水電廠發電設備智能化設計的探討

彭滋忠

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙410004）

1 概述

電力行業建設智能水電廠的呼聲日益高漲，水電廠智能化設計勢在必行。智能化水電廠設計采用當今流行的模塊化技術、電氣一次二次設備融合技術、網絡通信技術、遠程在線監測及診斷技術，推動智慧水電廠不斷的向前邁進。

2 智能化水電廠設計及技術特點

（1）本文以大型混流式水輪發電機組為模型對智能化水電廠的設計進行探討，模型水電廠包括水輪發電機組及自動化設備、廠用電、220 kV或500 kV升壓站等設備，主接線如圖1。

圖1 智能化水電廠電氣主接線圖模型

（2）智能化水電廠技術特點：

1）數字采樣技術：采用電子式互感器實現電壓電流信號的數字化采集。

2）數字化模塊技術：采集發電機組各軸承瓦溫、油溫、冷卻器溫度、流量、壓力等信號，再進行數字化處理。采集機組轉速、導葉位置、制動位置、剪斷銷位置、技術供水等信號進行數字化處理。

3）智能傳感器技術：采用智能傳感器實現電氣一次設備的靈活控制。

4）信息共享技術：采用基于IEC61850標準的信息交互模型實現二次設備間的信息高度共享和互操作。

5）同步技術：采用B碼、秒脈沖或IEEEE1588網絡對時方式實現采樣或對時。

6）網絡同步技術：構成網絡化二次回路實現采樣值及其他信息的網絡傳輸。

3 水電廠發電設備的智能化設計

3.1 數字化模塊技術

（1）水電廠機組自動化元件點多、面廣、種類繁多，建議采用數字化模塊技術，就地化安裝。

（2）數字化模塊分類，按用途分，主要有：智能轉速傳感器；智能導葉位置傳感器；純開關量輸入（如剪斷銷位置、風閘位置）數字化處理設備（模塊）；按照系統分：技術供水系統；頂蓋排水；主軸密封供水；調速器壓油泵控制系統?？煽紤]采用智能控制器，具備采集溫度、壓力、流量、開入、開出、電壓、電流等多種信號接口及功能，具備網絡化智能接口。

（3）模塊化設備安裝選擇就地化安裝。測溫模塊箱式或柜式可考慮在發電機機身外掛、機坑內壁或機坑外壁掛安裝，考慮機坑溫度較高，優先選擇機坑外壁掛安裝。

（4）模塊接口技術：具備多個 RS232、RJ45、光纖接口，采用IEC61850網絡通信規約，與其他設備用光纜連接，大幅度減少常規電纜的使用。

3.2 智能化發電機、勵磁變、廠用變保護

參考國網公司智能變電站技術，在發電機出口及中性點安裝多組電子式組合互感器，組柜安裝。具備光纖接口，考慮與保護、勵磁、調速器設備光纖連接。在保證發電機保護“四性”要求的前提下，配置雙套發電機、勵磁變、廠用變保護，直采直跳，測控組網。

3.3 智能化勵磁系統

（1）勵磁調節柜采用雙自動通道設計，功率測量具備與電子式互感器接口及功能。

（2）可控硅觸發脈沖具備光接口及功能，與勵磁調節柜采用光纖連接。

（3）設計起勵、逆變滅磁、電制動、投/退、增減勵磁等數字化接口，與其他設備采用光纜連接進行通信。

（4）勵磁系統狀態顯示與其他設備采用光纜連接進行通信。

（5）滅磁開關采用電氣一次二次設備融合技術，與其他設備采用光纜連接進行通信與控制。

（6）開發智能型勵磁電壓及勵磁電流組合傳感器，消除諧波及勵磁過電壓對其他電氣設備的影響，并具有光纖接口。

（7）發電機勵磁調節器輔助限制性能協調優化。

（8）勵磁軟件采用模塊化設計，在保證勵磁控制主流程控制功能不變的前提下，設計新的通信軟件與其他設備通信，采用IEC61850通信規約，具備光纖通信接口，滿足水電廠智能化通信要求。

