數(shù)字化水電站自動化元件解決方案研究

王錄永，吳明波，李 穎

（1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明650051；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明，650214）

智能電網(wǎng)[1]就是電網(wǎng)的智能化，是當(dāng)今世界電力、能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展變革的體現(xiàn)，世界上科技水平較高的國家均對智能電網(wǎng)的研究和建設(shè)給予高度的重視和支持。目前智能電網(wǎng)建設(shè)已上升為我國的國家戰(zhàn)略，被先后列入了國家“十二五”、“十三五”發(fā)展規(guī)劃。智能電網(wǎng)的核心是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的數(shù)字化，只有實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)各環(huán)節(jié)信息采集、傳遞和控制方面的高度數(shù)字化才可能完成電網(wǎng)的各項(xiàng)高級應(yīng)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化。電網(wǎng)的數(shù)字化包含了電網(wǎng)的發(fā)電、輸電、配電、用電各個(gè)環(huán)節(jié)，水電站作為發(fā)電環(huán)節(jié)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)其數(shù)字化是十分必要的。隨著IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和引入，配電環(huán)節(jié)的變電站數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在我國已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，在數(shù)字化變電站[2，3]的基礎(chǔ)上，國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)紛紛展開數(shù)字化水電站[4，5]的相關(guān)研究和建設(shè)，然而與變電站相比，水電站現(xiàn)地設(shè)備存在大量用于自動控制的自動化元件難以進(jìn)行數(shù)字化傳輸，因此實(shí)現(xiàn)自動化元件信號的數(shù)字化傳輸和共享對建設(shè)數(shù)字化水電站，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)具有十分重要的意義。

1 水電站自動化元件及信號采集方式

1.1 水電站自動化元件的功能及分類

自動化元件是實(shí)現(xiàn)水電站自動控制最基礎(chǔ)的元件，它擔(dān)負(fù)著監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)、發(fā)送報(bào)警信號、執(zhí)行相關(guān)自動操作等任務(wù)。隨著水電站自動控制水平要求的提高，自動化元件在水電站中的地位也變得越來越重要，自動化元件的質(zhì)量和可靠性關(guān)系到水電站的安全運(yùn)行，也影響著整個(gè)電站的綜合自動化水平和各種功能的發(fā)揮。

水電站自動化元件一般根據(jù)水電站的機(jī)組容量、結(jié)構(gòu)型式、全廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、自動化程度等要求進(jìn)行配置。根據(jù)自動化元件的作用，可以細(xì)分為采集元件和執(zhí)行元件。自動化采集元件是指采集溫度、液位、壓力、流量、物位、轉(zhuǎn)速等非電量信息供各系統(tǒng)設(shè)備反饋控制、狀態(tài)監(jiān)測或越限報(bào)警使用的現(xiàn)地傳感器元件。水電站常用的自動化采集元件主要包括：流量開關(guān)、油混水報(bào)警器、液位計(jì)、溫度計(jì)、差壓變送器、液位變送器、壓力變送器、行程開關(guān)、主令開關(guān)、位置傳感器、測速探頭、PT100測溫電阻等。自動化執(zhí)行元件是指接收遠(yuǎn)程信號命令執(zhí)行相關(guān)動作的現(xiàn)地元件，主要有電磁閥、電動閥等，水電站常用執(zhí)行元件包括檢修圍帶控制電磁閥、潤滑水電磁閥、剎車投退電磁閥等。

1.2 當(dāng)前水電站自動化元件信號采集方式和缺點(diǎn)

當(dāng)前水電站中自動化元件多集中在水輪發(fā)電機(jī)組部分和主變壓器部分，其數(shù)量眾多、類型多樣且布置分散，為便于接線，一般將自動化元件信號引接至現(xiàn)地單個(gè)或多個(gè)端子箱內(nèi)的轉(zhuǎn)接端子進(jìn)行集中，之后再轉(zhuǎn)送監(jiān)控系統(tǒng)或其他需要信號的系統(tǒng)，自動化元件信號的接入和轉(zhuǎn)出全部采用電纜完成，采集方式如圖1所示。

圖1 當(dāng)前水電站機(jī)組自動化元件信號采集方式

當(dāng)前自動化元件采集傳輸方式結(jié)構(gòu)簡單，便于管理和查線，端子箱內(nèi)不需供電，但也存在著一些缺點(diǎn)：①自動化元件信號不能共享，許多測點(diǎn)需重復(fù)配置以滿足多系統(tǒng)使用，造成元件數(shù)量增加。②自動化元件數(shù)量眾多且布置分散，特別是機(jī)組部分，造成現(xiàn)地轉(zhuǎn)接端子箱進(jìn)出電纜過多，電纜橋架負(fù)擔(dān)重。③自動化元件需求的電纜截面、芯數(shù)、類型各不相同，施工難度大。④DC 24 V電源和模擬量信號采用電纜傳輸且距離較長，信號易受干擾。

