智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測建模分析

盧 彥 林， 曹 倫， 王 偉

(阿壩水電開發(fā)有限公司，四川 黑水 624000)

0 引 言

水電廠主設(shè)備包含水輪發(fā)電機(jī)組、變壓器、斷路器等，其運行性態(tài)直接決定著水電廠及電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過對振動、擺度、壓力脈動等機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測量以及變壓器油色譜、GIS 局部放電等變電設(shè)備某個或多個狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行自動、實時、連續(xù)的監(jiān)視和測量，實現(xiàn)水電機(jī)組及變電設(shè)備主要部件運行狀態(tài)的在線監(jiān)測、越限告警、專項分析與輔助診斷。傳統(tǒng)的水電廠設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)廠家眾多，實力發(fā)展水平不一，尚未建立一套標(biāo)準(zhǔn)的通信體系，導(dǎo)致不同自動化設(shè)備難以實現(xiàn)互聯(lián)互通，無法實現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)共享和信息集成。

IEC61850規(guī)范是適用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)自動化網(wǎng)絡(luò)的主要規(guī)范，主要包括功能與設(shè)備模型的的通信要求、通信配置定義語句、基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和模型、通信服務(wù)映射技術(shù)等十個章節(jié),其特征為通信服務(wù)獨立于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層協(xié)議，并通過使用面向?qū)ο蟮脑O(shè)備模型技術(shù)和面向未來通信網(wǎng)絡(luò)的可拓展結(jié)構(gòu)，使整個體系結(jié)構(gòu)具有可擴(kuò)展性，從而實現(xiàn)信息共享、功能交互以及調(diào)度協(xié)調(diào)[1]。智能水電廠采用IEC61850規(guī)范水電廠信息模型原理，形成一套適合于研究目前中小流域水電廠群運營特點和電網(wǎng)調(diào)度模式的綜合信息系統(tǒng)模型，通過提供基于IEC61850、IEC61970規(guī)范的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)總線，設(shè)計智能水電廠過程級網(wǎng)絡(luò)和廠站級網(wǎng)絡(luò)，以便研究不同規(guī)模水電廠智能電子裝置的典型配置和部署方案，提出一體化管控平臺及各類智能應(yīng)用組件的規(guī)范化接口，建立智能水電廠調(diào)試、運維及智能設(shè)備測試技術(shù)體系，提出實現(xiàn)流域水電廠群一體化管控的運維管理模式，是水電自動化發(fā)展最重要的方向[2]。

目前，智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則、水電廠建模思想與導(dǎo)則、智能水電廠公共信息模型技術(shù)要求等標(biāo)準(zhǔn)已規(guī)定了智能水電廠的建設(shè)方向、體系架構(gòu)和技術(shù)要求，這些標(biāo)準(zhǔn)為智能化水電廠建設(shè)奠定了堅實的理論基礎(chǔ)[3]。通過將IEC61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于智能水電廠狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對系統(tǒng)進(jìn)行分析建模，對優(yōu)化和統(tǒng)一設(shè)備間信息交互通信協(xié)議、提高設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和共享利用水平和提升狀態(tài)監(jiān)測自動化設(shè)備的運行維護(hù)效率具有重要現(xiàn)實意義[4]。

1 IEC 61850信息模型

傳統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議沒有模型的概念，所有信息都是與規(guī)約報文組織方式一一對應(yīng)，通用性及自定義性不強(qiáng)。遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系，利用SCL語言構(gòu)建的信息模型可以映射到不同的通信協(xié)議，適應(yīng)通信技術(shù)的發(fā)展。通過模型配置，可以任意根據(jù)實際情況配置系統(tǒng)的通信內(nèi)容，優(yōu)化通信量?；贗EC61850標(biāo)準(zhǔn)的模型主要包括數(shù)據(jù)模型和服務(wù)模型。

1.1 數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型包括電子智能設(shè)備(Intelligent Electronic Device，簡稱IED)、邏輯設(shè)備 (Logical Device，簡稱LD)、邏輯節(jié)點LN(Logical Node，簡稱LN)、數(shù)據(jù)對象DO(Data Object，簡稱DO)和數(shù)據(jù)屬性DA(Data Attribute，簡稱DA)。IEC61850數(shù)據(jù)模型的層次結(jié)構(gòu)圖見圖1。

IED是實際的物理設(shè)備外部可見的行為；LD是虛擬出來的設(shè)備，聚合LN和數(shù)據(jù)，一個物理設(shè)備根據(jù)應(yīng)用功能分為一個或多個LD。LN是描述系統(tǒng)功能的基本單位，是數(shù)據(jù)對象的容器。LN包含若干DO，DO包含LN所有的信息；DA從屬于DO，是模型中信息的最小承載單元，對信息模型的一切操作都?xì)w結(jié)到對DA的讀寫上。

