豐滿水電站智能開(kāi)關(guān)設(shè)備配置方案

王承堯， 賈文超

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012;2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

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豐滿水電站智能開(kāi)關(guān)設(shè)備配置方案

王承堯1，2， 賈文超1*

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012;2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

結(jié)合豐滿水電站特點(diǎn)，提出了3種智能設(shè)備配置總體方案，并進(jìn)行了對(duì)比分析。針對(duì)首選的兩種配置方案給出了詳盡的開(kāi)關(guān)設(shè)備配置設(shè)計(jì)方案。

水電站； 開(kāi)關(guān)設(shè)備； 配置方案

0 引 言

隨著我國(guó)超大容量發(fā)電機(jī)組的不斷投入和使用，發(fā)電機(jī)機(jī)組的控制和操作復(fù)雜程度也越來(lái)越高。由于國(guó)內(nèi)水電廠使用的通信規(guī)則種類繁雜因素的影響，各自動(dòng)化系統(tǒng)相互之間的信息很難準(zhǔn)確的采集、處理以及傳輸。同時(shí)，大多數(shù)水電站內(nèi)的信號(hào)類型為模擬信號(hào)，在運(yùn)行過(guò)程中很容易受到電磁的干擾，水電廠的安全正常運(yùn)行并不能得到很好的保證[1]。系統(tǒng)的要求已漸漸超出傳統(tǒng)的控制設(shè)備及廠級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)的能力范圍，需利用先進(jìn)的智能元件和設(shè)備實(shí)現(xiàn)電廠信息數(shù)字化，并通過(guò)分散分布式網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)水電廠信息網(wǎng)絡(luò)中信息快速、準(zhǔn)確的交互和共享，為發(fā)電機(jī)機(jī)組的安全操作和控制以及正常的運(yùn)行提供快速、可靠、全面的數(shù)據(jù)支撐[2]。因此，智能化水電廠的設(shè)計(jì)與建設(shè)將是我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要課題。

文中查閱相關(guān)國(guó)家規(guī)范及工程資料，針對(duì)豐滿水電站工程條件和特點(diǎn)，提出豐滿水電站智能一次開(kāi)關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)方案。

1 智能設(shè)備的定義及現(xiàn)狀

1.1 智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的定義

智能設(shè)備是智能電站的重要組成部分，也是體現(xiàn)其“智能化”特征的主要標(biāo)志之一。智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備應(yīng)具有先進(jìn)性，其中還包含電子設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器等相關(guān)功能單元模塊，需包含開(kāi)關(guān)設(shè)備的基本功能和附加功能，監(jiān)測(cè)和診斷方面必不可少[3]。高壓設(shè)備與相關(guān)智能單元的有機(jī)結(jié)合體，智能組件包含測(cè)量數(shù)字化、狀態(tài)可視化以及信息互動(dòng)化等特征，具備測(cè)量、保護(hù)以及檢測(cè)等全部或部分功能的設(shè)備組件；同時(shí)，高壓設(shè)備通過(guò)附加智能組件組成智能設(shè)備，智能組件的重要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷宿主設(shè)備狀態(tài)，將診斷和檢測(cè)的信息轉(zhuǎn)化成可被智能電網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)識(shí)別的狀態(tài)描述語(yǔ)言，并廣播設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)，智能組件可設(shè)計(jì)規(guī)劃宿主設(shè)備相關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)對(duì)設(shè)備的可觀測(cè)，為電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行提供信息支撐。

1.2 智能設(shè)備現(xiàn)狀

智能開(kāi)關(guān)設(shè)備主要的實(shí)現(xiàn)方式有3種：

1)由一次設(shè)備機(jī)構(gòu)、智能單元和監(jiān)測(cè)單元組成；

2)由一次設(shè)備機(jī)構(gòu)和智能單元兼監(jiān)測(cè)單元組成；

3)由一次設(shè)備機(jī)構(gòu)集成智能單元和監(jiān)測(cè)單元組成[4]。

目前，國(guó)際上對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行智能化研究的廠商主要包括ABB、西門子以及阿?，m等，國(guó)內(nèi)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(shí)際應(yīng)用主要引用智能單元更新現(xiàn)有方案。目前，智能單元通常由二次設(shè)備廠家研發(fā)，與一次設(shè)備通過(guò)傳統(tǒng)電纜連接，與保護(hù)、測(cè)控等二次設(shè)備通過(guò)光纜連接。同時(shí)，通過(guò)面向通用對(duì)象的變電站事件(Generic Object Oriented Substation Event， GOOSE)報(bào)文將一次設(shè)備的本體狀態(tài)信息傳輸出去，并接收來(lái)自分合閘GOOSE下行控制命令[5]。

