許利文,劉 鄧,何堯璽,李大領(lǐng),段堯彬
(1.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心,湖北 宜昌 443002; 2.智慧長江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002)
隨著中國水電建設(shè)的發(fā)展,各流域上已形成越來越多的梯級水電站群,梯級電站的管理模式由原來的現(xiàn)場管理逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑h(yuǎn)方集控+現(xiàn)場值守”管理模式[1],集控中心越來越多地承擔(dān)電站設(shè)備的調(diào)度、監(jiān)視、控制職責(zé)。接入集控中心的電站規(guī)模越大、數(shù)量越多,需要監(jiān)視處理的信息量越大。利用監(jiān)控系統(tǒng)高質(zhì)量地監(jiān)視報(bào)警及事件信號進(jìn)而為電力突發(fā)事故(事件)處理提供決策支持,是集控中心保障梯級電站安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
國內(nèi)對電站或集控計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開展了相關(guān)研究。唐杰陽等[2]提出了結(jié)合深度學(xué)習(xí)和規(guī)則推理的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)綜合智能告警方法;高國[3]通過篩選出能夠反映水輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障現(xiàn)象等的特征數(shù)據(jù),進(jìn)行了設(shè)備運(yùn)行趨勢分析、故障分析及故障輔助決策研究;張明君等[4]提出了針對巨型電站“調(diào)控一體化”的智能報(bào)警技術(shù);張東峰等[5]提出了智能化處理機(jī)電設(shè)備故障信息、濾掉無效報(bào)警、自動(dòng)快速識別和定位故障的智能報(bào)警。但是,此類研究仍存在不足,例如劃分信號等級標(biāo)準(zhǔn)不一、綜合性虛擬點(diǎn)的對象選擇及合成策略需要進(jìn)一步改進(jìn)發(fā)電計(jì)劃的報(bào)警較少、報(bào)警視覺化不強(qiáng)、事故(事件)處置步驟的指導(dǎo)性不強(qiáng)等問題。
本文以烏東德-白鶴灘梯級水電站昆明集控中心監(jiān)控系統(tǒng)為例,設(shè)計(jì)了集控中心監(jiān)控系統(tǒng)的智能化報(bào)警功能,可為智慧水電站建設(shè)提供一定參考。
烏東德水電站位于四川省涼山州會東縣和云南省昆明市祿勸縣交界的金沙江河道上,單機(jī)容量世界第二、電站規(guī)模世界第七。電站左右岸各6臺水輪發(fā)電機(jī)組,單機(jī)額定容量850 MW,總裝機(jī)容量10 200 MW,多年平均年發(fā)電量389.1億kW·h。烏東德水電站上送到昆明集控中心“四遙”的信號量達(dá)近20萬個(gè)。
白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣交界的金沙江河道上,單機(jī)容量世界第一、裝機(jī)容量世界第二。電站左右岸各8臺水輪發(fā)電機(jī)組,單機(jī)額定容量1 000 MW,總裝機(jī)容量16 000 MW,多年平均年發(fā)電量624億kW·h。白鶴灘水電站上送至昆明集控中心“四遙”的信號量達(dá)近30萬個(gè)。
