水電站水輪發電機組自動化信號采集解決方案探析

馬德輝

(本溪關門山水庫實業有限公司，遼寧 本溪 117100)

0 引 言

目前，電網的智能化即智能電網已成為現今能源、電力產業發展變革的重要體現，對于智能電網的建設與研究越來越引起電力部門的高度重視，并將其上升為國家戰略，被列入中國“十三五”發展規劃[1]。電網的數字化屬于智能電網的核心，只有實現高度數字化的控制、傳遞、采集等電網各環節信息處理，才能實現電網的智能化及其各項高級應用。電網數字化涉及電網的用電、配電、輸電、發電等環節，而發電環節中水電站發揮著關鍵作用，所以有必要實現水電站的數字化。IEC61850標準的正式發布，使得變電站數字化技術的應用日趨成熟，現已廣泛應用于中國各個地區，國內有關研究機構以數字化變電站為基礎，開始深入探究數字化水電站的有關內容，而水電站現地設備與變電站相比擁有大量的自動化元件，對實現數字化傳輸存在較大的難度[2-5]。因此，實現數字化傳輸與共享自動化元件信號，對水電站數字化建設及實現智能電網的意義非常重大。

1 水電站自動化信號采集方式

1.1 自動化元件的功能

自動化元件擔負著執行相關自動操作、發送報警信號、監測設備狀態等任務，它是自動控制水電站的最基礎元件。水電站中自動化元件的地位，正隨著自動控制要求的提升越來越重要，自動化元件的可靠性與質量關系著整個電站各種功能的發揮和綜合自動化水平，在很大程度上決定著水電站的安全運行[6]。

一般地，要考慮水電站自動化程度、全廠的安全經濟運行、結構型式、機組容量等要求合理配置自動化元件。按照不同的功能作用，可以將自動化元件劃分為執行、采集兩類元件，其中執行相關動作接受遠程命令信號的現地元件稱為自動化執行元件，水電站常用的執行元件有潤滑水電磁閥、剎車投退電磁閥及檢修圍帶控制電磁閥等；而采集非電量信息，如物位、轉速、流量、壓力、溫度、液位等供各系統設備越限報警使用、狀態監測或反饋控制的現地傳感器元件稱為自動化采集元件，水電站常用的采集元件有PT100測溫電阻、位置傳感器、壓力變送器、差壓變送器、油混水報警器、液位變送器、測速探頭、主令開關、行程開關、流量開關、溫度計、液位計等。

1.2 信號采集方式與缺點

目前，水電站主變壓器部分和水輪發電機組部分多集中分布有自動化元件，其布置分散、類型多樣且數量眾多，一般在現地多個或單個端子箱內的轉接端子上先集中引接自動化元件信號，然后再轉送需要信號的系統或監控系統，并全部采用電纜完成自動化元件信號的轉出與接入，圖1反映了信號采集方式。

圖1 現狀自動化元件信號采集

目前實行的自動化元件采集傳輸方式有利于查線和管理，結構形式簡單且端子箱內無需供電，實際工作中仍存在一些不足：①為滿足多系統使用要求許多測點需要重復配置，自動化元件信號無法共享且元件數量增多；②自動化元件布置分散、數量眾多且電纜橋架負擔重，尤其是機組部分現地轉接端子箱電纜進出過多；③自動化元件對電纜類型、芯數、截面等要求不同，由此增大施工難度；④采用電纜傳輸模擬量信號和DC 24V點源，信號易受干擾且輸送距離較長。

2 數字化水電站自動化信號采集解決方案

2.1 基本要求

數字化水電站采用了過程層網絡(SV網、GOOSE網)、站控層網絡(MMS)2網和過程層、單元層、站控層3層的結構，其建設基礎為IEC61850標準。數字化水電站均通過網絡傳輸實現設備的數據共享、傳輸、采集等，將信號利用光纜直接發布至過程層的GOOSE網以供電站單元層各系統使用，對此網絡系統要實現自動化元件信號的傳輸。然而，現有的自動化元件絕大多數仍無法直接將信號發布至GOOSE網，不支持IEC61850標準。

2.2 主變壓器信號采集方式

水電站與變電站具有非常相似的主變壓器，數字化水電站參考數字化變電站實施方案，也可以對主變壓器區域的自動化元件信號利用主變本體智能終端來采集，為實現各系統共享可將其發布至GOOSE網。

2.3 水輪發電機組信號采集方式

水輪發電機組的自動化元件相對于主變壓器部分，其安裝環境更差、類型更復雜且數量更多，也需要更多的對側系統信號[8]。因此，為滿足信號采集需求無法僅靠單臺智能終端實現，若利用多臺智能終端又要引入過多的設備，在滿足采集需求的同時增大了系統的復雜程度，降低了系統的可靠性與運行效率。目前，可編程控制器(PLC)作為控制領域的核心設備現已廣泛應用于水電站現地控制中，并且應用技術日趨成熟，隨著數字化水電站概念的提出以及數字化變電站的不斷發展，支持IEC61850標準的PLC產品現已被國內外許多廠家推廣應用，并證明了可靠性[7]。

根據水電站現地控制單元(LCU)模式和數字化變電站智能終端，對現地數字化采集單元設置支持IEC61850標準的PLC，并將模擬量、開關量信號利用電纜接受自動化元件編譯成IEC61850 GOOSE報文，并利用光纖直接發布至GOOSE網，圖2反映了數字化水電機組信號采集方式。

圖2 數字化水電站元件信號采集方式

將支持IEC61850標準GOOSE網的PLC設置于數字化采集單元內，按需配置開關量、RTC溫度量、模擬量、開關量輸入模塊和點源模塊等。為確保數據的可靠性，可以對點源模塊及采集單元的PLC實行冗余設置，由此實現GOOSE雙網接受采集的信息。根據電站需要可以把數字化采集單元分區域、分層設置，在現地機組自動化元件集中區域將其與現地轉接箱合并布置，由此實現對上接入IEC61850 GOOSE網，對下現地控制和采集自動化元件的信息，實現與調速器、監控系統的通信。

3 結 語

數字化采集單元具有明顯的優勢，能夠滿足數字化水電站采集和控制自動化元件信號的需求，具體如下：①對于單個自動化元件信號數字化采集單元可以將其發布至多系統共享的GOOSE網，從而有效解決重復配置元件的問題；②可就近供自動化元件使用的數字化采集單元內的DC 24V點源模塊，有效解決了電路易受干擾及低電壓點源供電線路過長的問題；③油溫、瓦溫后，數字化采集單元采集機組可對運行溫度利用內部PLC實現邏輯判斷，由此實現事故停機信號發布及機組溫度報警，把信號自動傳送至GOOSE網；④布置在現地的數字化采集單元與自動化元件連接電路較短，其經濟性較好且受干擾概率較低。

將自動化元件利用采集單元實現數字化的方式存在較高的可行性、可靠性，該模式原理簡單。采用模塊化結構的數字化采集單元有利于擴展，可以按照實際接入的信號數量、類型靈活的配置輸入與輸出模塊，并且不限制輸入與輸出回路。數字化后的自動化元件，有利于降低施工難度、簡化系統結構、減少二次電纜施用量以及提高水電站自動化水平。