2 智能開(kāi)關(guān)設(shè)備配置方案

豐滿水電站以500 kV一級(jí)電壓接入系統(tǒng)，一回出線至新建的500 kV吉林南變電所。采用3組擴(kuò)大單元接線作為本電站的發(fā)電機(jī)與變壓器的組合方式，發(fā)電機(jī)出口安裝發(fā)電機(jī)出口斷路器，500 kV側(cè)接線采用單母線帶跨條接線，設(shè)備采用GIS[6]。根據(jù)豐滿水電站一次設(shè)備布置特點(diǎn)，提出各電壓等級(jí)智能開(kāi)關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)方案如下：

方案1：機(jī)構(gòu)執(zhí)行器和機(jī)電控制回路不變，按中間隔段方式設(shè)置智能單元部分以及在線監(jiān)測(cè)單元部分，同時(shí)分散安裝于各斷路器匯控柜，如圖1所示。

圖1 智能開(kāi)關(guān)設(shè)備配置方案1示意圖

方案2：機(jī)構(gòu)執(zhí)行器和機(jī)電控制回路不變，按中間隔段方式設(shè)置智能單元，同時(shí)分散安裝于各斷路器匯控柜中,如圖2所示。

圖2 智能開(kāi)關(guān)設(shè)備配置方案2示意圖

方案3：在機(jī)構(gòu)執(zhí)行器不變的情況下，取消機(jī)電控制回路，將智能單元和開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)集成化，機(jī)電控制回路功能由智能單元實(shí)現(xiàn)，智能單元包含在線監(jiān)測(cè)功能，形成其智能機(jī)構(gòu),如圖3所示。

圖3 智能開(kāi)關(guān)設(shè)備配置方案3示意圖

3 配置方案對(duì)比分析

方案1和方案2的一次設(shè)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(jiǎn)單的同時(shí)保持了高度的可靠性。主要體現(xiàn)在不使用間隔之間的橫向聯(lián)絡(luò)電纜的情況下，可以做到讓機(jī)構(gòu)機(jī)電控制回路(或者電氣一次設(shè)備本體結(jié)構(gòu))沒(méi)有任何改變，這樣的前提是在間隔內(nèi)仍然存在少量的電纜接線。但是方案1的開(kāi)關(guān)在線監(jiān)測(cè)單元要求單獨(dú)構(gòu)造，而對(duì)于整個(gè)電站來(lái)說(shuō)添加幾十臺(tái)的在線監(jiān)測(cè)單元是解決問(wèn)題的方法。

開(kāi)關(guān)量(DI)以及模擬量(AI)的收集能力是智能單元的特點(diǎn)，同時(shí)這兩個(gè)量又是在線監(jiān)測(cè)單元要收集的信息，當(dāng)然通常要依照工程的要求變動(dòng)信號(hào)點(diǎn)數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化傳感器輸出，轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓量或者4～20 mA 電流量就是對(duì)模擬量輸出的規(guī)范化。對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備工作時(shí)的工況信息進(jìn)行同步收集可以通過(guò)小部分的改動(dòng)，使用智能單元實(shí)現(xiàn)。因此，方案2的經(jīng)濟(jì)性要比方案1的經(jīng)濟(jì)性高[7-8]。

應(yīng)用智能機(jī)構(gòu)替代由繼電器和電氣接點(diǎn)搭接構(gòu)成的機(jī)電控制回路形成了方案3，智能機(jī)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)的監(jiān)測(cè)、控制，并以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字接口與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互通信。方案3優(yōu)點(diǎn)如下：

1)減弱了控制回路的開(kāi)關(guān)設(shè)備導(dǎo)致的故障概率；

2)生產(chǎn)商在產(chǎn)品使用前對(duì)其進(jìn)行調(diào)試與連接，節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)接線時(shí)間；

3)設(shè)備的維修及檢查很方便，停電過(guò)程縮短。通過(guò)智能單元的替換實(shí)現(xiàn)設(shè)備的工作運(yùn)行正常，這樣就能離線檢測(cè)替換下的智能單元。

通過(guò)以上的分析比較，方案2和方案3的開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化均適合豐滿水電站工程，在一次設(shè)備提供商給出適用的智能機(jī)構(gòu)產(chǎn)品時(shí)，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(shè)備。匯控柜里要設(shè)計(jì)兩份智能單元模塊，一起操作間隔內(nèi)的功能單元，做到在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(允許單獨(dú)一份智能單元收集)的收集，前提是機(jī)構(gòu)執(zhí)行器，同本身的機(jī)電控制回路不變的情況下實(shí)現(xiàn)的。

