基于自動(dòng)化技術(shù)的水電廠電氣二次設(shè)備狀態(tài)檢修

云南滇能祿勸電磷開發(fā)有限公司 楊金華

在當(dāng)今能源產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，能源生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)單位應(yīng)緊跟“3060雙碳目標(biāo)”，深化對(duì)水力、風(fēng)力、太陽能等清潔能源的利用，針對(duì)性的提升清潔能源的電力生產(chǎn)效率，不斷推進(jìn)智慧電網(wǎng)的整體建設(shè)進(jìn)程，全面貫徹可持續(xù)、循環(huán)性經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略。

新形勢(shì)下，水電廠在電氣設(shè)備的運(yùn)維管理過程中，應(yīng)積極引進(jìn)自動(dòng)化、智能化控制技術(shù)，對(duì)繼電保護(hù)、絕緣設(shè)備、二次回路接線、互感器、通信通道、主控制系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、全面的監(jiān)測(cè)，基于狀態(tài)檢測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，科學(xué)制定檢修計(jì)劃，嚴(yán)格排查故障風(fēng)險(xiǎn)，為水電廠電力生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)維提供保障。

在智能化、智慧化電力生產(chǎn)與供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)廣泛建設(shè)的環(huán)境中，電氣系統(tǒng)的管理需要根據(jù)電力系統(tǒng)電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)的建設(shè)形式，合理運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、智能化管理目標(biāo)。

現(xiàn)階段，水電站按照電力生產(chǎn)規(guī)模的不同，二次設(shè)備的裝設(shè)數(shù)量、類型存在較大的差異，在具體的設(shè)備管理工作中，需要維檢部門按照電網(wǎng)要求及水電廠對(duì)設(shè)備全生命周期管理和智能化檢修手段要求，對(duì)電氣二次設(shè)備檢修自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行不斷提升和完善，設(shè)定不同類型二次設(shè)備的自動(dòng)檢測(cè)與檢修功能，并建立起標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備狀態(tài)報(bào)警診斷及評(píng)估體系，從根本上提升二次設(shè)備檢修管理與故障發(fā)現(xiàn)及處理的實(shí)效性。

1 電氣系統(tǒng)二次設(shè)備檢修管理的現(xiàn)狀與狀態(tài)檢修的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 電氣系統(tǒng)二次設(shè)備檢修管理的現(xiàn)狀

狀態(tài)檢修將電氣系統(tǒng)工況作為監(jiān)督與控制的對(duì)象，自動(dòng)辨別故障隱患，對(duì)異常位置進(jìn)行判斷，并在故障數(shù)據(jù)的支持下智能評(píng)估故障等級(jí)，以確定檢修方案與檢修工期。自動(dòng)化、智能化技術(shù)在電氣運(yùn)行管理領(lǐng)域的深入應(yīng)用，促進(jìn)了當(dāng)前電氣二次設(shè)備的創(chuàng)新性、多元化應(yīng)用，設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)復(fù)雜化、多功能發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)以人工檢修為主的設(shè)備管理模式已經(jīng)無法完全滿足水電廠生產(chǎn)的要求。在自動(dòng)化電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，電力監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)σ淮?、二次設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制(硬件與軟件同時(shí)監(jiān)視)[1]，有效解決了原有檢修模式反饋不及時(shí)、計(jì)劃?rùn)z修方案不合理等方面的問題。

1.2 狀態(tài)檢修的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

狀態(tài)檢修相較于原有的計(jì)劃?rùn)z查、故障排查等檢修模式，具有高效、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以通過對(duì)設(shè)備運(yùn)維狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化、實(shí)時(shí)性的監(jiān)測(cè)，及時(shí)排查故障異常問題。同時(shí)，還能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)設(shè)備各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)變化、對(duì)電氣一、二次設(shè)備運(yùn)行模式做出調(diào)整，確保電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。現(xiàn)階段，電氣二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與檢修技術(shù)應(yīng)用的智能化、自動(dòng)化水平不斷提升，基于智能電網(wǎng)搭設(shè)與運(yùn)維的具體狀況，逐步引進(jìn)了人工智能、數(shù)字保護(hù)、在線監(jiān)測(cè)、大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算等現(xiàn)代技術(shù)，強(qiáng)化了水電站對(duì)電氣系統(tǒng)整體運(yùn)維狀態(tài)的控制。

