水電廠勵磁系統智能化應用研究與實踐

徐 亮

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川省成都市 610051）

0 引言

勵磁系統是發電系統的重要組成部分，其控制精度和可靠性對發電機輸出電壓的質量、過壓和事故滅磁可靠動作以及整個電力系統的安全穩定性有著非常重要的影響。隨著智能化水電站技術研究的不斷深入，水電廠勵磁系統智能化研究和應用也取得了長足的發展[1]。結合本人參與水電廠勵磁系統新建、改造、運維和設計經驗總結，本文將對水電廠勵磁系統智能化設計，IEC 61850通信規約、紅外測溫系統、內部通信光纖化、光纖脈沖傳輸技術、新型SIC非線性電阻及在線監測技術等先進技術應用和智能綜合信息管理系統（SIMS）功能進行介紹，為水電廠勵磁系統智能化設計應用提出新思路。

1 系統智能設計

1.1 智能調節器設計

勵磁系統至少具有完全獨立的、并聯冗余容錯結構的雙通道勵磁調節器，有條件可具備第三個試驗通道。勵磁調節器應具有硬/軟件的自診斷功能和完善的PSS2A/2B/4B功能，其重要電氣量（如勵磁電流、勵磁電壓、PSS動作量等）上送至PMU系統，PID和PSS參數上傳至監控系統。勵磁調節器還應具備IEC 61850、Modbus TCP/IP、RS485等標準規約，可實現與智能電站各邏輯層級的互聯互通。通過復核計算、趨勢分析、歷史數據比較等手段，勵磁軟件能夠預測和診斷勵磁裝置各個環節的工作狀態，并通過人機界面顯示診斷結果，定位故障點位置，提供處理方案，從而實現勵磁裝置故障預診斷和智能定位。勵磁調節器實時在線監測及自診斷功能，采用組態編程技術，實現勵磁系統對外輸出信號靈活定義，具有SNTP和IRIG -B碼對時功能等。

勵磁系統宜設置“過勵保護”（勵磁電流IL≥300%ILN）、“雙調節器故障”（雙調節器不工作）、“三功率柜故障”（任意3個功率柜發生功率柜退出，正常4個功率柜運行）、“滅磁開關誤跳閘”（并網態，滅磁開關位置為分位）、“空載過電壓保護”（雙調節器Ug≥120%Ugn）、“跨接器故障”{滅磁開關合位&跨接器正向電流＞200A持續3s&[（IL≥100A）||（UL≥50V）]}和“勵磁變超溫跳閘”等導致停機跳閘出口壓板，并安裝在易于操作的位置，降低因二次作業安全措施解線接線誤操作的可能性，保證安全措施執行更有效便捷。

勵磁系統宜采用工控機取代觸摸屏，通過工控機可查看系統狀態、事件記錄、故障報警、歷史錄波圖像，以及對所有的試驗進行操作，同時具備存儲數據精度高和空間大等優點。同時，勵磁調節器在工控機上能對機組進行短路特性試驗、空載特性試驗、階躍響應試驗、零起升壓、小電流試驗、限制器模擬動作試驗、模擬量自校核、參數越界限制等各種試驗和操作，具備自動數據記錄、增益計算、生成報告等智能試驗系統。

1.2 智能功率柜設計

在每個功率柜均配備配置有一套獨立的智能控制系統裝置，該系統包括智能檢測單元、溫度及支臂電流通信接口、傳感器、LCD顯示屏以及相應的輸入輸出接口電回路等，實現功率柜智能檢測顯示，并能通過光纖將本柜狀態信息、報警信息（如可控硅狀態監視、快熔狀態、功率柜溫度、各橋臂電流監視、風機狀態、脈沖檢測等信息、啟停風機、均流系數等信號）上送至勵磁調節器和勵磁智能綜合信息管理系統。

