豐滿水電站智能開關設備配置方案

王承堯， 賈文超

(1.長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012;2.中水東北勘測設計研究有限責任公司， 吉林 長春 130012)

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豐滿水電站智能開關設備配置方案

王承堯1，2， 賈文超1*

(1.長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012;2.中水東北勘測設計研究有限責任公司， 吉林 長春 130012)

結合豐滿水電站特點，提出了3種智能設備配置總體方案，并進行了對比分析。針對首選的兩種配置方案給出了詳盡的開關設備配置設計方案。

水電站； 開關設備； 配置方案

0 引 言

隨著我國超大容量發電機組的不斷投入和使用，發電機機組的控制和操作復雜程度也越來越高。由于國內水電廠使用的通信規則種類繁雜因素的影響，各自動化系統相互之間的信息很難準確的采集、處理以及傳輸。同時，大多數水電站內的信號類型為模擬信號，在運行過程中很容易受到電磁的干擾，水電廠的安全正常運行并不能得到很好的保證[1]。系統的要求已漸漸超出傳統的控制設備及廠級監控系統的能力范圍，需利用先進的智能元件和設備實現電廠信息數字化，并通過分散分布式網絡，實現整個水電廠信息網絡中信息快速、準確的交互和共享，為發電機機組的安全操作和控制以及正常的運行提供快速、可靠、全面的數據支撐[2]。因此，智能化水電廠的設計與建設將是我國電力系統發展的一個重要課題。

文中查閱相關國家規范及工程資料，針對豐滿水電站工程條件和特點，提出豐滿水電站智能一次開關設備設計方案。

1 智能設備的定義及現狀

1.1 智能開關設備的定義

智能設備是智能電站的重要組成部分，也是體現其“智能化”特征的主要標志之一。智能開關設備的開關設備和控制設備應具有先進性，其中還包含電子設備、傳感器和執行器等相關功能單元模塊，需包含開關設備的基本功能和附加功能，監測和診斷方面必不可少[3]。高壓設備與相關智能單元的有機結合體，智能組件包含測量數字化、狀態可視化以及信息互動化等特征，具備測量、保護以及檢測等全部或部分功能的設備組件；同時，高壓設備通過附加智能組件組成智能設備，智能組件的重要功能是實時監測和診斷宿主設備狀態，將診斷和檢測的信息轉化成可被智能電網相關系統識別的狀態描述語言，并廣播設備實時狀態，智能組件可設計規劃宿主設備相關功能，實現電網對設備的可觀測，為電網的優化運行提供信息支撐。

1.2 智能設備現狀

智能開關設備主要的實現方式有3種：

1)由一次設備機構、智能單元和監測單元組成；

2)由一次設備機構和智能單元兼監測單元組成；

3)由一次設備機構集成智能單元和監測單元組成[4]。

目前，國際上對一次設備進行智能化研究的廠商主要包括ABB、西門子以及阿?，m等，國內廠商如平高、思源等也相繼投入到智能化研究中。在工程中實際應用主要引用智能單元更新現有方案。目前，智能單元通常由二次設備廠家研發，與一次設備通過傳統電纜連接，與保護、測控等二次設備通過光纜連接。同時，通過面向通用對象的變電站事件(Generic Object Oriented Substation Event， GOOSE)報文將一次設備的本體狀態信息傳輸出去，并接收來自分合閘GOOSE下行控制命令[5]。

2 智能開關設備配置方案

豐滿水電站以500 kV一級電壓接入系統，一回出線至新建的500 kV吉林南變電所。采用3組擴大單元接線作為本電站的發電機與變壓器的組合方式，發電機出口安裝發電機出口斷路器，500 kV側接線采用單母線帶跨條接線，設備采用GIS[6]。根據豐滿水電站一次設備布置特點，提出各電壓等級智能開關設備設計方案如下：

