智能水電廠調速系統的設計及功能研究

蔡衛江,邢紅超,羅海春,徐 青

[1.南瑞集團有限公司(國網電力科學研究院)，江蘇省南京市 211106 ；2.安徽響水澗抽水蓄能有限公司，安徽省蕪湖市 241082；3.國電萬安水力發電廠，江西省萬安縣 343800]

0 引言

隨著電網技術的發展，我國已明確提出建設堅強智能電網的發展目標，并大力發展水電、抽水蓄能等清潔能源項目[1]。智能化水電站建設則是其中重要的組成部分，水輪機調速系統作為水電廠的核心控制設備，智能化需求非常強烈。如松江河、白山電站在2011年就開始實施智能水電廠建設，但基于早期控制設備的水平，調速器方面改變僅僅是采用以太網通信取代常規串口通信，采用IEC 61850規約轉換器來實現與電站廠站層網路通信[2]。到了2014年，三峽葛洲壩水電廠開始機組調速、勵磁、保護、監控設備的升級改造、取消了規約轉換器，實現了基于IEC 61850標準的數據建模及直接網絡通信，但還無法滿足過程層網絡通信要求，也沒有智能化方面的高級應用功能[3]。

由于水電廠自動控制設備種類眾多，廠家分散，采用各種進口廠商的PLC產品，通信接口信號不一致，制約了基礎自動化設備的數字化發展[4]。近年來，國內在自主知識產權PLC設備的制造上已取得突破[5]。通過設計單位、生產廠家、各大發電集團的共同努力，《智能水電廠技術導則》（DL/T 1547-2016），《水力發電廠監視與控制用通信》（DL/T 860.7410）等標準逐步發布，智能水電廠的整體架構逐漸清晰，調速器不僅要與上位機廠站層MMS網直接通信，還必須滿足與過程層GOOSE網的通信，且必須依照IEC 61850標準數據模型進行建模[6]，同時還必須具備調速系統狀態監測、健康性能評估、故障診斷及預警、培訓及仿真等高級應用功能[7]。這就為智能水輪機調速器的設計指明了方向，下面就從調速器硬件及軟件設計方面進行探討。

1 硬件平臺選擇和設計

按照《智能水電廠技術導則》（DL/T 1547—2016）要求，智能調速裝置應具備獨立的IED地址，并能夠通過智能水電廠通信總線與過程層設備進行信息交互，可部署在單元層或過程層。相對于傳統的水電站，智能水電廠采用通信的方式進行全廠的控制、調節和運行，不再以電纜作為傳輸信息的主要介質，而采用具有高抗干擾能力的光纖替代。通過IEC 61850 標準MMS協議的應用，實現智能調速裝置、智能勵磁裝置與其他智能電子裝置及一體化管控平臺的通信，取代傳統電纜硬接線及速度慢、兼容性差的串行RS-485等通信規約[8]。智能調速裝置借助高速的網絡通信，獲取控制、運行所需要的發電機電壓、電流等模擬量，以及啟、停機等開關量命令，實現對機組的實時控制和信號采集[9]。

這就要求調速控制設備必須全面支持IEC 61850 MMS網、GOOSE網和SV網的通信接口。目前能夠全面支持上述三種網絡接口的只有南瑞集團最新開發的MB系列智能控制器和配套的智能終端；能夠支持MMS網和GOOSE網的，僅有施耐德公司的M580昆騰系列PLC；能夠支持MMS網的主要有貝加萊公司的X20系列PCC產品、西門子公司的S7-300，400等系列產品。考慮到目前智能變電站SV網運行的還不夠穩定，智能水電廠過程層網也可以僅支持GOOSE通信，這樣可以選擇的硬件平臺主要有南瑞集團開發的MB系列產品及施耐德的M580系列產品。下面就以采用南瑞集團自主研發的智能控制器平臺設計的全數字化水輪機調速系統進行介紹。

