水电厂发电设备智能化设计的探讨

彭滋忠

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙410004）

1 概述

电力行业建设智能水电厂的呼声日益高涨，水电厂智能化设计势在必行。智能化水电厂设计采用当今流行的模块化技术、电气一次二次设备融合技术、网络通信技术、远程在线监测及诊断技术，推动智慧水电厂不断的向前迈进。

2 智能化水电厂设计及技术特点

（1）本文以大型混流式水轮发电机组为模型对智能化水电厂的设计进行探讨，模型水电厂包括水轮发电机组及自动化设备、厂用电、220 kV或500 kV升压站等设备，主接线如图1。

图1 智能化水电厂电气主接线图模型

（2）智能化水电厂技术特点：

1）数字采样技术：采用电子式互感器实现电压电流信号的数字化采集。

2）数字化模块技术：采集发电机组各轴承瓦温、油温、冷却器温度、流量、压力等信号，再进行数字化处理。采集机组转速、导叶位置、制动位置、剪断销位置、技术供水等信号进行数字化处理。

3）智能传感器技术：采用智能传感器实现电气一次设备的灵活控制。

4）信息共享技术：采用基于IEC61850标准的信息交互模型实现二次设备间的信息高度共享和互操作。

5）同步技术：采用B码、秒脉冲或IEEEE1588网络对时方式实现采样或对时。

6）网络同步技术：构成网络化二次回路实现采样值及其他信息的网络传输。

3 水电厂发电设备的智能化设计

3.1 数字化模块技术

（1）水电厂机组自动化元件点多、面广、种类繁多，建议采用数字化模块技术，就地化安装。

（2）数字化模块分类，按用途分，主要有：智能转速传感器；智能导叶位置传感器；纯开关量输入（如剪断销位置、风闸位置）数字化处理设备（模块）；按照系统分：技术供水系统；顶盖排水；主轴密封供水；调速器压油泵控制系统。可考虑采用智能控制器，具备采集温度、压力、流量、开入、开出、电压、电流等多种信号接口及功能，具备网络化智能接口。

（3）模块化设备安装选择就地化安装。测温模块箱式或柜式可考虑在发电机机身外挂、机坑内壁或机坑外壁挂安装，考虑机坑温度较高，优先选择机坑外壁挂安装。

（4）模块接口技术：具备多个 RS232、RJ45、光纤接口，采用IEC61850网络通信规约，与其他设备用光缆连接，大幅度减少常规电缆的使用。

3.2 智能化发电机、励磁变、厂用变保护

参考国网公司智能变电站技术，在发电机出口及中性点安装多组电子式组合互感器，组柜安装。具备光纤接口，考虑与保护、励磁、调速器设备光纤连接。在保证发电机保护“四性”要求的前提下，配置双套发电机、励磁变、厂用变保护，直采直跳，测控组网。

3.3 智能化励磁系统

（1）励磁调节柜采用双自动通道设计，功率测量具备与电子式互感器接口及功能。

（2）可控硅触发脉冲具备光接口及功能，与励磁调节柜采用光纤连接。

（3）设计起励、逆变灭磁、电制动、投/退、增减励磁等数字化接口，与其他设备采用光缆连接进行通信。

（4）励磁系统状态显示与其他设备采用光缆连接进行通信。

（5）灭磁开关采用电气一次二次设备融合技术，与其他设备采用光缆连接进行通信与控制。

（6）开发智能型励磁电压及励磁电流组合传感器，消除谐波及励磁过电压对其他电气设备的影响，并具有光纤接口。

（7）发电机励磁调节器辅助限制性能协调优化。

（8）励磁软件采用模块化设计，在保证励磁控制主流程控制功能不变的前提下，设计新的通信软件与其他设备通信，采用IEC61850通信规约，具备光纤通信接口，满足水电厂智能化通信要求。

