丰满水电站智能开关设备配置方案

王承尧， 贾文超

(1.长春工业大学 电气与电子工程学院， 吉林 长春 130012;2.中水东北勘测设计研究有限责任公司， 吉林 长春 130012)



丰满水电站智能开关设备配置方案

王承尧1，2， 贾文超1*

(1.长春工业大学 电气与电子工程学院， 吉林 长春 130012;2.中水东北勘测设计研究有限责任公司， 吉林 长春 130012)

结合丰满水电站特点，提出了3种智能设备配置总体方案，并进行了对比分析。针对首选的两种配置方案给出了详尽的开关设备配置设计方案。

水电站； 开关设备； 配置方案

0 引 言

随着我国超大容量发电机组的不断投入和使用，发电机机组的控制和操作复杂程度也越来越高。由于国内水电厂使用的通信规则种类繁杂因素的影响，各自动化系统相互之间的信息很难准确的采集、处理以及传输。同时，大多数水电站内的信号类型为模拟信号，在运行过程中很容易受到电磁的干扰，水电厂的安全正常运行并不能得到很好的保证[1]。系统的要求已渐渐超出传统的控制设备及厂级监控系统的能力范围，需利用先进的智能元件和设备实现电厂信息数字化，并通过分散分布式网络，实现整个水电厂信息网络中信息快速、准确的交互和共享，为发电机机组的安全操作和控制以及正常的运行提供快速、可靠、全面的数据支撑[2]。因此，智能化水电厂的设计与建设将是我国电力系统发展的一个重要课题。

文中查阅相关国家规范及工程资料，针对丰满水电站工程条件和特点，提出丰满水电站智能一次开关设备设计方案。

1 智能设备的定义及现状

1.1 智能开关设备的定义

智能设备是智能电站的重要组成部分，也是体现其“智能化”特征的主要标志之一。智能开关设备的开关设备和控制设备应具有先进性，其中还包含电子设备、传感器和执行器等相关功能单元模块，需包含开关设备的基本功能和附加功能，监测和诊断方面必不可少[3]。高压设备与相关智能单元的有机结合体，智能组件包含测量数字化、状态可视化以及信息互动化等特征，具备测量、保护以及检测等全部或部分功能的设备组件；同时，高压设备通过附加智能组件组成智能设备，智能组件的重要功能是实时监测和诊断宿主设备状态，将诊断和检测的信息转化成可被智能电网相关系统识别的状态描述语言，并广播设备实时状态，智能组件可设计规划宿主设备相关功能，实现电网对设备的可观测，为电网的优化运行提供信息支撑。

1.2 智能设备现状

智能开关设备主要的实现方式有3种：

1)由一次设备机构、智能单元和监测单元组成；

2)由一次设备机构和智能单元兼监测单元组成；

3)由一次设备机构集成智能单元和监测单元组成[4]。

目前，国际上对一次设备进行智能化研究的厂商主要包括ABB、西门子以及阿海珐等，国内厂商如平高、思源等也相继投入到智能化研究中。在工程中实际应用主要引用智能单元更新现有方案。目前，智能单元通常由二次设备厂家研发，与一次设备通过传统电缆连接，与保护、测控等二次设备通过光缆连接。同时，通过面向通用对象的变电站事件(Generic Object Oriented Substation Event， GOOSE)报文将一次设备的本体状态信息传输出去，并接收来自分合闸GOOSE下行控制命令[5]。

2 智能开关设备配置方案

丰满水电站以500 kV一级电压接入系统，一回出线至新建的500 kV吉林南变电所。采用3组扩大单元接线作为本电站的发电机与变压器的组合方式，发电机出口安装发电机出口断路器，500 kV侧接线采用单母线带跨条接线，设备采用GIS[6]。根据丰满水电站一次设备布置特点，提出各电压等级智能开关设备设计方案如下：