當(dāng)前,各梯級電站的集控中心監(jiān)視電站設(shè)備狀態(tài)以專位、人工監(jiān)屏為主,對監(jiān)屏人員的素質(zhì)、分析判斷能力、精神狀態(tài)要求很高;客觀上也存在信號量大、重要信號容易被淹沒等問題,特別是發(fā)生應(yīng)急事件時(shí),易造成監(jiān)屏人員漏監(jiān)視現(xiàn)象。即使部分集控中心運(yùn)用了語音報(bào)警功能,但出于對報(bào)警全覆蓋的考慮,選擇的語音報(bào)警數(shù)量過多,加之報(bào)警策略不完善因此未能充分發(fā)揮語音報(bào)警的作用。在緊急情況下,易出現(xiàn)因缺乏詳細(xì)的指導(dǎo)而處置不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象。
基于上述情況,烏東德-白鶴灘集控中心監(jiān)控系統(tǒng)按照“全面監(jiān)視、重點(diǎn)報(bào)警、快速響應(yīng)、應(yīng)急支持”的原則,提出了優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)智能報(bào)警設(shè)計(jì)思路:對全部報(bào)警及事件信號進(jìn)行分級,將主設(shè)備狀態(tài)變化、發(fā)電計(jì)劃執(zhí)行作為報(bào)警重點(diǎn),以語音播報(bào)、畫面推送、動(dòng)效顯示、顏色變化等多種形式呈現(xiàn)報(bào)警信號,并提供主設(shè)備典型故障應(yīng)急處置措施。通過一系列合理的設(shè)計(jì)和組織,使報(bào)警等級劃分更加合理,播報(bào)語音數(shù)量更加優(yōu)化,報(bào)警重點(diǎn)更加突出,決策支持更加精準(zhǔn),從聽覺、視覺雙重感官上傳達(dá)報(bào)警信息,達(dá)到智能促安全的目標(biāo)。
監(jiān)控系統(tǒng)通常設(shè)置2個(gè)信號監(jiān)視窗口[6],分別是報(bào)警一覽表和事件一覽表。報(bào)警一覽表用于監(jiān)視報(bào)警信號,一般設(shè)置一、二、三級;事件一覽表用于監(jiān)視全部信號,一般設(shè)置一、二、三、四、五級;兩表相同級別信號一致,具體級別數(shù)可根據(jù)實(shí)際監(jiān)視需求,對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置?;谏鲜黾墑e設(shè)置,根據(jù)信號的重要性劃分等級,級別數(shù)值越小,越重要,具體的劃分原則如下。
(1) 一級信號,定義為可直接導(dǎo)致主設(shè)備跳閘的事故報(bào)警信號和反應(yīng)事故情況下主設(shè)備狀態(tài)變化的虛擬信號點(diǎn),觸發(fā)時(shí)分別進(jìn)入報(bào)警一覽表和事件一欄表。這類信號主要包括:引起主設(shè)備跳閘的保護(hù)動(dòng)作信號(電氣量保護(hù)、非電氣量保護(hù)、水機(jī)后備保護(hù)等)、安控裝置動(dòng)作信號、解列裝置動(dòng)作信號以及主設(shè)備開關(guān)跳閘虛擬信號。
(2) 二級信號,定義為不引起主設(shè)備跳閘但對主設(shè)備正常運(yùn)行有較大影響的故障報(bào)警信號,觸發(fā)時(shí)分別進(jìn)入報(bào)警一覽表和事件一欄表。這類信號主要包括:主設(shè)備保護(hù)、安控、解列等裝置異常、閉鎖、告警故障報(bào)警信號;不引起跳閘的保護(hù)動(dòng)作信號如輕瓦斯保護(hù)、軸電流保護(hù)、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù),開關(guān)低油壓、低氣壓閉鎖,刀閘、地刀三相不一致,三部軸承瓦溫、油溫過高、油位過高/過低開關(guān)量信號,調(diào)速/勵(lì)磁系統(tǒng)嚴(yán)重故障,模擬量越上上限、越下下限、復(fù)上上限、復(fù)下下限信號等。
(3) 三級信號,定義為非主設(shè)備故障信號、主設(shè)備一般性故障信號以及順控流程故障信號,觸發(fā)時(shí)分別進(jìn)入報(bào)警一覽表和事件一欄表。這類信號主要包括:調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)一般性故障信號,輔助設(shè)備、廠用電、公用系統(tǒng)、泄水設(shè)施等故障信號,順控流程超時(shí)退出信號,模擬量越上限、越下限、復(fù)上限、復(fù)下限信號。
