抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)

吳　杰　方　淵

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京　210061）

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抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)

吳杰方淵

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京210061）

本文對(duì)抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)智能化的設(shè)計(jì)進(jìn)行一些設(shè)想，對(duì)各個(gè)組成部分的智能化進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為設(shè)備智能化進(jìn)行了初步探索。

抽水蓄能；能化設(shè)計(jì)；勵(lì)磁系統(tǒng)

抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)組具有靈活多樣的運(yùn)行方式，不僅可以削峰填谷，還可以提供包括負(fù)荷跟蹤、頻率控制、旋轉(zhuǎn)備用、調(diào)相等多種動(dòng)態(tài)服務(wù)，既可以改善整個(gè)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，也可以提高其安全穩(wěn)定性和可靠性。自20世紀(jì)90年代以來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)體制改革和電力體制改革的深入，抽蓄電站快速發(fā)展，同時(shí)隨著電網(wǎng)智能化發(fā)展進(jìn)程的深入，抽水蓄能電站智能化也將提上日程。筆者根據(jù)對(duì)智能化的理解，著重介紹抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)方面的思考。

勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)組的控制核心，勵(lì)磁系統(tǒng)的智能化是水電站智能化的重要環(huán)節(jié)。下面是對(duì)抽水蓄能勵(lì)磁系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)的一些介紹。

1　基本原理

一臺(tái)大型抽水蓄能發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)一般由勵(lì)磁變壓器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、整流單元和滅磁單元四個(gè)主要部分組成，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號(hào)和給定調(diào)節(jié)值，控制整流單元的輸出；整流單元向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供可調(diào)的勵(lì)磁電流；滅磁單元是當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，能迅速切斷勵(lì)磁系統(tǒng)，并將存儲(chǔ)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中的磁場(chǎng)能量快速的消耗在滅磁回路中。同時(shí)在勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)集成了電源系統(tǒng)和信息交互系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)每個(gè)單元工作的好壞直接影響到發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，所以對(duì)每個(gè)單元工作狀態(tài)的監(jiān)控至關(guān)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(shù)的日趨成熟，以及計(jì)算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)、光纖技術(shù)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用，構(gòu)建基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)、信息共享、網(wǎng)絡(luò)控制的智能化水電廠已逐漸成為可能。按照該標(biāo)準(zhǔn)和要求，信息平臺(tái)分為3層，按“過程層”“單元層”“廠站層”的結(jié)構(gòu)層次布置。

1）廠站層：匯總?cè)镜膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，將有關(guān)數(shù)據(jù)送往控制中心，可對(duì)間隔層、過程層設(shè)備在線維護(hù)、修改參數(shù)，如綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。對(duì)于勵(lì)磁系統(tǒng)來說，就是將測(cè)量值、控制值、過程變量、事件、波形等實(shí)時(shí)上送到綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

2）單元層：匯總過程層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，承上啟下的通信功能，如保護(hù)與測(cè)控裝置。對(duì)于勵(lì)磁系統(tǒng)來說，就是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的測(cè)量、保護(hù)、限制等功能。

3）過程層：實(shí)時(shí)電氣量檢測(cè)，但是采集傳統(tǒng)模擬量被直接采集數(shù)字量所取代，如非常規(guī)互感器，合并單元；運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，如智能終端；操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)，如智能開關(guān)。對(duì)于勵(lì)磁系統(tǒng)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?qū)ο笫录℅eneric Object Oriented Substation Event，GOOSE）替代原先的開關(guān)量采集；以通信的方式控制智能化功率柜、滅磁柜。

智能勵(lì)磁系統(tǒng)必須具有滿足IEC 61850規(guī)約的以太網(wǎng)通信接口，滿足網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約，可以和上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。裝置還留有常規(guī)模擬量、數(shù)字量輸入/出接口，滿足數(shù)據(jù)通信、共享和重要信息的采集要求。同時(shí)還留有必要的調(diào)試接口，可滿足參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)的要求。

勵(lì)磁系統(tǒng)既包含一次設(shè)備，如勵(lì)磁變壓器、整流單元（功率柜）、滅磁開關(guān)；也包含二次設(shè)備，如勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。目前勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)外接口通常是硬接線，通信協(xié)議有 Modbus 485/TCP IP、Profibus。智能勵(lì)磁系統(tǒng)的布置和層次按照統(tǒng)一信息平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1　智能抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)想圖