2)發(fā)電機(jī)出口斷路器裝置設(shè)備。設(shè)備配置清單見(jiàn)表1。

表1 方案2配置清單

4.2 方案3配置

數(shù)字化傳輸是通過(guò)建立智能單元，縮短一、二次設(shè)備間遠(yuǎn)程的電纜，同時(shí)借助GIS的機(jī)構(gòu)內(nèi)嵌智能單元技術(shù)來(lái)達(dá)成的。對(duì)于GIS間隔中的每個(gè)機(jī)構(gòu)的電纜數(shù)目一定同時(shí)相距較近，憑借智能單元達(dá)到數(shù)字化傳輸?shù)囊饬x不大，與此同時(shí)全部的開(kāi)關(guān)設(shè)備機(jī)構(gòu)都要內(nèi)嵌智能單元，這樣就造成整個(gè)電站的智能單元規(guī)模大大提高(相對(duì)方案2來(lái)說(shuō))，依據(jù)目前智能單元價(jià)格頗高，造成成本提高的同時(shí)形成大面積電磁干擾的問(wèn)題，只有當(dāng)在線監(jiān)測(cè)的智能機(jī)構(gòu)造價(jià)達(dá)到一定低的水準(zhǔn)，同時(shí)做到抗電磁干擾時(shí)，開(kāi)關(guān)設(shè)備全部使用單個(gè)的智能機(jī)構(gòu)才有可能實(shí)現(xiàn)。

GIS間隔內(nèi)全部開(kāi)關(guān)設(shè)備機(jī)構(gòu)不必要做數(shù)字化傳輸。500 kV GIS的全部開(kāi)關(guān)設(shè)備都分別有單獨(dú)的廠家供應(yīng)，一個(gè)間隔內(nèi)的全部設(shè)備構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的個(gè)體，并且單獨(dú)一個(gè)智能單元操縱著間隔內(nèi)全部的開(kāi)關(guān)設(shè)備機(jī)構(gòu)執(zhí)行器，可看做間隔整體性的智能機(jī)構(gòu)理論。這樣更好地結(jié)合了GIS的特點(diǎn)，更加符合操作運(yùn)行習(xí)慣。

根據(jù)市場(chǎng)供給狀態(tài)、經(jīng)濟(jì)性和抗干擾能力,同時(shí)依據(jù)GIS和發(fā)電機(jī)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(jī)構(gòu)的概念,具體配置如下：

1)500 kV GIS設(shè)備。

在使用原機(jī)構(gòu)執(zhí)行器的情況下，不采用機(jī)電控制回路，依據(jù)間隔于匯控柜里構(gòu)造兩份智能單元，其用來(lái)重新調(diào)配本來(lái)的機(jī)電控制回路的作用，組合為集成智能機(jī)構(gòu)，一套智能單元收集數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。

2)15.75 kV發(fā)電機(jī)斷路器裝置設(shè)備。

在使用原機(jī)構(gòu)執(zhí)行器的情況下，不采用機(jī)電控制回路，在匯控柜內(nèi)設(shè)置兩套智能單元，用來(lái)重新調(diào)配本來(lái)的機(jī)電控制回路的作用，組合為集成智能機(jī)構(gòu)。設(shè)備配置清單見(jiàn)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(kāi)關(guān)設(shè)備智能化配置方案一樣，都是根據(jù)主變本體添加智能單元達(dá)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(hào)，同時(shí)采集了主變油色譜采集器給出的油色譜監(jiān)測(cè)信號(hào)，通過(guò)數(shù)字化計(jì)算分析得到GOOSE(MMS)報(bào)文格式傳遞上去。再采集源于二次設(shè)備的下行控制命令，操縱風(fēng)扇的開(kāi)啟和停止等。通過(guò)控制電纜直跳方式實(shí)現(xiàn)重瓦斯保護(hù)跳閘，通過(guò)GOOSE方式實(shí)現(xiàn)其余非電量保護(hù)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(diào)配主變風(fēng)冷控制功能，依照收集到的溫度量等權(quán)重立馬操縱風(fēng)扇的開(kāi)啟和停止，否定了主變本體通過(guò)電氣接點(diǎn)、繼電器等構(gòu)造的風(fēng)冷控制回路。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)豐滿水電站智能開(kāi)關(guān)設(shè)備配置方案的對(duì)比分析，給出了豐滿水電站智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的兩種優(yōu)選配置方案。文中提出的配置方案可進(jìn)一步推進(jìn)水電廠建設(shè)的智能化水平，同時(shí)可使水電廠建設(shè)總造價(jià)得到有效的降低。

[1] 王曉峰，黃紹鋒.水電廠自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)的技術(shù)探討[J].城市建設(shè)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(shù)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2013,36(3)：1-8.

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

[4] 王杰.智能水電廠的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)時(shí)代，2014(20)：25-28.

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[8] 張愛(ài)梅,江加和.基于相互通信的多導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)[J].應(yīng)用科技,2015(2):33-38.

[9] 饒志波.基于網(wǎng)絡(luò)的小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].重慶：重慶大學(xué)，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(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事發(fā)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(nóng)安人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事電力變換、電力節(jié)能、計(jì)算機(jī)控制方向研究,E-mail:jiawenchao@ccut.edu.cn.

TM 727.2

A

1674-1374(2017)01-0089-04