系統結構如圖1所示：調速器的控制核心采用智能控制器，該控制器基于南瑞MB80高性能PLC，該PLC結合智能變電站保護合并單元、智能終端等產品基礎上，采用了符合國際標準IEEE P996.1的嵌入式技術，Pentium級；通信方面具有100M以太網接口7個，全面支持IEC 61850 MMS、GOOSE、SV三種通信建模標準及規約，且均具有獨的MAC地址，所有信號全部通過數字化網絡采集和控制。其中與監控系統后臺通信采用MMS網，雙冗余配置，主要接受監控系統下發的水頭、功率、時鐘等設定值，傳輸調速器的狀態和故障信息，以及內部的控制和調節信息，過程層網也采用雙冗余配置，其中SV網專門用來與電站合并單元接口，合并單元用來接收電站電子式互感器（光PT、光CT）傳輸的機組電壓、電流信號并轉換成相應的網絡數字信息（電壓、電流瞬時值）。調速器控制器可以通過SV網直接接收機組電壓電流瞬時值，再通過傅里葉變換計算出機組的有功、頻率值。GOOSE網主要用來接收監控系統LCU下發的開機、停機等指令，采集機組斷路器、導葉位置、轉速等信號。參見圖1，這些信號需要相應的裝置進行轉換發送到GOOSE網上才可以獲取。調速器控制器采用雙機熱備用冗余配置，兩套系統之間通過專用網絡進行數據交換。

交采測速裝置主要針對機組轉速和有功進行采集和轉換，該裝置接受齒盤測速信號并轉換成相應機組轉速并發送到GOOSE網，同時接受合并單元傳輸到SV網上的電壓、電流值，并計算出有功和頻率值，在發送到GOOSE網上，這樣調速器主控制器也可以通過GOOSE網獲得機組轉速、有功、頻率數據，有功和頻率可以不需要SV網自行采集和轉換，但實時性稍弱一些。

智能終端，主要用于對現場的開關量、模擬量信號進行轉換，并傳輸到GOOSE網上供系統采集，包括導葉開度、斷路器位置、機械柜的開入、開出、模入、模出控制等。

調速器電柜對機柜的控制輸出信號通過GOOSE網輸出給調速器智能終端，液壓操作柜內設計有一套完整的智能終端設備，包括電源模件，通信模件，AI模件，AO模塊，DI模件，DO模件等，主要完成比例伺服閥、手自動閥、急停閥的控制、伺服閥及主配壓閥位置反饋的采樣、其他電磁閥的位置檢測等，最終實現導葉位置的閉環控制和液壓系統的全面狀態監測及故障診斷等功能。

水機保護的緊急停機信號采用硬布線直接作用于調速器緊急停機電磁閥，緊急情況下可以不通過PLC直接關閉主配壓閥，從而關閉導葉。

該設計方案主要有以下優點：

（1）全面支持IEC 61850 MMS、IEC 61850 GOOSE、IEC 61850 SV三層網絡協議，可以實現全數字化、網絡化的數據建模、采集、控制、記錄等。

（2）具備SV網絡接口，可以實現與光PT、CT信號的無縫連接和快速采集、分析、提取。

（3）全部可以通過網絡采集，如通過交流采樣及測速裝置獲得頻率和轉速、有功，從安裝在水機室的智能終端獲得導葉開度，從保護智能終端獲得斷路器位置信號，無需另外接線。

（4）設計了統一的智能控制器及配套智能終端，可組成調速、監控、交流采樣、振動擺度等裝置，具有統一的外觀和硬件平臺，通信接口與上位機軟件平臺完全兼容，互聯互通易于實現，可靠性及實時性更高。

（5）可實現多種對時方式，包括網絡對時、IRIG-B碼對時及秒脈沖（分脈沖）對時，對時精度較高，可以達到1ms以內。

2 軟件功能設計

僅有全數字化硬件系統還不能體現調速系統的智能化，必須在此基礎上開發相應的調速系統高級應用及功能，目前用戶比較急需的主要有調速系統狀態監測及健康評價、故障診斷及預警等功能。下面就這兩項功能逐一介紹。

圖1 智能水電廠調速器硬件平臺系統圖Figure 1 Hardware platform system diagram of governor in intelligent hydropower plant

2.1 調速系統狀態監測及健康評價

調速系統狀態監測及健康評價，是利用傳感技術對調速系統各項指標進行全面準確的監測、記錄，形成一份客觀完整的數據樣本。為機組的健康狀態評估系統提供數據支持，使評估系統對調速系統健康狀態做出預測，依托可視化界面傳達預測結果[10]。

目前大型設備狀態監測主要采用層析分析法，層次分析法通過對問題的本質、影響因素及其內在關系等進行深入分析的基礎上，將各種因素層次化、系統化。本文以調速系統設備基本健康狀態、調速系統工況轉換性能以及歷史運行狀態為一級指標，多角度、多層次的對調速系統性能狀態進行綜合評估。同時，各個評價指標包含有若干的子指標。其中，調速系統基本健康狀態指標主要從調速油系統著手分析其設備基本健康狀態。調速系統工況轉換性能包含了若干個工況轉換指標。歷史運行狀態包含有運行年限和運行及檢修歷史兩個子指標，具體評估指標體系如圖2所示。

