抽水蓄能机组励磁系统智能化设计

抽水蓄能机组励磁系统智能化设计
吴杰;方渊
【摘要】本文对抽水蓄能机组励磁系统智能化的设计进行一些设想,对各个组成部分的智能化进行了设计,为设备智能化进行了初步探索.
【期刊名称】《电气技术》
【年(卷),期】2016(000)003
【总页数】4页(P81-84)
【关键词】抽水蓄能;能化设计;励磁系统
【作者】吴杰;方渊
【作者单位】国电南瑞科技股份有限公司,南京 210061;国电南瑞科技股份有限公司,南京 210061
【正文语种】中文
抽水蓄能电站发电机组具有灵活多样的运行方式，不仅可以削峰填谷，还可以提供包括负荷跟踪、频率控制、旋转备用、调相等多种动态服务，既可以改善整个电力系统的经济性，也可以提高其安全稳定性和可靠性。

自20世纪90年代以来，随着我国经济体制改革和电力体制改革的深入，抽蓄电站快速发展，同时随着电网智能化发展进程的深入，抽水蓄能电站智能化也将提上日程。

笔者根据对智能化的理解，着重介绍抽水蓄能机组励磁系统智能化设计方面的思考。

励磁系统是发电机组的控制核心，励磁系统的智能化是水电站智能化的重要环节。

下面是对抽水蓄能励磁系统智能化设计的一些介绍。

一台大型抽水蓄能发电机组励磁系统一般由励磁变压器、励磁调节器、整流单元和灭磁单元四个主要部分组成，励磁调节器根据输入信号和给定调节值，控制整流单元的输出；整流单元向发电机转子提供可调的励磁电流；灭磁单元是当发电机发生故障时，能迅速切断励磁系统，并将存储在发电机转子中的磁场能量快速的消耗在灭磁回路中。

同时在励磁系统设备内集成了电源系统和信息交互系统，励磁系统每个单元工作的好坏直接影响到发电机运行的可靠性和稳定性，所以对每个单元工作状态的监控至关重要。

随着电子式电流电压互感器、智能变送器、智能变电站等技术的日趋成熟，以及计算机高速网络、光纤技术在实时系统中的应用，构建基于统一数据平台、信息共享、网络控制的智能化水电厂已逐渐成为可能。

按照该标准和要求，信息平台分为3层，按“过程层”“单元层”“厂站层”的结构层次布置。

1）厂站层：汇总全站的实时数据信息，将有关数据送往控制中心，可对间隔层、过程层设备在线维护、修改参数，如综合自动化系统。

对于励磁系统来说，就是将测量值、控制值、过程变量、事件、波形等实时上送到综合自动化系统。

2）单元层：汇总过程层的实时数据信息，承上启下的通信功能，如保护与测控装置。

对于励磁系统来说，就是励磁调节器的测量、保护、限制等功能。

3）过程层：实时电气量检测，但是采集传统模拟量被直接采集数字量所取代，如非常规互感器，合并单元；运行设备状态参数的在线监测，如智能终端；操作控制的执行与驱动，如智能开关。

对于励磁系统来说，也就是用采样值（Sample Value，SV）替代原先的PT、CT模拟量采集；用通用面向对象事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）替代原先的开关量采集；以通信
的方式控制智能化功率柜、灭磁柜。

智能励磁系统必须具有满足IEC 61850规约的以太网通信接口，满足网络通信规约，可以和上位机交换数据。

装置还留有常规模拟量、数字量输入/出接口，满足
数据通信、共享和重要信息的采集要求。

同时还留有必要的调试接口，可满足参数测试试验的要求。

励磁系统既包含一次设备，如励磁变压器、整流单元（功率柜）、灭磁开关；也包含二次设备，如励磁调节器。

目前励磁系统对外接口通常是硬接线，通信协议有Modbus 485/TCP IP、Profibus。

智能励磁系统的布置和层次按照统一信息平台结构设计，如图1所示。

在厂站层和单元层之间的网络采用抽象服务接口映射到制造报文规范（MMS）、传输控制协议/网际协议（TCP/IP）以太网或光纤网。

励磁调节器通过以太网方式支持IEC 61850服务器端功能，实现了厂站层和单元层之间的MMS通信。

通过基于IEC 61850协议的MMS以太网通信，励磁系统可以实现与厂站层之间进行开入开出、定值参数、告警、故障等信号的传输。

IEC 61850在励磁系统的实现，分为装置和后台两部分。

励磁调节器硬件平台提供实时处理数据的智能采样模块、智能开入开出模块，并且在操作系统及通信CPU 中配有IEC 61850规约解析模块。

该模块作为与厂站层通信的软件接口，可对模拟量及开关量进行双向数字化处理后，根据 ACSI核心服务和 MMS映射协议栈，通过特殊通信服务映射（SCSM）形成报告控制块，经以太网传输协议通过网线连接，进行信息的传输并执行相关服务。

