火电厂电气监控系统在线监测方案的研究与设计.pdf

第3 4 卷第 6 期 2 0 1 4年 1 2月 东北电力大学学报 J o u r n a l Of N o r t h e a s t D i a n l i Un i v e r s i t y Vo 1 ． 3 4． No ． 6 De c ．． 2 01 4 文章编号 1 0 0 5 2 9 9 2 2 0 1 4 0 6 - 0 0 8 0 - 0 6 火 电厂电气监控 系统在线监测方案的研究与设计 余 耀 ， 麻 亚东 ， 张 弓2 ， 李 卫 1 ． 内蒙古蒙东能源有限公司， 内蒙古 呼伦贝尔 0 2 1 0 0 0 ； 2 ． 南京南瑞集团公司 北京监控技术中心， 北京 1 0 2 2 0 0 ； 3 ． 国网吉林供电公司， 吉林 吉林 1 3 2 0 0 1 摘 要 火电厂电气监控系统是保障火电厂稳定运行的重要设备， 在分析火电厂电气监控系统运 行维护现状的基础上， 研究了其在线监测的内容， 提出了在线监测的方法。在此基础上介绍了在线监测 系统的软件和硬件系统设计方案。在线监测的应用实现了设备检修由计划检修向状态检修的过渡 ， 既 保证了火电厂电气监控系统的安全可靠运行 ， 又可获得经济效益和社会效益。 关键词 火电厂； 电气监控系统； 在线监测； 状态量采集 ； 模拟量采集 中图分类号 T M 7 3 2 文献标识码 A 火电厂电气监控系统一般包括升压站计算机监控 系统 N C S 、 厂用电气监控管理系统 E C MS 、 相 量测量装置 P MU 和 自动电压控制装置 A V C 等多个系统 ] 。其功能涉及一次设备和二次 回路 、 运 行、 调度和网源协调等专业， 在火电厂运行、 维护和调度工作中发挥着越来越重要的作用， 尤其是 自动电 压控制装置 A V C 和自 动发电控制 A G C 的应用对电气监控系统信息采集提出了更高的要求 ] 。电 气监控系统在提高火电厂 自动化水平 ， 减轻运行人员劳动强度的同时 ， 其运行稳定性也直接影响火电厂 甚至电网的安全经济运行。 随着智能电网建设加速发展， 电力设备状态检修全面推进 ， 输变电设备状态监测及故障诊断技术得 到广泛应用 。目前电力系统的在线监测技术的研究 主要集 中在一次设备上 ， 如变压器 、 容性设备、 断路器等， 技术上主要基于各种传感器及检测技术集成而实现。由于二次设备相对于一次设备而言其 单元造价低很多， 加上回路的复杂性， 真正实现在线监测的应用很少。文献[ 1 2 ] 提出了电子式互感器 在线监测研究思路 ， 对继电保护装置的在线监测技术及应用也有较多的研究 ， 但 已有文献针对电气监控 系统状态监测的研究开展得较少。 目前 ， 对运行 中的火电厂电气监控系统以定期检验为主。通过定期检验可查出设备故障或隐患 ， 检 验周期的长短决定查找并排除故障的及时性。显然 ， 过于频繁的检验会降低系统的可用性 ， 同时增加检 验成本 。定期检验是按照规定的时间间隔进行 ， 导致检验的针对性不强 ， 盲 目检验过多。对缺陷较多的 设备检修不足 ， 对状况较好的设备又检修过剩 ， 不仅增加 了运维成本 ， 也会在一定程度上影响系统使用 寿命， 甚至引起维修故障， 并且在 2 次检验间隔中的设备隐患难以发现。 本文分析了火电厂电气监控系统运行维护的现状 ， 针对定期监测 中工作量较大和难 以实现的测试 进行了分析， 提出了火电厂电气监控系统的在线监测方案， 对系统的设备和功能实现在线监测， 并在此 基础上设计了火电厂电气监控系统的在线监测软硬件系统。 