以工況性能指標評價為例，主要參考相關國家標準和行業標準，如開機過程，國標GB/T 9652.1—2007規定：“機組啟動開始至機組空載轉速偏差小于同期帶（＋1%～0.5%）的時間tSR不得大于從機組啟動開始至機組頻率達到80%額定轉速的時間t0.8的5倍”，空載穩定性規定：“對于大型機組空載轉速擺動值不超過±0.15%額定轉速”，圖2綜合評價系統將自動記錄每次開機到并網的過程，自動分析上述2個指標，與國標規定進行比較，其中開機過程比率越小越優，轉速變動值也是越小越優。調速系統性能狀態綜合評估具體實現方法如下：

（1）構建調速系統性能指標體系層次關系，主要包括目標層和準則層。

（2）采用9標度法構建判斷矩陣，對于底層指標進行兩兩比較，由下而上逐層完成。

（3）采用“和法”計算各層指標權重。

（4）根據評估準則和評估標準對底層指標進行評估打分，然后依據指標權重計算上層指標評估得分，最終獲取系統性能評估得分。

（5）對調速系統整體進行合理的評估，如表1所示。計算出調速系統性能狀態的綜合得分，然后根據調速系統狀態評級標準，最終確定調速系統所處的水平。

通過上述分析過程，當調速系統運行健康狀態較差時，按等級發出危險警報，提醒相關工作人員及時了解機組狀態，處理安全隱患。在故障未發生時作出預警，規避生產事故發生。

圖2 調速系統性能狀態綜合評估指標體系Figure 2 Comprehensive evaluation index system for performance state of governor

表1 調速系統狀態評價標準Table 1 State evaluation criteria of governor system

2.2 調速系統故障診斷及預警

調速系統故障診斷及預警采用故障樹分析法，該方法是把所研究系統最不希望發生的故障狀態作為故障分析的目的，然后尋找直接導致這一故障發生的全部因素，再找出造成下一事件發生的全部直接因素，一直追查到毋需再深究的因素為止。

故障樹分析步驟如下：

（1）給系統以明確的定義，選定可能發生的不希望事件作為頂事件。

（2）對系統的故障進行定義，分析其形成原因（如設計、運行、人為因素等）。

（3）作出故障樹邏輯圖。

（4）對故障樹結構作定性分析，分析各事件結構重要度，應用布爾代數對故障樹簡化，尋找故障樹的最小割集，以判明薄弱環節。

（5）對故障樹結構作定量分析。如掌握各元件、各部件的故障率數據，就可以根據故障樹邏輯，對系統的故障作定量分析。

根據調速系統常見故障類型，將調速系統運行故障樹分為調速系統本體故障、調速系統性能異常、功能異常、油壓系統故障，主要故障的因果層次如圖3所示：

從圖3可以清晰看出調速系統的總體故障報警架構，對于故障分析和定位非常有利。如機組在突甩負荷過程中出現報警，我們可以通過機組的轉速、開度、蝸殼水壓變化等分析出機組的性能，給出準確報警，如轉速過高或過低、導葉關閉過快或過慢、水壓上升過高等，從而為機組及調速器狀態進行準確診斷，抓住主要因素，針對性解決，消除設備存在隱患。

圖3 調速系統故障樹結構圖Figure 3 Fault tree structure diagram of governor system

3 結束語

智能化是將來水電廠自動化發展的大趨勢，調速器作為其中重要的組成部分，必須充分滿足和適應當前技術發展的需要。從硬件方面，智能水電廠調速系統必須滿足當前行業標準和技術發展趨勢，必須滿足“三層兩網”架構及過程層網絡通信要求，結合南瑞最新研制的智能控制器和智能終端，本文搭建了智能水電廠調速器硬件平臺，給出了全網絡化信號采集和數字傳輸控制架構。其次，智能調速系統設計還重在軟件功能，本文結合當前研究熱點，提出了基于層析分析法的調速系統狀態監測、監控評價方法，提出了基于故障樹法的調速系統故障診斷及預警架構，并給出了詳細圖例，為實現智能水電廠調速系統的建設做出了有益探索。