葛洲壩電站勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 超，武永恒，楊京廣

(葛洲壩水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443002)

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著電壓控制、無(wú)功分配及提高同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行穩(wěn)定性等任務(wù)，是同步發(fā)電機(jī)極其重要的組成部分[1]。因而，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)新技術(shù)的研究和應(yīng)用一直是電力行業(yè)工作者不變的課題[2]。隨著電力生產(chǎn)行業(yè)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，勵(lì)磁系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)也在不斷革新。葛洲壩電站使用到的勵(lì)磁系統(tǒng)狀態(tài)信息在線監(jiān)測(cè)及管理技術(shù)，可以采集并匯總勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)信息，可控硅整流橋主要元件電流、電壓及溫度信息，滅磁設(shè)備滅磁信息以及其他相關(guān)設(shè)備工作信息，全面反映勵(lì)磁設(shè)備工作狀態(tài)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)評(píng)估[3]。但是，每個(gè)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)都是相互獨(dú)立的，需要工作人員到設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)查看，才能得到系統(tǒng)評(píng)估信息和相關(guān)數(shù)據(jù)，是非常不方便與不及時(shí)的，因而十分有必要設(shè)計(jì)一套信息系統(tǒng)，針對(duì)全廠21臺(tái)發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、在線診斷，并上傳至用戶(hù)端進(jìn)行畫(huà)面展示,從而減少勵(lì)磁設(shè)備維護(hù)成本，提高生產(chǎn)效率，推進(jìn)葛洲壩智慧樞紐建設(shè)。

1 勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)有三層結(jié)構(gòu)，包括現(xiàn)地層、應(yīng)用層以及用戶(hù)端，主要由現(xiàn)地勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)裝置、通訊裝置、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、管理服務(wù)器、工作站、打印機(jī)組成。現(xiàn)地勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)裝置主要采集勵(lì)磁系統(tǒng)全部信息，通過(guò)通訊裝置傳輸至主干網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)并保存，再由管理服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、在線診斷，并將結(jié)果遠(yuǎn)程傳輸至用戶(hù)端進(jìn)行畫(huà)面展示。工作站的作用可以在應(yīng)用層對(duì)整個(gè)勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、升級(jí)，同時(shí)也能進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、勵(lì)磁系統(tǒng)信息畫(huà)面展示、錄波文件、報(bào)表文件生成及拷貝。打印機(jī)可以打印報(bào)表文件、錄波文件等。具體的勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)需要采集的機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)信息包括勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模擬量信號(hào)、狀態(tài)量信號(hào)，整流柜模擬量信號(hào)、狀態(tài)量信號(hào)，滅磁柜模擬量信號(hào)、狀態(tài)量信號(hào)，以及勵(lì)磁系統(tǒng)定值。

其中，勵(lì)磁系統(tǒng)的模擬量信號(hào)和狀態(tài)量信號(hào)要求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、匯總、存儲(chǔ)并分析。在2004年，季坤做了WAMS系統(tǒng)中PMU通訊方式的研究[4]。通過(guò)應(yīng)用WAMS系統(tǒng)中的PMU通訊方式，勵(lì)磁系統(tǒng)中的模擬量信號(hào)和狀態(tài)量信號(hào)可以依靠GPS的高精度授時(shí)能力，使得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得，保持了高度的可信度和精度，數(shù)據(jù)同步性極高，真實(shí)反映機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)中，PMU通訊的應(yīng)用，可以完成PMU通訊鏈路下的勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、離線文件召喚、重要通信報(bào)文記錄、PMU運(yùn)行管理與統(tǒng)計(jì)、事項(xiàng)告警、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互等功能。

另外，當(dāng)勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)需要對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行故障分析和在線診斷時(shí)，需要調(diào)用勵(lì)磁系統(tǒng)定值，定值的傳輸要求準(zhǔn)確無(wú)誤，必須確保不丟失，不缺項(xiàng)，完整正確。在2004年，孟祥萍對(duì)IEC60870-5-103規(guī)約進(jìn)行了分析并做了應(yīng)用，并提到了IEC60870-5-103規(guī)約是用于控制系統(tǒng)與繼電保護(hù)設(shè)備信息交換中的繼電保護(hù)設(shè)備的信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)，大大提高了繼電保護(hù)設(shè)備的安全性[5]。繼電保護(hù)設(shè)備的安全等級(jí)和勵(lì)磁系統(tǒng)是同級(jí)別的，因而，勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)使用IEC60870-5-103規(guī)約進(jìn)行定值得傳輸是非常合適的。勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)中，103通信規(guī)約的應(yīng)用，主要完成103鏈路下的勵(lì)磁系統(tǒng)的模型召喚、事件告警、操作日志、定值召喚、錄波文件召喚等功能。