方案1：機構執行器和機電控制回路不變，按中間隔段方式設置智能單元部分以及在線監測單元部分，同時分散安裝于各斷路器匯控柜，如圖1所示。

圖1 智能開關設備配置方案1示意圖

方案2：機構執行器和機電控制回路不變，按中間隔段方式設置智能單元，同時分散安裝于各斷路器匯控柜中,如圖2所示。

圖2 智能開關設備配置方案2示意圖

方案3：在機構執行器不變的情況下，取消機電控制回路，將智能單元和開關機構集成化，機電控制回路功能由智能單元實現，智能單元包含在線監測功能，形成其智能機構,如圖3所示。

圖3 智能開關設備配置方案3示意圖

3 配置方案對比分析

方案1和方案2的一次設備智能化的手段都是智能單元，他們具有共同的好處，那就是簡單的同時保持了高度的可靠性。主要體現在不使用間隔之間的橫向聯絡電纜的情況下，可以做到讓機構機電控制回路(或者電氣一次設備本體結構)沒有任何改變，這樣的前提是在間隔內仍然存在少量的電纜接線。但是方案1的開關在線監測單元要求單獨構造，而對于整個電站來說添加幾十臺的在線監測單元是解決問題的方法。

開關量(DI)以及模擬量(AI)的收集能力是智能單元的特點，同時這兩個量又是在線監測單元要收集的信息，當然通常要依照工程的要求變動信號點數。標準化傳感器輸出，轉換為0～5 V電壓量或者4～20 mA 電流量就是對模擬量輸出的規范化。對開關設備工作時的工況信息進行同步收集可以通過小部分的改動，使用智能單元實現。因此，方案2的經濟性要比方案1的經濟性高[7-8]。

應用智能機構替代由繼電器和電氣接點搭接構成的機電控制回路形成了方案3，智能機構不僅實現了開關的監測、控制，并以標準的數字接口與上級網絡進行相互通信。方案3優點如下：

1)減弱了控制回路的開關設備導致的故障概率；

2)生產商在產品使用前對其進行調試與連接，節約現場接線時間；

3)設備的維修及檢查很方便，停電過程縮短。通過智能單元的替換實現設備的工作運行正常，這樣就能離線檢測替換下的智能單元。

通過以上的分析比較，方案2和方案3的開關設備智能化均適合豐滿水電站工程，在一次設備提供商給出適用的智能機構產品時，則更適合選用方案3。

4 智能元件配置

4.1 方案2配置

1)500 kV GIS設備。匯控柜里要設計兩份智能單元模塊，一起操作間隔內的功能單元，做到在線監測數據(允許單獨一份智能單元收集)的收集，前提是機構執行器，同本身的機電控制回路不變的情況下實現的。

2)發電機出口斷路器裝置設備。設備配置清單見表1。

表1 方案2配置清單

4.2 方案3配置

數字化傳輸是通過建立智能單元，縮短一、二次設備間遠程的電纜，同時借助GIS的機構內嵌智能單元技術來達成的。對于GIS間隔中的每個機構的電纜數目一定同時相距較近，憑借智能單元達到數字化傳輸的意義不大，與此同時全部的開關設備機構都要內嵌智能單元，這樣就造成整個電站的智能單元規模大大提高(相對方案2來說)，依據目前智能單元價格頗高，造成成本提高的同時形成大面積電磁干擾的問題，只有當在線監測的智能機構造價達到一定低的水準，同時做到抗電磁干擾時，開關設備全部使用單個的智能機構才有可能實現。

GIS間隔內全部開關設備機構不必要做數字化傳輸。500 kV GIS的全部開關設備都分別有單獨的廠家供應，一個間隔內的全部設備構成一個單獨的個體，并且單獨一個智能單元操縱著間隔內全部的開關設備機構執行器，可看做間隔整體性的智能機構理論。這樣更好地結合了GIS的特點，更加符合操作運行習慣。

