻率控制、旋轉備用、調相等多種動態服務，既可以改善整個電力系統的經濟性，也可以提高其安全穩定性和可靠性。自20世紀90年代以來，隨著我國經濟體制改革和電力體制改革的深入，抽蓄電站快速發展，同時隨著電網智能化發展進程的深入，抽水蓄能電站智能化也將提上日程。筆者根據對智能化的理解，著重介紹抽水蓄能機組勵磁系統智能化設計方面的思考。

勵磁系統是發電機組的控制核心，勵磁系統的智能化是水電站智能化的重要環節。下面是對抽水蓄能勵磁系統智能化設計的一些介紹。

1　基本原理

一臺大型抽水蓄能發電機組勵磁系統一般由勵磁變壓器、勵磁調節器、整流單元和滅磁單元四個主要部分組成，勵磁調節器根據輸入信號和給定調節值，控制整流單元的輸出；整流單元向發電機轉子提供可調的勵磁電流；滅磁單元是當發電機發生故障時，能迅速切斷勵磁系統，并將存儲在發電機轉子中的磁場能量快速的消耗在滅磁回路中。同時在勵磁系統設備內集成了電源系統和信息交互系統，勵磁系統每個單元工作的好壞直接影響到發電機運行的可靠性和穩定性，所以對每個單元工作狀態的監控至關重要。

隨著電子式電流電壓互感器、智能變送器、智能變電站等技術的日趨成熟，以及計算機高速網絡、光纖技術在實時系統中的應用，構建基于統一數據平臺、信息共享、網絡控制的智能化水電廠已逐漸成為可能。按照該標準和要求，信息平臺分為3層，按“過程層”“單元層”“廠站層”的結構層次布置。

1）廠站層：匯總全站的實時數據信息，將有關數據送往控制中心，可對間隔層、過程層設備在線維護、修改參數，如綜合自動化系統。對于勵磁系統來說，就是將測量值、控制值、過程變量、事件、波形等實時上送到綜合自動化系統。

2）單元層：匯總過程層的實時數據信息，承上啟下的通信功能，如保護與測控裝置。對于勵磁系統來說，就是勵磁調節器的測量、保護、限制等功能。

3）過程層：實時電氣量檢測，但是采集傳統模擬量被直接采集數字量所取代，如非常規互感器，合并單元；運行設備狀態參數的在線監測，如智能終端；操作控制的執行與驅動，如智能開關。對于勵磁系統來說，也就是用采樣值（Sample Value，SV）替代原先的PT、CT模擬量采集；用通用面向對象事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）替代原先的開關量采集；以通信的方式控制智能化功率柜、滅磁柜。

智能勵磁系統必須具有滿足IEC 61850規約的以太網通信接口，滿足網絡通信規約，可以和上位機交換數據。裝置還留有常規模擬量、數字量輸入/出接口，滿足數據通信、共享和重要信息的采集要求。同時還留有必要的調試接口，可滿足參數測試試驗的要求。

勵磁系統既包含一次設備，如勵磁變壓器、整流單元（功率柜）、滅磁開關；也包含二次設備，如勵磁調節器。目前勵磁系統對外接口通常是硬接線，通信協議有 Modbus 485/TCP IP、Profibus。智能勵磁系統的布置和層次按照統一信息平臺結構設計，如圖1所示。

圖1　智能抽水蓄能機組勵磁系統結構設想圖

在廠站層和單元層之間的網絡采用抽象服務接口映射到制造報文規范（MMS）、傳輸控制協議/網際協議（TCP/IP）以太網或光纖網。勵磁調節器通過以太網方式支持IEC 61850服務器端功能，實現了廠站層和單元層之間的MMS通信。通過基于IEC 61850協議的MMS以太網通信，勵磁系統可以實現與廠站層之間進行開入開出、定值參數、告警、故障等信號的傳輸。

IEC 61850在勵磁系統的實現，分為裝置和后臺兩部分。勵磁調節器硬件平臺提供實時處理數據的智能采樣模塊、智能開入開出模塊，并且在操作系統及通信CPU中配有IEC 61850規約解析模塊。該模塊作為與廠站層通信的軟件接口，可對模擬量及開關量進行雙向數字化處理后，根據 ACSI核心服務和 MMS映射協議棧，通過特殊通信服務映射（SCSM）形成報告控制塊，經以太網傳輸協議通過網線連接，進行信息的傳輸并執行相關服務。勵磁調節器通過配置勵磁系統裝置描述文件并導入裝置及后臺，由后臺協議處理模塊進行模型及功能的解析并進行數據及服務的映射，在智能發電站間隔層中建立勵磁系統通信及功能控制模型。由于 IEC 61850協議下智能設備的通信模型具有自解釋屬性，勵磁調節器與廠站層、單元層和過程層各類IED之間的信息交換是雙向且實時無縫的。