3 勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)基本功能設(shè)計(jì)

1)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理。因?yàn)閯?lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)采集到的各類(lèi)數(shù)據(jù)必須長(zhǎng)久保存，因而需要數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，并支持主流的商用數(shù)據(jù)庫(kù)，如Oracle，MySQL等。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)分類(lèi)管理，調(diào)用等功能，同時(shí)也是勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)在線診斷功能應(yīng)用的基礎(chǔ)。

2)畫(huà)面展示。勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)具備常用的繪圖工具、高級(jí)圖形組件、圖形編輯功能、動(dòng)畫(huà)驅(qū)動(dòng)配置和事件響應(yīng)功能，用來(lái)實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)畫(huà)面展示功能。畫(huà)面展示分為主畫(huà)面和分畫(huà)面，主畫(huà)面包括機(jī)組編號(hào)、運(yùn)行狀態(tài)信息、告警信息、故障信息、操作日志記錄、機(jī)組模擬量信號(hào)、機(jī)組狀態(tài)量信號(hào)，分畫(huà)面包括勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜信息、整流柜信息、滅磁柜信息。畫(huà)面可以在工作站和用戶(hù)端展示，并遠(yuǎn)程控制機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。

3)錄波。勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)具備錄波功能。錄波功能可手動(dòng)啟動(dòng)，也可自動(dòng)啟動(dòng)。自動(dòng)啟動(dòng)方式有：①機(jī)組接到開(kāi)、停機(jī)命令；②滅磁開(kāi)關(guān)跳閘；③轉(zhuǎn)子電壓突變；④轉(zhuǎn)子電流大于1.3倍的額定值；⑤與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通信故障[6]。錄到的波形，可以存儲(chǔ)也可以拷貝，并具備波形比對(duì)、統(tǒng)計(jì)、分析等功能，為勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的在線分析和診斷功能提供基礎(chǔ)。

4)制表打印。勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)能夠?qū)?lì)磁系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集，并按照既定模板生成報(bào)告。報(bào)告模板為excel格式的文件，可進(jìn)行相應(yīng)的編輯，數(shù)據(jù)以函數(shù)的形式插入。生成的報(bào)告可直接通過(guò)打印機(jī)打印也可拷貝出來(lái)。得到的報(bào)告可以作為原始數(shù)據(jù)保存，為機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)故障分析和診斷提供證據(jù)。

4 勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)高級(jí)功能設(shè)計(jì)

4.1 發(fā)電機(jī)狀態(tài)判斷

葛洲壩電站發(fā)電機(jī)的狀態(tài)有兩種：并網(wǎng)態(tài)、解列態(tài)。勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)可以通過(guò)采集到的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、出口開(kāi)關(guān)位置信號(hào)、滅磁開(kāi)關(guān)位置信號(hào)來(lái)綜合判斷發(fā)電機(jī)的狀態(tài)。

4.2 整流柜均流越限判斷

葛洲壩電站每臺(tái)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中包含3個(gè)整流柜，勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集到3個(gè)整流柜的直流輸出電流值，并實(shí)時(shí)計(jì)算出整流柜的均流系數(shù)，通過(guò)在系統(tǒng)軟件中設(shè)置均流系數(shù)閾值和告警閾值，實(shí)現(xiàn)整流柜均流越限實(shí)時(shí)預(yù)警以及報(bào)警。

4.3 發(fā)電機(jī)運(yùn)行圖

勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集到運(yùn)行機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)有功功率、無(wú)功功率，并結(jié)合發(fā)電機(jī)PQ圖，生成發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行圖，直觀地展示出機(jī)組進(jìn)相、滯相、欠勵(lì)、過(guò)勵(lì)等各類(lèi)運(yùn)行狀況，并能在工作站和客戶(hù)端進(jìn)行展示。

4.4 元器件狀態(tài)評(píng)估

勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)可以通過(guò)實(shí)時(shí)采集到機(jī)組整流柜各相橋臂電流，獲得橋臂電流均流情況動(dòng)態(tài)曲線，通過(guò)設(shè)置最大變化閾值，從而實(shí)現(xiàn)可控硅元器件的狀態(tài)評(píng)估。

勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到滅磁柜上各支路的滅磁電阻漏電流，通過(guò)設(shè)置漏電流變化閾值，從而實(shí)現(xiàn)滅磁電阻的狀態(tài)評(píng)估。

勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到勵(lì)磁系統(tǒng)中各類(lèi)電源模塊的實(shí)時(shí)電壓，比如24 V，±12 V，5 V這類(lèi)工作電源，通過(guò)設(shè)置對(duì)應(yīng)工作電源電壓的最低限值和最高限值，從而可以實(shí)現(xiàn)電源模塊狀態(tài)評(píng)估。

4.5 故障在線分析及診斷

勵(lì)磁系統(tǒng)常見(jiàn)的故障包括起勵(lì)失敗、誤強(qiáng)勵(lì)、無(wú)功波動(dòng)等。

針對(duì)起勵(lì)失敗，可提前建立判斷條件，包括起勵(lì)回路的工作電源是否正確投入、滅磁開(kāi)關(guān)的位置狀態(tài)是否為合閘、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是否按照既定程序處于正常工作狀態(tài)、可控硅或可控硅觸發(fā)回路是否正常工作并可靠觸發(fā)、起勵(lì)電壓給定值是否低于要求值等，因?yàn)閯?lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)起勵(lì)電流大小、起勵(lì)電壓、整流柜橋臂電流、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作狀態(tài)、滅磁開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)，從而可以分析出起勵(lì)失敗的原因，從而給出檢修意見(jiàn)，減少勵(lì)磁人員的工作量。

同理，可以建立誤強(qiáng)勵(lì)的判斷條件，包括勵(lì)磁系統(tǒng)因?yàn)闄C(jī)端電壓低于限定值而正常強(qiáng)勵(lì)、調(diào)節(jié)器內(nèi)部程序執(zhí)行錯(cuò)誤導(dǎo)致誤強(qiáng)勵(lì)、發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓測(cè)量錯(cuò)誤等。以及無(wú)功波動(dòng)的判斷條件，包括機(jī)組PSS(電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定器)調(diào)節(jié)動(dòng)作、整流柜發(fā)生脈沖掉相故障、系統(tǒng)發(fā)生震蕩現(xiàn)象等。

故障的類(lèi)別以及相應(yīng)的判斷條件可以隨時(shí)添加豐富，從而不斷完善勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)故障在線分析及診斷功能。

4.6 錄波曲線指標(biāo)計(jì)算功能

1)滅磁曲線指標(biāo)計(jì)算。勵(lì)磁系統(tǒng)中比較重要的動(dòng)態(tài)曲線之一，就是滅磁曲線。勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)具備錄波功能，針對(duì)錄制的滅磁曲線，可以讀取曲線上顯示的全部時(shí)刻的勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、滅磁電阻支路電流、整流側(cè)電壓，綜合勵(lì)磁調(diào)節(jié)器投入狀態(tài)信號(hào)、滅磁開(kāi)關(guān)分合位狀態(tài)信號(hào)，并設(shè)置勵(lì)磁電壓閾值、勵(lì)磁電流閾值，從而計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)需要的技術(shù)指標(biāo)，包括滅磁起始時(shí)刻、滅磁終止時(shí)刻、滅磁時(shí)間、滅磁電阻支路電流平均值、支路電流最大值及其對(duì)應(yīng)時(shí)刻、支路電流平均值的均流系數(shù)、支路耗能、支路耗能總和、支路耗能平均值、支路耗能值的分散系數(shù)等。

2)起勵(lì)電流指標(biāo)計(jì)算。勵(lì)磁系統(tǒng)中另外一條比較重要的動(dòng)態(tài)曲線，就是起勵(lì)曲線。勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)可以讀取錄制的起勵(lì)曲線，從而獲得全部時(shí)刻的起勵(lì)電流、定子電壓，綜合初勵(lì)合閘狀態(tài)量信號(hào)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器投入狀態(tài)信號(hào)，并設(shè)置起勵(lì)電流越限閾值，從而計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)需要的技術(shù)指標(biāo)，包括起勵(lì)起始時(shí)刻、起勵(lì)終止時(shí)刻、起勵(lì)時(shí)間長(zhǎng)度、起勵(lì)電流最大值及其對(duì)應(yīng)時(shí)刻、起勵(lì)電流越限與否及其對(duì)應(yīng)時(shí)刻、定子電壓最大值、對(duì)應(yīng)時(shí)刻等。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從系統(tǒng)架構(gòu)，數(shù)據(jù)采集方案，系統(tǒng)基本功能，以及系統(tǒng)高級(jí)功能，四個(gè)方面設(shè)計(jì)了勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，從而通過(guò)勵(lì)磁在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)葛洲壩電站全部21臺(tái)發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、在線診斷，并上傳至用戶(hù)端進(jìn)行畫(huà)面展示，從而推進(jìn)葛洲壩電站智慧樞紐建設(shè)。