（9）具備在線監測與遠程診斷功能及光纖接口。

3.4 智能化水輪發電機調速器系統

(1)調節柜采用雙自動通道設計，功率測量具備與電子式互感器接口及功能。

（2）調節柜設計具有智能型轉速傳感器、導葉位置傳器光纖接口模塊。

（3）調速器機械柜旁設置智能接口裝置，集成各閥門、電磁閥等自動化元件數字化光纖接口，與調節柜及其他設備光纖連接，采用IEC61850規約，具備顯示與控制功能。

（4）設計開停機、投/退、增減速等數字化接口，與其他設備采用光纜連接進行通信。

（5）調速器系統狀態顯示與其他設備采用光纜連接進行通信。

（6）調速器軟件采用模塊化設計，在保證調速器控制主流程不變的前提下，設計新的通信軟件與其他設備通信，采用IEC61850通信規約，滿足水電廠智能通信要求。

3.5 設置智能通信控制柜取代LCU柜

（1）大型水輪發電機組LCU柜一般設置為3～5面柜，與其他二次設備的連接為常規電纜連接，電纜使用量大，維護接線工作量大。建議設置智能通信控制柜取代LCU柜，可設置1～2面柜，與其他設備采用光纜連接，接線及維護工作量大大減少。在廠站層控制系統故障或退出運行的情況下，水輪發電機組仍然能夠正常運行。

（2）智能通信控制柜在保證水輪發電機正常開機、停機流程；保證對發電設備正常操作、控制、顯示、監視、通信、遠程診斷的前提下，開發新的軟件系統，使之與IEC61850通信規約兼容。網絡接線圖見圖2。

圖2 智能化水電廠網絡接線圖模型

4 水電廠升壓站設備的智能化設計

水電廠升壓站設備主要有變壓器、GIS設備、保護和通信設備、監控系統設備，借鑒、參考或選用國家電網公司智能化變電站的設計，在此不再贅述。

5 智能化發電機的設計

5.1 在線監測與診斷

（1）采用泄漏電流傳感器的避雷器監測；（2）采用UHF傳感器的局部防電監測；（3）采用小電流傳感器的套管絕緣監測；（4）振動擺度監測；

（5）汽輪機油在線濾油及理化指標的監測；（6）采用特制光纖的繞組溫度監測；

（7）采用電子式互感器的單相接地電容電流監測。

5.2 發電機中性點消弧線圈及接地變壓器的設計

對發電機中性點的消弧線圈及接地變壓器進行智能化設計，根據采集到的單相接地電容電流自動調整補償度。

6 智能化10 kV開關柜的設計

智能開關柜的關鍵是電氣操作的安全控制技術。

6.1 智能開關柜控制部分的組成

（1）智能開關柜設備分合閘功能實現是由開關結構、控制器、電機驅動3部分組成。其中控制器是核心控制部件。分為電子控制器和電氣裝置控制器。

電氣控制器由電動機來進行啟動、調速、制動，實現預定機械動作的完成。電氣控制系統分為電氣設備二次控制回路，不同的設備有不同的控制回路?？刂苹芈酚蓡颖Ｗo（啟動電流恒流控制）、制動反饋（電機停止）2部分組成。

電子控制器主要是指用弱電的電子集成元件控制強電的電氣裝置的電動機，經過電子控制器的單片機和電腦的通信，電腦作為主要的數據處理設備，發送給單片機不同的信息，通過電子控制單片機實現對電氣裝置的電動機進行控制。

（2）開關柜電操控制器是智能化開關柜的核心單元。

1）控制器就是控制部件，而外圍設備相對控制器來說就是執行部件?？刂撇考c執行部件的一種聯系就是通過控制線。

2）控制器需要接收和識別上級命令：控制中心的程序可以向控制器發送多種不同的命令，設備控制器應能接收并識別這些命令?？刂破鞑粩嘞蛟O備各種傳感器發送電子查詢，并且向上級回復執行結果。

3）控制器根據每個驅動電動機的功能分為：單向控制器和雙向控制器。控制器還需要配備電機恒流控制技術：電機啟動扭轉電流和動態運行電流匹配一致，提高電機的啟動轉矩均衡，在機械齒輪故障扭矩增大情況下能對電機和整體設備做安全保護。

