故障錄波器數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)在核電廠的應(yīng)用研究

屈龍騰，范振中，李沛興

（1.中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 355100；2.中國(guó)核電工程有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

核電廠是一種以核反應(yīng)為熱力源的熱電廠，核能發(fā)電是利用反應(yīng)堆中核燃料裂變產(chǎn)生熱量，使核能轉(zhuǎn)換為熱能來(lái)加熱水產(chǎn)生蒸汽，利用蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。核電站屬于高效率的能源建設(shè)，是替代化石能源的清潔能源之一，能量密度遠(yuǎn)高于太陽(yáng)能和風(fēng)能等形式，并且沒(méi)有水電占地和大量移民的問(wèn)題[1]，對(duì)于溫室氣體和二氧化碳的排放幾乎為零。隨著社會(huì)發(fā)展，我國(guó)的用電總量在逐年增加，發(fā)電廠電力供應(yīng)的壓力越來(lái)越大，效率更高的核電廠相對(duì)于其他傳統(tǒng)以化石能源為熱力源的發(fā)電廠有著極為明顯的優(yōu)勢(shì)，但是核電站建設(shè)成本高昂，技術(shù)需求高，養(yǎng)護(hù)成本也高。在控制良好且周邊緊急應(yīng)對(duì)系統(tǒng)完善的情況下，核電站是相當(dāng)安全的設(shè)施，但是一旦核電廠發(fā)生重大核事故時(shí)，便會(huì)對(duì)周圍環(huán)境，居民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大地威脅，以及國(guó)家各方面的損失。因此必須對(duì)核電設(shè)施以及電力系統(tǒng)是否正常運(yùn)行進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，電力系統(tǒng)故障點(diǎn)，提出解決方案并處理，以保證核電站正常、安全地運(yùn)行。故障錄波器是電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能夠自動(dòng)地、準(zhǔn)確地記錄故障前、后過(guò)程的各種電器量變化的一種裝置。正常情況下不啟動(dòng)，發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行錄波，并記錄故障前后全過(guò)程的電壓、電流、功率變化以及繼電保護(hù)動(dòng)作情況，從而供運(yùn)行監(jiān)視人員分析處理事故、判斷保護(hù)是否正確動(dòng)作提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)其記錄的參數(shù)不僅能保存在軟盤中，而且可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)機(jī)通信接口，將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至調(diào)度部門，為調(diào)度部門分析處理事故、提高運(yùn)行水平及繼電保護(hù)裝置動(dòng)作統(tǒng)計(jì)、評(píng)價(jià)提供依據(jù)。將故障錄波器的數(shù)據(jù)積累下來(lái)，能夠加強(qiáng)對(duì)電力系統(tǒng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，提高核電廠電力系統(tǒng)的運(yùn)行水平，提高核電廠的安全性。隨著故障錄波器的數(shù)據(jù)積累以及存在能夠及時(shí)地獲取故障數(shù)據(jù)以便及時(shí)排除核電廠運(yùn)行中的故障，隱患的需求，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集變得十分重要。因此，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)的應(yīng)用可以有效地解決故障錄波器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞與積累的問(wèn)題。

1 故障錄波器

1.1 故障錄波器的結(jié)構(gòu)和工作原理

故障錄波器是記錄和儲(chǔ)存電力系統(tǒng)中的電壓、電流、功率變化以及繼電保護(hù)動(dòng)作情況的自動(dòng)記錄儲(chǔ)存裝置。通過(guò)監(jiān)視和記錄系統(tǒng)中電壓、電流、相位、功率、功率因數(shù)、諧波、不平衡及繼電保護(hù)動(dòng)作情況來(lái)對(duì)系統(tǒng)中發(fā)生的故障事件生成故障波形，儲(chǔ)存并發(fā)送至調(diào)度部門，通過(guò)分析軟件的處理對(duì)波形進(jìn)行計(jì)算和分析，從而對(duì)故障發(fā)生點(diǎn)的距離、性質(zhì)、嚴(yán)重程度進(jìn)行準(zhǔn)確地判斷[2]。