励磁调节器通过配置励磁系统装置描述文件并导入装置及后台，由后台协议处理模块进行模型及功能的解析并进行数据及服务的映射，在智能发电站间隔层中建立励磁系统通信及功能控制模型。

由于 IEC 61850协议下智能设备的通信模型具有自解释属性，励磁调节器与厂站层、单元层和过程层各类IED之间的信息交换是双向且实时无缝的。

智能励磁系统方案逻辑图如图2所示，励磁系统向监控系统送出信息采用IEC 61850通信协议，传输方式可选以太网或光纤，网口通过 IEC 61850通信协议。

由于开关量变位速度快，模拟量更新速度较慢，可用于监控系统，不适合控制，高
速的数据交换可通过goose和SV实现。

励磁调节器是整个系统的最核心的部分，它主要负责与外部和内部各部分的通信，收集、返回相关信息，对信息进行分析、处理，并向系统各部分下达命令，接收外部命令并向外部反映自身状态，如图3所示。

2.1 励磁调节器智能化设计
励磁调节器硬件平台提供实时处理数据的智能采样模块、智能开入开出模块，并且在操作系统及通信CPU中配有IEC 61850规约解析模块。

该模块作为与厂站层通信的软件接口，可对模拟量及开关量进行双向数字化处理后，根据 ACSI核心服务和MMS映射协议栈，通过特殊通信服务映射（SCSM）形成报告控制块，经以太网传输协议通过网线连接，进行信息的传输并执行相关服务。

励磁调节器通过配置励磁系统装置描述文件并导入装置及后台，由后台协议处理模块进行模型及功能的解析并进行数据及服务的映射，在智能发电站间隔层中建立励磁系统通信及功能控制模型。

由于IEC 61850协议下智能设备的通信模型具有自解释属性，励磁调节
器与厂站层、单元层和过程层各类IED之间的信息交换是双向且实时无缝的。

励磁调节器配备机端电压、励磁电流、同步电压等信号的采集功能，通过工业交换机和工控机进行人机交互，并具备多种对外接口，如 Modbus485通信、以太网
光纤通信等，并引入IEC 61850通信规约增强通信的标准化和可靠性，为了保证
信息交互的实时有效性，还具有GPS对时等功能。

2.2 故障诊断的智能化设计
发电机励磁故障分析诊断及故障显示，具体包括故障诊断知识库研究、智能故障诊断功能、远程协助功能。

1）故障诊断知识库研究。

归纳出发电机励磁系统各单元发生的故障类型，得出系统存在的故障因素以及相互之间的联系，获得各种故障发生的原因，建立发电机励磁系统故障诊断知识库。

故障诊断知识库包括故障源、故障原因以及故障处理方式。

2）智能故障诊断功能。

可以实时分析工作状态，诊断出励磁系统异常情况，针对故障的优先级，优先分析等级高的故障，诊断故障是否发生。

对诊断出的故障，从知识库中查找信息，显示给用户。

3）远程协助功能。

分析出严重故障，将故障信息发送至远方技术人员。

典型励磁装置故障诊断系统通常由传感及变送器、励磁调节器、工控机及人机界面（可以布置在励磁调节器柜上）、后台综合诊断监测系统4部分组成。

整套系统应采用分层分布式结构，各种各样的传感器安装在被监测设备上，励磁调节器负责数据采集，并进行一般的数据处理、换算及报警，并通过通信与工控机连接。

工控机负责处理复杂的数据，并存储数据，以IEC 61850为标准、以统一信息平台为基础，实现励磁装置相关状态数据的采集、特征计算、实时监测、故障录波、性能试验数据记录，以数字化标准接口向统一信息平台高速数据总线进行特征数据、原始数据、事故数据及故障告警信号传输，为后台机组综合在线诊断与状态检修辅助决策系统提供完整可靠数据源，也可以将励磁装置的在线诊断与状态检修辅助决策系统单独设计在励磁调节器工控机内，人机界面显示励磁装置的各种信息和各部件状态，将励磁装置状态信息和分析诊断结果通过 IEC 61850-MMS网上传到后台综合诊断系统，实现数据共享，这样励磁装置的诊断相对独立。