在廠站層和單元層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象服務(wù)接口映射到制造報(bào)文規(guī)范（MMS）、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通過以太網(wǎng)方式支持IEC 61850服務(wù)器端功能，實(shí)現(xiàn)了廠站層和單元層之間的MMS通信。通過基于IEC 61850協(xié)議的MMS以太網(wǎng)通信，勵(lì)磁系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與廠站層之間進(jìn)行開入開出、定值參數(shù)、告警、故障等信號(hào)的傳輸。

IEC 61850在勵(lì)磁系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，分為裝置和后臺(tái)兩部分。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器硬件平臺(tái)提供實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的智能采樣模塊、智能開入開出模塊，并且在操作系統(tǒng)及通信CPU中配有IEC 61850規(guī)約解析模塊。該模塊作為與廠站層通信的軟件接口，可對(duì)模擬量及開關(guān)量進(jìn)行雙向數(shù)字化處理后，根據(jù) ACSI核心服務(wù)和 MMS映射協(xié)議棧，通過特殊通信服務(wù)映射（SCSM）形成報(bào)告控制塊，經(jīng)以太網(wǎng)傳輸協(xié)議通過網(wǎng)線連接，進(jìn)行信息的傳輸并執(zhí)行相關(guān)服務(wù)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通過配置勵(lì)磁系統(tǒng)裝置描述文件并導(dǎo)入裝置及后臺(tái)，由后臺(tái)協(xié)議處理模塊進(jìn)行模型及功能的解析并進(jìn)行數(shù)據(jù)及服務(wù)的映射，在智能發(fā)電站間隔層中建立勵(lì)磁系統(tǒng)通信及功能控制模型。由于 IEC 61850協(xié)議下智能設(shè)備的通信模型具有自解釋屬性，勵(lì)磁調(diào)節(jié)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(shí)時(shí)無(wú)縫的。

智能勵(lì)磁系統(tǒng)方案邏輯圖如圖2所示，勵(lì)磁系統(tǒng)向監(jiān)控系統(tǒng)送出信息采用IEC 61850通信協(xié)議，傳輸方式可選以太網(wǎng)或光纖，網(wǎng)口通過 IEC 61850通信協(xié)議。由于開關(guān)量變位速度快，模擬量更新速度較慢，可用于監(jiān)控系統(tǒng)，不適合控制，高速的數(shù)據(jù)交換可通過goose和SV實(shí)現(xiàn)。

圖2　智能勵(lì)磁系統(tǒng)方案邏輯圖

2　勵(lì)磁裝置的智能設(shè)計(jì)

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是整個(gè)系統(tǒng)的最核心的部分，它主要負(fù)責(zé)與外部和內(nèi)部各部分的通信，收集、返回相關(guān)信息，對(duì)信息進(jìn)行分析、處理，并向系統(tǒng)各部分下達(dá)命令，接收外部命令并向外部反映自身狀態(tài)，如圖3所示。

圖3　勵(lì)磁調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)構(gòu)成

2.1勵(lì)磁調(diào)節(jié)器智能化設(shè)計(jì)

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器硬件平臺(tái)提供實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的智能采樣模塊、智能開入開出模塊，并且在操作系統(tǒng)及通信CPU中配有IEC 61850規(guī)約解析模塊。該模塊作為與廠站層通信的軟件接口，可對(duì)模擬量及開關(guān)量進(jìn)行雙向數(shù)字化處理后，根據(jù) ACSI核心服務(wù)和MMS映射協(xié)議棧，通過特殊通信服務(wù)映射（SCSM）形成報(bào)告控制塊，經(jīng)以太網(wǎng)傳輸協(xié)議通過網(wǎng)線連接，進(jìn)行信息的傳輸并執(zhí)行相關(guān)服務(wù)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通過配置勵(lì)磁系統(tǒng)裝置描述文件并導(dǎo)入裝置及后臺(tái)，由后臺(tái)協(xié)議處理模塊進(jìn)行模型及功能的解析并進(jìn)行數(shù)據(jù)及服務(wù)的映射，在智能發(fā)電站間隔層中建立勵(lì)磁系統(tǒng)通信及功能控制模型。由于IEC 61850協(xié)議下智能設(shè)備的通信模型具有自解釋屬性，勵(lì)磁調(diào)節(jié)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(shí)時(shí)無(wú)縫的。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器配備機(jī)端電壓、勵(lì)磁電流、同步電壓等信號(hào)的采集功能，通過工業(yè)交換機(jī)和工控機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互，并具備多種對(duì)外接口，如 Modbus485通信、以太網(wǎng)光纖通信等，并引入IEC 61850通信規(guī)約增強(qiáng)通信的標(biāo)準(zhǔn)化和可靠性，為了保證信息交互的實(shí)時(shí)有效性，還具有GPS對(duì)時(shí)等功能。