故障錄波器可以采用上位機(jī)（后臺(tái)工控機(jī)）和下位機(jī)（錄波采集模塊）組屏構(gòu)成，上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接[3]。一種故障錄波器整體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

1.2 故障錄波器的作用

故障錄波器在核電廠中的作用有以下3種。第一種為監(jiān)測(cè)、記錄220kV主電源系統(tǒng)母線電壓、線路電壓和電流、發(fā)變組高壓側(cè)電壓和電流，線路保護(hù)裝置、母線保護(hù)裝置、斷路器保護(hù)裝置、短引線保護(hù)裝置等的動(dòng)作告警信號(hào)，主開(kāi)關(guān)站開(kāi)關(guān)變位信號(hào)等[4]。在系統(tǒng)故障時(shí)快速啟動(dòng)，在系統(tǒng)振蕩時(shí)，亦應(yīng)可靠啟動(dòng)，可以分析電力系統(tǒng)事故及繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置在事故過(guò)程中的動(dòng)作情況，為迅速判定故障點(diǎn)位置以及對(duì)故障事件進(jìn)行順序記錄；第二種情況為監(jiān)測(cè)、記錄220kV輔助電源系統(tǒng)母線電壓、線路電壓和電流、輔助變高壓側(cè)電壓和電流，220kV線路保護(hù)裝置、母線保護(hù)裝置、母聯(lián)保護(hù)裝置等的動(dòng)作告警信號(hào)，輔助開(kāi)關(guān)站開(kāi)關(guān)變位信號(hào)等。在系統(tǒng)故障時(shí)快速啟動(dòng)，在系統(tǒng)振蕩時(shí)，亦應(yīng)可靠啟動(dòng)，可以分析電力系統(tǒng)事故及繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置在事故過(guò)程中的動(dòng)作情況，為迅速判定故障點(diǎn)位置以及對(duì)故障事件進(jìn)行順序記錄；第三種情況為記錄發(fā)變組保護(hù)裝置、10kV進(jìn)線柜的保護(hù)裝置及輔助變保護(hù)裝置等的啟動(dòng)信號(hào)是否異常，在出現(xiàn)異常時(shí)準(zhǔn)確完整的記錄故障波形，以備事后分析故障事故時(shí)能準(zhǔn)確無(wú)誤的提供波形數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)是一種通信裝置。實(shí)現(xiàn)智能核電廠與調(diào)度、生產(chǎn)等主站系統(tǒng)之間的通信，為主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息查詢、智能監(jiān)視控制和遠(yuǎn)程瀏覽等功能提供模型、數(shù)據(jù)和圖形的傳輸服務(wù)。智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)控主機(jī)，操作員站，工程師工作站，I區(qū)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)機(jī)，II區(qū)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)機(jī)，III/IV區(qū)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)機(jī)，綜合應(yīng)用服務(wù)器等[5]。II區(qū)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)機(jī)基于圖形網(wǎng)關(guān)機(jī)的遠(yuǎn)程瀏覽方式，實(shí)現(xiàn)調(diào)控中心與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)圖形和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換，實(shí)現(xiàn)告警信號(hào)直傳、遠(yuǎn)程圖像瀏覽功能[6]。故障錄波主站部署于電網(wǎng)調(diào)度端，變電站內(nèi)所有錄波器通過(guò)安全I(xiàn)I區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)和故障錄波主站進(jìn)行通信[7-8]。廠站端故障錄波(II區(qū))數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)接受故障錄波器組網(wǎng)后的信息。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)作為廠站內(nèi)統(tǒng)一數(shù)據(jù)出口與調(diào)度端進(jìn)行通信，增加廠站端的安全可靠性[9]，更利于調(diào)度對(duì)廠站端設(shè)備及數(shù)據(jù)信息的管理。網(wǎng)關(guān)機(jī)架構(gòu)圖如圖2所示。