(4) 四級信號,定義為除一、二、三、五級外的其他信號,觸發(fā)時(shí)進(jìn)入事件一欄表。這類信號主要包括:全部設(shè)備的狀態(tài)正常變化信號,順控流程正常啟動(dòng)、停止信號等。
(5) 五級信號,定義為備用信號點(diǎn),觸發(fā)時(shí)進(jìn)入事件一覽表。
遇到比較模糊的信號點(diǎn)時(shí),則需要根據(jù)實(shí)際情況,對具體信號作具體分析。
語音報(bào)警對值班員監(jiān)視電站設(shè)備信號起輔助作用,語音報(bào)警信號點(diǎn)的選擇和語音報(bào)警形式的選擇極為重要。語音報(bào)警一般分為警鈴和播報(bào)語句兩種,二者可以結(jié)合使用[7]。為不漏監(jiān)視信號并避免頻繁報(bào)警,主要選取以下語音報(bào)警信號點(diǎn)。
(1) 主設(shè)備正常情況下狀態(tài)變化信號點(diǎn),比如開關(guān)、刀閘、地刀分位/合位信號點(diǎn),泄水閘門開啟/關(guān)閉信號點(diǎn);采用播報(bào)語句的報(bào)警形式。
(2) 通過邏輯計(jì)算獲得的故障、異常情況下主設(shè)備開關(guān)跳閘虛擬信號點(diǎn);采用關(guān)鍵字命名+播報(bào)語句+警鈴的報(bào)警形式。
(3) 發(fā)電計(jì)劃接收、下達(dá)時(shí)產(chǎn)生的事件信號點(diǎn);采用播報(bào)語句的報(bào)警形式。
(4) 發(fā)電計(jì)劃執(zhí)行時(shí),用于提醒曲線拐點(diǎn)調(diào)整實(shí)時(shí)出力的信號點(diǎn),以及計(jì)劃執(zhí)行過程中實(shí)時(shí)出力與計(jì)劃出力偏差過大的信號點(diǎn);采用播報(bào)語句的報(bào)警形式。
(5) 主設(shè)備保護(hù)裝置閉鎖、異常、故障、通道異常信號點(diǎn),以及不引起跳閘的保護(hù)動(dòng)作信號點(diǎn);采用播報(bào)語句的報(bào)警形式。
(6) 安控、失步解列裝置動(dòng)作、通道異常信號點(diǎn);采用播報(bào)語句的報(bào)警形式。
(7) 調(diào)速、勵(lì)磁系統(tǒng)對發(fā)變組正常運(yùn)行影響較大的點(diǎn);采用播報(bào)語句的報(bào)警形式。
(8) 500 kV刀閘、地刀三相不一致的信號點(diǎn);采用播報(bào)語句的報(bào)警形式。
(9) 庫水位越限、出入庫流量、500 kV母線電壓/頻率越限信號點(diǎn);采用播報(bào)語句的報(bào)警形式。
(10)其他信號點(diǎn),比如順控流程開機(jī)/停機(jī)流程超時(shí)、緊急/快速停機(jī)流程啟動(dòng)或超時(shí),AGC、AVC投入/退出等;采用播報(bào)語句的報(bào)警形式。
虛擬報(bào)警信號點(diǎn)[8]是監(jiān)控系統(tǒng)暫不存在、需要將已有信號點(diǎn)通過一定的邏輯計(jì)算才能獲得的點(diǎn)??陀^上,對于值班員而言,快速掌握故障或異常情況下的主設(shè)備狀態(tài)變化和確保發(fā)電計(jì)劃正確執(zhí)行是監(jiān)視重點(diǎn),在制作虛擬報(bào)警信號點(diǎn)時(shí),應(yīng)著重制作開關(guān)跳閘虛擬信號點(diǎn)和輔助發(fā)電計(jì)劃正確執(zhí)行的虛擬信號點(diǎn)。
3.3.1 主設(shè)備開關(guān)跳閘虛擬信號點(diǎn)計(jì)算策略
制作主設(shè)備開關(guān)跳閘虛擬信號點(diǎn)存在2個(gè)優(yōu)點(diǎn):① 把引起某開關(guān)跳閘的信號點(diǎn)通過邏輯計(jì)算后,合成為一個(gè)信號點(diǎn),能有效減少語音報(bào)警信號數(shù)量、提高語音報(bào)警質(zhì)量;② 可作為推送畫面和動(dòng)效定位跳閘開關(guān)的觸發(fā)信號。這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)在主設(shè)備跳閘應(yīng)急處置時(shí)會傳遞給值班員更有價(jià)值的信息。