2 電氣二次設(shè)備管理中狀態(tài)檢修系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用路徑

二次設(shè)備的構(gòu)成與以此電氣設(shè)備存在一定的區(qū)別，采用狀態(tài)檢修對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制、調(diào)整等操作時(shí)，需要根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)、性能、運(yùn)維特點(diǎn)，做好系統(tǒng)的搭建工作。

2.1 電氣二次設(shè)備狀態(tài)檢修的構(gòu)成

現(xiàn)階段，隨著電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化建設(shè)水平的不斷提高，水電廠電力生產(chǎn)的安全要求、效率管理也隨之提升，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)置更復(fù)雜。狀態(tài)檢修的構(gòu)成主要分為三部分：第一，電氣機(jī)組的二次運(yùn)行裝置，包括通信交換機(jī)、連接線路、串口、傳感設(shè)備等，主要功能是收集設(shè)備運(yùn)行過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，及時(shí)上傳到主控系統(tǒng)，屬于相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸通道；第二，根據(jù)通信要求及實(shí)際生產(chǎn)情況搭建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，修改各項(xiàng)通信配置；第三，按照水電站的生產(chǎn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)主站系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)，確保狀態(tài)管理系統(tǒng)可以利用軟件系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和模塊化整合，合理增強(qiáng)系統(tǒng)的兼容、拓展能力，提高設(shè)備操作的靈活性、時(shí)效性。

2.2 電氣系統(tǒng)狀態(tài)檢修的技術(shù)應(yīng)用路徑

2.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

基于自動(dòng)化控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與檢修機(jī)制，可以全面、及時(shí)的采集二次設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，為控制決策、維修管理提供幫助。數(shù)據(jù)的采集與整合作為狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)功能，主要是通過搭設(shè)網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控系統(tǒng)，合理布設(shè)分機(jī)與終端設(shè)備，根據(jù)分機(jī)各節(jié)點(diǎn)的傳感裝置，獲取相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)。對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)的處理則是通過監(jiān)控與操作界面，按照大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，下達(dá)相應(yīng)的操作指令，對(duì)系統(tǒng)中各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)值進(jìn)行計(jì)算、核對(duì)與校驗(yàn)。

通過終端機(jī)能夠?qū)υO(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查詢，對(duì)采樣值進(jìn)行保護(hù)管理，比如：電流、電壓、相位角等方面[2]。并運(yùn)用自動(dòng)檢測(cè)與智能報(bào)警程序，反饋設(shè)備異常問題，為主控制系統(tǒng)的操作決策提供參考信息。與此同時(shí)，設(shè)備運(yùn)行過程中，工作狀態(tài)的不斷變化會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)信息，依靠傳統(tǒng)的信息分析與處理方法，往往無法保證各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)的處理效率與準(zhǔn)確性。

2.2.2 在故障排查與檢修方案制定環(huán)節(jié)的應(yīng)用

電氣二次系統(tǒng)運(yùn)維管理中狀態(tài)檢修還可以為故障排查與檢修方案制定提供相應(yīng)的支持，包括設(shè)備故障的原因與位置確定、異常表現(xiàn)分析的診斷、歷史檢修數(shù)據(jù)收集、檢修方案可行性分析等功能。

一方面，可以對(duì)電氣設(shè)備的故障異常進(jìn)行診斷。診斷的內(nèi)容包括對(duì)報(bào)警信息的分析、對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)以及對(duì)故障異常的排查。其中，對(duì)報(bào)警信息的分析與評(píng)價(jià)是指借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等智能電氣系統(tǒng)管理平臺(tái)的服務(wù)功能，根據(jù)傳感設(shè)備收集的信息分析，向主站反饋異常信息。設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)需要依照水電站的系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備整體工作狀態(tài)與各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算與評(píng)估，通過監(jiān)控系統(tǒng)工程師站對(duì)二次設(shè)備裝置傳輸控制命令，進(jìn)而對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行獲取和明確。而設(shè)備故障異常的排查主要是指以自動(dòng)化檢測(cè)為主，輔助人工檢查，及時(shí)確定異常位置，采用針對(duì)性的處理策略，控制故障影響。

