李 越,李 佶,蔡 群,于尚北,朱 磊

(1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司,北京 100038;2.甘肅張掖小孤山水電有限責任公司,甘肅 張掖 734000)

數(shù)字化調(diào)速器在巴拿馬BONYIC電站的應用

李 越1,李 佶1,蔡 群1,于尚北1,朱 磊2

(1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司,北京 100038;2.甘肅張掖小孤山水電有限責任公司,甘肅 張掖 734000)

結(jié)合作者在數(shù)字化調(diào)速器實施過程中的體會,介紹了數(shù)字化調(diào)速器的需求和發(fā)展現(xiàn)狀,提出了實現(xiàn)數(shù)字化調(diào)速器的設計思路和解決方案,對當今智能電網(wǎng)環(huán)境下,進行數(shù)字化/智能化水電廠的系統(tǒng)集成具有一定的啟示與借鑒意義。

數(shù)字化調(diào)速器;網(wǎng)絡通信;硬接線;軟接點;M M S IEC-61850

0 引言

數(shù)字化水電站是指在可靠的網(wǎng)絡通信基礎(chǔ)上,信息采集、傳輸、處理、輸出過程完全數(shù)字化的水電站,基本特征為一次設備智能化、二次設備及通信網(wǎng)絡化、運行管理自動化等。

數(shù)字化水電站誕生的前提是電子式電流/電壓互感器(或光學互感器)、智能化開關(guān)、智能化變送器、智能化一次設備、以及相關(guān)在線檢測等技術(shù)發(fā)展到一定程度,水電站的二次側(cè)不再存在有模擬量傳輸,所有數(shù)據(jù)均在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺上以數(shù)字量的形式按統(tǒng)一的通信協(xié)議傳輸,站內(nèi)的各個智能設備之間具有良好的信息共享與相互操作性。

電網(wǎng)智能化已成為世界電網(wǎng)發(fā)展新趨勢,我國也提出了建設堅強智能電網(wǎng)規(guī)劃,一些數(shù)字化變電站、電網(wǎng)智能化試點工程已經(jīng)啟動,按照規(guī)劃,2020年基本建成我國堅強智能電網(wǎng)?；诋斍半娋W(wǎng)智能化環(huán)境的特殊要求,提出進行數(shù)字化水電廠建設,具有長遠的戰(zhàn)略眼光,是非常及時與必要的。而水輪機調(diào)速器作為水輪機組核心控制設備,對調(diào)節(jié)電廠機組負荷、穩(wěn)定頻率,保證電網(wǎng)的供電品質(zhì)極其重要。這就要求相應的調(diào)速系統(tǒng)具有高速可靠的通信網(wǎng)絡,先進的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、冗余可靠的設計、高級的控制策略以及方便靈活的接口,實現(xiàn)發(fā)電廠機組的可靠、安全、經(jīng)濟運行。

1 調(diào)速器系統(tǒng)數(shù)字化需求分析

水輪機調(diào)速器是水電站水輪機組的核心控制設備,與電站二次回路或計算機監(jiān)控系統(tǒng)相配合,完成水輪發(fā)電機組的開機、停機、增減負荷、一次調(diào)頻、AGC、水位調(diào)節(jié)、緊急停機等任務。

數(shù)字化調(diào)速器是數(shù)字化水電站的重要組成部分,數(shù)字化調(diào)速器應具有如下特點:

(1)高可靠性和安全性

由于采用了智能一次設備,因此設備自身具有完善的自檢功能,當智能一次設備異常時將自動發(fā)出報警,調(diào)速器可以據(jù)此采取相應的容錯及保護措施,既能及時反映出故障點,同時又減輕了運行人員的工作量,提高了安全性。

(2)通信網(wǎng)絡取代繁雜的控制電纜

數(shù)字化調(diào)速器與二次設備之間基本采用計算機網(wǎng)絡通信技術(shù),一條信道可傳輸多個通道的信息。同時由于采用網(wǎng)絡通信技術(shù),通信線的數(shù)量約等于設備數(shù)量。因此數(shù)字化調(diào)速器的二次接線將大幅度簡化。