引起主設(shè)備開關(guān)跳閘的直接原因大概分為3類:① 保護(hù)(含水機(jī)后備保護(hù))動(dòng)作引起開關(guān)跳閘;② 安控裝置動(dòng)作引起開關(guān)跳閘;③ 解列裝置動(dòng)作引起開關(guān)跳閘。為明顯區(qū)分這3類跳閘,可在虛擬點(diǎn)名字中加入各動(dòng)作裝置關(guān)鍵字,以便值班員判斷。此外,在保護(hù)動(dòng)作引起開關(guān)跳閘時(shí),存在一種特殊情況——線路單瞬故障跳單相開關(guān)重合閘動(dòng)作成功。因此,涉及到線路開關(guān)跳閘時(shí),還需要分2個(gè)子類,分別是開關(guān)某相故障跳閘后重合成功和開關(guān)故障跳閘(三相跳閘)。
主設(shè)備開關(guān)跳閘虛擬信號點(diǎn)采用的計(jì)算策略:先查看原有保護(hù)、安控、失步解列裝置配置,分析導(dǎo)致目標(biāo)開關(guān)發(fā)生跳閘的直接原因,輔以跳閘出口線圈以及開關(guān)、刀閘的位置信號,多層運(yùn)用與、或、非邏輯,并在虛擬信號點(diǎn)命名時(shí)加入關(guān)鍵字,最終產(chǎn)生目標(biāo)開關(guān)跳閘的虛擬報(bào)警信號點(diǎn)。
以烏東德水電站電氣主接線第一串的目標(biāo)開關(guān)5112為例,其具體接線如圖1所示。
圖1 烏東德水電站電氣主接線第一串Fig.1 First string of electrical main wiring in Wudongde Hydropower Station
圖1中,可能引起目標(biāo)開關(guān)5112發(fā)生跳閘的相關(guān)保護(hù)包括發(fā)電機(jī)出口開關(guān)失靈保護(hù)、主變保護(hù)、 進(jìn)線短引線保護(hù)、中開關(guān)保護(hù)(目標(biāo)開關(guān)本身保護(hù))、邊開關(guān)失靈保護(hù)、出線T區(qū)保護(hù)、線路保護(hù)、線路失步解列等。若目標(biāo)開關(guān)發(fā)生三相跳閘,則虛擬信號點(diǎn)邏輯計(jì)算見圖2;若發(fā)生單相跳閘重合成功,則虛擬信號點(diǎn)邏輯計(jì)算可見圖3;若發(fā)生失步解列裝置動(dòng)作,則虛擬信號點(diǎn)邏輯計(jì)算可見圖4。
圖2 5112開關(guān)三相跳閘計(jì)算邏輯Fig.2 Calculation logic of three-phase trip 5112
圖3 5112開關(guān)A相跳閘重合閘成功計(jì)算邏輯Fig.3 A phase trip reclosing successful calculation logic of 5112
圖4 失步解列裝置動(dòng)作跳5112開關(guān)計(jì)算邏輯Fig.4 Out-of-step decoupling device action jump 5112 switch calculation logic
同理,按照上述方法,可以獲得其他開關(guān)跳閘虛擬信號點(diǎn)。制作虛擬信號點(diǎn)時(shí),為避免遺漏或把握不準(zhǔn),盡量采用監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)有的一些總信號點(diǎn),比如上述圖中的“主變停機(jī)總信號”點(diǎn),其包括了主變保護(hù)能引起跳閘的所有電氣量保護(hù)和非電氣量保護(hù)。
3.3.2 輔助發(fā)電計(jì)劃正確執(zhí)行的虛擬信號點(diǎn)計(jì)算策略