2.2故障診斷的智能化設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁故障分析診斷及故障顯示，具體包括故障診斷知識(shí)庫(kù)研究、智能故障診斷功能、遠(yuǎn)程協(xié)助功能。

1）故障診斷知識(shí)庫(kù)研究。歸納出發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)各單元發(fā)生的故障類型，得出系統(tǒng)存在的故障因素以及相互之間的聯(lián)系，獲得各種故障發(fā)生的原因，建立發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障診斷知識(shí)庫(kù)。故障診斷知識(shí)庫(kù)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?？梢詫?shí)時(shí)分析工作狀態(tài)，診斷出勵(lì)磁系統(tǒng)異常情況，針對(duì)故障的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先分析等級(jí)高的故障，診斷故障是否發(fā)生。對(duì)診斷出的故障，從知識(shí)庫(kù)中查找信息，顯示給用戶。

3）遠(yuǎn)程協(xié)助功能。分析出嚴(yán)重故障，將故障信息發(fā)送至遠(yuǎn)方技術(shù)人員。

典型勵(lì)磁裝置故障診斷系統(tǒng)通常由傳感及變送器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、工控機(jī)及人機(jī)界面（可以布置在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器柜上）、后臺(tái)綜合診斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4部分組成。整套系統(tǒng)應(yīng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，各種各樣的傳感器安裝在被監(jiān)測(cè)設(shè)備上，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行一般的數(shù)據(jù)處理、換算及報(bào)警，并通過通信與工控機(jī)連接。工控機(jī)負(fù)責(zé)處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以IEC 61850為標(biāo)準(zhǔn)、以統(tǒng)一信息平臺(tái)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁裝置相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、特征計(jì)算、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障錄波、性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，以數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)接口向統(tǒng)一信息平臺(tái)高速數(shù)據(jù)總線進(jìn)行特征數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)、事故數(shù)據(jù)及故障告警信號(hào)傳輸，為后臺(tái)機(jī)組綜合在線診斷與狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)提供完整可靠數(shù)據(jù)源，也可以將勵(lì)磁裝置的在線診斷與狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)計(jì)在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工控機(jī)內(nèi)，人機(jī)界面顯示勵(lì)磁裝置的各種信息和各部件狀態(tài)，將勵(lì)磁裝置狀態(tài)信息和分析診斷結(jié)果通過 IEC 61850-MMS網(wǎng)上傳到后臺(tái)綜合診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，這樣勵(lì)磁裝置的診斷相對(duì)獨(dú)立。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷方法：首先將整個(gè)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)分為幾個(gè)子系統(tǒng)：調(diào)節(jié)器系統(tǒng)、整流系統(tǒng)、滅磁系統(tǒng)等。以發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)異常為頂事件，子系統(tǒng)異常為中間事件，并以導(dǎo)致異常的原因?yàn)橹虚g事件或低事件，對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，歸納各種異?；蚬收习l(fā)生的原因，在此基礎(chǔ)上建立發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障樹。之后將獲得的故障樹，根據(jù)勵(lì)磁裝置異常的嚴(yán)重程度將故障信號(hào)分為：一般故障、嚴(yán)重故障和事故。3種故障處理的優(yōu)先級(jí)和展示的方式不同，以方便緊急事務(wù)的處理。然后根據(jù)故障信號(hào)分類，以故障的嚴(yán)重程度確定信號(hào)處理的優(yōu)先級(jí)：事故、嚴(yán)重故障、一般故障，使用智能化方法實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)狀態(tài)診斷，定位故障源。將診斷結(jié)果與建立的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障樹對(duì)應(yīng)，并將診斷結(jié)果根據(jù)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(shí)庫(kù)，主要包括故障源、故障原因以及故障處理方式，當(dāng)故障發(fā)生后，通過查詢專家知識(shí)庫(kù)，獲取相關(guān)的故障原因及處理措施，及時(shí)將信息展現(xiàn)給工作人員。在一些新故障發(fā)生情況下，更新專家知識(shí)庫(kù)。

