乐昌峡水电站在线监测系统

曹三顺 吴文胜 宋学超

【摘要】乐昌峡水电站在线监测系统采用分层分布式开放结构，以机组在线监测系统为核心，整合集成主变、GIS在线监测，利用TN8000强大功能实现水电站主要设备状态在线监测。各监测子系统既能各自独立发挥各自功能，又实现了集成整合和统一管理，具有可靠性高、实用性强、易用性好、开放性强和集成度高等特点，为电站充分发挥发电效益和实现现代化一流运行管理发挥重要作用。

【关键词】在线监测系统;机组;GIS;主变压器;TN8000

1、概述

乐昌峡水利枢纽工程位于韶关市乐昌境内、北江支流武江乐昌峡河段内，下距乐昌市约 14km，韶关市 81.4km，坝址以上集水面积4988km2。工程以防洪为主，结合发电，兼顾航运、 灌溉等综合利用。电站采用混流式水轮发电机组，总装机容量为 3×44MW，设计年发电量为 4.0766 亿 kWh，3台机组于2013年1月、6月并网发电，电站采用“无人值班”模式进行设计和运行管理。

乐昌峡水电站建成较为先进完备的在线监测系统。系统采用分层分布式结构，包括机组、220kV GIS和220kV主变压器等三个子系统，三个监测子系统通过开放式接口统一整合集成到机组在线监测系统中，实现集中统一管理，为设备安全运行和运行管理现代化提供了重要支撑。

2、机组在线监测子系统

2.1 系统结构

机组在线监测系统采用华科同安TN8000系统，由传感器、数据采集单元、服务器及相关网络设备、软件等组成。系统采用分层分布式结构，按层次划分为电站层（上位机系统）和现地层两级。电站层设备包括：状态数据服务器、网络设备等，全厂3 台机组共用1 套;现地层设备包括：机组现地在线监测数据采集单元、各种传感器、通讯接口、附件设备等。电站级设备和现地级设备之间采用光纤以太网结构，满足工业通用的国际标准IEEE 802.3 和TCP/IP 规约。

每台机组现地层设备设一个数据采集站，每个数据采集站设备集中组屏，成套在1面标准控制盘内，布置在发电机层机旁。数据采集站負责对机组的振动、摆度、压力脉动、空气间隙、机组工况参数等信号进行数据采集、处理、分析，以图形、图表、曲线等直观的方式在计算机屏幕显示器上显示，同时对相关数据进行特征参数提取，得到机组状态数据，完成机组故障的预警和报警，并将数据通过网络传至状态数据服务器，供进一步的状态监测分析和诊断。

状态数据服务器用于存储、分析、管理从各数据采集箱传送过来的机组实时状态数据、历史状态数据及各种特征数据，进行数据分析及故障诊断。在状态数据服务器上可实现对机组状态的监测、分析与诊断。系统网络图见图1。

2.2 系统配置

（1）传感器

1） 键相和摆度传感器

采用加拿大Vibrosystm 公司的PCS302 电容式位移传感器。根据测点配置情况，每台机组配置7 套传感器。

2） 低频振动传感器

采用北京豪瑞斯公司生产的低频振动传感器，其标称的低频下限为0.5Hz。根据测点配置情况，每台机组配置10 个振动传感器。

3）压力脉动变送器

选用瑞士Keller 公司的21Y 系列压力传感器，根据测点配置情况，每台机组配置4 个。

4）空气间隙传感器

选用VibroSystm 公司生产的VM3.1 空气间隙传感器，测量范围为2～20mm。每台机组布置4 个测点，周向均匀分布，气隙传感器的安装采用粘贴方式粘贴在定子内壁上。

（2）监测装置

1）数据采集站设备配置

每台机组配数据采集站一个，数据采集站设备安装在一标准机柜内， 标准机柜采用2260×800×600mm 机柜。机柜内放置TN8000数据采集箱2 台、17″工业液晶屏1 个、光纤收发器1 个、共享器1 个、传感器电源模块1套、端子及辅件等。