(3)提升測量精度

數(shù)字化水電站采用輸出數(shù)字信號的電子式互感器,數(shù)字化的電流/電壓信號在傳輸?shù)蕉卧O備和二次設備處理的過程中均不會產(chǎn)生附加誤差,提升了保護系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和計量系統(tǒng)的系統(tǒng)精度。

(4)提高信號傳輸?shù)目煽啃?/p>

數(shù)字化水電站的信號傳輸均用計算機通信技術(shù)實現(xiàn)。通信系統(tǒng)在傳輸有效信息的同時傳輸信息校驗碼和通道自檢信息,一方面杜絕誤傳信號,另一方面在通信系統(tǒng)故障時可及時告警。

(5)數(shù)字信號可以用光纖傳輸,從根本上解決抗干擾問題

傳統(tǒng)水電站一次設備和二次設備間直接通過電纜傳輸,沒有校驗信息的信號,當信號出錯或電纜斷線、短路時都難以發(fā)現(xiàn),且傳輸模擬信號難以使用光纖技術(shù),易受干擾。

理想的數(shù)字化調(diào)速器應具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺,其結(jié)構(gòu)示意如圖圖1所示。水電站現(xiàn)地級包括監(jiān)控、調(diào)速器、勵磁、輔機系統(tǒng)等不同設備。在試圖建立統(tǒng)一平臺的過程中,擬參照數(shù)字化變電站的建設方案,將現(xiàn)地數(shù)據(jù)采集和測量按類似于“過程層”、“間隔層”、“廠站層”的結(jié)構(gòu)層次布置,采用兩層網(wǎng)絡(MMS網(wǎng)):廠站層網(wǎng)、過程層網(wǎng)組成。全站網(wǎng)絡采用高速光纖以太網(wǎng)組成。

廠站層由監(jiān)控系統(tǒng)后臺主機(操作員站)和智能設備接口機等構(gòu)成,智能設備接口機可將調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等接入站控層MMS網(wǎng),由監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)管理控制間隔層、過程層設備以及其他設備功能,形成全站監(jiān)控、管理中心,并能與遠方調(diào)度中心通信,通信標準符合DL/T860(IEC61850)。

間隔層由若干個子系統(tǒng)組成,如繼電保護、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控LCU單元等二次設備,實現(xiàn)使用一個間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設備的功能,即與各種遠方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。

過程層由電子式互感器、數(shù)字變送器等構(gòu)成,完成與一次設備或其他設備相關(guān)的功能,包括實時運行電氣量(頻率、功率)、開關(guān)量(液壓系統(tǒng)狀態(tài)、報警等)和非電氣量(行程、油壓、油位等)的采集、設備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等。

在站控層網(wǎng)絡,調(diào)速器的各種狀態(tài)信息(如轉(zhuǎn)速、功率、開度等)以MMS網(wǎng)接入監(jiān)控系統(tǒng),并與其他系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)。調(diào)速器將采集的數(shù)據(jù)處理后(功率、開度、報警等)以MMS協(xié)議發(fā)送至過程層供監(jiān)控系統(tǒng)采用。監(jiān)控系統(tǒng)的各種指令(功率給定、水位信號、開停機命令等)可以通過MMS協(xié)議傳輸給調(diào)速器,調(diào)速器采集的各種信息也可用該協(xié)議傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 數(shù)字化調(diào)速器數(shù)據(jù)平臺結(jié)構(gòu)

2 數(shù)字化調(diào)速器的實現(xiàn)階段

雖然數(shù)字化水電站優(yōu)勢明顯,但智能化、數(shù)字化水電站建設是一個艱辛復雜的過程,需投入大量的時間、人力與物力,因此通常按以下階段開展工作:

(1)選擇能滿足接收數(shù)字信號的機械液壓部分,采用可靠的數(shù)字通信接口,但實際控制依然以硬接線方式實現(xiàn),通信基本不參與控制,只是用于信息交換;我們稱之為初級階段。

