水電站數(shù)字化勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究

張世玲，胡 喆，虞曉昕

（1.中國電建集團(tuán)昆明勘測(cè)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）

近年來，國家電網(wǎng)已明確提出建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)，并大力發(fā)展水電、抽水蓄能等清潔能源項(xiàng)目。數(shù)字化變電站建設(shè)則是其中重要的組成部分。在國內(nèi)電網(wǎng)大力推廣已建設(shè)并運(yùn)行的數(shù)字化變電站[1]中，IEC-61850[2]通信標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用、完善也得到很大發(fā)展，變電站的數(shù)字化技術(shù)（滿足IEC-61850通信標(biāo)準(zhǔn)）已趨于成熟，變電站內(nèi)各類滿足該標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備均已投入運(yùn)行，設(shè)備性能安全穩(wěn)定，相關(guān)設(shè)備廠家也有了響應(yīng)特定需求的成熟產(chǎn)品，并具備研究開發(fā)新產(chǎn)品的實(shí)力，目前已具備建設(shè)數(shù)字化水電站的基礎(chǔ)。

1 數(shù)字化水電站勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

相對(duì)于數(shù)字化變電站，水電站領(lǐng)域則暫未出現(xiàn)完整且成熟的數(shù)字化解決方案。參考數(shù)字化變電站的設(shè)計(jì)方案，依據(jù)《DL/T 1547-2016智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則》[3-4]，基于“一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，符合IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)”的思路，數(shù)字化水電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為“過程層”、“單元層”、“站控層”，采用過程層網(wǎng)絡(luò)（GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)）、站控層網(wǎng)絡(luò)（MMS網(wǎng)）的3層2網(wǎng)結(jié)構(gòu)層次。數(shù)字化水電站的所有電氣設(shè)備均應(yīng)滿足IEC-61850通信規(guī)約。

勵(lì)磁系統(tǒng)[5]是水電站發(fā)電機(jī)的重要組成部分，它通常由勵(lì)磁功率單元、勵(lì)磁調(diào)節(jié)單元和滅磁單元3部分構(gòu)成，通過勵(lì)磁系統(tǒng)中的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對(duì)勵(lì)磁功率單元進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)無功功率和電壓的效果。勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)能夠滿足系統(tǒng)在正常和事故情況下的調(diào)節(jié)需要。在數(shù)字化水電站中，勵(lì)磁系統(tǒng)除完成水輪發(fā)電機(jī)組的開機(jī)、停機(jī)、增減無功功率、緊急停機(jī)等任務(wù)外，還應(yīng)能滿足IEC61850數(shù)據(jù)建模及通信功能，全面支持與站控層網(wǎng)（MMS網(wǎng)）、過程層網(wǎng)（GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)）兩網(wǎng)通信。同時(shí)，應(yīng)能接受監(jiān)控系統(tǒng)提供無功功率給定值，完成無功功率的閉環(huán)控制。

為滿足實(shí)際應(yīng)用需求，勵(lì)磁系統(tǒng)在邏輯上被劃分為許多個(gè)可以獨(dú)立訪問和處理的邏輯設(shè)備。勵(lì)磁系統(tǒng)裝置布置在數(shù)字化水電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的單元層，合并單元[6]、智能終端[7]、輔控單元等裝置或智能設(shè)備布置在過程層（圖1）。

圖1 數(shù)字化勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字化電站站控層的上位機(jī)滿足IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過MMS網(wǎng)將勵(lì)磁系統(tǒng)的信號(hào)上送監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)。

數(shù)字化勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)滿足可與GOOSE網(wǎng)及SV網(wǎng)交換機(jī)相連接，采集過程層的數(shù)據(jù)。

過程層的數(shù)字化則要求CT、PT及現(xiàn)地元件輸出的數(shù)據(jù)均為數(shù)字化形式，CT、PT與合并單元相連接（電子式互感器[8]通過光纜連接，電磁式互感器通過電纜連接），電流、電壓數(shù)據(jù)數(shù)字化后通過光纜與SV網(wǎng)交換機(jī)連接，現(xiàn)地元件則要求經(jīng)電纜連接至智能終端，將開關(guān)量或模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并經(jīng)光纜傳輸至GOOSE網(wǎng)交換機(jī)。

參考數(shù)字化變電站的設(shè)計(jì)模式，電流、電壓模擬量數(shù)據(jù)的傳輸方式有組網(wǎng)模式（網(wǎng)采）和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式（直采）兩種，基于最大化精簡(jiǎn)電纜或者光纖數(shù)量及利用網(wǎng)絡(luò)安全、快速、數(shù)據(jù)共享等的傳輸優(yōu)勢(shì)原則，本文推薦SV網(wǎng)采用組網(wǎng)模式進(jìn)行采樣。