及時(shí)正確執(zhí)行發(fā)電計(jì)劃對電網(wǎng)至關(guān)重要,也是上級調(diào)度考核各電廠的重點(diǎn)。監(jiān)控系統(tǒng)可設(shè)置發(fā)電計(jì)劃接收/下達(dá)提醒虛擬信號點(diǎn)、發(fā)電計(jì)劃曲線拐點(diǎn)計(jì)劃調(diào)整提醒虛擬信號點(diǎn)、實(shí)時(shí)出力與發(fā)電計(jì)劃偏差告警虛擬信號點(diǎn)。
接收/下達(dá)提醒虛擬信號點(diǎn):當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)收到/下達(dá)最新的發(fā)電計(jì)劃時(shí),由系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)固定語句的虛擬信號點(diǎn)進(jìn)行播報(bào),提醒值班員及時(shí)查看和下發(fā)新計(jì)劃。
曲線拐點(diǎn)計(jì)劃調(diào)整提醒虛擬信號點(diǎn):通過比較最新發(fā)電計(jì)劃相鄰兩點(diǎn)數(shù)值,若差值不等于0,則觸發(fā)固定語句的虛擬信號點(diǎn)進(jìn)行播報(bào),提醒值班員及時(shí)調(diào)整發(fā)電計(jì)劃。
實(shí)時(shí)出力與發(fā)電計(jì)劃偏差告警虛擬信號點(diǎn):比較同時(shí)刻的實(shí)時(shí)出力與計(jì)劃值形成的偏差值,設(shè)定適用于不同時(shí)段的單個(gè)或多個(gè)偏差閾值和報(bào)警延時(shí),通過相互間的巧妙配合,滿足條件時(shí)觸發(fā)固定語句的虛擬報(bào)警信號點(diǎn)進(jìn)行播報(bào),提醒值班員及時(shí)作出處理。
為避免值班員漏聽語音報(bào)警和使報(bào)警更加智能化,可采用畫面推送和動(dòng)效的方式進(jìn)行報(bào)警。
(1) 畫面推送。當(dāng)主設(shè)備開關(guān)發(fā)生跳閘時(shí),利用開關(guān)跳閘虛擬信號點(diǎn)觸發(fā)推送功能,將固定畫面推送至操作員站指定屏幕。在推送畫面的選擇上:由于電站電氣主接線圖基本能夠全部反應(yīng)主設(shè)備狀態(tài),所以將電氣主接線圖作為推送對象。
(2) 動(dòng)效報(bào)警。在電站電氣主接線圖中各開關(guān)處嵌置動(dòng)效圖標(biāo)。正常情況下,動(dòng)效圖標(biāo)隱藏不可見;當(dāng)主設(shè)備開關(guān)發(fā)生跳閘時(shí),開關(guān)跳閘虛擬信號點(diǎn)觸發(fā)隱藏的動(dòng)效圖標(biāo),與推送的電氣主接線圖共同顯現(xiàn)在操作員站指定屏幕上,提醒值班員具體的跳閘開關(guān)和設(shè)備。
主設(shè)備故障跳閘時(shí),需要考慮的細(xì)節(jié)多,處置的過程較復(fù)雜,值班人員相對緊張,特別是值班人員還在開展其它工作時(shí),可能會出現(xiàn)處置不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象,因此設(shè)置典型事故(事件)處置步驟指導(dǎo)畫面非常有必要。處置步驟可根據(jù)電網(wǎng)、電站規(guī)程規(guī)定以及歷史經(jīng)驗(yàn)擬定。典型事故(事件)處置步驟指導(dǎo)畫面主要包括發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作跳閘處置、安控裝置動(dòng)作切除發(fā)電機(jī)處置、主變跳閘處置、母線跳閘處置、高抗跳閘處置、線路跳閘處置、開關(guān)跳閘處置、突發(fā)事件信息報(bào)送要求畫面等。除上述畫面外,還可將與其相關(guān)的異常、故障處置的周邊畫面組織起來,在后期的不斷完善過程中形成應(yīng)急處置參考資料庫。