方案1：机构执行器和机电控制回路不变，按中间隔段方式设置智能单元部分以及在线监测单元部分，同时分散安装于各断路器汇控柜，如图1所示。

图1 智能开关设备配置方案1示意图

方案2：机构执行器和机电控制回路不变，按中间隔段方式设置智能单元，同时分散安装于各断路器汇控柜中,如图2所示。

图2 智能开关设备配置方案2示意图

方案3：在机构执行器不变的情况下，取消机电控制回路，将智能单元和开关机构集成化，机电控制回路功能由智能单元实现，智能单元包含在线监测功能，形成其智能机构,如图3所示。

图3 智能开关设备配置方案3示意图

3 配置方案对比分析

方案1和方案2的一次设备智能化的手段都是智能单元，他们具有共同的好处，那就是简单的同时保持了高度的可靠性。主要体现在不使用间隔之间的横向联络电缆的情况下，可以做到让机构机电控制回路(或者电气一次设备本体结构)没有任何改变，这样的前提是在间隔内仍然存在少量的电缆接线。但是方案1的开关在线监测单元要求单独构造，而对于整个电站来说添加几十台的在线监测单元是解决问题的方法。

开关量(DI)以及模拟量(AI)的收集能力是智能单元的特点，同时这两个量又是在线监测单元要收集的信息，当然通常要依照工程的要求变动信号点数。标准化传感器输出，转换为0～5 V电压量或者4～20 mA 电流量就是对模拟量输出的规范化。对开关设备工作时的工况信息进行同步收集可以通过小部分的改动，使用智能单元实现。因此，方案2的经济性要比方案1的经济性高[7-8]。

应用智能机构替代由继电器和电气接点搭接构成的机电控制回路形成了方案3，智能机构不仅实现了开关的监测、控制，并以标准的数字接口与上级网络进行相互通信。方案3优点如下：

1)减弱了控制回路的开关设备导致的故障概率；

2)生产商在产品使用前对其进行调试与连接，节约现场接线时间；

3)设备的维修及检查很方便，停电过程缩短。通过智能单元的替换实现设备的工作运行正常，这样就能离线检测替换下的智能单元。

通过以上的分析比较，方案2和方案3的开关设备智能化均适合丰满水电站工程，在一次设备提供商给出适用的智能机构产品时，则更适合选用方案3。

4 智能元件配置

4.1 方案2配置

1)500 kV GIS设备。汇控柜里要设计两份智能单元模块，一起操作间隔内的功能单元，做到在线监测数据(允许单独一份智能单元收集)的收集，前提是机构执行器，同本身的机电控制回路不变的情况下实现的。

2)发电机出口断路器装置设备。设备配置清单见表1。

表1 方案2配置清单

4.2 方案3配置

数字化传输是通过建立智能单元，缩短一、二次设备间远程的电缆，同时借助GIS的机构内嵌智能单元技术来达成的。对于GIS间隔中的每个机构的电缆数目一定同时相距较近，凭借智能单元达到数字化传输的意义不大，与此同时全部的开关设备机构都要内嵌智能单元，这样就造成整个电站的智能单元规模大大提高(相对方案2来说)，依据目前智能单元价格颇高，造成成本提高的同时形成大面积电磁干扰的问题，只有当在线监测的智能机构造价达到一定低的水准，同时做到抗电磁干扰时，开关设备全部使用单个的智能机构才有可能实现。

GIS间隔内全部开关设备机构不必要做数字化传输。500 kV GIS的全部开关设备都分别有单独的厂家供应，一个间隔内的全部设备构成一个单独的个体，并且单独一个智能单元操纵着间隔内全部的开关设备机构执行器，可看做间隔整体性的智能机构理论。这样更好地结合了GIS的特点，更加符合操作运行习惯。