发电机励磁装置状态监测及故障诊断方法：首先将整个发电机励磁系统分为几个子系统：调节器系统、整流系统、灭磁系统等。

以发电机励磁系统异常为顶事件，子系统异常为中间事件，并以导致异常的原因为中间事件或低事件，对发电机励磁系统工作状态的数据信息进行分析，归纳各种异常或故障发生的原因，在此基础上建立发电机励磁系统故障树。

之后将获得的故障树，根据励磁装置异常的严重程度将故障信号分为：一般故障、严重故障和事故。

3种故障处理的优先级和展示的方式不同，以方便紧急事务的处理。

然后根据故障信号分类，以故障的严重程度确定信号处理的优先级：事故、严重故障、一般故障，使用智能化方法实现发电机励磁系
统状态诊断，定位故障源。

将诊断结果与建立的发电机励磁系统故障树对应，并将诊断结果根据故障的不同类型使用不同的方式在故障树上展示。

最后建立专家知识库，主要包括故障源、故障原因以及故障处理方式，当故障发生后，通过查询专家知识库，获取相关的故障原因及处理措施，及时将信息展现给工作人员。

在一些新故障发生情况下，更新专家知识库。

3.1 励磁装置智能调试系统的功能
1）显示试验方法。

显示试验接线图和操作步骤，指导调试人员试验。

2）简化试验操作。

尽量一键式完成多项操作，避免需要多次修改参数等情况。

3）记录试验数据。

保存试验数据到工控机，不需要调试人员手工抄录数据。

4）显示分析波形。

显示试验波形，分析波形里的试验数据。

5）生成测试报告。

根据试验数据，生成测试报告，减少人工整理报告的工作量。

3.2 励磁装置现场测试方法
对所有输入信号进行数据采集、数据还原，并根据不同的试验进行不同的操作，比如数据显示、录波、波形存储、波形查看及分析等现场试验所需的功能，试验完成后根据数据记录和波形文件生成试验报告，便于现场试验人员的操作。

包括如下步骤：①数据采集：对输入到中央处理器的信号进行数据采集；②数据还原：设置原始信号与输入装置信号的对应关系进而对信号进行数据还原；③当进行功能试验时：将AO接口通过软开关与AI调试接口相连，信号经由A/D转换进入中央处理器，中央处理器根据设置的曲线更改AO接口的输出值；功能试验过程中进行数据记
录并进行录波，功能试验完成后对所记录数据及录波文件进行整理，最终生成试验报告；④当进行发电机空载及短路特性试验时：在所需数据点处进行相应参数值的记录，全部数据点记录完成后进行曲线的绘制，得出发电机的空载特性曲线及短路特性曲线，并生成相应的试验报告；⑤当进行灭磁逻辑时序时：设置采样率和时间长度进行录波，波形保存为带GPS时标的国际标准COMTRADE格式，通过波形
查看及分析工具查看并分析波形，生成相应的试验报告。

图5所示为励磁装置现场测试系统数据处理方法示意图。

励磁装置现场测试系统简化了接线和试验操作，可同时兼容模拟量及开关量信号，实现输入通道的灵活配置，降低了对现场检修人员的要求及试验风险。

该系统无需外接示波器、信号发生器等专用仪器，即可“一键式”地完成各项功能性能试验，减少了投入，且实现了现场励磁设备管理的标准化和规范化。

便于及早的发现励磁装置可能存在的隐患，进而提高励磁设备的整体可靠性。

本文根据常规投运的抽水蓄能励磁系统构造，提出了励磁系统的智能化设计。

随着科技水平的不断提高，智能电网的不断扩展，抽水蓄能机组励磁系统智能化的脚步将不断前行。

吴杰（1987-），男，江苏南京人，本科，现在从事发电机励磁系统设计工作。

【相关文献】
［1］李基成. 现代同步发电机励磁系统设计及应用［M］. 2版. 北京︰中国电力出版社，2002. ［2］余振，孙聪. 大型抽水蓄能机组励磁系统控制策略的研究［Z］. 2011.
［3］邵宜祥，许其品. 智能电站对发电机励磁技术要求［Z］. 2011.
［4］贺振华，胡少强. IEC 61850标准下通用变电站事件模型与采样值传输模型的比较［Z］. 2008.。