数字化水电站智能型调速器功能设想

戴 驱，刀亚娟，吴 威

（华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明650214）

0 引言

水轮机是在调速器系统的控制下运行的，调速器是水电厂重要控制设备，承担着机组的启动、停止、工况转换、负荷调整等重要任务，其性能指标直接影响水轮机运行状态，关系到机组安全稳定经济运行，甚至可能影响到电网的稳定。目前国内的水电站，其设计标准均是严格按照国家相关设计导则来制定的。调速器系统也一样，均由业内所熟知的机械部分和电气部分组成，两部分设备分工协作又紧密配合，共同完成相关调节任务，从技术版本的角度来讲仍属于常规设计。但近年来在国家推动工业4.0和“互联网+”等概念的大背景下，电力行业发展迅速，水电站也逐渐朝着数字化、智能化、智慧型等方向前进，水电站设备在TCP/IP网络通信接口、GPS对时、信息冗余、故障录波、事件登录、状态监测、仿真与测试接口等方面均提出了一些新的要求，显然当前的调速器系统不能满足越来越高的技术要求。

从行业标准看，信息数字化、通信网络化、集成标准化、业务互动化、运行最优化、决策智能化为特征的数字化水电厂，要求具有高速可靠的通信网络，先进的传感和测量技术、冗余可靠的设计、高级的控制策略以及方便灵活的调试手段，调速器系统迫切需要往智能化方向发展，来实现电站机组控制的智能化、信息化及安全可靠运行。当前相关研究单位和设备制造方也意识到了技术进步的需求和方向，正在投入大量的资金、人力物力等进行开发，大家对这方面情况的认识也保持了高度一致，相信不久后相关智能调速器产品就可制造出来并加以应用。

1 常规调速器现状

目前水电站一般采用微机调速器匹配机械液压元件等设备来组成调速器系统，具备如下功能：导叶开度控制、频率（转速）控制、功率控制，一次调频功能，机组开停机控制等，以及必要的开度（功率）限制、过速保护等功能。调节器本身一般会带有串行通信接口，可与监控系统LCU进行数据通信，但受通信接口和相关协议的制约，数据通信的量和速率均不太理想，由于不具备以太网接口，不能适应数字化及智能化的要求，与外系统的通信功能一般仍以硬接线为主，串行接口通信往往作为备用或比对数据使用。机械柜一般只布置纯机械和液压元件，不能实现液压元件的状态监测和故障诊断等高级功能。

2 智能型调速器总体结构设计

从当前工业互联网的发展趋势分析，今后的智能调速系统必须具备强大的通信功能，基本不需要硬接线来传输数据和指令，满足IEC61850等多种现场通信总线及规约，实现与智能电站现场通信总线、监控系统的快速实时信息交换和协调控制，信息传输的总量和速率均大大提升，对相关设备问题动作反应灵敏程度也要有量级的提升，保证水轮机设备更加安全可靠地运行。

智能调速器系统按照3层控制结构设计，即设置厂站层、单元层、过程层，包含两层网络，厂站层与单元层之间采用MMS以太网，单元层与过程层之间采用GOOSE、SV网，总体遵循IEC61850通信协议。厂站层监控系统通过61850规约可以下发功率设定值、水头、时钟等信息，属于指令的发出方和反馈的接收方，可以实现调速系统的功率闭环控制、时钟校准等；单元层调速器控制系统采用双网双机交叉冗余控制，调速器通过61850规约可以上送转速、开度、机组有功、故障量、状态量等，在MMS网上可以实现共享，调速器单元还配置以太网和模拟量接口，方便后续试验设备、仿真系统的接入；过程层装配有模拟量信号合并单元，实现频率、开度、油压装置油位、压力、温度、功率等信号从模拟量到数字量的转换，并通过SV网上送至单元层（图1）。