(2)采用硬接線(Hardwired)和軟接點(Soft point)相結(jié)合的方式,特別重要的信號采用硬接線,其他都以軟接點實現(xiàn);采取混合控制方式,支持可靠實時通信的PLC控制器構(gòu)建調(diào)速器硬件平臺,初步驗證基于IEC61850的LCU以太網(wǎng)通信的實時性、可靠性、堅固性、安全性。我們稱之為中級階段。

(3)全部以軟接點 (Soft point)方式實現(xiàn)所有控制,達到調(diào)速器系統(tǒng)智能化、數(shù)字化的預期目標,如圖1所示,我們稱之高級階段。

3 數(shù)字化調(diào)速器的通信技術(shù)路線

實現(xiàn)數(shù)字化調(diào)速器的關(guān)鍵是實現(xiàn)可靠的IEC-61850通信,在完成這個目標時根據(jù)硬件條件有如下幾個方案:

(1)采用轉(zhuǎn)換盒方式,就是調(diào)速器的主控PLC本身并不支持IEC-61850協(xié)議,但在調(diào)速器和外部的通信口之間加了轉(zhuǎn)換盒,由轉(zhuǎn)換盒把調(diào)速器的信號轉(zhuǎn)換成IEC-61850信號和外部進行通信。這個方案比初級階段多了一個步驟,實時性和可靠性不如初級階段,目前是個可行方案。葛洲壩電廠投運的數(shù)字化調(diào)速器就接近該方案,但該項目完整保留了硬接線,且通信量(軟接點)并未代替硬接線直接參與控制,所以還是應該算為初級階段應用。

(2)用調(diào)速器的主控PLC直接通信,且通信量(軟接點)代替硬接線直接參與控制,這種方式中間環(huán)節(jié)少可靠性高,也最符合數(shù)字化調(diào)速器的要求,但這就要求調(diào)速器的主控PLC支持IEC-61850的通信協(xié)議。目前能支持的PLC廠家不多,本公司在巴拿馬BONYIC水電廠應用的項目就是采用這種方式。這實際已是中級階段的應用。

(3)采用LCU整體方案,就是調(diào)速器的主控PLC與LCU通信還是采用傳統(tǒng)的通信協(xié)議,LCU再把調(diào)速器的信號轉(zhuǎn)換成IEC-61850信號和監(jiān)控進行通信。這個方案是最經(jīng)濟實惠的方案,對用戶應用來看整體是實現(xiàn)了IEC-61850信號通信,目前還未見使用該方案的工程實例。

4 應用實例

北京中水科水電科技開發(fā)有限公司(簡稱:中水科技)為巴拿馬Bonyic水電廠提供了3臺機組數(shù)字化水輪機調(diào)速器,于2014年12月首臺投入商業(yè)運行,至今已運行1年多,運行一直穩(wěn)定可靠。

該項目采用中水科技公司的DVG2000系列數(shù)字式調(diào)速器,機械液壓系統(tǒng)基本模式為“高速開關(guān)閥＋邏輯插裝閥”,調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制方式為直接數(shù)字開關(guān)控制。該調(diào)速器具有如下主要特征:

(1)機械部分直接采用數(shù)字信號接收調(diào)節(jié)命令;

(2)取消了部分硬接線,其信號傳輸功能由通信完成;

(3)通信協(xié)議采用MMS;

(4)功率給定(AGC定值)和實時功率采集通過通信完成。

根據(jù)以上特點我們認為該項目調(diào)速器具有數(shù)字化調(diào)速器中級階段的水平。

DVG2000數(shù)字化調(diào)速器部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DVG2000數(shù)字化調(diào)速器部分結(jié)構(gòu)圖

5 投運的中水科技調(diào)速器基本介紹

5.1 電氣原理

微機調(diào)節(jié)器接收LCU命令,根據(jù)采集得到的機頻/網(wǎng)頻、有功、水頭、開度等信號,通過軟件進行調(diào)節(jié)規(guī)律的綜合,進而得出相應的控制量,其控制量通過開關(guān)量接口與智能功放板驅(qū)動液壓隨動系統(tǒng)的高速開關(guān)閥+邏輯插裝閥;最終實現(xiàn)對導葉接力器及其機組的相應調(diào)節(jié)與控制。

