公伯峡电站智能化励磁系统研究应用

李军邦，刘文尧，刘强文，孔德豪，郑 筱，林伟成

（青海黄河上游水电开发有限责任公司，青海 西宁 810008）

0 引言

公伯峡水电站位于青海省循化撒拉族自治县和化隆回族自治县交界处的黄河干流上，电站装机容量1 500 MW，是国家西电东送北部重要通道，也是中国水电装机总容量达到1 亿kW·h 的重要里程碑。目前该电站励磁系统采用的是广州擎天实业有限公司的EXC9000 静态励磁系统，是广州擎天实业有限公司首款数字化的励磁系统，至今已稳定运行十数年。随着改造周期到来以及电力行业对励磁系统智能化、智慧化的需求，公伯峡水电站决定对励磁系统进行智能化升级。

1 公伯峡水电站智能化方案

针对行业智能化励磁进行调研后，公伯峡水电站对智慧化励磁提出了一种励磁系统全生命周期管理的智慧化方案，实现可视化的励磁运行过程，能够提前预判励磁系统的安全隐患，评估励磁元件的老化程度，并能在发生励磁故障后及时确定故障位置，给出解决方案。因此，该方案要求励磁系统在传统数字化励磁系统的数据基础上，额外收集大量的测量数据，并能够对这些数据进行整合，上送至数据分析平台。

2 公伯峡水电站智能化励磁设备的研制

数字化、智能化，需针对常规励磁系统中励磁各组成部分的各种电量、非电量数据进行更为全面的采集，因此需通过对相关控制器件升级并增加相应的测量元件来达到数据测量的全面覆盖[1]。

2.1 励磁系统调节柜的智能化

励磁系统调节柜作为励磁系统的大脑，其核心控制单元采用高性能PowerPC 作为CPU 主处理器，大容量FPGA 芯片为协处理器，组成多CPU 的高速实时采样和处理系统，采用了主频为800 MHz 的32位高性能处理器，带双精度浮点运算器，用于完成复杂逻辑控制、复杂运算和通信。同时其要实现全面的数据采集功能，对励磁系统运行过程的调节数据、功率柜数据、灭磁柜数据进行收集以及标准化处理，采用国家智能电网的核心通信协议IEC61850 进行数据传输。调节柜人机界面使用工业电脑，采用Linux 嵌入式操作系统进行人机交互开发，可进行数据显示、操作并将示波器波形显示功能及波形分析功能集成至励磁调节器工控机中，支持RJ45 接口、USB、串口等多种接口，可接入多个监测设备，实现了开环、零起升压、短路升流等多个实验的一键式操作。同时公伯峡励磁系统装设了励磁系统智能化单元，该单元是一种为了适应多元化的智能采集设备，利用高速CPU、大容量内存与其丰富的数据接口进行大量的数据采集及数据分析工作，并为外部数据接收系统提供对应的接口，从而为实现励磁系统智能化做好数据基础的设备[2]。

2.2 励磁系统功率柜的智能化

励磁系统功率柜主要构成为功率元件、散热元件以及相应的部分控制元件，要实现功率柜的智能化，除对单只可控硅电流和整流桥总输出电流、脉冲状态、快熔状态、风机开停状态、风压接点检测、交直流侧刀闸位置状态、本功率柜投退状态等常规信息实现数字化采集外，还通过风速仪、红外测温装置进行可控硅温度、可控硅散热器温度、阻容保护电阻温度、风机风速、柜内温度、环境温度、交直流侧刀闸每相温度、各电源开关位置及开关电气量等数据实现数字化采集。这些数据将用于功率柜风机运行功率的状态分析以及励磁系统可控硅老化分析。

图1 功率柜分布图

智能化的功率柜实现了工况检测智能化、工况显示智能化、信息传输智能化、控制智能化、智能退柜、动态均流等功能。智能化方案为功率柜提供了全方位监测，大大简化了功率柜的操作回路，功率柜的任一种故障信号、任一个状态信号均可通过总线方式输出[3]。采用动态均流技术可以确保现并联运行功率柜均流系数97%以上。

2.3 励磁系统灭磁柜的智能化

灭磁柜采用液晶显示屏替代了传统的表计及指示灯，通过液晶屏实现了对灭磁开关操作、采样校准、数据显示、参数设置等功能的操作，同时数据传输也实现了全数字化，还可采集正常运行时灭磁开关主触头、汇流排温度值以及灭磁电阻及其支路的实时电流值，实时监测和诊断灭磁电阻特性。自动录波并存储灭磁开关跳闸前后的转子电压值、转子电流值、灭磁电压值、灭磁电流值和灭磁时间，计算灭磁总能量以及转子温度。

3 IEC61850 通信协议的应用

IEC61850 是国际电工委员会(IEC)TC57 工作组制定的《变电站通信网络和系统》系列标准，是基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标准。在第二版的标准中增加了水电站自动化监控通信标准IEC 61850-7-410；水电站逻辑节点建模导引IEC 61850-7-510 等标准。