另一方面，狀態(tài)檢修為系統(tǒng)維護(hù)與檢測(cè)措施的制定提供支持。在自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)維控制系統(tǒng)中，對(duì)各項(xiàng)歷史故障數(shù)據(jù)、檢修方案、設(shè)備信息、安裝技術(shù)等信息記錄較為全面，根據(jù)全面、客觀的數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行檢修措施的制定，可以有效縮短方案制定實(shí)踐，提升計(jì)劃?rùn)z修、狀態(tài)檢修的實(shí)效性與針對(duì)性。如，在二次回路保護(hù)、檢查與維修方案的制定過程中，可以將各項(xiàng)保護(hù)措施分類匯總，記錄到臨檢單中，借助生產(chǎn)管理系統(tǒng)傳遞到相關(guān)管理部門，經(jīng)相關(guān)部門、班組層層反饋后，開展實(shí)際的檢修工作。

3 二次電氣設(shè)備的運(yùn)維狀態(tài)檢修策略

3.1 斷路器與互感器的在線監(jiān)測(cè)管理

在制定斷路器檢修方案時(shí)，應(yīng)在自動(dòng)化控制平臺(tái)上設(shè)置設(shè)備機(jī)電狀態(tài)保護(hù)、監(jiān)測(cè)與檢修功能模塊，對(duì)斷路器裝設(shè)、運(yùn)行的全過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以確保跳合閘回路能夠根據(jù)平臺(tái)下達(dá)的指令進(jìn)行有效操作，控制回路的分合速度。在斷路器設(shè)備管理過程中，為保證狀態(tài)監(jiān)測(cè)反饋的及時(shí)性、控制操作的動(dòng)態(tài)性，需要逐步完善配套的狀態(tài)評(píng)估機(jī)制，規(guī)范設(shè)備控制與操作流程。

二次電氣設(shè)備的互感器主要監(jiān)測(cè)對(duì)象是二次電壓回路，分為單相、兩相與正常負(fù)荷下的三相回路監(jiān)測(cè)，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中電力運(yùn)轉(zhuǎn)各項(xiàng)參數(shù)、線路故障相關(guān)信息的分析，對(duì)電力回路運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)電力回路具有十分重要的作用，檢測(cè)原理為在不發(fā)生零序電壓的情況下，監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)了零序電流的存在，說明電流回路異常[3]。

3.2 二次回路的保護(hù)措施

互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù)的廣泛普及應(yīng)用環(huán)境下，智能電網(wǎng)中各項(xiàng)運(yùn)行設(shè)備的性能被逐步優(yōu)化，隨之而來的電氣系統(tǒng)的構(gòu)成、技術(shù)應(yīng)用、檢修管理等工作難度大幅度提升。水電廠在基于自動(dòng)化管理平臺(tái)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、檢修管理時(shí)，應(yīng)合理運(yùn)用智能識(shí)別、大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算等功能，做好二次回路的繼電保護(hù)工作。

二次電氣設(shè)備的二次回路設(shè)計(jì)與鋪設(shè)方案是根據(jù)水電廠水能利用形式、電力生產(chǎn)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)成本等條件制定的，對(duì)二次回路的運(yùn)維狀態(tài)檢修包括信號(hào)回路、操作回路、邏輯系統(tǒng)等內(nèi)容。不同的二次設(shè)備元件檢測(cè)與維修方法存在較大的差異，具體可以分為絕緣監(jiān)測(cè)、保險(xiǎn)熔斷、斷線監(jiān)測(cè)等方式，為保證不同檢修、監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)與診斷等環(huán)節(jié)的工作實(shí)效性，在常規(guī)監(jiān)測(cè)、故障異常診斷前，需要對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析，制定針對(duì)性的檢修對(duì)策，并及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，為后續(xù)維護(hù)及檢修提供可靠的參考。

3.3 二次設(shè)備的絕緣監(jiān)視

二次回路的線路鋪設(shè)范圍廣，處于復(fù)雜的環(huán)境中，電纜的絕緣層在長(zhǎng)期高負(fù)荷使用過程中，防護(hù)性能退化速度較快。在狀態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，通過專業(yè)檢測(cè)裝置，結(jié)合電纜使用周期，對(duì)線路的絕緣性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，可有效檢測(cè)出性能不符合使用標(biāo)準(zhǔn)的電纜，并通過替換、維修處理，最大限度的排除故障隱患。