收稿 日期 2 0 1 4 - 1 0 - 2 5 作者简介 余耀 1 9 6 8 一 ， 男 ， 北京市人 ， 内蒙古蒙东能源有限公司高级工程师 ， 主要研究方 向 电力 系统 自动化 第 6期 余耀 等 火 电厂电气监 控 系统在线监 测方案的研 究与设计 8l 1 火 电厂 电气监控系统运行维护现状分析 目前运行的火电厂 电气监控 系统结构如图 1 所示 ， 多采用分层、 分布 、 开放式 网络结构 ， 由站控层 、 间隔层以及网络设备构成。 站控层设备包括 图 1 火电厂电气监控 系统结构 图 1 服务器， 用于整个火电厂电气监控系统采集数据的统一存储及整合， 实现 自动化应用、 保护应 用 、 电量统计 、 智能告警、 在线统计计算 、 性能分析和在线诊断等功能， 是整个监控 系统 的核心 。一般按 双机冗余配置 ； 2 操作员站 ， 是监控系统的主要 人机界面 ， 用于 图形及报表显示 、 事件记 录及报警状态显示和查 询， 设备状态和参数的查询， 操作指导， 操作控制命令的解释和下达、 闭锁逻辑功能等。一般按双机冗余 配置 ； 3 工程师站， 实现系统的维护、 管理， 可完成数据库的定义、 修改， 系统参数的定义、 修改， 报表的制 作 、 修改 ， 及网络管理维护 、 系统诊断等工作 ； 4 远动主机， 通过站内的数据网接人设备完成数据采集 ， 实现远动数据的“ 直采直送” ， 通过专用通 道以点对点方式向各级调度传送远动信息； 5 公共接口设备， 用于站内其他设备的接人， 包括继电保护及故障信息管理子站、 相量测量装置、 直流电源系统、 交流不停电系统、 火灾报警装置、 电能计量装置及主要设备在线监测系统等； 6 打印机和音响报警装置等。 网络设备包括 网络交换机 ； 其他 网络设备 ， 包括光／ 电转换器 ， 接 口设备 如光纤接线盒 和网络连 接线 、 电缆 、 光缆等 。 间隔层设备主要包括面向间隔的测控单元和保护单元。测控单元具有状态量采集 、 交流采样及测 量、 防误闭锁、 同期检测、 就地断路器紧急操作和单接线状态及数字显示等功能。测控单元的配置原则 为开关电气设备按每个电气单元配置， 发电机单独配置， 母线单元按每段母线单独配置， 公用单元单独 配置。主变压器单元按各侧电压等级单独配置， 本体单独配置。 目前 ， 对运行中的火电厂电气监控系统检验按照 继电保护和 电网安全 自动装置检验规程 的要求 开展定期检验 ， 定期检验分为 3种 1 全部检验 ； 2 部分检验； 3 用装置进行断路器跳 、 合闸试验。 部分检验周期为 2～ 3年 ， 规范性的检验项 目如下 8 2 东北电力大学学报 第 3 4卷 1 外观检查 ； 2 交流回路的绝缘检查 仅对停电元件 ； 3 所用稳压电源及稳压 回路工作正确性及可靠性 的检验 ； 4 上电检查 时钟、 保护程序版本号、 校验码等程序正确性及完整性的检查 ； 5 数据采集回路各采样值、 计算值正确性的测定； 6 各开入 、 开出回路工作性能的检验 ； 7 各逻辑 回路 手合 、 同期 工作性能的检验 ； 8 时间元件及延时元件工作时限的测定 ； 9 装置网络地址及设置的检查 ； 1 0 至监控系统和调度 自动化系统的通信和 网络功能的检验 ； 1 1 各种告警信号的完好性。 在以上的测试项目中， 第5项工作需使用符合等级指数要求稳定度高的三相标准信号源和符合等 级指数要求的测量仪表对相关i贝 0 控装置进行精度测试。 第 6 项测试需通过传动试验和模拟开关量动作， 在站控层检查报警信息。第 1 1 项告警信号包括事 故报警、 预告报警和测量值 包括计算量值 越线报警， 报警方式包括 自 动推画面功能， 人机界面上响应 设备状态、 颜色改变并闪烁和不同的报警声音。以上检测项目工作量较大， 并需要专业的信号源和测量 仪表。 