在實(shí)現(xiàn)流域梯級水電站智能報(bào)警的過程中需要制作監(jiān)控畫面,主要包括開關(guān)跳閘虛擬信號點(diǎn)計(jì)算邏輯畫面和主設(shè)備典型故障跳閘應(yīng)急處置步驟畫面。前者可以幫助值班員快速查找出雙套或多套配置的保護(hù)是否均動(dòng)作,也有利于后續(xù)對策略的維護(hù)和完善;后者可以為值班員提供故障應(yīng)急處置參考,幫助其準(zhǔn)確快速并且周全地進(jìn)行應(yīng)急處置。在監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行畫面具體組織時(shí),可將畫面分為兩層——索引畫面和下一層級子畫面。索引畫面包含各開關(guān)跳閘虛擬點(diǎn)名稱按鈕(按鈕帶鏈接以及動(dòng)作時(shí)點(diǎn)亮功能)和處置步驟名稱(按鈕帶鏈接功能),在索引畫面中點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕可跳轉(zhuǎn)至對應(yīng)子畫面,子畫面也需設(shè)計(jì)返回索引畫面或其他子畫面的快速鏈接。
2021年10月26日11:02,烏東德右岸電站10號發(fā)電機(jī)組跳閘。
聽覺方面。監(jiān)控系統(tǒng)播報(bào)的具體語句包括:“烏東德10F∶GCB分位,動(dòng)作”“烏東德12F∶210開關(guān)跳閘,動(dòng)作”“烏東德右岸3號母線電壓,越下限”“烏東德右岸3號母線頻率,越下限”“烏東德右岸出力偏差過大”,根據(jù)設(shè)定的播報(bào)速度,整個(gè)播報(bào)事件約25 s。
視覺方面。監(jiān)控系統(tǒng)推送梯級電站主接線圖至操作員站指定屏幕,并水波紋動(dòng)效定位發(fā)生跳閘的210開關(guān);此外,梯級電站發(fā)電棒圖右岸偏差值超過下下限值變成紅色,詳見圖5~6。
圖5 電站電氣主接線圖局部Fig.5 Partial main electrical wiring diagram of the power station
圖6 電站發(fā)電棒圖局部Fig.6 Partial power generation bar diagram of the power station
故障處置方面。發(fā)生故障后,值班員調(diào)出事先預(yù)錄進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的典型事故處置步驟進(jìn)行處置。
通過聽覺、視覺上的提醒和根據(jù)事故(事件)處置步驟,值班員快速定位故障設(shè)備、確定損失出力、按步驟處理事故。該智能報(bào)警設(shè)計(jì)在整個(gè)事故(事件)處理中發(fā)揮主導(dǎo)作用,助力電站、電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
該智能報(bào)警設(shè)計(jì)在烏東德-白鶴灘梯級水電站昆明集控中心監(jiān)控系統(tǒng)中已投入使用,獲得了較好效果。
這項(xiàng)設(shè)計(jì)相對于原監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警有了極大改善,通過優(yōu)化報(bào)警及事件信號等級劃分,使繁雜的報(bào)警信號更加清晰明了;合理的報(bào)警點(diǎn)和報(bào)警形式選擇,更能引起值班人員的警覺;虛擬報(bào)警計(jì)算策略的設(shè)計(jì)能極大減少故障設(shè)備跳閘的語音報(bào)警信號數(shù)量,定位故障跳閘設(shè)備;處置步驟指導(dǎo)畫面的設(shè)置,為值班員快速周全處置故障、保障電網(wǎng)、電站安全提供了幫助,后續(xù)也將在實(shí)踐過程中不斷對其進(jìn)行優(yōu)化升級。
該集控中心監(jiān)控系統(tǒng)智能報(bào)警設(shè)計(jì)不僅提高了故障處置效率,降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度,提升了生產(chǎn)力,同時(shí)也對其他流域梯級水電站集控中心智能報(bào)警建設(shè)具有一定借鑒作用,并推動(dòng)智慧水電站建設(shè)。