3.4 通信通道信號(hào)傳輸狀態(tài)監(jiān)測(cè)

水電站中各項(xiàng)電氣設(shè)備對(duì)運(yùn)行環(huán)境與維護(hù)管理的要求不同，為保證智能系統(tǒng)中直流屏、控制屏、智能電能表等設(shè)備的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，需要加強(qiáng)對(duì)通信通道信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，保證自動(dòng)化主站系統(tǒng)與分站能夠及時(shí)接收到遙測(cè)、遙控、故障報(bào)警等多方面的信號(hào)信息。具體的通信方式包括：簡(jiǎn)單串行通信（如RS-232，RS-422，RS-485）、現(xiàn)場(chǎng)總線方式(CAN，longwords等)、以太網(wǎng)通信（電纜、光纖）[4]。

3.5 設(shè)備工況的在線監(jiān)測(cè)

目前，二次電氣系統(tǒng)中，工況監(jiān)測(cè)與檢修管理的內(nèi)容包括對(duì)設(shè)備硬件、軟件程序資源分布情況的監(jiān)測(cè)，通過工況監(jiān)測(cè)可以及時(shí)反映計(jì)算機(jī)CPU的使用率、磁盤空間以及內(nèi)存容量等。當(dāng)計(jì)算機(jī)的使用率超出標(biāo)準(zhǔn)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就會(huì)向主控系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)信息。在過去，對(duì)二次電氣系統(tǒng)的管理主要以保證其運(yùn)維的可靠性為主，在自動(dòng)化狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，不僅對(duì)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性提出了更高的要求，同時(shí)需要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)出發(fā)，優(yōu)化各項(xiàng)維護(hù)資源的配置效率，確保二次設(shè)備能夠維持高效運(yùn)行的狀態(tài)。

3.6 系統(tǒng)軟件的更新升級(jí)

為確保二次設(shè)備操控的靈活性與及時(shí)性，在智能電氣管理系統(tǒng)的建設(shè)與完善過程中，需要技術(shù)管理部門結(jié)合先進(jìn)信息技術(shù)研究成果，及時(shí)對(duì)軟件程序進(jìn)行更新升級(jí)，確保系統(tǒng)軟件的運(yùn)行效率。一旦出現(xiàn)運(yùn)行問題，需要及時(shí)由供應(yīng)商進(jìn)行維修。

3.7 故障診斷與檢修

當(dāng)前，電氣運(yùn)維系統(tǒng)的二次狀態(tài)檢修通常是采用計(jì)劃?rùn)z修與故障檢修結(jié)合的方式，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、定期監(jiān)測(cè)的情況反饋，制定對(duì)應(yīng)的檢修計(jì)劃，在故障發(fā)生的第一時(shí)間啟動(dòng)應(yīng)急方案。為保證電氣系統(tǒng)整體運(yùn)維的安全性與可靠性，系統(tǒng)監(jiān)管部門應(yīng)根據(jù)水電廠設(shè)備狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)，積極運(yùn)用智能電網(wǎng)綜合管控平臺(tái)，優(yōu)化檢修方案，制定針對(duì)性的故障排查與處理對(duì)策，最大限度的降低電氣設(shè)備的故障影響。

綜上，在水電廠電力網(wǎng)絡(luò)體系的建設(shè)與管理過程中，電氣系統(tǒng)二次設(shè)備的運(yùn)維狀態(tài)受技術(shù)應(yīng)用、管理要求、檢修技術(shù)、養(yǎng)護(hù)方式、使用周期等多方面因素的影響，容易出現(xiàn)故障風(fēng)險(xiǎn)，不僅會(huì)影響到設(shè)備運(yùn)維的安全性與效率性，嚴(yán)重情況下還會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。為進(jìn)一步提升電氣設(shè)備的整體運(yùn)行質(zhì)量，設(shè)備管理部門應(yīng)結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)在電力生產(chǎn)領(lǐng)域的先進(jìn)應(yīng)用成果，做好二次回路、繼電保護(hù)、通信通道、絕緣監(jiān)視等環(huán)節(jié)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作，通過開展電氣二次設(shè)備狀態(tài)檢修，全面提升水電廠電力生產(chǎn)與安全管理的整體水平。