圖4　發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障分析系統(tǒng)框圖

3　勵(lì)磁裝置調(diào)試系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)

3.1勵(lì)磁裝置智能調(diào)試系統(tǒng)的功能

1）顯示試驗(yàn)方法。顯示試驗(yàn)接線圖和操作步驟，指導(dǎo)調(diào)試人員試驗(yàn)。

2）簡(jiǎn)化試驗(yàn)操作。盡量一鍵式完成多項(xiàng)操作，避免需要多次修改參數(shù)等情況。

3）記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)到工控機(jī)，不需要調(diào)試人員手工抄錄數(shù)據(jù)。

4）顯示分析波形。顯示試驗(yàn)波形，分析波形里的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5）生成測(cè)試報(bào)告。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，生成測(cè)試報(bào)告，減少人工整理報(bào)告的工作量。

3.2勵(lì)磁裝置現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法

對(duì)所有輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)還原，并根據(jù)不同的試驗(yàn)進(jìn)行不同的操作，比如數(shù)據(jù)顯示、錄波、波形存儲(chǔ)、波形查看及分析等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所需的功能，試驗(yàn)完成后根據(jù)數(shù)據(jù)記錄和波形文件生成試驗(yàn)報(bào)告，便于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員的操作。包括如下步驟：①數(shù)據(jù)采集：對(duì)輸入到中央處理器的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；②數(shù)據(jù)還原：設(shè)置原始信號(hào)與輸入裝置信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)而對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)還原；③當(dāng)進(jìn)行功能試驗(yàn)時(shí)：將AO接口通過軟開關(guān)與AI調(diào)試接口相連，信號(hào)經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入中央處理器，中央處理器根據(jù)設(shè)置的曲線更改AO接口的輸出值；功能試驗(yàn)過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄并進(jìn)行錄波，功能試驗(yàn)完成后對(duì)所記錄數(shù)據(jù)及錄波文件進(jìn)行整理，最終生成試驗(yàn)報(bào)告；④當(dāng)進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載及短路特性試驗(yàn)時(shí)：在所需數(shù)據(jù)點(diǎn)處進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)值的記錄，全部數(shù)據(jù)點(diǎn)記錄完成后進(jìn)行曲線的繪制，得出發(fā)電機(jī)的空載特性曲線及短路特性曲線，并生成相應(yīng)的試驗(yàn)報(bào)告；⑤當(dāng)進(jìn)行滅磁邏輯時(shí)序時(shí)：設(shè)置采樣率和時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行錄波，波形保存為帶GPS時(shí)標(biāo)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的試驗(yàn)報(bào)告。圖5所示為勵(lì)磁裝置現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法示意圖。

勵(lì)磁裝置現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)化了接線和試驗(yàn)操作，可同時(shí)兼容模擬量及開關(guān)量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)輸入通道的靈活配置，降低了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢修人員的要求及試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)無(wú)需外接示波器、信號(hào)發(fā)生器等專用儀器，即可“一鍵式”地完成各項(xiàng)功能性能試驗(yàn)，減少了投入，且實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)勵(lì)磁設(shè)備管理的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。便于及早的發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁裝置可能存在的隱患，進(jìn)而提高勵(lì)磁設(shè)備的整體可靠性。

圖5　勵(lì)磁裝置現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法

4　結(jié)論

本文根據(jù)常規(guī)投運(yùn)的抽水蓄能勵(lì)磁系統(tǒng)構(gòu)造，提出了勵(lì)磁系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)。隨著科技水平的不斷提高，智能電網(wǎng)的不斷擴(kuò)展，抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)智能化的腳步將不斷前行。

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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(xiàn)在從事發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。