智能勵磁系統方案邏輯圖如圖2所示，勵磁系統向監控系統送出信息采用IEC 61850通信協議，傳輸方式可選以太網或光纖，網口通過 IEC 61850通信協議。由于開關量變位速度快，模擬量更新速度較慢，可用于監控系統，不適合控制，高速的數據交換可通過goose和SV實現。

圖2　智能勵磁系統方案邏輯圖

2　勵磁裝置的智能設計

勵磁調節器是整個系統的最核心的部分，它主要負責與外部和內部各部分的通信，收集、返回相關信息，對信息進行分析、處理，并向系統各部分下達命令，接收外部命令并向外部反映自身狀態，如圖3所示。

圖3　勵磁調節器設計構成

2.1勵磁調節器智能化設計

勵磁調節器硬件平臺提供實時處理數據的智能采樣模塊、智能開入開出模塊，并且在操作系統及通信CPU中配有IEC 61850規約解析模塊。該模塊作為與廠站層通信的軟件接口，可對模擬量及開關量進行雙向數字化處理后，根據 ACSI核心服務和MMS映射協議棧，通過特殊通信服務映射（SCSM）形成報告控制塊，經以太網傳輸協議通過網線連接，進行信息的傳輸并執行相關服務。勵磁調節器通過配置勵磁系統裝置描述文件并導入裝置及后臺，由后臺協議處理模塊進行模型及功能的解析并進行數據及服務的映射，在智能發電站間隔層中建立勵磁系統通信及功能控制模型。由于IEC 61850協議下智能設備的通信模型具有自解釋屬性，勵磁調節器與廠站層、單元層和過程層各類IED之間的信息交換是雙向且實時無縫的。

勵磁調節器配備機端電壓、勵磁電流、同步電壓等信號的采集功能，通過工業交換機和工控機進行人機交互，并具備多種對外接口，如 Modbus485通信、以太網光纖通信等，并引入IEC 61850通信規約增強通信的標準化和可靠性，為了保證信息交互的實時有效性，還具有GPS對時等功能。

2.2故障診斷的智能化設計

發電機勵磁故障分析診斷及故障顯示，具體包括故障診斷知識庫研究、智能故障診斷功能、遠程協助功能。

1）故障診斷知識庫研究。歸納出發電機勵磁系統各單元發生的故障類型，得出系統存在的故障因素以及相互之間的聯系，獲得各種故障發生的原因，建立發電機勵磁系統故障診斷知識庫。故障診斷知識庫包括故障源、故障原因以及故障處理方式。

2）智能故障診斷功能。可以實時分析工作狀態，診斷出勵磁系統異常情況，針對故障的優先級，優先分析等級高的故障，診斷故障是否發生。對診斷出的故障，從知識庫中查找信息，顯示給用戶。

3）遠程協助功能。分析出嚴重故障，將故障信息發送至遠方技術人員。

典型勵磁裝置故障診斷系統通常由傳感及變送器、勵磁調節器、工控機及人機界面（可以布置在勵磁調節器柜上）、后臺綜合診斷監測系統4部分組成。整套系統應采用分層分布式結構，各種各樣的傳感器安裝在被監測設備上，勵磁調節器負責數據采集，并進行一般的數據處理、換算及報警，并通過通信與工控機連接。工控機負責處理復雜的數據，并存儲數據，以IEC 61850為標準、以統一信息平臺為基礎，實現勵磁裝置相關狀態數據的采集、特征計算、實時監測、故障錄波、性能試驗數據記錄，以數字化標準接口向統一信息平臺高速數據總線進行特征數據、原始數據、事故數據及故障告警信號傳輸，為后臺機組綜合在線診斷與狀態檢修輔助決策系統提供完整可靠數據源，也可以將勵磁裝置的在線診斷與狀態檢修輔助決策系統單獨設計在勵磁調節器工控機內，人機界面顯示勵磁裝置的各種信息和各部件狀態，將勵磁裝置狀態信息和分析診斷結果通過 IEC 61850-MMS網上傳到后臺綜合診斷系統，實現數據共享，這樣勵磁裝置的診斷相對獨立。