4）控制部件通過控制線向執行部件發出各種控制命令。

5）控制器自動檢測與之相關的接口狀態，如外部開關信號等等，一旦出現故障，控制器自動實施保護，充分保證設備的安全，當故障排除后控制器的保護狀態會自動恢復。

6）控制器要具備電流控制元件的合適選擇，能夠適用于任何一款電機，并且具有相當安全的控制效果，不再需要匹配，提高了電機控制器的普遍適應性，使電機和控制器不再需要現場的設備匹配，方便安裝和使用。

7）控制器具備自動/手動操作功能一體化，根據不同的使用環境進行靈活配置。自動轉換開關控制器是一種智能雙功能切換系統?？刂破鞯碾姎饴撴i配合機械聯鎖，確保控制器參數的自動調整。

6.2 智能開關柜控制系統設計

（1）選用電子式電壓傳感器，采用電阻/容分壓式傳感器，成本低、精度高、體積小、重量輕、受環境影響小、無二次短路的危險。技術參數要求：相電壓0.5級精度，零序電壓1級精度。負載阻抗＞10 MΩ。

（2）選用電子式電流傳感器，采用低功耗線圈方案，直接輸出小電壓信號，無二次開路危險，工藝簡單，精度高、無飽和、頻率響應范圍寬、線性度好，在系統故障狀態下可使保護正確動作。

（3）數據采集：提供Ua、Ub、Uc、U0、Ia、Ib、Ic、I0（保護、測量、計量）

（4）故障切除時間不大于100 ms。

（5）計量功能：精度0.5級；計算正方向有功電量和四象限無功電量、功率因數。具備計量數據凍結功能，包括日凍結、功率方向改變時的凍結。

（6）故障錄波：故障前4個后8個周波，錄波數據循環存儲60條，支持上傳主站。采樣點數不少于80點/周波，包括電流電壓、開關、位置。

（7）數據調閱：支持歷史數據遠程調閱，以文件方式上傳至主站；日凍結電量、電能、功率、電流、電壓定點數據；電壓、電流日極值數。

（8）數據存儲：循環存儲、失電不丟失。

6.3 自適應綜合型就地饋線自動化

具備自適應綜合型就地饋線自動化功能，不依賴主站和通信，通過短路/接地故障檢測技術、無壓分閘、故障路經自適應來電合閘等控制邏輯，實現單相接地故障的就地選線、區域定位和隔離；出線開關一次合閘、實現永久性短路故障的區段定位和瞬時性故障的供電恢復。

6.4 智能開關柜采用模塊化設計

（1）在結構上采用獨立功能的組件進行裝配，即采用所謂模塊化的積木式拼裝結構，用較少品種滿足各種不同的使用要求，即功能多樣化,減少采購成本和維護成本。

（2）即插即用技術。

6.5 控制單元技術提升

（1）高可靠、小型化、易維護的工藝；研究標準化、規范化、集成化制造工藝，結合工業級芯片實現性能的優化升級。

（2）基于IEC61850標準的即插即用技術，研究終端與主站的自識別、自診斷的智能交互及監測技術，實現控制單元的即插即用。

6.6 一、二次設備的深度融合技術

（1）一、二次設備的深度融合，DTU分布式安裝。

（2）三遙動作型DTU安裝在各單元間隔內，實現本間隔的三遙、計量、相間與接地故障處理、通信功能。DTU通信方式接入通信單元，由通信單元對上通信。

（3）DTU和通信模塊實現裝置級可更換，支持熱插拔。

7 智能化400 V低壓電器的選型

目前，各主要低壓電器制造廠商均有比較成熟的產品可供選擇。

8 總結

智能水電廠水機自動化采用模塊化設計及就地化安裝技術，勵磁及調速器采用智能化接口設計，升壓站采用國網公司智能變電站技術標準設計，對減少二次接線及維護工作量具有重要意義。

參考文獻：

[1] GB/T32890-2016繼電保護IEC61850工程應用模型[S].

[2] DL/T5510-2016智能變電站設計技術規定[S].

[3] DL/T1403-2015智能變電站監控系統技術規范[S].