樂昌峽水電站在線監(jiān)測系統(tǒng)

曹三順 吳文勝 宋學超

【摘要】樂昌峽水電站在線監(jiān)測系統(tǒng)采用分層分布式開放結(jié)構(gòu)，以機組在線監(jiān)測系統(tǒng)為核心，整合集成主變、GIS在線監(jiān)測，利用TN8000強大功能實現(xiàn)水電站主要設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測。各監(jiān)測子系統(tǒng)既能各自獨立發(fā)揮各自功能，又實現(xiàn)了集成整合和統(tǒng)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(fā)揮發(fā)電效益和實現(xiàn)現(xiàn)代化一流運行管理發(fā)揮重要作用。

【關(guān)鍵詞】在線監(jiān)測系統(tǒng);機組;GIS;主變壓器;TN8000

1、概述

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

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

2、機組在線監(jiān)測子系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機組在線監(jiān)測系統(tǒng)采用華科同安TN8000系統(tǒng)，由傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、服務(wù)器及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、軟件等組成。系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，按層次劃分為電站層（上位機系統(tǒng)）和現(xiàn)地層兩級。電站層設(shè)備包括：狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，全廠3 臺機組共用1 套;現(xiàn)地層設(shè)備包括：機組現(xiàn)地在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集單元、各種傳感器、通訊接口、附件設(shè)備等。電站級設(shè)備和現(xiàn)地級設(shè)備之間采用光纖以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，滿足工業(yè)通用的國際標準IEEE 802.3 和TCP/IP 規(guī)約。

每臺機組現(xiàn)地層設(shè)備設(shè)一個數(shù)據(jù)采集站，每個數(shù)據(jù)采集站設(shè)備集中組屏，成套在1面標準控制盤內(nèi)，布置在發(fā)電機層機旁。數(shù)據(jù)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(shù)等信號進行數(shù)據(jù)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(guān)數(shù)據(jù)進行特征參數(shù)提取，得到機組狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成機組故障的預(yù)警和報警，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳至狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器，供進一步的狀態(tài)監(jiān)測分析和診斷。

狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲、分析、管理從各數(shù)據(jù)采集箱傳送過來的機組實時狀態(tài)數(shù)據(jù)、歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)及各種特征數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析及故障診斷。在狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器上可實現(xiàn)對機組狀態(tài)的監(jiān)測、分析與診斷。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖1。

2.2 系統(tǒng)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(jù)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(chǎn)的低頻振動傳感器，其標稱的低頻下限為0.5Hz。根據(jù)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(jù)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(chǎn)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(nèi)壁上。

（2）監(jiān)測裝置

1）數(shù)據(jù)采集站設(shè)備配置

每臺機組配數(shù)據(jù)采集站一個，數(shù)據(jù)采集站設(shè)備安裝在一標準機柜內(nèi)， 標準機柜采用2260×800×600mm 機柜。機柜內(nèi)放置TN8000數(shù)據(jù)采集箱2 臺、17″工業(yè)液晶屏1 個、光纖收發(fā)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(shù)據(jù)采集箱

TN8000 數(shù)據(jù)采集箱是數(shù)據(jù)采集站的核心設(shè)備，主要負責各種信號的采集、存儲和數(shù)據(jù)處理，并進行實時監(jiān)測和分析，同時對相關(guān)數(shù)據(jù)進行特征參數(shù)提取，得到機組狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成機組故障的預(yù)警、并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器，供進一步的狀態(tài)監(jiān)測分析和診斷。

3）上位機設(shè)備及其它外設(shè)

（3）臺機組在線監(jiān)測系統(tǒng)共用一套上位機系統(tǒng)，每套上位機系統(tǒng)包括服務(wù)器及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

2.3 系統(tǒng)功能

（1）振動擺度監(jiān)測分析：包括實時監(jiān)測、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)分析、過渡過程數(shù)據(jù)分析;

（2）壓力脈動監(jiān)測分析;（3）發(fā)電機氣隙監(jiān)測分析;（4）數(shù)據(jù)管理和事故追憶;