（9）具备在线监测与远程诊断功能及光纤接口。

3.4 智能化水轮发电机调速器系统

(1)调节柜采用双自动通道设计，功率测量具备与电子式互感器接口及功能。

（2）调节柜设计具有智能型转速传感器、导叶位置传器光纤接口模块。

（3）调速器机械柜旁设置智能接口装置，集成各阀门、电磁阀等自动化元件数字化光纤接口，与调节柜及其他设备光纤连接，采用IEC61850规约，具备显示与控制功能。

（4）设计开停机、投/退、增减速等数字化接口，与其他设备采用光缆连接进行通信。

（5）调速器系统状态显示与其他设备采用光缆连接进行通信。

（6）调速器软件采用模块化设计，在保证调速器控制主流程不变的前提下，设计新的通信软件与其他设备通信，采用IEC61850通信规约，满足水电厂智能通信要求。

3.5 设置智能通信控制柜取代LCU柜

（1）大型水轮发电机组LCU柜一般设置为3～5面柜，与其他二次设备的连接为常规电缆连接，电缆使用量大，维护接线工作量大。建议设置智能通信控制柜取代LCU柜，可设置1～2面柜，与其他设备采用光缆连接，接线及维护工作量大大减少。在厂站层控制系统故障或退出运行的情况下，水轮发电机组仍然能够正常运行。

（2）智能通信控制柜在保证水轮发电机正常开机、停机流程；保证对发电设备正常操作、控制、显示、监视、通信、远程诊断的前提下，开发新的软件系统，使之与IEC61850通信规约兼容。网络接线图见图2。

图2 智能化水电厂网络接线图模型

4 水电厂升压站设备的智能化设计

水电厂升压站设备主要有变压器、GIS设备、保护和通信设备、监控系统设备，借鉴、参考或选用国家电网公司智能化变电站的设计，在此不再赘述。

5 智能化发电机的设计

5.1 在线监测与诊断

（1）采用泄漏电流传感器的避雷器监测；（2）采用UHF传感器的局部防电监测；（3）采用小电流传感器的套管绝缘监测；（4）振动摆度监测；

（5）汽轮机油在线滤油及理化指标的监测；（6）采用特制光纤的绕组温度监测；

（7）采用电子式互感器的单相接地电容电流监测。

5.2 发电机中性点消弧线圈及接地变压器的设计

对发电机中性点的消弧线圈及接地变压器进行智能化设计，根据采集到的单相接地电容电流自动调整补偿度。

6 智能化10 kV开关柜的设计

智能开关柜的关键是电气操作的安全控制技术。

6.1 智能开关柜控制部分的组成

（1）智能开关柜设备分合闸功能实现是由开关结构、控制器、电机驱动3部分组成。其中控制器是核心控制部件。分为电子控制器和电气装置控制器。

电气控制器由电动机来进行启动、调速、制动，实现预定机械动作的完成。电气控制系统分为电气设备二次控制回路，不同的设备有不同的控制回路。控制回路由启动保护（启动电流恒流控制）、制动反馈（电机停止）2部分组成。

电子控制器主要是指用弱电的电子集成元件控制强电的电气装置的电动机，经过电子控制器的单片机和电脑的通信，电脑作为主要的数据处理设备，发送给单片机不同的信息，通过电子控制单片机实现对电气装置的电动机进行控制。

（2）开关柜电操控制器是智能化开关柜的核心单元。

1）控制器就是控制部件，而外围设备相对控制器来说就是执行部件。控制部件与执行部件的一种联系就是通过控制线。

2）控制器需要接收和识别上级命令：控制中心的程序可以向控制器发送多种不同的命令，设备控制器应能接收并识别这些命令。控制器不断向设备各种传感器发送电子查询，并且向上级回复执行结果。

3）控制器根据每个驱动电动机的功能分为：单向控制器和双向控制器。控制器还需要配备电机恒流控制技术：电机启动扭转电流和动态运行电流匹配一致，提高电机的启动转矩均衡，在机械齿轮故障扭矩增大情况下能对电机和整体设备做安全保护。