在公伯峡水电厂的励磁系统中引入了IEC 61850标准，解决了不同设备之间的互操作性、信息共享等问题，增强系统的可扩展性并解决了二次电缆铺设过多导致的安全隐患。通过采用IEC 61850 的方式，单台励磁机组的通信点数量将由原来的几十个上升到近千个，为数据的全方位传输提供个了协议基础及速度保障。

4 励磁智慧诊断系统的应用

励磁智慧诊断系统又称综合信息管理系统，是一款利用Modbus/TCP 或IEC61850 通信协议对电厂每套励磁系统内指定的开关量、模拟量进行采集记录，在有需要的情况下可以调出对应时段的数据进行返显，并根据指定信号利用专家经验模型进行相应的数据分析，为生产运行提供指导依据。是一种以发电机励磁系统大数据为基础，依靠专家运行经验及智能化数据模型用以提高电厂励磁系统智能化水平的系统。

公伯峡水电站采用IEC61850 通信协议，将数据从励磁系统收集到智慧诊断系统。智慧诊断系统根据数据信息作出以下分析：

（1）限制器动作可靠性分析：通过对欠励限制、过励限制、伏赫限制、过无功限制、过定子电流限制器的动作前电压、动作后电压、动作后电流、理论反时限、实际反时限及限制器动作后果等信息进行实时跟踪监测，对各类限制器动作正确情况进行分析判断，为励磁系统各功能运行状况实现评价分析。限制器分析模型采用“通道互证、三方校验”的方法来验证励磁系统限制器动作的正确性及可靠性。励磁系统设有3 个调节器通道，而励磁系统智能化单元能够通过从每个励磁系统调节器通道获取运行数据及参数定值，并结合自身或LCU 作为第三方采样单位所采集到的数据，根据对应的欠励限制模型、过励限制模型、过定子电流限制模型、伏赫限制模型（图2）、过无功限制模型等进行计算，将得出的结果进行相互比照，并引入对应限制器值进行动作正确性判定。

图2 V/F 限制可靠性分析流程

（2）运行状态监测与分析：利用励磁系统设定值Ugd以及发电机机端电压采样值进行变化过程分析，对机组起励过程的起励时间、振荡次数、调节时间等相关指标进行分析计算并将结果存入趋势数据库，根据相关指标的发展趋势，对励磁机组的相关性能做出评估，与其类似的，也可针逆变工况作出相应评估；同时将灭磁开关动作信号作为触发点，附加针对励磁电压、电流、发电机电压的变化过程分析，对灭磁开关动作情况作出评估；利用励磁给定Ugd以及发电机无功功率Q的变化趋势，对机组的无功波动情况作出评估。

（3）励磁变压器运行状态在线监测及评估：公伯峡电厂分别在励磁变压器高低压绕组处装设了荧光光纤测温，并使用智能测量仪表对励磁副边的电压电流进行采集，将励磁变压器三相绕组测量温度、电流、电压等信息送至智慧诊断系统，实行在线监测，形成监测数据与负荷比例曲线，与历史数据及趋势比较分析，对变压器进行故障预警。

（4）励磁状态评估：公伯峡电厂通过对励磁电压、励磁电流、移相角、功率柜温度、灭磁电阻漏电流、可控硅温度，各整流柜桥臂电流、励磁系统重要开关量进行实时监测。实现以了对可控硅、灭磁电阻等主要元件的性能评估。以可控硅老化评估为例：以月、季、年作分析，①进行数据整合，将单个功率柜电流以额定励磁电流为基础进行标幺化。并将电流每1%进行数据分段，并以日为单位查询每天每段数据下，6 个桥臂的电流值。如进行月分析，若额定励磁电流为1 000 A,则可将电流分为0～15，15～25，25～35……975～985,985～1 000。以日为位，查询这个月内的功率柜电流在每个电流段内6 个桥臂的电流值。进行数据处理，首先判断每日是否出现功率柜断流，如快熔熔断或者脉冲故障，如果有，则当日数据应被剔除。之后计算每段电流下每个桥臂电流均流系数并进行尖峰消除，剔除当日6 个桥臂中均流系统偏差大于平均值41.4%的数据。最后将处理后数据的平均值作为当日该段数据下该桥臂的均流系数。②进行数据分析。将月、季、年内得到的数据进行函数拟合，并对拟合出的函数趋势进行判断，若函数在一个月内为波动情况，即函数即增又减，将认为功况正常。若函数为单调增、或单调减。则认为其有老化趋势。若在月分析中得到单调趋势，则应对该月以前半年或一年内的数据再次进行年时间范围内的趋势分析，若依然为单调趋势，则进行老化预警。若是波动，则评估终点值与起始值的偏离，目前电厂以20%内为合理偏移，否则为不合理。

5 结束语

综上所述，公伯峡电站所研制的智能化励磁系统从硬件结构与软件系统上都区别于以往的常规励磁系统，通过硬件设备对励磁运行数据的大面积覆盖式的收集，再运用软件系统进行大数据处理，形成数据分析结果，供电站运维人员使用，同时根据励磁设备的运行趋势，对励磁系统调节性能以及主要元器件的全生命周期进行评估、管理，及时发现故障隐患，针对性的提出解决方案，达到风险评估、提前预警的效果。可见，公伯峡电站的智能化励磁系统方案是一种针对智慧化电厂中励磁系统的新的尝试。