其核心部件為可編程控制器、輸入/輸出信號調(diào)理模塊、智能功放/驅(qū)動回路;它具有高可靠性和直觀、方便的人機接口,提供了全方位、最直接的監(jiān)測、調(diào)試和維護手段。

(1)可編程控制器組成:CPU單元、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、高速計數(shù)模塊、遠程通信模塊、電源模塊。

(2)智能功放/驅(qū)動回路:將微機輸出的脈沖信號放大后,驅(qū)動+24 V電壓等級的高速開關(guān)閥,輸出信號為數(shù)字脈沖信號。

主要特點:

(1)采用可編程控制器作為硬件主體,裝置可靠性高,平均無故障時間MTBF≥250 000 h;

(2)具有頻率(轉(zhuǎn)速)/開度/功率等多種調(diào)節(jié)模式,適應水電廠不同運行工況的要求;

(3)調(diào)節(jié)參數(shù)(bp、Kp、Ki、Kd)用平板觸摸顯示屏調(diào)整;

(4)采用指針式電表、平板觸摸顯示屏調(diào)整作為與運行人員的接口,具有顯示清晰、準確、直觀、操作方便等優(yōu)點;

(5)頻率調(diào)節(jié)模式采用適應式變參數(shù)PID調(diào)節(jié)規(guī)律,開度和功率調(diào)節(jié)模式采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律;

(6)具有與上位機的通信接口;

(7)可根據(jù)不同的水頭改變機組的加速開度和最大出力限制,隨著水頭的增加,可自動減小機組的加速開度和最大電氣開限值,以保證機組在啟動過程中平穩(wěn)迅速并網(wǎng)和安全有效運行;

(8)可在平板觸摸顯示屏上設置機組啟動過程的加速特性。

5.2 機械原理

機械部分接受的是并行數(shù)字量信號,由若干高速開關(guān)閥并行控制接力器,提高了可靠性。由高速開關(guān)閥(也稱數(shù)字閥)與邏輯插裝閥進行元件-組件-回路的多層次組合與優(yōu)化設計,進而實現(xiàn)調(diào)速器機柜的所有功能。特點如下:

(1)由標準的高速開關(guān)閥(數(shù)字閥)組取代電液轉(zhuǎn)換器,無需D/A轉(zhuǎn)換,抗干擾能力強;

(2)由標準的邏輯插裝閥組取代主配壓閥,使主配離散化,無需“中間位置”;

(3)采用數(shù)字邏輯插裝技術(shù),圓滿的解決了響應速度與調(diào)節(jié)精度(微米)的矛盾;

(4)因采用錐閥線密封結(jié)構(gòu),無發(fā)卡機理,元件/系統(tǒng)耐油污強,密封性好,穩(wěn)態(tài)耗油量小,油泵及電機啟動時間間隔長,節(jié)能省電;

(5)元件及裝置均采用標準液壓件,互換性好,機械液壓柜集成度高,使機柜象電柜一樣實現(xiàn)雙冗余或多冗余。

5.3 DVG2000調(diào)速器與一般調(diào)速器機械液壓部分

技術(shù)比較(表1)

表1

6 保留硬接線分析

6.1 是否保留硬接線的原則

根據(jù)對數(shù)字化調(diào)速器功能基本要求的認識,結(jié)合多年開發(fā)制造及現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗,我們認為對是否有必要保留硬接線應該按以下原則進行設計。

(1)確保機組安全穩(wěn)定運行。

(2)網(wǎng)絡擁堵時不出大問題,網(wǎng)絡故障時能手動運行。

(3)滿足上述兩點的情況下盡量采用數(shù)據(jù)信息采集網(wǎng)絡化。

根據(jù)以上原則在目前的條件下有必要保留部分硬接線。

6.2 需要保留的硬接線

根據(jù)以上原則,我們提出以下數(shù)據(jù)為硬接線直接采集,即所謂的“直采”:

(1)機組轉(zhuǎn)速

1)未見滿足IEC61850規(guī)約的機組轉(zhuǎn)速變送器

目前主流測頻是各廠家自行將PT/齒盤信號進行采樣、放大、整形、隔離送入PLC自身的測頻模塊進行測頻。個別廠家是用單片機測頻然后通過串口通信(通常是自己定的規(guī)約,肯定不是IEC 61850規(guī)約)傳給調(diào)速器主控制器,且信號的時間同步問題無法解決。

2)滿足安全運行需要

當需要頻率調(diào)節(jié)時如果網(wǎng)絡出現(xiàn)擁堵,頻率不能及時反饋到調(diào)速器,容易造成機組不穩(wěn)定,甚至出現(xiàn)安全問題。。

3)滿足網(wǎng)絡中斷時手動運行要求

當網(wǎng)絡中斷需要手動降級運行時,調(diào)速器電柜自行測量頻率和導葉位移可以保證機組手動運行的需要。

(2)導葉位移

1)未見滿足IEC61850規(guī)約的導葉位移變送器

目前測量導葉位移常見的是各廠家將位移傳感器送出的電量通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊進行采集的。

2)滿足安全運行需要

當需要調(diào)節(jié)時如果網(wǎng)絡出現(xiàn)擁堵,位移信號不能及時反饋到調(diào)速器,容易造成機組不穩(wěn)定。

3)滿足網(wǎng)絡中斷時手動運行要求

當網(wǎng)絡中斷需要手動降級運行時,調(diào)速器電柜自行測量頻率和導葉位移可以保證機組手動運行的需要。

(3)機組出口斷路器位置

這個開關(guān)量理論上可以通過通信傳遞過來,但因為這個開關(guān)量實時性要求很高,如果有毫秒級的延時的話,就可能造成不動時間指標超出有關(guān)規(guī)程要求;極端情況下,若甩負荷時網(wǎng)絡擁堵,那必然引起機組過速,故建議保留。

(4)緊急停機

這個開關(guān)量理論上可以通過通信傳遞過來,但在緊急情況下如果網(wǎng)絡擁堵,那將無法完成緊急停機動作,引發(fā)安全問題,故建議保留。

6.3 保留的硬接線

保留的硬接線見表2。

表2

7 結(jié)語

我國數(shù)字化水電廠的嘗試才剛開始,目前國內(nèi)的傾向是:一提起數(shù)字化水電廠,就言必稱IEC61850、“過程層”+“間隔層”+“站控層”+數(shù)字化傳感器/變送器等,若以此標準去套用,則“數(shù)字化水電廠”的實現(xiàn)將是十分遙遠的事情,例如,水電廠大量的傳感器/變送器10年后也不見得能支持IEC61850。

本項目的成功實施,對于數(shù)字化水電廠的概念理解提供了有益的啟示。最明顯之處在于,整個設計對于“數(shù)字化”的定位范疇是各級控制設備之間,而傳感器/變送器信號則由特定的設備自行按傳統(tǒng)采集方式直接采集,不采用網(wǎng)絡方式傳輸。例如,接力器位移、頻率、斷路器接點、主令接點等信號由調(diào)速器直接自行采集,采用傳統(tǒng)方式,LCU等設備無需重復采集這些信號,通過網(wǎng)絡共享即可。同樣,水位信號、機組功率等由LCU通過傳統(tǒng)變送器方式采集,調(diào)速器等也無需重復采集,可通過網(wǎng)絡共享。但個別安全級別很高的信號,必須采用硬接線,如“斷路器狀態(tài)”、“緊急停機令”等。

通過本項目的實施,我們認為,數(shù)字化水電廠沒必要刻意排斥硬接線、傳統(tǒng)傳感器采集等。取消信號的重復采集、設備間信息實時共享且通信高度可靠、通信量直接參與控制,才是數(shù)字化水電廠的實質(zhì)所在。

TV734.4

B

1672-5387(2017)07-0060-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.019

2017-04-27

李 越(1964-),男,高級工程師,從事調(diào)速器設計開發(fā)工作。