發電機勵磁裝置狀態監測及故障診斷方法：首先將整個發電機勵磁系統分為幾個子系統：調節器系統、整流系統、滅磁系統等。以發電機勵磁系統異常為頂事件，子系統異常為中間事件，并以導致異常的原因為中間事件或低事件，對發電機勵磁系統工作狀態的數據信息進行分析，歸納各種異常或故障發生的原因，在此基礎上建立發電機勵磁系統故障樹。之后將獲得的故障樹，根據勵磁裝置異常的嚴重程度將故障信號分為：一般故障、嚴重故障和事故。3種故障處理的優先級和展示的方式不同，以方便緊急事務的處理。然后根據故障信號分類，以故障的嚴重程度確定信號處理的優先級：事故、嚴重故障、一般故障，使用智能化方法實現發電機勵磁系統狀態診斷，定位故障源。將診斷結果與建立的發電機勵磁系統故障樹對應，并將診斷結果根據故障的不同類型使用不同的方式在故障樹上展示。最后建立專家知識庫，主要包括故障源、故障原因以及故障處理方式，當故障發生后，通過查詢專家知識庫，獲取相關的故障原因及處理措施，及時將信息展現給工作人員。在一些新故障發生情況下，更新專家知識庫。

圖4　發電機勵磁系統故障分析系統框圖

3　勵磁裝置調試系統的智能化設計

3.1勵磁裝置智能調試系統的功能

1）顯示試驗方法。顯示試驗接線圖和操作步驟，指導調試人員試驗。

2）簡化試驗操作。盡量一鍵式完成多項操作，避免需要多次修改參數等情況。

3）記錄試驗數據。保存試驗數據到工控機，不需要調試人員手工抄錄數據。

4）顯示分析波形。顯示試驗波形，分析波形里的試驗數據。

5）生成測試報告。根據試驗數據，生成測試報告，減少人工整理報告的工作量。

3.2勵磁裝置現場測試方法

對所有輸入信號進行數據采集、數據還原，并根據不同的試驗進行不同的操作，比如數據顯示、錄波、波形存儲、波形查看及分析等現場試驗所需的功能，試驗完成后根據數據記錄和波形文件生成試驗報告，便于現場試驗人員的操作。包括如下步驟：①數據采集：對輸入到中央處理器的信號進行數據采集；②數據還原：設置原始信號與輸入裝置信號的對應關系進而對信號進行數據還原；③當進行功能試驗時：將AO接口通過軟開關與AI調試接口相連，信號經由A/D轉換進入中央處理器，中央處理器根據設置的曲線更改AO接口的輸出值；功能試驗過程中進行數據記錄并進行錄波，功能試驗完成后對所記錄數據及錄波文件進行整理，最終生成試驗報告；④當進行發電機空載及短路特性試驗時：在所需數據點處進行相應參數值的記錄，全部數據點記錄完成后進行曲線的繪制，得出發電機的空載特性曲線及短路特性曲線，并生成相應的試驗報告；⑤當進行滅磁邏輯時序時：設置采樣率和時間長度進行錄波，波形保存為帶GPS時標的國際標準COMTRADE格式，通過波形查看及分析工具查看并分析波形，生成相應的試驗報告。圖5所示為勵磁裝置現場測試系統數據處理方法示意圖。

勵磁裝置現場測試系統簡化了接線和試驗操作，可同時兼容模擬量及開關量信號，實現輸入通道的靈活配置，降低了對現場檢修人員的要求及試驗風險。該系統無需外接示波器、信號發生器等專用儀器，即可“一鍵式”地完成各項功能性能試驗，減少了投入，且實現了現場勵磁設備管理的標準化和規范化。便于及早的發現勵磁裝置可能存在的隱患，進而提高勵磁設備的整體可靠性。

圖5　勵磁裝置現場測試系統數據處理方法

4　結論

本文根據常規投運的抽水蓄能勵磁系統構造，提出了勵磁系統的智能化設計。隨著科技水平的不斷提高，智能電網的不斷擴展，抽水蓄能機組勵磁系統智能化的腳步將不斷前行。

［1］ 李基成. 現代同步發電機勵磁系統設計及應用［M］. 2版. 北京︰中國電力出版社，2002.

［2］ 余振，孫聰. 大型抽水蓄能機組勵磁系統控制策略的研究［Z］. 2011.

［3］ 邵宜祥，許其品. 智能電站對發電機勵磁技術要求［Z］. 2011.

［4］ 賀振華，胡少強. IEC 61850標準下通用變電站事件模型與采樣值傳輸模型的比較［Z］. 2008.

Intelligent Design of Excitation System for Pumped Storage Unit

Wu JieFang Yuan
（NARI Technology Development. Limited Company，Nanjing210061）

The author put forward some ideas about the intelligent design of the excitation system of pumped storage unit，and the intelligent design of each part is designed. Preliminary exploration for the intelligent equipment.

pumped storage； intelligent design； excitation system

吳杰（1987-），男，江蘇南京人，本科，現在從事發電機勵磁系統設計工作。