核電站涉網保護可視化校驗技術

王 欣 賈 杰 王靜濤

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

0 引言

目前，3D 可視化技術已經在電力、化工、軍事等多領域中被廣泛地應用[1-2]。 在我國電力行業中，3D 可視化技術在火電廠、變電站亦有相關應用[3-4]，但在核電站領域應用較少。雖然國內某些科研機構已引進了3D 設計軟件， 但其大多作為展示工具， 未與系統相連。所以亟待開發核電站涉網保護二次回路可視化系統，使其更加清晰直觀地展現在屏幕中，以降低核電站運維人員的工作壓力[5]。

與其他領域注重設備布置不同，核電站涉網保護二次回路可視化系統在設備布置上的工作量相對較少，主要涵蓋涉網保護智能控制機柜、二次回路屏柜等室內機柜，但核電站涉網保護監測量眾多，其二次回路接線復雜，大大增加了核電站涉網保護二次回路可視化系統建設的工作量，因此，本文基于虛端子和光纖對其開發核電站涉網保護可視化技術， 依據IEC61850 準則將其二次回路使用可視化技術更加簡潔、直觀地呈現給運維人員，方便其查看與調用，進而降低核電站涉網保護設備故障率。

1 涉網保護可視化技術原理與實現

核電站涉網保護主要利用通信協議、控制設備以及服務器和工作站，對核電站涉網電氣設備、測量設備、一次及二次回路等進行控制和保護。 運用信息技術替代傳統核電站繼電保護模式，從而保證核電站電氣設備的安全運行。

核電站涉網保護二次回路可視化系統含有：智能處理終端、數據合并單元、網絡交換機等設備，核電站涉網保護設備所監測的數據通過IEC61850 準則接入核電站電氣設備總通信網絡，實現核電站內部不同電氣設備的信息的共享。

2 核電站涉網保護二次回路結構設計

核電站涉網保護的控制系統由終端CPU 完成數據處理及下發指令，具備故障診斷能力，在保證對核電站涉網保護設備高精度監控的同時，充分規避了來自運維人員的干擾，極大限度地提升了核電站安全運行的可靠性。使用模塊化理念的核電站涉網保護二次設備，具備易搭建、易拓展、高穩定等優勢。 每一個功能模塊均配備了獨立電源對其進行單獨供電，同時功能模塊的其輸入、輸出線路也相互獨立，沒有耦合，從而保證了故障僅局限于故障模塊，不會影響整個二次可視化系統。

測量監控系統是對核電站涉電氣設備及其二次設備運行工況進行監測，并將數據進行存儲，并以此作為相關運維人員的故障處理依據。該系統包括電氣設備測量裝置、監控裝置以及二次線路，使用光纖進行通信，降低了接線的復雜度，同時配有虛端子，可轉化為多種接口模式， 對軟件及硬件的兼容性較高，同時支持SV、GOOSE、IEC61850-9-2、IEC60044-8 等多種協議。

間隔層主要包括保護裝置、測控裝置以及通信總線等，采用同步時鐘技術，實現各臺設備采樣數據的同步處理，進而實現過程層接口協議的簡化。 站控層基于IEC61850 協議，采用網絡化通信方式，以實現對核電站涉網保護二次設備的通信管理以及軟件管理。核電站涉網保護二次回路的結構及連接方式如圖1所示。

圖1 核電站涉網保護二次回路結構

3 核電站涉網保護二次回路可視化設計

本文涉設計采用數字保護裝置技術代替傳統的交換機芯片技術，以降低監測模塊發回的采樣報文通過各個裝置所產生的數據延時。數據保護裝置主要由高清熒屏和人機交互系統構成，核電站涉網保護二次回路可視化的本質就是讓運維人員通過熒屏簡潔地觀測電力設備的各種工況參數、繼電保護裝置監控值以及保護動作行為，采用保密接口將數據傳輸至核電站電氣設備監測總網絡，實現對核電站涉網保護設備的工況監測。各個裝置之間的傳輸接口均采用插件模型，可依據具體核電站實際工況進行配置，具有高度的可拓展性。

互感器是核電站電氣設備監測的重要裝置之一，它是聯絡著核電站的一次設備和二次設備，通過二次回路向各種二次設備上傳核電站電氣設備的實時工況數據。要實現對核電站涉網保護的二次回路可視化設計，就必須對互感器采樣模塊進行設計。

互感器采樣模塊由CPU 芯片、供電模塊、數字/模擬信號轉換器、 電壓/電流濾波器以及各種接口等構成。 每種互感器的數量及參數應滿足核電站電氣設備、運維手冊、接口協議、控制器計算量程等多方面的要求。 若系統的短路電流較大，則電流互感器應按照三相形式進行配置；若系統的短路電流較小，則電流互感器應按照兩相形式進行配置。 同時，為充分保證核電站涉網保護設備的靈敏度，存在一些特殊回路亦需要按照三相配置電流互感器，如發電機機端、變壓器的兩側等。 各個互感器將采取的數據進行數字轉換，通過結構傳輸至測量、控制等二次設備。

電壓是衡量電能質量的關鍵技術指標，也是核電站涉網保護需要重點關注的要點，核電站的每個電氣設備都必須嚴格按照額定電壓設計，在該改善電能質量的同時亦能保證節能環保，進而提高核電站安全運行的穩定性。因此，對核電站電源進行監控勢在必行，以此來保證核電站涉網保護的安全性能。二次設備測量核電站主變壓器的實時數據，實現對其功率的實時監控，當其傳輸的功率大于額定值時，變壓器的位置信息以及備用電源的狀態將會被上位機進行分析，確認核電站是否需要進行降功率運行，若達到降功率運行條件，則依據實際功率方向實施降功率措施，控制主變壓器、線路的電流，保證核電站電氣部分的安全、穩定運行。

在工作過程中，互感器采樣模塊還將配合核電站的涉網保護裝置和自動回路裝置，實現全網監控。 當采樣模塊發現異常數據后，通過可視化設備向運維人員發出預警，并啟動開關裝置自動切除故障，以保證其他設備的安全運行。 因此，采樣模塊通過對硬件設備模塊和軟件系統的優化和集成，可以有效地對核電站涉網保護設備進行在線監測和保護。其強大的通信功能可將電氣設備的視頻監控和在線監測數據傳輸至集中控制中心，對核電站電氣設備的運行維護具有重要的參考價值。核電站涉網保護保護二次回路監測系統采集的各種數據和信息通過網絡系統傳送到繼電保護監測中心。 在繼電保護監控中心，可以遠程監控核電站涉網保護設備的運行狀態，為狀態檢修提供條件。

4 結論

本文將3D 可視化技術應用于核電站涉網保護二次回路監測系統，解決了核電站電氣設備運維難度大的問題。 首先，分析了核電站涉網保護二次回路可視化的功能需求；其次，基于光纖通信和虛端子技術對核電站涉網保護二次回路進行設計；最后，對核電站涉網保護二次回路可視化系統進行設計，并著重介紹了連接一次及二次設備的互感器模型建設方法。運用該檢測系統能夠有效提升核電站電氣設備運行的穩定性。