智能功率柜，智能均流采用高頻脈沖列觸發技術的晶閘管橋臂智能均流，應實現智能化動態均流、自動退柜、信息顯示和調試智能化，各元件工作狀態和風口溫度測量、分析、調節和報警功能。宜具備自控和智能檢測功能，實現故障判斷自動硬/軟件封脈沖及退柜和信息顯示[2]。

功率柜應具有良好的風道優化設計，各功率柜間設置擋板，風道獨立，在關鍵部位安裝測溫元件，如風機進出風口、阻容保護回路、可控硅等，并將溫度實時顯示在本柜顯示器上。

1.3 智能滅磁柜設計

智能滅磁柜應配置可操作控制和顯示本柜狀態信息、溫度信息、報警信息等智能檢測裝置，能通過網線將本柜磁場斷路器分合狀態信息、磁場斷路器斷口處溫度、非線性電阻溫度、磁場斷路器動作次數、跨接器動作次數、轉子過電壓保護動作信號、轉子繞組溫度等上送至勵磁調節器和勵磁智能綜合信息管理系統，并具有試驗智能錄波并存儲滅磁開關跳閘前后的轉子電壓值、轉子電流值、滅磁電壓值、滅磁電流值。

滅磁時序應設計不同工況下的滅磁時序，保證事故滅磁快速性的同時，減少正常滅磁對系統的損傷。滅磁跳閘回路設計應能正確區分正常分閘和故障跳閘，對滅磁開關的現地、監控、保護跳閘回路獨立設計，并設計監視回路進行監視記錄，信號送至滅磁柜智能檢測裝置和監控系統，可提高事故分析的精度和效率。

跨接器設計采用不同動作原理跨接器的冗余配置方式，兼具快速性和可靠性。建議采用雙套電子跨接器并具備跨接器故障檢測功能，在跨接器回路設置一個電流傳感器，當滅磁開關在合閘位且跨接器正向電流持續幾秒大于設定值即出口報警或跳閘，可極大地提高系統安全性。

新型SIC非線性電阻及在線監測技術，可采取紅外或者熒光纖測溫技術實現SIC非線性電阻的溫度監視和采用霍爾元件采集每支路電流，實時監測滅磁電阻工作狀態。滅磁開關柜智能檢測裝置通過變送器獲得滅磁時滅磁電阻兩端的電壓，通過霍爾傳感器獲得滅磁電阻流過的總電流，從而可以計算滅磁過程中滅磁電阻消耗的能量。同時結合定期采用非線性電阻特性測試儀對SIC非線性電阻的伏安特性測試，綜合評估SIC非線性電阻性能[3]。

1.4 轉子絕緣優化設計

為實時監測發電機轉子繞組及引出線的絕緣情況，避免發生發電機轉子回路兩點接地影響發電機的安全運行，建議每臺發電機均配置一套轉子絕緣在線監測和接地定位裝置和兩套不同原理的轉子接地保護裝置（注入式和乒乓式），三套裝置均安裝于勵磁系統滅磁電阻盤柜內，互補配合，可實現無死區、高靈敏的大型水輪發電機轉子一點接地保護，避免不會發生轉子兩點接地的重大故障，對于發電機和電網的安全運行發揮了重要作用[4]。

機組正常運行時，采用轉子絕緣在線監測和接地定位裝置與注入式或者乒乓式轉子一點接地保護裝置配合方式運行，其工作邏輯：轉子絕緣在線監測和接地定位裝置實時監測轉子絕緣，當轉子絕緣低于絕緣降低整定值（暫定50kΩ）時，轉子絕緣在線監測和接地定位裝置及時發出“轉子絕緣降低”報警信號；當絕緣值繼續低于轉子接地整定值（如暫定10kΩ）時，延時時間（暫定7s），發出接地告警信號和定位接地點，可查詢接地前后的絕緣變化過程，同時轉子絕緣在線監測和接地定位裝置內部的大軸線自動斷開，將發電機轉子一點接地保護裝置（注入式或乒乓式）的大軸引線接通，當檢測出接地電阻Rg確實小于一點接地報警值（暫定20kΩ）時，延時時間（暫定3s），報“注入式或者乒乓式轉子一點接地信號”報警，如果轉子接地電阻繼續降低小于絕緣降低報警值（暫定5kΩ）時，延時時間（暫定5s），報“注入式或者乒乓式轉子接地跳閘”報警，出口跳閘。