2 數(shù)字化水電站對自動化元件信號采集方式的要求

數(shù)字化水電站以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，采用3層2網(wǎng)結(jié)構(gòu)，3層指站控層、單元層、過程層，2網(wǎng)指站控層網(wǎng)絡(luò)（MMS）、過程層網(wǎng)絡(luò)（GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)）。數(shù)字化水電站中設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、傳輸、共享均通過網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)，自動化元件信號也應(yīng)滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊螅ㄟ^光纜直接將信號發(fā)布至過程層的GOOSE網(wǎng)，供電站單元層各系統(tǒng)使用。但目前絕大多數(shù)類型的自動化元件無法支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，無法直接將信號發(fā)布至GOOSE網(wǎng)。

3 數(shù)字化水電站自動化元件信號采集解決方案

3.1 主變壓器部分自動化元件信號采集方式

水電站的主變壓器與變電站的主變壓器情況十分相似，參考數(shù)字化變電站的實(shí)施方案，數(shù)字化水電站也可以采用主變本體智能終端[6，7]來采集主變壓器區(qū)域的自動化元件信號，并將其發(fā)布至GOOSE網(wǎng)用于各系統(tǒng)共享，采集方式如圖2所示。

圖2 主變自動化元件采集方式

3.2 水輪發(fā)電機(jī)組自動化元件信號采集方式

相對于主變壓器部分，水輪發(fā)電機(jī)組的自動化元件數(shù)量更大、類型更復(fù)雜、安裝環(huán)境更差，其對側(cè)需求的信號系統(tǒng)也更多，僅靠單臺智能終端無法滿足其采集的需要，如果采用多臺智能終端，雖然能滿足信號采集的需求，但引入過多的設(shè)備會使系統(tǒng)變得復(fù)雜，降低運(yùn)行的效率和可靠性。當(dāng)前水電站現(xiàn)地控制中，可編程控制器（PLC）應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，作為控制領(lǐng)域的核心設(shè)備，隨著近幾年數(shù)字化變電站的發(fā)展和數(shù)字化水電站概念的提出，目前國內(nèi)外廠家先后推出支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的PLC產(chǎn)品并有所應(yīng)用，其可靠性已經(jīng)得到證明。

參考數(shù)字化變電站智能終端和當(dāng)前水電站現(xiàn)地控制單元（LCU）的模式，可利用支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的PLC構(gòu)成現(xiàn)地?cái)?shù)字化采集單元，通過電纜接收自動化元件的開關(guān)量、模擬量信號，將開關(guān)量、模擬量信號編譯成IEC61850 GOOSE報(bào)文并通過光纖發(fā)布至GOOSE網(wǎng)，采集方式如圖3所示。

圖3 數(shù)字化水電站機(jī)組自動化元件信號采集方式

數(shù)字化采集單元內(nèi)設(shè)置支持IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)GOOSE網(wǎng)的PLC，并按需配置開關(guān)量輸入模塊、模擬量輸入模塊、RTD溫度量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、電源模塊等。為保證可靠性，數(shù)據(jù)采集單元中的PLC及電源模塊也可采用冗余設(shè)置，并將采集的信息上送GOOSE雙網(wǎng)。數(shù)字化采集單元可根據(jù)電站需要分層、分區(qū)域設(shè)置，宜與現(xiàn)地轉(zhuǎn)接箱合并布置在現(xiàn)地機(jī)組自動化元件集中的區(qū)域，對下實(shí)現(xiàn)自動化元件的信號現(xiàn)地采集和控制，對上接入IEC61850 GOOSE網(wǎng)，與監(jiān)控、調(diào)速器等系統(tǒng)進(jìn)行通信。

4 結(jié)束語

數(shù)字化采集單元能夠滿足數(shù)字化水電站對自動化元件信號采集和控制的需求，同時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①數(shù)字化采集單元可將單個(gè)自動化元件信號發(fā)布至GOOSE網(wǎng)供多系統(tǒng)共享，解決了元件重復(fù)配置的問題；②數(shù)字化采集單元內(nèi)的DC 24 V電源模塊可就近供自動化元件使用，從而可以避免低電壓電源供電線路過長易受干擾的情況；③數(shù)字化采集單元采集機(jī)組瓦溫、油溫后，可利用內(nèi)部的PLC對運(yùn)行溫度進(jìn)行邏輯判斷，并將機(jī)組溫度報(bào)警及事故停機(jī)信號發(fā)布至機(jī)組GOOSE網(wǎng)；④數(shù)字化采集單元布置在現(xiàn)地，與自動化元件連接電纜較短，受干擾的可能性小，經(jīng)濟(jì)性也較好。

利用數(shù)字化采集單元來實(shí)現(xiàn)自動化元件數(shù)字化的方式原理簡單、可靠性高，具有較高的可行性。數(shù)字化采集單元采用模塊化結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展，可根據(jù)實(shí)際接入信號類型及數(shù)量靈活配置相應(yīng)的輸入、輸出模塊，其輸入、輸出回路總數(shù)不受限制。自動化元件數(shù)字化后，減少了二次電纜的使用量，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了施工難度，提高了水電站的自動化水平。