根据市场供给状态、经济性和抗干扰能力,同时依据GIS和发电机断路器的特性,充分利用智能单元有力的输入、输出功能,采用集成智能机构的概念,具体配置如下：

1)500 kV GIS设备。

在使用原机构执行器的情况下，不采用机电控制回路，依据间隔于汇控柜里构造两份智能单元，其用来重新调配本来的机电控制回路的作用，组合为集成智能机构，一套智能单元收集数据就可以实现在线监测。

2)15.75 kV发电机断路器装置设备。

在使用原机构执行器的情况下，不采用机电控制回路，在汇控柜内设置两套智能单元，用来重新调配本来的机电控制回路的作用，组合为集成智能机构。设备配置清单见表2。

表2 方案3配置清单

4.3 主变智能化元件配置方案

主变智能化配置方案与开关设备智能化配置方案一样，都是根据主变本体添加智能单元达到的[9]。

使用方案2的情况下，智能单元收集的是主变本体电量和非电量信号，同时采集了主变油色谱采集器给出的油色谱监测信号，通过数字化计算分析得到GOOSE(MMS)报文格式传递上去。再采集源于二次设备的下行控制命令，操纵风扇的开启和停止等。通过控制电缆直跳方式实现重瓦斯保护跳闸，通过GOOSE方式实现其余非电量保护跳闸。

使用方案3的情况下，智能单元一方面具有方案2的所有能力，另一方面智能单元重新调配主变风冷控制功能，依照收集到的温度量等权重立马操纵风扇的开启和停止，否定了主变本体通过电气接点、继电器等构造的风冷控制回路。

5 结 语

通过对丰满水电站智能开关设备配置方案的对比分析，给出了丰满水电站智能开关设备的两种优选配置方案。文中提出的配置方案可进一步推进水电厂建设的智能化水平，同时可使水电厂建设总造价得到有效的降低。

[1] 王晓峰，黄绍锋.水电厂自动化发展趋势的技术探讨[J].城市建设理论研究，2014(27)：31-32.

[2] 张毅，王德宽，刘晓波,等.水电厂智能化技术发展趋势与应用[J].水电站机电技术，2013,36(3)：1-8.

[3] 刘云瀑，邱凯.浅谈智能化水电厂[J].科学时代，2012(18)：17-18.

[4] 王杰.智能水电厂的设计[J].科学时代，2014(20)：25-28.

[5] 文正国，姜相东，张毅.浅谈水电厂自动化系统的智能化改造[J].水电站机电技术，2014(3)：7-17.

[6] 陈忠礼,孙珉.丰满水电站三期扩机增容工程设计特点[J].吉林水利,1999(7):7-9.

[7] Li Guorui. Unbalanced Threshold Based Distributed Data Collection Scheme in Multisink Wireless Sensor Network[C]// International Journal of Distributed Sensor Networks,2016.

[8] 张爱梅,江加和.基于相互通信的多导弹协同制导[J].应用科技,2015(2):33-38.

[9] 饶志波.基于网络的小型水电站计算机监控系统设计与研究[D].重庆：重庆大学，2012.

Configuration schemes for intelligent switchgear in fengman hydropower station

WANG Chengyao1，2， JIA Wenchao1*

(1.School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China；2.China Water Northeastern Investigation, Design & Research Co., Ltd., Changchun 130012， China)

Considering the features of fengman hydropower station. three kinds of schemes for the intelligent equipment configuration is proposed and compared each other. For the selected two configurations, we give the detailed switchgear design.

hydropower station; switchgear; configuration.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.1.17

2016-07-24

王承尧(1987-)，男，汉族，吉林长春人，长春工业大学硕士研究生，主要从事发电厂智能化方向研究,E-mail:372689673@qq.com. *通讯作者：贾文超(1965-)，男，汉族，吉林农安人，长春工业大学教授，博士，主要从事电力变换、电力节能、计算机控制方向研究,E-mail:jiawenchao@ccut.edu.cn.

TM 727.2

A

1674-1374(2017)01-0089-04