2 先進技術在勵磁系統中的應用

2.1 IEC 61850通信規約

IEC 61850標準是電力系統自動化領域唯一的全球通用標準，它實現了智能電站的工程標準化，使得智能電站的工程實施變得規范、統一和透明。它定義了電站的信息分層結構，采用了面向對象的數據建模技術，數據自描述和網絡獨立性，是智能化電站發展不可或缺的基礎[5]。

勵磁系統與監控LCU和勵磁系統智能綜合信息管理系統（SIMS）之間實現了IEC 61850 通信，包括開關量信號的MMS和GOOSE通信，模擬量采樣的SV通信等。單臺機組勵磁系統上送500多個信號，實現了監控系統對勵磁系統信息的全面收集，極大地方便了設備運行分析。

2.2 紅外測溫系統

勵磁系統安裝一套獨立的紅外測溫系統，對柜內包括可控硅、功率柜阻容保護裝置、滅磁電阻、滅磁開關觸頭、風道出入口、銅排連接點等重要部位進行在線測溫，可實時觀看到各部位溫度，及早發現異常，其歷史數據進行存儲和傳輸，可用于設備趨勢分析。

2.3 內部通信光纖化

勵磁系統內部通信光纖化，具備抗電磁干擾能力強和傳輸容量大的優點，能夠監控勵磁系統各關鍵部分的運行狀態并進行報警和自動采取應對措施，大大提高了勵磁系統的可靠性和安全性[6]。光纖通信網絡化應用可實現勵磁系統調節器和可控硅的狀態量、起勵回路、滅磁及過壓保護裝置等內部狀態、各種模擬量和開關量都能夠被采集，勵磁系統內部光纖通信示意圖如圖1 所示。

圖1 勵磁系統內部光纖通信示意圖Figure 1 Schematic diagram of internal optical fiber communication of excitation system

2.4 光纖脈沖傳輸技術

大型水輪發電機組的勵磁系統功率柜常規采用扁平或者同軸電纜傳輸脈沖，存在抗干擾能力差的問題。建議觸發脈沖傳輸介質采用光纖，取消了扁平或者同軸電纜傳輸脈沖。可控硅觸發脈沖信號采用點對光纖傳輸技術，勵磁調節器輸出的觸發脈沖經過光纖分別傳送至各個整流橋，增強勵磁主控制回路的可靠性[7]。使用光纖進行脈沖觸發信號的傳輸，極大地提高了抗干擾能力。勵磁系統脈沖光纖傳輸示意圖如圖2所示。

圖2 勵磁系統脈沖光纖傳輸示意圖Figure 2 Schematic diagram of pulse optical fiber transmission of excitation system

3 智能綜合信息管理系統（SIMS）

勵磁系統綜合信息管理系統（SIMS）對多臺機組勵磁系統通過IEC 61850通信規約進行組網，用于接收及處理每臺勵磁系統內指定的開關量和模擬量，具有數據采集及存儲功能、數據查詢及圖表展示、統計分析等功能，為電站的生產運行提供指導依據。該系統由三層以太網骨干交換機、防火墻、數據服務器及現地單元組成，并提供IEC 61850通信接口、Web Service應用程序接口，與水電廠建設的智能決策分析系統實現數據、信息交換，作為電站智能化建設的重要組成部分。

智能綜合信息管理系統（SIMS）獨立于勵磁系統之外，并設置橫向隔離裝置，無需擔心外網入侵對勵磁系統正常運行造成影響，其結構圖如圖3所示。

圖3 智能綜合信息管理系統（SIMS）結構圖Figure 3 Structure diagram of intelligent integrated information management system（SIMS）