2）TN8000 数据采集箱

TN8000 数据采集箱是数据采集站的核心设备，主要负责各种信号的采集、存储和数据处理，并进行实时监测和分析，同时对相关数据进行特征参数提取，得到机组状态数据，完成机组故障的预警、并将数据通过网络传至数据服务器，供进一步的状态监测分析和诊断。

3）上位机设备及其它外设

（3）台机组在线监测系统共用一套上位机系统，每套上位机系统包括服务器及相关网络设备。

2.3 系统功能

（1）振动摆度监测分析：包括实时监测、稳态数据分析、过渡过程数据分析;

（2）压力脉动监测分析;（3）发电机气隙监测分析;（4）数据管理和事故追忆;

（5）性能试验：辅助用户在机组投产试运期间以及将来检修后进行各项试验，包括稳定性试验、过渡过程试验;（6）动平衡计算：提供针对水轮机组的动平衡计算功能，能根据实测的摆度、振动幅值、相位及配重的经验值自动计算出配重相位和重量;（7）数据通讯：可方便地与计算机监控系统LCU、电厂计算机系统（SCADA、MIS）、智能仪表进行通讯，实现数据共享;（8）提供预览、打印、在线自诊断功能。

3、220kV GIS在线监测子系统

采用国电·昊致电气公司推出的新一代大中型发电厂配电管理和控制系统W-PD8运行管理系统，对 GIS 气室压力、密度及微水等重要参数进行实时监测， 配合 GLM 环境 SF6 泄露进行实时监控，有效反应 GIS 内部 SF6 气体状态及 GIS 室环境 SF6 及氧气含量;再加上 W-PD8 GIS 局部放电监测系统，全面、准确、实时地反应整个 GIS 的运行情况，并可以长时间保存历史记录，提供总要的报表及分析数据，对 GIS 运行出现不良状况进行提前预警，保证现场运行人员人身安全。

3.1 系统组成

主要包括 4 大部分：

1. SDM-LS SF6 气体在线监测

在 GIS 气体区，间断路器气室配置 SF6 气体压力密度传感器（SDM）及微水传感器（GST），实时监测各断路器气室的气体压力、微水和温度等参数，测量数据送 GIS 运行信息管理系统。功能：共 21 气室需监测 SF6 的压力密度及微水，传感器内置微处理器，可实现数字式压力 温度补偿，准确反映气体密度。测量数据以 4-20mA 模拟量或 Modbus RTU 数字量形式输出，采用 工业级RS232/485 接口。

SDM 气体密度及微水传感器能对 GIS 系统中各气室的 SF6 气体进行压力、温度及微水数据检测，将压力换算成 20℃时的压力 P20 作为密度指示供显示，同时将绝对水气压换算成 20℃时的水分体积比分值数，并进行超限报警。从而实现在生产过程中对 SF6 气体密度含量进行实时、远程监测以及历史数据分析，加强监测手段，更好地保证设备安全、稳定运行。

2. GLM-LS SF6 气体泄漏在线监测

GIS 室内配套 SF6 气体泄漏检测装置（GLM），共安装6 个传感器，监测范围包含整个 GIS 室及变压器套管部分，实时监测 GIS 室内空气中 SF6 气体和氧气含量，监测数据送 GIS 电气信息组态系统。

3. W-PD8-LS 局部放电在线监测系统

配置局部放电检测仪（W-PD8），实时测量 GIS 整体局部放电水平，每个间隔设 W-PD8 局放信号处理单元和内置式局放传感器（每间隔两组，一组三个点）对局放数据进行采集、分析、储存;装置软件包括符合 IEC60270 标准规定的局放历史趋势分析、放电电压、放电能量和放电重复率等监视功能。

4. GIS 运行信息管理系统SwitchGuard

按 IEC60354 要求集成 GIS 局放量、空气中 SF6 气体和氧气含量、气体压力和微水含量等参数信息并进行组态、保存和分析，并可通过 OPC 方式接入厂用电管理系统（FECS），定期提供 GIS 运行和绝缘状态报表，当出现异常情况时可通过系统调用 GIS 相关监测设备的历史分析数据。