图1 智能型调速器结构设计图

在具体设备结构上，电气部分，采用合并单元采集互感器信号并转化为SV网数据，转速信号经过新型测速模块采集计算后送到GOOSE网上，相关开关位置信号及节点数据经由智能终端转换后送到GOOSE网，主控制器在网上直接读取数据，系统与监控上位机经过MMS网完成数据交互。机械方面，主要实现电液转换器的电气闭环控制，手自动切换电磁阀、增减电磁阀、紧急停机电磁阀的控制等。机械柜主要依靠布置在柜内的智能终端实现将采集数据转化并接入GOOSE网，因机械柜基本只与调速器电气柜进行数据交换，可将机械柜上的智能终端通过光缆与电气柜的主控制器相连，接收主控制器下发的控制指令，智能终端与机械柜内元器件的连接则采用硬接线。

全厂GPS对时系统向厂站层上位机提供时钟源，可将上位计算机作为对时服务器，单元层调速器设备可自动与上位机对时，GPS时钟系统也可主动向下层各设备下达时钟信号以校准时间。

3 智能化功能设想

智能型调速器除了在数据采集、传输及相关指令操作执行层面较传统调速器有很大进步外，其内置的一些功能性应用也需要匹配其智能程度来设置，并支撑调速器作为电站智能化的重要设备组成。

（1）在基本的调节与控制功能上，由于具备了强大的通信、运算处理能力和快速传递能力，相应的机组启停、工况转换可以更高效和准确地完成，自主能力大大增强，很少需要外部干预，比如基本的开停机过程，调速器在接到开机令后即时利用从各采集元件处得来的参数分析设备状态，精确运算得出需要采取的动作值，并发出相应指令至执行元件，在各执行元件逐一动作过程中实时跟踪分析下一步动作要求并能随时调整，整个开机过程都处于动态调节，保证每一步动作均是在前面已完成动作的基础上采取的最优方案，大大提升设备执行效率和开机可靠度。在机组运行中，对相关设备上偶尔出现的异常情况也能迅速做出准确判断和正确的行为反应，不会出现调节不当或错误反应，比如运行中突然跳闸了，调速器应根据所带负荷、导叶开度、水头流量压力等多方面数据运算得出如何调整导叶来使设备各方面受到的冲击最小，而不是简单地按照参数所设定的分段值来操作。

（2）系统具有良好的自我状态监测及故障诊断技术，配置多种智能传感元件，像神经末梢一样遍布系统设备各处，实时监测设备物理状态及电气状态并上传数据，在后台配置有强大的分析处理软件，对接收到的数据开展多层次多维度的不间断分析，实现对调速系统设备的监测、诊断、评估并自动产生处理指令促使设备采取处理措施，类似于自主管理自身设备，也便于运维人员检查维护及故障处理等，比如在机组增加负荷的调节过程中，调速器可分析液压系统油压储能是否能满足机组调到相应负荷，若不够可在调节时就启动油泵打压或是备用泵也启动来满足机组调节过程，若液压系统不能达到所预设的要求，调速器可提前发出提示告知运行人员，而不是等到出了结果再来告警。

（3）集成仿真功能，可内置多套不同参数，不同工作状态需求下尽快切换至不同参数执行，可高效完成调速器静特性、空转、负载、甩负荷等试验，并支持试验简报、波形图等的自动导出。对于库水位变幅大的电站，调速器可自动根据水位变化来匹配不同的参数，如水头流量和最大开限等，甚至可以实现随水头变化无级调节，保证任何水头下参数设定都是最优的，使机组对能量的转换保持在高效区，大大提升经济运行水平。

对外围系统或设备，智能型调速器应显示出友好互动的能力及优秀的匹配适应和兼容性，便于协同周边系统更好地完成相关运行操作和工况转换，智能型调速器不但能使本系统所有设备均处于良好运行状态，对自身出现的异常和问题可以及时有效处理，还能兼顾到外围的励磁、保护、监控等设备，使自身的动作能很好地配合外围系统的运行，在其他系统或设备出现问题时，也能及时发现并主动调整自身的运行策略，最大限度地保护机组和设备的安全。

4 结语

目前，水电站智能型调速器系统技术正在逐步研究和完善，相信很快就会有工程实例出现。同时，智能化技术应该说只有开始没有结束，是永无止境的，今后随着运行经验的不断积累、研究的逐渐深入和设备制造水平的不断提升，调速器设备的智能化程度将越来越高，伴随而来的是水电站的智能化程度也将不断进步，对设备技术水平和人员技能水平等都将提出更高要求。