圖1 IEC61850數(shù)據(jù)模型層次結(jié)構(gòu)圖

1.2 服務(wù)模型

服務(wù)模型是對外部提供的基于數(shù)據(jù)模型的訪問接口，IEC61850服務(wù)模型示意圖見圖2。

服務(wù)模型包括：數(shù)據(jù)集(Data Set)、替代(Substitution)、報告控制塊(Report Control Block)、日志控制塊(Log Control Block)、定制組控制塊(Setting Group Control Block)、通用變電站事件控制塊(GOOSE Control Block)、采樣值傳輸控制塊(Sampled Value Control Block)、控制(Control)以及文件傳輸(File)。

2 水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建模

智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是智能水電廠的重要組成部分，系統(tǒng)包括現(xiàn)地的智能狀態(tài)監(jiān)測裝置和廠站層的上位機(jī)狀態(tài)監(jiān)測平臺。現(xiàn)地智能狀態(tài)監(jiān)測裝置是實現(xiàn)水電機(jī)組、主變壓器等主設(shè)備的運行安全保護(hù)與運行性態(tài)在線精確測量的技術(shù)保證，同時也為上位機(jī)狀態(tài)監(jiān)測平臺提供數(shù)據(jù)來源，其體系架構(gòu)、設(shè)備組成及功能部署要求充分體現(xiàn)了智能水電廠信息數(shù)字化和通信網(wǎng)絡(luò)化這兩大主要特征[5]。

2.1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)體系架構(gòu)圖見圖3。

智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測相關(guān)軟硬件設(shè)備處于安全I(xiàn)I區(qū)，主要由處于單元層的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集單元、變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測單元，以及處于廠站層的狀態(tài)監(jiān)測平臺組成。單元層設(shè)備完成各類設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測傳感器信號量的采集與計算、實時監(jiān)測與告警、現(xiàn)地數(shù)據(jù)管理和分析試驗等功能，并將采集、計算、分析后的各類設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息，通過II區(qū)單元層和廠站層之間的MMS網(wǎng)上傳給安全I(xiàn)I區(qū)的狀態(tài)監(jiān)測平臺進(jìn)行分析應(yīng)用。

圖2 IEC61850服務(wù)模型示意圖

圖3 智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

2.2 信息建模原則

智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)涉及的設(shè)備種類復(fù)雜，構(gòu)建過程中根據(jù)IEC61850信息模型建模并結(jié)合系統(tǒng)自身特點，其信息模型總體結(jié)構(gòu)設(shè)計按照以下思路構(gòu)建。

一個物理設(shè)備即一個IED，建模為一個裝置對象。這個對象是一個最高層次的容器，每個物理設(shè)備至少包含一個LD對象。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)范具體LD的劃分，遵循IEC61850-7-4及國網(wǎng)公司智能變電站、智能水電廠相關(guān)規(guī)定，把某些具有公共特性的LN組合成一個LD：公用LD，實例名為“LD0”；測量LD，實例名為“MEAS”；保護(hù)LD，實例名為“PROT”；控制LD，實例名為“CTRL”；錄波LD，實例名為“RCD”；監(jiān)測LD，實例名為“MONT”。

需要通信的每個最小功能單元建模為一個邏輯節(jié)點對象，屬于同一功能對象的DO和DA都放在同一個LN中，為了規(guī)范模型結(jié)構(gòu)，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先定義了部分LN模型，如果標(biāo)準(zhǔn)的邏輯節(jié)點類不滿足功能對象要求，可進(jìn)行邏輯節(jié)點類擴(kuò)展或者新建邏輯節(jié)點類。

2.3 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建模

依據(jù)上述IEC61850標(biāo)準(zhǔn)信息建模原則，結(jié)合智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成，單元層的智能狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備分別建立獨立的IED模型，具體包括：發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測裝置IED、水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測裝置IED、變壓器/電抗器狀態(tài)監(jiān)測裝置IED、斷路器/GIS狀態(tài)監(jiān)測裝置IED以及電容型設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置IED。

2.3.1 發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置IED建模

發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置主要包括發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測裝置，兩種裝置是獨立的建模對象，分別為發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測裝置IED和水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測裝置IED。這兩類IED都包括MONT和RCD兩個LD。

監(jiān)測邏輯設(shè)備MONT中主要包含以下幾類邏輯節(jié)點。

(1)振動/擺度監(jiān)測邏輯節(jié)點SVBR，該LN表征旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動/擺度監(jiān)測，反映振動/擺度運行狀態(tài)，振動/擺度類測點信息如上下機(jī)架振動、定子機(jī)架振動、定子鐵芯振動、機(jī)組軸向位移、水導(dǎo)擺度以及頂蓋振動等都建模為SVBR的實例。

(2)壓力脈動監(jiān)測邏輯節(jié)點SPRS，蝸殼進(jìn)口壓力脈動、頂蓋下壓力脈動、導(dǎo)葉出水口壓力脈動、尾水管進(jìn)出水口壓力脈動等測點建模為SPRS的實例。

(3)轉(zhuǎn)速監(jiān)測邏輯節(jié)點TRTN，該LN表征鍵相傳感器測量機(jī)組轉(zhuǎn)速，鍵相信息測點建模為TRTN的實例。

(4)平均氣隙/磁場強(qiáng)度相對值計算邏輯節(jié)點SPOS，該LN表征空氣間隙傳感器采集的平均氣隙相對值和磁通量傳感器采集的平均磁場強(qiáng)度/磁通密度絕對值，空氣間隙測點和磁通量測點建模為SPOS的實例。