根據市場供給狀態、經濟性和抗干擾能力,同時依據GIS和發電機斷路器的特性,充分利用智能單元有力的輸入、輸出功能,采用集成智能機構的概念,具體配置如下：

1)500 kV GIS設備。

在使用原機構執行器的情況下，不采用機電控制回路，依據間隔于匯控柜里構造兩份智能單元，其用來重新調配本來的機電控制回路的作用，組合為集成智能機構，一套智能單元收集數據就可以實現在線監測。

2)15.75 kV發電機斷路器裝置設備。

在使用原機構執行器的情況下，不采用機電控制回路，在匯控柜內設置兩套智能單元，用來重新調配本來的機電控制回路的作用，組合為集成智能機構。設備配置清單見表2。

表2 方案3配置清單

4.3 主變智能化元件配置方案

主變智能化配置方案與開關設備智能化配置方案一樣，都是根據主變本體添加智能單元達到的[9]。

使用方案2的情況下，智能單元收集的是主變本體電量和非電量信號，同時采集了主變油色譜采集器給出的油色譜監測信號，通過數字化計算分析得到GOOSE(MMS)報文格式傳遞上去。再采集源于二次設備的下行控制命令，操縱風扇的開啟和停止等。通過控制電纜直跳方式實現重瓦斯保護跳閘，通過GOOSE方式實現其余非電量保護跳閘。

使用方案3的情況下，智能單元一方面具有方案2的所有能力，另一方面智能單元重新調配主變風冷控制功能，依照收集到的溫度量等權重立馬操縱風扇的開啟和停止，否定了主變本體通過電氣接點、繼電器等構造的風冷控制回路。

5 結 語

通過對豐滿水電站智能開關設備配置方案的對比分析，給出了豐滿水電站智能開關設備的兩種優選配置方案。文中提出的配置方案可進一步推進水電廠建設的智能化水平，同時可使水電廠建設總造價得到有效的降低。

[1] 王曉峰，黃紹鋒.水電廠自動化發展趨勢的技術探討[J].城市建設理論研究，2014(27)：31-32.

[2] 張毅，王德寬，劉曉波,等.水電廠智能化技術發展趨勢與應用[J].水電站機電技術，2013,36(3)：1-8.

[3] 劉云瀑，邱凱.淺談智能化水電廠[J].科學時代，2012(18)：17-18.

[4] 王杰.智能水電廠的設計[J].科學時代，2014(20)：25-28.

[5] 文正國，姜相東，張毅.淺談水電廠自動化系統的智能化改造[J].水電站機電技術，2014(3)：7-17.

[6] 陳忠禮,孫珉.豐滿水電站三期擴機增容工程設計特點[J].吉林水利,1999(7):7-9.

[7] Li Guorui. Unbalanced Threshold Based Distributed Data Collection Scheme in Multisink Wireless Sensor Network[C]// International Journal of Distributed Sensor Networks,2016.

[8] 張愛梅,江加和.基于相互通信的多導彈協同制導[J].應用科技,2015(2):33-38.

[9] 饒志波.基于網絡的小型水電站計算機監控系統設計與研究[D].重慶：重慶大學，2012.

Configuration schemes for intelligent switchgear in fengman hydropower station

WANG Chengyao1，2， JIA Wenchao1*

(1.School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China；2.China Water Northeastern Investigation, Design & Research Co., Ltd., Changchun 130012， China)

Considering the features of fengman hydropower station. three kinds of schemes for the intelligent equipment configuration is proposed and compared each other. For the selected two configurations, we give the detailed switchgear design.

hydropower station; switchgear; configuration.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.1.17

2016-07-24

王承堯(1987-)，男，漢族，吉林長春人，長春工業大學碩士研究生，主要從事發電廠智能化方向研究,E-mail:372689673@qq.com. *通訊作者：賈文超(1965-)，男，漢族，吉林農安人，長春工業大學教授，博士，主要從事電力變換、電力節能、計算機控制方向研究,E-mail:jiawenchao@ccut.edu.cn.

TM 727.2

A

1674-1374(2017)01-0089-04