2 水電站勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)字化具體實(shí)施方案

勵(lì)磁系統(tǒng)主要分3個(gè)部分：勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、功率單元以及滅磁單元。

功率單元主要輸入交流電源，通過接受調(diào)節(jié)器的控制量控制可控硅整流橋工作，最后對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路輸出勵(lì)磁電流，同時(shí)功率柜還向調(diào)節(jié)柜反饋其實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息。因功率柜大多布置與調(diào)節(jié)柜相鄰，且功率柜與外部數(shù)據(jù)交換很少，沒有進(jìn)行數(shù)字化的必要，功率單元與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器之間采用直連，通過硬接線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通信量包括：可控硅狀態(tài)監(jiān)視、快熔監(jiān)視、功率柜溫度、各橋臂電流監(jiān)視、風(fēng)機(jī)狀態(tài)、脈沖檢測(cè)等信息、啟停風(fēng)機(jī)等。

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)階段國內(nèi)外主流勵(lì)磁系統(tǒng)廠家的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，至今為止，電站勵(lì)磁系統(tǒng)行業(yè)中暫無實(shí)際投入運(yùn)行的成熟產(chǎn)品能支持IEC61850 GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)，勵(lì)磁產(chǎn)品由于勵(lì)磁滅磁柜及調(diào)節(jié)器技術(shù)發(fā)展的限制，暫無可全面支持IEC-61850標(biāo)準(zhǔn)的勵(lì)磁設(shè)備。針對(duì)勵(lì)磁設(shè)備現(xiàn)狀，為滿足數(shù)字化整體要求，如何實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)3個(gè)主要部分的數(shù)字化功能是整個(gè)實(shí)施方案的關(guān)鍵及技術(shù)重點(diǎn)、難點(diǎn)。

本文提出的數(shù)字化勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)施方案主要包含勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的數(shù)字化和滅磁單元的數(shù)字化2部分。

2.1 數(shù)字化勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字化勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的功能實(shí)現(xiàn)可以通過在調(diào)節(jié)器裝置背板上增加GOOSE插件、SV采樣插件的方式來實(shí)現(xiàn)GOOSE、SV采樣功能；也可以采用支持GOOSE、SV服務(wù)的智能控制板方式實(shí)現(xiàn)。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器需接收并處理發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、電流，勵(lì)磁電流等模擬量以及開機(jī)、停機(jī)、并網(wǎng)等開關(guān)量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的自動(dòng)控制、調(diào)節(jié)，同時(shí)向電站其他系統(tǒng)輸出勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息。

數(shù)字化勵(lì)磁調(diào)節(jié)器具體實(shí)現(xiàn)IEC61850服務(wù)和相關(guān)功能有如下幾點(diǎn)：

（1）電流、電壓信號(hào)的采集：PT、CT通過合并單元轉(zhuǎn)化為SV格式數(shù)據(jù)包，上送至SV網(wǎng)上，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器直接從SV網(wǎng)上采集電壓、電流數(shù)據(jù)。

（2）發(fā)電機(jī)出口斷路器GCB及系統(tǒng)側(cè)主變高壓側(cè)斷路器位置的采集：GCB及主變高壓側(cè)位置信號(hào)通過智能終端上送至GOOSE網(wǎng)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器從GOOSE網(wǎng)上獲取GCB和主變高壓側(cè)斷路器位置信號(hào)。

（3）與電站監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)的通信：監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)通過站控層MMS網(wǎng)直接下發(fā)無功功率給定值至勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)完成無功功率的閉環(huán)控制；勵(lì)磁系統(tǒng)計(jì)算當(dāng)前的無功功率，將所有的信號(hào)通過站控層MMS網(wǎng)上送至監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)。當(dāng)上位機(jī)故障時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)將自動(dòng)切換至機(jī)端電壓閉環(huán)模式，維持住當(dāng)前的機(jī)端電壓；同時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)將所有的信號(hào)通過GOOSE網(wǎng)轉(zhuǎn)送機(jī)組LCU。

（4）與機(jī)組LCU的通信：機(jī)組LCU對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制信號(hào)（開機(jī)、停機(jī)等）通過GOOSE網(wǎng)發(fā)至勵(lì)磁系統(tǒng)，同時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)將無功功率及重要的故障信號(hào)通過GOOSE網(wǎng)送至機(jī)組LCU。

（5）與機(jī)組同期裝置的通信：機(jī)組同期裝置的調(diào)壓命令通過GOOSE網(wǎng)發(fā)至勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。

