水電站數字化勵磁系統設計方案

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摘要：勵磁系統是水電站的關鍵設備，也是水電站相對于變電站的主要區別之一，本文提出了一種滿足IEC-61850通信標準的數字化勵磁系統設計方案，并列表分析了相對傳統水電站，在數字化勵磁系統設計中需要解決的關鍵點，為數字化水電站的整體建設打下了基礎。

關鍵詞：IEC-61850通信標準；數字化水電站；數字化勵磁系統；具體實施方案

近年來，國家電網已明確提出建設堅強智能電網的發展目標，并大力發展水電、抽水蓄能等清潔能源項目。數字化變電站建設則是其中重要的組成部分。在國內電網大力推廣已建設并運行的數字化變電站[1]中，IEC-61850[2]通信標準的應用、完善也得到很大發展，變電站的數字化技術（滿足IEC-61850通信標準）已趨于成熟，變電站內各類滿足該標準的設備均已投入運行，設備性能安全穩定，相關設備廠家也有了響應特定需求的成熟產品，并具備研究開發新產品的實力，目前已具備建設數字化水電站的基礎。

1數字化水電站勵磁系統設計概述

相對于數字化變電站，水電站領域則暫未出現完整且成熟的數字化解決方案。參考數字化變電站的設計方案，依據《DL/T1547-2016智能水電廠技術導則》[3-4]，基于“一次設備智能化，二次設備網絡化，符合IEC61850通信標準”的思路，數字化水電站網絡結構分為“過程層”、“單元層”、“站控層”，采用過程層網絡（GOOSE網、SV網）、站控層網絡（MMS網）的3層2網結構層次。數字化水電站的所有電氣設備均應滿足IEC-61850通信規約。勵磁系統[5]是水電站發電機的重要組成部分，它通常由勵磁功率單元、勵磁調節單元和滅磁單元3部分構成，通過勵磁系統中的勵磁調節器對勵磁功率單元進行控制，達到調節發電機無功功率和電壓的效果。勵磁調節系統應能夠滿足系統在正常和事故情況下的調節需要。在數字化水電站中，勵磁系統除完成水輪發電機組的開機、停機、增減無功功率、緊急停機等任務外，還應能滿足IEC61850數據建模及通信功能，全面支持與站控層網（MMS網）、過程層網（GOOSE網和SV網）兩網通信。同時，應能接受監控系統提供無功功率給定值，完成無功功率的閉環控制。為滿足實際應用需求，勵磁系統在邏輯上被劃分為許多個可以獨立訪問和處理的邏輯設備。勵磁系統裝置布置在數字化水電站系統結構上的單元層，合并單元[6]、智能終端[7]、輔控單元等裝置或智能設備布置在過程層（圖1）。數字化電站站控層的上位機滿足IEC61850通信標準的要求，通過MMS網將勵磁系統的信號上送監控系統上位機。數字化勵磁系統應滿足可與GOOSE網及SV網交換機相連接，采集過程層的數據。過程層的數字化則要求CT、PT及現地元件輸出的數據均為數字化形式，CT、PT與合并單元相連接（電子式互感器[8]通過光纜連接，電磁式互感器通過電纜連接），電流、電壓數據數字化后通過光纜與SV網交換機連接，現地元件則要求經電纜連接至智能終端，將開關量或模擬量信號轉化為數字信號并經光纜傳輸至GOOSE網交換機。參考數字化變電站的設計模式，電流、電壓模擬量數據的傳輸方式有組網模式（網采）和點對點模式（直采）兩種，基于最大化精簡電纜或者光纖數量及利用網絡安全、快速、數據共享等的傳輸優勢原則，本文推薦SV網采用組網模式進行采樣。