火 电厂电气监控系统中的事件顺序记录 S e q u e n c e O f E v e n t ， S O E 功能也是运行 、 检修人员的关注 点， 在定期检验过程中如果要准确地检测 S O E信息的正确性需使用时间同步信号发生器， 通过对 S O E 信息内的时间和同步信号发生器的时间进行 比较 ， 测出时间信号在应用过程 中的精度。该测试涉及 到 时间同步装置和测控单元对时功能。 2 火 电厂电气监控 系统在线监测的内容和方法 火电厂电气监控系统状态监测的主要对象是系统 中的各个元件 ， 包括站控层和间隔层每个设备。 监测的功能应覆盖监控系统 的全部功能 ， 包括数据采集和处理 ， 调节与控制 ， 报警处理和远动功能等。 2 ． 1 火电厂 电气监控设备状态监测方法 火 电厂电气监控系统本身基于计算机技术和网络技术 ， 其设备本身 的状态监测无论是在技术上还 是经济方面都较容易做到 1 4 , 1 5 ] 。 2 ． 1 ． I 站控层设备在线监测 站控层设备和网络设备 的状态监测包括站控层计算机硬件 、 软件程序进程及 网络运行情况监测。 站控层计算机采用的操作系统均具有较完善的监测功能 ， 可对计算机硬件故障和软件故障进行在线监 测 。网络运行工况的监测也可以通过各种方式实现 ， 简单的心跳报文和握手信号可 以监测 网络 的联通 状态。 2 ． 1 ． 2 间隔层设备在线监测 间隔层保护测控装置自诊断技术的发展为状态监测奠定了技术基础。装置内各模块具有 自 诊断功 能， 可对装置的电源、 C P U、 VO接口、 A ／ D转换、 存储器等插件进行巡查诊断。装置具有看门狗和电源 监测硬件。可以采用比较法、 校验法、 监视定时器法等故障测试方法。目 前的、狈 0 控装置均可通过加载诊 断程序， 自动测试每台设备和板件。测控装置的状态和板件级的故障均可在人机界面产生报警。 2 ． 2 计算机监控 系统功能状态监测方法 相 比于火电厂电气监控系统设备 的在线监测 ， 其功能的在线监测则需要较大的信息量和相应 的算 第 6期 余耀等 火 电厂 电气监控 系统在线监测方案的研究与设计 8 3 法配合实现。火电厂电气监控系统除了自身采集的数据外， 还通过和相量测量装置、 继电保护及故障信 息管理子站等子系统和装置通信获取数据， 其数据有较大的冗余性， 为其功能的状态监测奠定了基础。 2 ． 2 ． 1 状态量采集功能的监测 继 电器节点抖动 、 寄生 回路的存在、 光电隔离端子的损坏和驱动 电源故障等原 因均可能影响状态量 采集功能的正常运行。 火电厂电气监控系统的状态量不仅从保护测控装置获得， 还可以通过站内数据网从继电保护及故 障信息管理子站获得大量保护动作的数字信号。有些重要的状态量， 如断路器、 隔离开关、 接地开关 手车位置 等通常取双位置接点信号。状态量采集的信息冗余度较高。所以火电厂电气监控系统运 行中发生状态量信号变位， 可通过其相关信息集合判定其真伪， 从而实现对开关量采集功能的监测。具 体方法如下 假定状态量 的相关状态量信息集合为 [ ， ， ⋯， ] ， 如状态量 发生变位 ， 其相关信息 集合 内 的 状态 量 也会发 生相 应变 位， 集 合 变 位结 果产 生序 列A i 0 ～ n ， 其总 加和 为 ∑A ， i l 通过对 值进行分析可得出状态量 变位的真伪。如果状态量 是信息集合 “ 与” 逻辑的结果， 那么 若 A 则状态量 置 变位为“ 真 ” ， 反之为“ 伪” ； 如果状态量 是信息集合 “ 或”逻辑的结果 ， 那么若 ≥1 则状态量 z i 变位为“ 真” ， 反之为“ 伪” 。 2 ． 2 ． 