3 故障錄波器通信網(wǎng)關(guān)機(jī)的應(yīng)用

隨著核電站調(diào)控一體化運(yùn)行模式的不斷推進(jìn)，“大檢修”和“大運(yùn)行”體系建設(shè)的不斷深化，核電站能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地掌握故障信息和繼電保護(hù)動(dòng)作信息，判斷故障情況，對(duì)核電站電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，快速恢復(fù)供電都具有重要的意義。故障錄波器數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)實(shí)現(xiàn)了故障錄波數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至調(diào)度控制中心，為調(diào)度值班員及繼電保護(hù)專業(yè)人員提供了故障分析與故障處理的第一手資料，提高了調(diào)度部門處理電力系統(tǒng)事故的快速反應(yīng)能力。

為了實(shí)現(xiàn)核電廠主站調(diào)度中心對(duì)變電站故障錄波器數(shù)據(jù)的傳輸與獲取，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的安全狀態(tài)監(jiān)控，使用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。

首先由故障錄波器獲取并記錄電力系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)，通過(guò)故障錄波器和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)的交互獲取故障信息，再由數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)遠(yuǎn)傳至調(diào)度控制中心，如圖3所示。

在設(shè)備不明原因跳閘后，通過(guò)對(duì)故障錄波器準(zhǔn)確完整記錄的波形進(jìn)行分析，判斷保護(hù)裝置的啟動(dòng)信號(hào)是否異常、故障發(fā)展過(guò)程和故障類型，以便能迅速排除故障和制定維修對(duì)策，及時(shí)采取維修策略，縮短停機(jī)時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)由于繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)造成無(wú)故障跳閘或系統(tǒng)有故障但保護(hù)裝置拒動(dòng)時(shí)，就要利用故障錄波器中記錄的開(kāi)關(guān)量動(dòng)作情況來(lái)判斷保護(hù)的動(dòng)作是否正確，并可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況得出有問(wèn)題的部分，對(duì)于比較復(fù)雜的故障可以通過(guò)記錄下來(lái)的模擬量和開(kāi)關(guān)量對(duì)故障量進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)保護(hù)進(jìn)行定量考核，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，揭示電力系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。同時(shí)可以將每次故障錄波器記錄的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，積累第一手原始材料，不斷加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，不斷提高系統(tǒng)運(yùn)行水平。

通過(guò)故障錄波器通信網(wǎng)關(guān)機(jī)的應(yīng)用，將故障數(shù)據(jù)上傳到調(diào)度控制中心，調(diào)度控制中心采集數(shù)據(jù)，并且實(shí)現(xiàn)站內(nèi)故障錄波數(shù)據(jù)的分析與處理，既可以方便調(diào)度端以一站一單元（IP）的方式日常管理，又在發(fā)生復(fù)雜故障時(shí)，可以根據(jù)分析處理結(jié)果迅速準(zhǔn)確的判斷故障情況，這種通過(guò)典型波形來(lái)確定故障性質(zhì)是一種快捷、便利的方法，為事故處理、恢復(fù)供電爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間，切實(shí)保證了核電站電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為事故處理提供了有力依據(jù)[9]。通過(guò)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與上傳到控制調(diào)度中心，可以在調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及可視化展示。對(duì)數(shù)據(jù)的后期處理之后，可以描繪出故障出現(xiàn)的歷史曲線，對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的安全性進(jìn)行評(píng)估，減少核電廠的安全風(fēng)險(xiǎn)[10]。

4 結(jié)論

隨著核電廠自動(dòng)化程度的逐漸加強(qiáng)，為了能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及對(duì)故障的及時(shí)處理，故障錄波器記錄的數(shù)據(jù)需要能夠及時(shí)上傳到調(diào)度控制中心，并且儲(chǔ)存下來(lái)。通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)的應(yīng)用，可以將不同廠家的故障錄波器設(shè)備的錄波數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理并上傳到控制調(diào)度中心，方便調(diào)度以一站一單元（IP）的方式管理?？刂普{(diào)度中心對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析能夠迅速的分析并找到故障的原因，并對(duì)故障進(jìn)行處理，以保證核電廠的安全運(yùn)作；對(duì)歷史數(shù)據(jù)非實(shí)時(shí)分析，可以為故障原因以及優(yōu)化故障處理對(duì)策提供科學(xué)依據(jù)及高效管理方案。對(duì)于有極高安全要求的核電廠來(lái)說(shuō)故障錄波器數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)有極高的應(yīng)用價(jià)值。