系统提供 GIS 氣室压力微水、 GIS 局放和 GIS SF6泄漏解决方案，系统采集就地控制单元数据进行数据保存，历史数据查询，提供数据趋势图。

系统提供图形化界面模拟现场，绘制图形准确表述每台被监测装置，系统支持多线程应用，可以同时从多个监测设备上采集数据。

Swichguard是一个动态的、适应智能的、交互的集成系统，用来监测和管理GIS设备的性能。用户在主界面当中，可以实时查询每个气室的压力微水及局放情况，一旦探测出一个故障并且对其发展进行跟踪监视，那么就可以对该故障的严重程度进行评估，从而可依据监视做出行动决定。每个气室的报警状态采用色块显示，预警为黄色，报警为红色。

4、主变压器在线监测子系统

选用ALSTOM公司MS3000在线监测系统。其配置及功能如下：

（1）安装在一台主变压器控制箱里的MS 3000智能化电子装置（IED），包括以下部件：

1台用于采集在线数据并进行储存、处理和控制的智能化电子装置;

母线控制卡1件;控制软件，用于数据采集、处理、可视化和通讯;模拟调制解调器或GSM调制解调器1件;使用TCP/IP 协约的以太网RJ45端口1件;以太网开关1件;光纤端口1件，ST格式;供可选择的通讯规约使用的局域网端口（RJ45）1件;按Alstom Grid的互用标准，通过IEC 60870-5-101或IEC 60870-5-104或DNP3.0 或IEC 61850或Modbus规约与数字式控制和保护系统进行通讯。

（2）2套安装在 2台三相变压器上的监控模块，每套包括：

测量负载电流用的转换器1件;

高压侧探测电压峰值用的传感器和转换器1件;

测量顶层油温的探头1件;

测量环境温度的探头1件;

探测H2 （100%）， CO （18%）， C2H2 （8%）， C2H4 （1.5%），型号为Hydran 201 Ti的探头1件;

探测变压器油中水份的探头，型号为Vaisala MMT318，并带有2米长 的电缆1件;供冷却单元电流状态描述的数字输入12件（8件供风扇使用，4件供油泵使用）;瓦斯继电器状态描述的数字输入2件（警告和警报）;主油箱油位指示器状态描述的数字输入2件（最低和最高）;供状态描述用的数字输入7件，包括指示器状态描述、压力释放装置状态描述、隔膜、油流指示器等;不锈钢控制箱1件，并带有母线端子排、电源和保险丝;Profibus铜缆供变压器之间互相联接。

5 、系统整合

与电站计算机监控系统接口在上位机数据服务器端，采用光纤串口通信（RS485），通信协议为标准MODBUS;主变压器在线监测子系统、GIS在线监测子系统通过串口（通信协议为标准MODBUS）与机组在线监测子系统上位机服务器通信;TN8000 系统集成主变监测子系统和GIS监测子系统的数据，并将数据存储到TN8000数据服务器中，利用TN8000功能对机组、主变和GIS监测数据进行统一分析。

6、结语

乐昌峡水利枢纽工程为广东省重点工程、民心工程，以优质工程、精品工程、争创鲁班奖为目标，工程设计起点高，在机电方面广泛运用当前行业新技术、新设备。水电站在线监测系统采用分层分布式开放结构，机组、主变、GIS在线监测均选用优秀集成供应商产品，系统以机组在线监测系统为核心，整合集成主变、GIS在线监测，利用TN8000强大功能实现水电站主要设备状态在线监测。系统投入试运行近半年来，为电站设备调试、试验、日常运行和综合分析提供了准确、直观和科学的状态呈现和展示，为电站安全运行管理和日后实现状态检修提供了强大技术支撑。各监测子系统既能各自独立发挥各自功能，又实现了集成整合和统一管理，具有可靠性高、实用性强、易用性好、开放性强和集成度高等特点，必将为电站充分发挥发电效益和实现现代化一流运行管理发挥重要作用。

参考文献：

[1]北京华科同安监控技术有限公司.《广东乐昌峡水电站TN8000 机组在线监测系统技术说明》.2012.6-3.