2 模拟量采集功能的监测 目前的火电厂电气监控系统的模拟量均采用交流采样， 模拟量数字量的转换位数不少于 l 4位， 采 样精度不低于0 ． 2 级 ； 输入电流互感器、 电压互感器的二次值， 计算三相电流、 三相电压、 有功功率、 无功 功率、 频率、 功率因数。标准规定电流量、 电压量测量误差小于或等于0 ． 2 ％， 有功功率、 无功功率测量 误差小于或等于0 ． 5 ％； 电网频率测量误差小于或等于 0 ． 0 1 H z 。模拟量越死区传送整定最小值大于或 等于0 ． 1 ％ 额定值 ， 并逐点可调。 运行中的火电厂电气监控系统模拟量采集误差主要是由于测控单元采样回路元器件老化和温度漂 移影 响而产生的。 文献[ 1 6 ] 提出了采用三相模型和多源三相量测进行站内状态估计的方法。其算法具有网络规模 小、 计算速度快、 实时可靠的优点。该方法可应用于火电厂电气监控系统的电气量采集功能的监测， 具 体方法如下 按照火电厂电气监控系统历史数据库电气量存储时间节点启动站内状态估计， 并存储状态估计结 果。按照式 1 ～ 3 进行模拟量精度测试。 主 i I[ 耋 [ ] ／ ⋯， ]／ ⋯， I A B l ／ S ， 式中 为 t 时刻状态估计值； ％为 t 时刻测量值； 5 为基准值； 为第 路测量值的相对误差。 3 在线监测系统 的设计 1 2 3 在线监测系统的设计要适应火电厂电气监控系统的技术实现路线及发展趋势 ， 采用模块化、 平 台化的 设计思想， 本文设计开发的在线监测系统由基础平台、 支撑体系、 高级应用系统组成， 系统软件结构如图2 所示。 东北电力大学学报 第 3 4卷 在线监测的基础平 台由硬件平台、 U n i x ／ L i n u x安 全性较高的操作系统和数据库构成， 适应当今主流的 计算机监控系统的配置要求； 支撑体系由人机界面子 系统 、 实时数据库子系统 、 报表子系统 、 WE B发布子系 统和通信交互子系统构成， 为系统的高级应用提供支 撑体系。高级应用可根据技术的发展进行扩充 ， 目前 开发有设备监测功能， 包括站控层设备监测、 网络设备 监测和间隔层设备监测 ， 功能监测包括开关量功能监 测和电气量功能监测⋯ 。 在线监测的硬件结构如图 3所示 ， 状态监测功能 可单独放置在一台计算机 中， 通过站 内网络与站控层 服务器通信获取数据； 也可将在线监测功能嵌入服务 器 中。监控系统的在线监测功能应具备与上级状态监 测中心通信的功能 ， 以便将状态监测结果发送到厂级 应用系统。 高级 应用 支撑 体系 基础 平台 服务器 1 服务器 2 在线监测主机 网络通信 中间件 数据库 U n i x ／ L i n u x 操作系统 硬件平台 图 2 状态监测软件结构 4 结 语 图 3 在线监测系统结构 本文分析了火电厂电气监控系统的运行维护现状， 研究了火电厂电气监控系统设备监测方法和开关 量 、 电气量采集功能的监测方法 ， 并设计开发了在线监测系统。该系统应用于火电厂可提高火电厂电气监 控系统的运行水平 ， 降低维护人员的劳动强度 ， 提升电力系统状态监测的水平。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 秦应峰 ， 童明光 ， 李余廷 ， 周卫巍． 基于现场总线的发 电厂升压站 自动化研究[ J ] ． 继电器 ， 2 0 0 4， 3 2 1 6 7 1 7 5 黄小悦 ， 常胜． 新型的发 电厂厂用 电电气监控系统[ J ] ． 继 电器 ， 2 0 0 6 ， 3 4 1 1 3 5 - 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