為了實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的PSS功能，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)能準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)電機(jī)的頻率（轉(zhuǎn)速）。在測(cè)頻方式上，為了達(dá)到盡可能高的精度，一般都是采用FPGA測(cè)頻方式。在測(cè)頻信號(hào)的來源選擇上，有兩種方式，即機(jī)端電壓測(cè)頻和同步電壓測(cè)頻。

2.2 數(shù)字化滅磁柜的實(shí)現(xiàn)

滅磁及過電壓保護(hù)柜主要接收調(diào)節(jié)器投切起勵(lì)電源命令，滅磁開關(guān)的分合閘命令，以及實(shí)現(xiàn)滅磁及過電壓保護(hù)等功能。它需要對(duì)外輸出發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子電壓信號(hào)，滅磁開關(guān)位置等信息，同時(shí)還需要向調(diào)節(jié)柜反饋滅磁柜的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

滅磁柜可以使用合并單元+智能終端的合智一體裝置，通過GOOSE網(wǎng)傳輸滅磁開關(guān)位置狀態(tài)信號(hào)和控制滅磁開關(guān)分/合閘命令；該裝置可以采集轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流，經(jīng)同步和重采樣等處理后通過GOOSE網(wǎng)送給發(fā)電機(jī)保護(hù)、發(fā)變組故障錄波等設(shè)備，通過GOOSE網(wǎng)上送轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓信息；該裝置通過GOOSE網(wǎng)接收發(fā)電機(jī)保護(hù)或機(jī)組LCU的分合滅磁開關(guān)命令，對(duì)滅磁開關(guān)分合閘線圈進(jìn)行操控；同時(shí)滅磁開關(guān)的分合閘狀態(tài)信號(hào)經(jīng)合智一體裝置采集后經(jīng)GOOSE網(wǎng)上送給監(jiān)控系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)。

勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁柜和調(diào)節(jié)柜一般就近統(tǒng)一布置。滅磁柜通過電纜與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器相連，滅磁柜的狀態(tài)、故障信號(hào)由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器統(tǒng)一收集后經(jīng)站控層MMS網(wǎng)上送計(jì)算機(jī)監(jiān)控上位機(jī)系統(tǒng)。

2.3 傳統(tǒng)勵(lì)磁與數(shù)字化勵(lì)磁采集方式區(qū)別

數(shù)字化與傳統(tǒng)水電站勵(lì)磁系統(tǒng)模擬量信號(hào)采集方式對(duì)比見表1。

表1 采集方式對(duì)比

由表1所述可知：在數(shù)字化電站中，一次設(shè)備和勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備之間直接通過光纖連接，代替了傳統(tǒng)水電站中大量采用的電力電纜，數(shù)字化水電站各系統(tǒng)間采用通信方式傳輸信息，通信系統(tǒng)在傳輸有效信息的同時(shí)傳輸信息校驗(yàn)碼和通道自檢信息，一方面杜絕誤傳信號(hào)，另一方面在通信系統(tǒng)故障時(shí)可及時(shí)告警。在數(shù)字化電站中，可以采用微機(jī)處理和光纖數(shù)字通信優(yōu)化電站層和間隔層的功能配置，控制和運(yùn)行支持系統(tǒng)通過局域網(wǎng)彼此互相連接，共享數(shù)據(jù)信息，簡(jiǎn)化單個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)保持各個(gè)系統(tǒng)的相對(duì)性。

3 結(jié)論

通過對(duì)水電站中勵(lì)磁系統(tǒng)的功能和IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求的比較分析，可以看出：目前勵(lì)磁系統(tǒng)已具備與站控層之間的IEC61850中MMS網(wǎng)通信能力，并且已經(jīng)在已投運(yùn)的電站中得到實(shí)踐檢驗(yàn)，過程層GOOSE/SV網(wǎng)的通信功能已經(jīng)具備，但還未實(shí)際應(yīng)用，具備完全功能的數(shù)字化勵(lì)磁裝置其性能和應(yīng)用效果還有待在今后的實(shí)際工程應(yīng)用中予以檢驗(yàn)。

具備數(shù)字化功能的勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)品，首先應(yīng)能保證甚至提高勵(lì)磁各方面性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)滿足IEC-61850通信標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化信息交互需求。在數(shù)字化勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以大大減少二次電纜的用量，減小電站運(yùn)營維護(hù)工作難度，簡(jiǎn)化二次回路，增強(qiáng)電氣回路抗干擾性能，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化水電站“信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化”特征，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化水電站“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合的整體建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。