水电站水轮发电机组自动化信号采集解决方案探析

马德辉

(本溪关门山水库实业有限公司，辽宁 本溪 117100)

0 引 言

目前，电网的智能化即智能电网已成为现今能源、电力产业发展变革的重要体现，对于智能电网的建设与研究越来越引起电力部门的高度重视，并将其上升为国家战略，被列入中国“十三五”发展规划[1]。电网的数字化属于智能电网的核心，只有实现高度数字化的控制、传递、采集等电网各环节信息处理，才能实现电网的智能化及其各项高级应用。电网数字化涉及电网的用电、配电、输电、发电等环节，而发电环节中水电站发挥着关键作用，所以有必要实现水电站的数字化。IEC61850标准的正式发布，使得变电站数字化技术的应用日趋成熟，现已广泛应用于中国各个地区，国内有关研究机构以数字化变电站为基础，开始深入探究数字化水电站的有关内容，而水电站现地设备与变电站相比拥有大量的自动化元件，对实现数字化传输存在较大的难度[2-5]。因此，实现数字化传输与共享自动化元件信号，对水电站数字化建设及实现智能电网的意义非常重大。

1 水电站自动化信号采集方式

1.1 自动化元件的功能

自动化元件担负着执行相关自动操作、发送报警信号、监测设备状态等任务，它是自动控制水电站的最基础元件。水电站中自动化元件的地位，正随着自动控制要求的提升越来越重要，自动化元件的可靠性与质量关系着整个电站各种功能的发挥和综合自动化水平，在很大程度上决定着水电站的安全运行[6]。

一般地，要考虑水电站自动化程度、全厂的安全经济运行、结构型式、机组容量等要求合理配置自动化元件。按照不同的功能作用，可以将自动化元件划分为执行、采集两类元件，其中执行相关动作接受远程命令信号的现地元件称为自动化执行元件，水电站常用的执行元件有润滑水电磁阀、刹车投退电磁阀及检修围带控制电磁阀等；而采集非电量信息，如物位、转速、流量、压力、温度、液位等供各系统设备越限报警使用、状态监测或反馈控制的现地传感器元件称为自动化采集元件，水电站常用的采集元件有PT100测温电阻、位置传感器、压力变送器、差压变送器、油混水报警器、液位变送器、测速探头、主令开关、行程开关、流量开关、温度计、液位计等。

1.2 信号采集方式与缺点

目前，水电站主变压器部分和水轮发电机组部分多集中分布有自动化元件，其布置分散、类型多样且数量众多，一般在现地多个或单个端子箱内的转接端子上先集中引接自动化元件信号，然后再转送需要信号的系统或监控系统，并全部采用电缆完成自动化元件信号的转出与接入，图1反映了信号采集方式。

图1 现状自动化元件信号采集

目前实行的自动化元件采集传输方式有利于查线和管理，结构形式简单且端子箱内无需供电，实际工作中仍存在一些不足：①为满足多系统使用要求许多测点需要重复配置，自动化元件信号无法共享且元件数量增多；②自动化元件布置分散、数量众多且电缆桥架负担重，尤其是机组部分现地转接端子箱电缆进出过多；③自动化元件对电缆类型、芯数、截面等要求不同，由此增大施工难度；④采用电缆传输模拟量信号和DC 24V点源，信号易受干扰且输送距离较长。

2 数字化水电站自动化信号采集解决方案

2.1 基本要求

数字化水电站采用了过程层网络(SV网、GOOSE网)、站控层网络(MMS)2网和过程层、单元层、站控层3层的结构，其建设基础为IEC61850标准。数字化水电站均通过网络传输实现设备的数据共享、传输、采集等，将信号利用光缆直接发布至过程层的GOOSE网以供电站单元层各系统使用，对此网络系统要实现自动化元件信号的传输。然而，现有的自动化元件绝大多数仍无法直接将信号发布至GOOSE网，不支持IEC61850标准。

2.2 主变压器信号采集方式

水电站与变电站具有非常相似的主变压器，数字化水电站参考数字化变电站实施方案，也可以对主变压器区域的自动化元件信号利用主变本体智能终端来采集，为实现各系统共享可将其发布至GOOSE网。

2.3 水轮发电机组信号采集方式

水轮发电机组的自动化元件相对于主变压器部分，其安装环境更差、类型更复杂且数量更多，也需要更多的对侧系统信号[8]。因此，为满足信号采集需求无法仅靠单台智能终端实现，若利用多台智能终端又要引入过多的设备，在满足采集需求的同时增大了系统的复杂程度，降低了系统的可靠性与运行效率。目前，可编程控制器(PLC)作为控制领域的核心设备现已广泛应用于水电站现地控制中，并且应用技术日趋成熟，随着数字化水电站概念的提出以及数字化变电站的不断发展，支持IEC61850标准的PLC产品现已被国内外许多厂家推广应用，并证明了可靠性[7]。

根据水电站现地控制单元(LCU)模式和数字化变电站智能终端，对现地数字化采集单元设置支持IEC61850标准的PLC，并将模拟量、开关量信号利用电缆接受自动化元件编译成IEC61850 GOOSE报文，并利用光纤直接发布至GOOSE网，图2反映了数字化水电机组信号采集方式。

图2 数字化水电站元件信号采集方式

将支持IEC61850标准GOOSE网的PLC设置于数字化采集单元内，按需配置开关量、RTC温度量、模拟量、开关量输入模块和点源模块等。为确保数据的可靠性，可以对点源模块及采集单元的PLC实行冗余设置，由此实现GOOSE双网接受采集的信息。根据电站需要可以把数字化采集单元分区域、分层设置，在现地机组自动化元件集中区域将其与现地转接箱合并布置，由此实现对上接入IEC61850 GOOSE网，对下现地控制和采集自动化元件的信息，实现与调速器、监控系统的通信。

3 结 语

数字化采集单元具有明显的优势，能够满足数字化水电站采集和控制自动化元件信号的需求，具体如下：①对于单个自动化元件信号数字化采集单元可以将其发布至多系统共享的GOOSE网，从而有效解决重复配置元件的问题；②可就近供自动化元件使用的数字化采集单元内的DC 24V点源模块，有效解决了电路易受干扰及低电压点源供电线路过长的问题；③油温、瓦温后，数字化采集单元采集机组可对运行温度利用内部PLC实现逻辑判断，由此实现事故停机信号发布及机组温度报警，把信号自动传送至GOOSE网；④布置在现地的数字化采集单元与自动化元件连接电路较短，其经济性较好且受干扰概率较低。

将自动化元件利用采集单元实现数字化的方式存在较高的可行性、可靠性，该模式原理简单。采用模块化结构的数字化采集单元有利于扩展，可以按照实际接入的信号数量、类型灵活的配置输入与输出模块，并且不限制输入与输出回路。数字化后的自动化元件，有利于降低施工难度、简化系统结构、减少二次电缆施用量以及提高水电站自动化水平。