（5）性能試驗：輔助用戶在機組投產(chǎn)試運期間以及將來檢修后進行各項試驗，包括穩(wěn)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(jù)實測的擺度、振動幅值、相位及配重的經(jīng)驗值自動計算出配重相位和重量;（7）數(shù)據(jù)通訊：可方便地與計算機監(jiān)控系統(tǒng)LCU、電廠計算機系統(tǒng)（SCADA、MIS）、智能儀表進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;（8）提供預(yù)覽、打印、在線自診斷功能。

3、220kV GIS在線監(jiān)測子系統(tǒng)

采用國電·昊致電氣公司推出的新一代大中型發(fā)電廠配電管理和控制系統(tǒng)W-PD8運行管理系統(tǒng)，對 GIS 氣室壓力、密度及微水等重要參數(shù)進行實時監(jiān)測， 配合 GLM 環(huán)境 SF6 泄露進行實時監(jiān)控，有效反應(yīng) GIS 內(nèi)部 SF6 氣體狀態(tài)及 GIS 室環(huán)境 SF6 及氧氣含量;再加上 W-PD8 GIS 局部放電監(jiān)測系統(tǒng)，全面、準確、實時地反應(yīng)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(shù)據(jù)，對 GIS 運行出現(xiàn)不良狀況進行提前預(yù)警，保證現(xiàn)場運行人員人身安全。

3.1 系統(tǒng)組成

主要包括 4 大部分：

1. SDM-LS SF6 氣體在線監(jiān)測

在 GIS 氣體區(qū)，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(jiān)測各斷路器氣室的氣體壓力、微水和溫度等參數(shù)，測量數(shù)據(jù)送 GIS 運行信息管理系統(tǒng)。功能：共 21 氣室需監(jiān)測 SF6 的壓力密度及微水，傳感器內(nèi)置微處理器，可實現(xiàn)數(shù)字式壓力 溫度補償，準確反映氣體密度。測量數(shù)據(jù)以 4-20mA 模擬量或 Modbus RTU 數(shù)字量形式輸出，采用 工業(yè)級RS232/485 接口。

SDM 氣體密度及微水傳感器能對 GIS 系統(tǒng)中各氣室的 SF6 氣體進行壓力、溫度及微水數(shù)據(jù)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(shù)，并進行超限報警。從而實現(xiàn)在生產(chǎn)過程中對 SF6 氣體密度含量進行實時、遠程監(jiān)測以及歷史數(shù)據(jù)分析，加強監(jiān)測手段，更好地保證設(shè)備安全、穩(wěn)定運行。

2. GLM-LS SF6 氣體泄漏在線監(jiān)測

GIS 室內(nèi)配套 SF6 氣體泄漏檢測裝置（GLM），共安裝6 個傳感器，監(jiān)測范圍包含整個 GIS 室及變壓器套管部分，實時監(jiān)測 GIS 室內(nèi)空氣中 SF6 氣體和氧氣含量，監(jiān)測數(shù)據(jù)送 GIS 電氣信息組態(tài)系統(tǒng)。

3. W-PD8-LS 局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)

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(shè) W-PD8 局放信號處理單元和內(nèi)置式局放傳感器（每間隔兩組，一組三個點）對局放數(shù)據(jù)進行采集、分析、儲存;裝置軟件包括符合 IEC60270 標準規(guī)定的局放歷史趨勢分析、放電電壓、放電能量和放電重復(fù)率等監(jiān)視功能。

4. GIS 運行信息管理系統(tǒng)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(shù)信息并進行組態(tài)、保存和分析，并可通過 OPC 方式接入廠用電管理系統(tǒng)（FECS），定期提供 GIS 運行和絕緣狀態(tài)報表，當出現(xiàn)異常情況時可通過系統(tǒng)調(diào)用 GIS 相關(guān)監(jiān)測設(shè)備的歷史分析數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)提供 GIS 氣室壓力微水、 GIS 局放和 GIS SF6泄漏解決方案，系統(tǒng)采集就地控制單元數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)保存，歷史數(shù)據(jù)查詢，提供數(shù)據(jù)趨勢圖。