3.1 實時數據

通過IEC 61850通信規約的方式固定周期從勵磁智能管理單元上獲得各個機組勵磁運行的模擬量、開關量。將機組勵磁系統相關數據存入數據庫，顯示勵磁系統運行數據及趨勢波形。實時采集顯示單臺機組勵磁系統運行狀態、操作事件和帶時標的數據簡報，運維人員可查看各臺機組勵磁系統報警狀態和當前狀態[8]。

3.2 數據處理

數據變碼、誤碼分析及數據傳輸誤差控制。對接收的數據進行開關量標時，同時與全站時鐘系統對時，以供后續數據查詢分析使用。對數據進行閥值設置比較分析，正常/異常操作、報警和故障事件按照時標順序記錄，形成報警信息和歷史數據庫。

3.3 數據查詢

根據選定的時間區域及所需要顯示的報警信號進行歷史數據的查詢，顯示查詢信號發生的時間、次數等信號，同時可通過雙擊信息獲得對應波形數據。波形數據可以通過選擇模擬量進行對應數據的顯示，便于數據分析。

3.4 數據統計

根據勵磁智能管理單元上獲得的開關量、模擬量數據和時標事件進行統計分析，開關量信號以一定周期內的發生次數、間隔時間統計，模擬量數據以一定周期內的數據趨勢波形統計，時標事件以數據的關聯特性分類統計。

3.5 試驗狀態

為保證智能綜合信息管理系統分析的真實性和準確性，需要剔除勵磁系統試驗過程中的數據和記錄：在勵磁系統試驗時，需進入勵磁系統智能綜合信息管理系統試驗態，試驗期間數據將存入試驗區域，不對整體數據分析造成影響。

3.6 數據分析

（1）具備勵磁系統調節器運行分析：對勵磁系統起勵、逆變和機端電壓調節等各個調節器PID調節過程，階躍試驗中系統對暫態試驗的所需驗證進行時間、超調量、峰谷值、有效值等多數據計算分析。對各勵磁限制器動作的情況進行動作時長分析，動作合理性分析，復歸時長及復歸后穩態值分析等，以確認限制器工作的可靠性。

（2）具備勵磁系統功率柜和滅磁柜各關鍵部件運行分析：功率柜可控硅支臂電流、快熔狀態、阻容單元、風機狀態、進出風口溫度等數據以及橋臂電流的平衡度與均流系統的計算分析。滅磁柜滅磁開關狀態、開關接口溫度、轉子溫度、滅磁電阻溫度、滅磁電阻支路電流、滅磁時間、轉子過壓、保護動作狀態等數據分析。

（3）具備WAMS系統振蕩分析功能：采用PRONY或FFT方法，對主要設備特征參數（比如：無功功率、勵磁電壓、勵磁電流、機組振動）振蕩模式進行識別[9]，關聯特性信息包括振蕩頻率、幅值、阻尼比，在機組帶負載運行階躍試驗中對振蕩的幅值及阻尼比進行分析計算，評估PSS對低頻振蕩的抑制效果。同時具備發生無功功率/機端電壓波動時原因分析功能，建立設備狀態實時分析及輔助決策系統，進行故障預估，生成設備健康評估、運行趨勢預測和設備異常分析報告[10]。

4 結論

本文通過對水電廠勵磁系統智能化研究，設計理念先進，設備選型可靠，功能設計完備，眾多成熟先進技術的應用，極大保障了電站機組的安全穩定運行。將IEC 61850通信規約、紅外測溫系統、內部通信光纖化、光纖脈沖傳輸技術、新型SIC非線性電阻及在線監測技術等先進技術和智能綜合信息管理系統（SIMS）應用于勵磁系統，為水電廠勵磁系統智能化設計應用提出了新思路，希望為同行提供借鑒意義。