(5)局部放電監(jiān)測邏輯節(jié)點SPDC，該LN表征局部傳感器特征值，定子局放測點建模為SPDC的實例。

(6)錄波邏輯設(shè)備RCD中主要包含錄波邏輯節(jié)點RDRE，該LN記錄振擺和壓力脈動傳感器波形以及空氣間隙和磁場強(qiáng)度傳感器波形，相應(yīng)的測點建模為RDRE的實例。

發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置的測點根據(jù)上面6種主要的邏輯節(jié)點類型，分別進(jìn)行邏輯節(jié)點的實例化，發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測裝置中，針對立式機(jī)組的典型傳感器布置為安裝9個低頻速度傳感器用來監(jiān)測上機(jī)架水平/垂直振動、下機(jī)架水平/垂直振動、頂蓋水平/垂直振動，安裝6個電渦流位移傳感器用來監(jiān)測上導(dǎo)X/Y方向擺度、下導(dǎo)X/Y方向擺度和水導(dǎo)X/Y方向擺度，可以將其實例化為SVBR 1- SVBR 15。其他傳感器測點也進(jìn)行類似的邏輯節(jié)點實例化，最終所有測點都對應(yīng)為實例化的邏輯節(jié)點，這些實例化的邏輯節(jié)點再根據(jù)建模原則組成實例化的邏輯設(shè)備，邏輯設(shè)備再組成發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置IED的模型。

2.3.2 變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置IED建模

變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置模型主要包括變壓器/電抗器狀態(tài)監(jiān)測裝置IED、斷路器/GIS狀態(tài)監(jiān)測裝置IED以及電容型設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置IED。這三類IED都只包括MONT一個LD。

監(jiān)測邏輯設(shè)備MONT中主要包含以下幾類邏輯節(jié)點。

(1)局部放電監(jiān)測邏輯節(jié)點SPDC，變壓器局部放電測點和斷路器局部放電測點都建模為SPDC的實例。

(2)液體絕緣介質(zhì)監(jiān)測邏輯節(jié)點SIML，油中溶解氣體監(jiān)測測點建模為SIML的實例。

(3)無相別相關(guān)測量邏輯節(jié)點MMXN，鐵芯電流和電壓監(jiān)測測點都建模為MMXN的實例。

(4)套管監(jiān)測邏輯節(jié)點ZBSH，套管監(jiān)測測點建模為ZBSH的實例。

(5)有載調(diào)壓分接頭監(jiān)測邏輯節(jié)點SLTC，有壓分接開關(guān)測點建模為SLTC的實例。

(6)氣體絕緣介質(zhì)監(jiān)測邏輯節(jié)點SIMG，SF6氣體監(jiān)測測點建模為SIMG的實例。

(7)電容器邏輯節(jié)點ZCAP，電容性設(shè)備監(jiān)測測點建模為ZCAP的實例。

(8)避雷器邏輯節(jié)點ZSAR，避雷器監(jiān)測測點建模為ZSAR的實例。

變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置的測點根據(jù)上面8種主要的邏輯節(jié)點類型，分別進(jìn)行邏輯節(jié)點的實例化，變壓器監(jiān)測裝置和斷路器監(jiān)測裝置中都包含局部放電信號，可以將其分別實例化為SPDC 1和SPDC 2，最終所有測點都對應(yīng)為實例化的邏輯節(jié)點。這些實例化的邏輯節(jié)點再根據(jù)建模原則組成實例化的邏輯設(shè)備，邏輯設(shè)備再組成變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置IED的模型。

3 結(jié) 語

簡要介紹了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)和智能水電廠概念，重點剖析了信息模型的組成和層次關(guān)系，針對水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過梳理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，提出將單元層智能狀態(tài)監(jiān)測裝置劃分為不同的IED的信息建模思路，依據(jù)智能水電廠公共信息模型技術(shù)要求，重點選取了測點相關(guān)的邏輯節(jié)點類完成了數(shù)據(jù)建模。

后續(xù)的建模工作主要包括梳理系統(tǒng)內(nèi)各個IED之間的網(wǎng)絡(luò)通信情況，確定GOOSE網(wǎng)和MMS網(wǎng)上的數(shù)據(jù)信息，完善信息模型的數(shù)據(jù)集、報告控制塊、GOOSE控制塊以及GOOSE訂閱塊，通過IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提供各項的ACSI服務(wù)，實現(xiàn)IED之間的互聯(lián)互通。

作為智能水電廠集成標(biāo)準(zhǔn)化及決策智能化的重要體現(xiàn)，水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過對各個現(xiàn)地智能裝置進(jìn)行IEC61850建模，通過建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信息模型，便于不同自動化設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)互通，生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)有效共享和利用，從而實現(xiàn)提高生產(chǎn)維護(hù)效率和降低改造成本。