系統(tǒng)提供圖形化界面模擬現(xiàn)場，繪制圖形準確表述每臺被監(jiān)測裝置，系統(tǒng)支持多線程應(yīng)用，可以同時從多個監(jiān)測設(shè)備上采集數(shù)據(jù)。

Swichguard是一個動態(tài)的、適應(yīng)智能的、交互的集成系統(tǒng)，用來監(jiān)測和管理GIS設(shè)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(fā)展進行跟蹤監(jiān)視，那么就可以對該故障的嚴重程度進行評估，從而可依據(jù)監(jiān)視做出行動決定。每個氣室的報警狀態(tài)采用色塊顯示，預(yù)警為黃色，報警為紅色。

4、主變壓器在線監(jiān)測子系統(tǒng)

選用ALSTOM公司MS3000在線監(jiān)測系統(tǒng)。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集、處理、可視化和通訊;模擬調(diào)制解調(diào)器或GSM調(diào)制解調(diào)器1件;使用TCP/IP 協(xié)約的以太網(wǎng)RJ45端口1件;以太網(wǎng)開關(guān)1件;光纖端口1件，ST格式;供可選擇的通訊規(guī)約使用的局域網(wǎng)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(guī)約與數(shù)字式控制和保護系統(tǒng)進行通訊。

（2）2套安裝在 2臺三相變壓器上的監(jiān)控模塊，每套包括：

測量負載電流用的轉(zhuǎn)換器1件;

高壓側(cè)探測電壓峰值用的傳感器和轉(zhuǎn)換器1件;

測量頂層油溫的探頭1件;

測量環(huán)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(tài)描述的數(shù)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(tài)描述的數(shù)字輸入2件（警告和警報）;主油箱油位指示器狀態(tài)描述的數(shù)字輸入2件（最低和最高）;供狀態(tài)描述用的數(shù)字輸入7件，包括指示器狀態(tài)描述、壓力釋放裝置狀態(tài)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(lián)接。

5 、系統(tǒng)整合

與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)接口在上位機數(shù)據(jù)服務(wù)器端，采用光纖串口通信（RS485），通信協(xié)議為標準MODBUS;主變壓器在線監(jiān)測子系統(tǒng)、GIS在線監(jiān)測子系統(tǒng)通過串口（通信協(xié)議為標準MODBUS）與機組在線監(jiān)測子系統(tǒng)上位機服務(wù)器通信;TN8000 系統(tǒng)集成主變監(jiān)測子系統(tǒng)和GIS監(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到TN8000數(shù)據(jù)服務(wù)器中，利用TN8000功能對機組、主變和GIS監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一分析。

6、結(jié)語

樂昌峽水利樞紐工程為廣東省重點工程、民心工程，以優(yōu)質(zhì)工程、精品工程、爭創(chuàng)魯班獎為目標，工程設(shè)計起點高，在機電方面廣泛運用當前行業(yè)新技術(shù)、新設(shè)備。水電站在線監(jiān)測系統(tǒng)采用分層分布式開放結(jié)構(gòu)，機組、主變、GIS在線監(jiān)測均選用優(yōu)秀集成供應(yīng)商產(chǎn)品，系統(tǒng)以機組在線監(jiān)測系統(tǒng)為核心，整合集成主變、GIS在線監(jiān)測，利用TN8000強大功能實現(xiàn)水電站主要設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測。系統(tǒng)投入試運行近半年來，為電站設(shè)備調(diào)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(tài)呈現(xiàn)和展示，為電站安全運行管理和日后實現(xiàn)狀態(tài)檢修提供了強大技術(shù)支撐。各監(jiān)測子系統(tǒng)既能各自獨立發(fā)揮各自功能，又實現(xiàn)了集成整合和統(tǒng)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(fā)揮發(fā)電效益和實現(xiàn)現(xiàn)代化一流運行管理發(fā)揮重要作用。

參考文獻：

[1]北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司.《廣東樂昌峽水電站TN8000 機組在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)說明》.2012.6-3.