4）控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令。

5）控制器自动检测与之相关的接口状态，如外部开关信号等等，一旦出现故障，控制器自动实施保护，充分保证设备的安全，当故障排除后控制器的保护状态会自动恢复。

6）控制器要具备电流控制元件的合适选择，能够适用于任何一款电机，并且具有相当安全的控制效果，不再需要匹配，提高了电机控制器的普遍适应性，使电机和控制器不再需要现场的设备匹配，方便安装和使用。

7）控制器具备自动/手动操作功能一体化，根据不同的使用环境进行灵活配置。自动转换开关控制器是一种智能双功能切换系统。控制器的电气联锁配合机械联锁，确保控制器参数的自动调整。

6.2 智能开关柜控制系统设计

（1）选用电子式电压传感器，采用电阻/容分压式传感器，成本低、精度高、体积小、重量轻、受环境影响小、无二次短路的危险。技术参数要求：相电压0.5级精度，零序电压1级精度。负载阻抗＞10 MΩ。

（2）选用电子式电流传感器，采用低功耗线圈方案，直接输出小电压信号，无二次开路危险，工艺简单，精度高、无饱和、频率响应范围宽、线性度好，在系统故障状态下可使保护正确动作。

（3）数据采集：提供Ua、Ub、Uc、U0、Ia、Ib、Ic、I0（保护、测量、计量）

（4）故障切除时间不大于100 ms。

（5）计量功能：精度0.5级；计算正方向有功电量和四象限无功电量、功率因数。具备计量数据冻结功能，包括日冻结、功率方向改变时的冻结。

（6）故障录波：故障前4个后8个周波，录波数据循环存储60条，支持上传主站。采样点数不少于80点/周波，包括电流电压、开关、位置。

（7）数据调阅：支持历史数据远程调阅，以文件方式上传至主站；日冻结电量、电能、功率、电流、电压定点数据；电压、电流日极值数。

（8）数据存储：循环存储、失电不丢失。

6.3 自适应综合型就地馈线自动化

具备自适应综合型就地馈线自动化功能，不依赖主站和通信，通过短路/接地故障检测技术、无压分闸、故障路经自适应来电合闸等控制逻辑，实现单相接地故障的就地选线、区域定位和隔离；出线开关一次合闸、实现永久性短路故障的区段定位和瞬时性故障的供电恢复。

6.4 智能开关柜采用模块化设计

（1）在结构上采用独立功能的组件进行装配，即采用所谓模块化的积木式拼装结构，用较少品种满足各种不同的使用要求，即功能多样化,减少采购成本和维护成本。

（2）即插即用技术。

6.5 控制单元技术提升

（1）高可靠、小型化、易维护的工艺；研究标准化、规范化、集成化制造工艺，结合工业级芯片实现性能的优化升级。

（2）基于IEC61850标准的即插即用技术，研究终端与主站的自识别、自诊断的智能交互及监测技术，实现控制单元的即插即用。

6.6 一、二次设备的深度融合技术

（1）一、二次设备的深度融合，DTU分布式安装。

（2）三遥动作型DTU安装在各单元间隔内，实现本间隔的三遥、计量、相间与接地故障处理、通信功能。DTU通信方式接入通信单元，由通信单元对上通信。

（3）DTU和通信模块实现装置级可更换，支持热插拔。

7 智能化400 V低压电器的选型

目前，各主要低压电器制造厂商均有比较成熟的产品可供选择。

8 总结

智能水电厂水机自动化采用模块化设计及就地化安装技术，励磁及调速器采用智能化接口设计，升压站采用国网公司智能变电站技术标准设计，对减少二次接线及维护工作量具有重要意义。

参考文献：

[1] GB/T32890-2016继电保护IEC61850工程应用模型[S].

[2] DL/T5510-2016智能变电站设计技术规定[S].

[3] DL/T1403-2015智能变电站监控系统技术规范[S].