2水電站勵磁系統數字化具體實施方案

勵磁系統主要分3個部分：勵磁調節器、功率單元以及滅磁單元。功率單元主要輸入交流電源，通過接受調節器的控制量控制可控硅整流橋工作，最后對發電機轉子回路輸出勵磁電流，同時功率柜還向調節柜反饋其實時運行狀態信息。因功率柜大多布置與調節柜相鄰，且功率柜與外部數據交換很少，沒有進行數字化的必要，功率單元與勵磁調節器之間采用直連，通過硬接線方式進行數據交換，通信量包括：可控硅狀態監視、快熔監視、功率柜溫度、各橋臂電流監視、風機狀態、脈沖檢測等信息、啟停風機等。經過對現階段國內外主流勵磁系統廠家的調研發現，至今為止，電站勵磁系統行業中暫無實際投入運行的成熟產品能支持IEC61850GOOSE網和SV網，勵磁產品由于勵磁滅磁柜及調節器技術發展的限制，暫無可全面支持IEC-61850標準的勵磁設備。針對勵磁設備現狀，為滿足數字化整體要求，如何實現勵磁系統3個主要部分的數字化功能是整個實施方案的關鍵及技術重點、難點。本文提出的數字化勵磁系統實施方案主要包含勵磁調節器的數字化和滅磁單元的數字化2部分。2.1數字化勵磁調節器的實現。數字化勵磁調節器的功能實現可以通過在調節器裝置背板上增加GOOSE插件、SV采樣插件的方式來實現GOOSE、SV采樣功能；也可以采用支持GOOSE、SV服務的智能控制板方式實現。勵磁調節器需接收并處理發電機機端電壓、電流，勵磁電流等模擬量以及開機、停機、并網等開關量信號，實現勵磁系統的自動控制、調節，同時向電站其他系統輸出勵磁系統的運行狀態信息。數字化勵磁調節器具體實現IEC61850服務和相關功能有如下幾點：（1）電流、電壓信號的采集：PT、CT通過合并單元轉化為SV格式數據包，上送至SV網上，勵磁調節器直接從SV網上采集電壓、電流數據。（2）發電機出口斷路器GCB及系統側主變高壓側斷路器位置的采集：GCB及主變高壓側位置信號通過智能終端上送至GOOSE網，勵磁調節器從GOOSE網上獲取GCB和主變高壓側斷路器位置信號。（3）與電站監控系統上位機的通信：監控系統上位機通過站控層MMS網直接下發無功功率給定值至勵磁系統，勵磁系統完成無功功率的閉環控制；勵磁系統計算當前的無功功率，將所有的信號通過站控層MMS網上送至監控系統上位機。當上位機故障時，勵磁系統將自動切換至機端電壓閉環模式，維持住當前的機端電壓；同時，勵磁系統將所有的信號通過GOOSE網轉送機組LCU。（4）與機組LCU的通信：機組LCU對勵磁系統的控制信號（開機、停機等）通過GOOSE網發至勵磁系統，同時，勵磁系統將無功功率及重要的故障信號通過GOOSE網送至機組LCU。（5）與機組同期裝置的通信：機組同期裝置的調壓命令通過GOOSE網發至勵磁調節器。為了實現勵磁系統的PSS功能，勵磁系統應能準確測量發電機的頻率（轉速）。在測頻方式上，為了達到盡可能高的精度，一般都是采用FPGA測頻方式。在測頻信號的來源選擇上，有兩種方式，即機端電壓測頻和同步電壓測頻。2.2數字化滅磁柜的實現。滅磁及過電壓保護柜主要接收調節器投切起勵電源命令，滅磁開關的分合閘命令，以及實現滅磁及過電壓保護等功能。它需要對外輸出發電機運行過程中實時的轉子電流和轉子電壓信號，滅磁開關位置等信息，同時還需要向調節柜反饋滅磁柜的實時運行狀態。滅磁柜可以使用合并單元+智能終端的合智一體裝置，通過GOOSE網傳輸滅磁開關位置狀態信號和控制滅磁開關分/合閘命令；該裝置可以采集轉子的勵磁電壓、勵磁電流，經同步和重采樣等處理后通過GOOSE網送給發電機保護、發變組故障錄波等設備，通過GOOSE網上送轉子電流、轉子電壓信息；該裝置通過GOOSE網接收發電機保護或機組LCU的分合滅磁開關命令，對滅磁開關分合閘線圈進行操控；同時滅磁開關的分合閘狀態信號經合智一體裝置采集后經GOOSE網上送給監控系統和保護系統。勵磁系統滅磁柜和調節柜一般就近統一布置。滅磁柜通過電纜與勵磁調節器相連，滅磁柜的狀態、故障信號由勵磁調節器統一收集后經站控層MMS網上送計算機監控上位機系統。2.3傳統勵磁與數字化勵磁采集方式區別數字化與傳統水電站勵磁系統模擬量信號采集方式對比見表1。由表1所述可知：在數字化電站中，一次設備和勵磁系統設備之間直接通過光纖連接，代替了傳統水電站中大量采用的電力電纜，數字化水電站各系統間采用通信方式傳輸信息，通信系統在傳輸有效信息的同時傳輸信息校驗碼和通道自檢信息，一方面杜絕誤傳信號，另一方面在通信系統故障時可及時告警。在數字化電站中，可以采用微機處理和光纖數字通信優化電站層和間隔層的功能配置，控制和運行支持系統通過局域網彼此互相連接，共享數據信息，簡化單個系統的結構，同時保持各個系統的相對性。

3結論

通過對水電站中勵磁系統的功能和IEC61850通信標準相關要求的比較分析，可以看出：目前勵磁系統已具備與站控層之間的IEC61850中MMS網通信能力，并且已經在已投運的電站中得到實踐檢驗，過程層GOOSE/SV網的通信功能已經具備，但還未實際應用，具備完全功能的數字化勵磁裝置其性能和應用效果還有待在今后的實際工程應用中予以檢驗。具備數字化功能的勵磁系統產品，首先應能保證甚至提高勵磁各方面性能，同時實現滿足IEC-61850通信標準的網絡化信息交互需求。在數字化勵磁系統設計中，可以大大減少二次電纜的用量，減小電站運營維護工作難度，簡化二次回路，增強電氣回路抗干擾性能，為實現數字化水電站“信息化、自動化、互動化”特征，實現數字化水電站“電力流、信息流、業務流”的高度一體化融合的整體建設奠定了基礎。

參考文獻：

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[2]桂勇華.基于IEC61850標準的數字化水電站綜合自動化系統結構[C]//中國水力發電工程學會信息化專委會、中國水力發電工程學會水電控制設備專委會2013年學術交流會論文集，2013：55-61.

[3]倪維東，葛來龍，朱桂權.淺談數字化水電站及其實現方案[J].裝備制造技術，2010（11）：92-93.

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[5]DL/T583-2006大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件[S].

[6]葉欣.智能終端在數字化變電站中的應用[J].廣東科技，2011（18）：174.

[7]Q/GDW428-2010智能變電站智能終端技術規范[Z].

[8]Q/GDW424-2010電子式電流互感器技術規范[Z].

作者:張世玲 胡喆 虞曉昕 單位:1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司 2.華能瀾滄江水電股份有限公司