水电厂继电保护和励磁新技术的应用探索

陈雪婷

[摘    要]文章介绍励磁新技术在水电厂不同运行场景中的实际应用，并对继电保护装置的技术改造安装与调试进行分析，为水电厂正常运作提供保护。打造智慧化励磁系统，科学设计智能功率柜、灭磁柜、调节器，分析励磁系统中内部通信光线暗、红外测温系统、光纤脉冲传输等新技术的具体应用。

[关键词]水电厂;继电保护;励磁技术;励磁系统

[中图分类号]TM77 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）05–0–03

Application and Exploration of New Relay Protection and

Excitation Technology in Hydropower Plant

Chen Xue-ting

[Abstract]This paper introduces the practical application of new excitation technology in different operation scenarios of hydropower plant， so as to highlight the technical value and advantages， and analyzes the technical transformation， installation and commissioning of relay protection device， so as to provide protection for the normal operation of hydropower plant. Build an intelligent excitation system， scientifically design intelligent power cabinet， de excitation cabinet and regulator. At the same time， analyze the specific application of new technologies such as dark internal communication light， infrared temperature measurement system and optical fiber pulse transmission in the excitation system.

[Keywords]hydropower plant; relay protection; excitation technology; excitation system

1 水电厂继电保护与励磁技术应用现状

为解决水电厂副励磁机接地短路问题，杨玲依托于负序、零序电压过滤器运行原理，搭建相应的接地短路故障模型，实现对整流装置、副励磁机的动态化模拟。由于接地短路时，机器端部位置会产生负序、零序电压，通过观察电压变化情况，可判断出短路故障位置，有利于副励磁机基地故障检测工作的有序进行。

魏扬等通过分析机端断路器机组非全相合闸并网实例，结合并网前后零序电压接地保護实际运作状况，理论分析故障发生时该设备两端的电压特征量，又汇总、验证采集到的录波数据。紧接着依托于数据结果，对这一实例的可行性与必要性进行分析，为采用相同接线形式的发电机—变压器组运作与维护提供可靠数据支持与方案参考，促使继电保护装置整体运作安全、水平得以提高。

王权等在研究时，发现某水电厂主变压器倒挂运作期间，电压互感器会出现分频谐振，并自动发出主变低压侧开口三角电压报警。通过对运行问题进行分析，着手于现场实际运作状况的全方位检查，在此基础上，总结出铁磁谐振运作原理，又提出科学且可行的问题处理措施，比如安装消谐装置、优化创新主变压器运作模式、适当增加消谐电阻等。同时，这些处理方案也可被用于其他水电厂相似问题解决工作中，确保主变压器、电压互感器安全性、连续性运作。

吴龙等对抽水蓄能电站机组实际运作状况进行观察，以水泵抽水为基准，为同步电机打造电机线性化、相量图模型。紧接着收集、整理模型中包含的各类参数，并总结参数特征，以此为依据，深入探索得到同步电动机励磁调节力矩传递函数与相频特征，再加以细致分析，探讨出同步电动机励磁调节正阻尼力矩条件，又结合实际，最终提出适当增加正阻尼力矩的运行方案。与此同时，通过模型分析给出工程应用结果。

梁廷婷等技术人员对应用柔性光学电流互感器的发电厂继电保护针对不同场景优化与探索进行总结，并设计出多种保护优化方案，其中包括变频启动机组保护、核电辅助变断相监测保护、选择性定子接地保护、转子绕组匝间保护、发电机主保护等，各种优化方案的设计与实施获得显著保护效果，并从根本上实现对水电厂继电保护问题的有效处理，还能针对不同运行场景存在的问题提出相应的解决措施，确保水电厂整体运作良好、安全。

徐亮对水电厂励磁系统智能化运作发展与实际应用进行深层次研究，以此了解励磁系统智能化设计程序，并针对不同继电保护装置汇总得到相应的智慧化设计方案，包括智能功率柜、智能调节器等。此外，又分析不同智慧化系统以及现代化技术在励磁系统中的实际运用，主要有红外测温系统、光线脉冲传输技术等。依据所研究结论，提出水电厂智能建设与发展的工作重点即智能综合信息管理系统的打造与应用，在先进技术与智慧系统的相互协作下，强化水电厂整体运行生产效果。该方案是本文研究侧重点。

2 水电厂继电保护装置改造技术研究

2.1 装置科学选型

水电厂在选购继电保护装置时，应根据实际运行需求确定装置型号，为保证装置长时间保持良好运行状态，尽可能与高技术水准生产商合作，确保产品质量。水电厂能够连续性、安全性运作，有很大程度受继电保护装置所影响，这就需要确保装置选用科学性、合理性，为水电厂稳定运行提供可靠支撑。

2.2 调试方案编写

要想保证装置安装与调试工作的顺利、秩序进行，充分发挥装置技术改造后的运作优势，则需在技改前，设计、编写安装与调试方案，方案应同时包括六点内容。

（1）作业时间。在安排施工计划与时间时，需依据技改物资、继电保护屏柜进行，还需为技术改造人员各项工作实施情况检查预留充足时间。

（2）施工单位确认。为保障继电保护技术改造科学性，要求水电厂与专业性水电工程施工单位合作，并针对装置技改施工与调试工作签订相应合同，若水电厂整体技术水平较高，且有大量技术专业人员，此项工作也可自行完成。

（3）明确继电保护安装调试条件，关停水电厂中运行的一次、二次设备，还应做好设备维护工作。

（4）根据多年作业经验，深入探究工作期间可能发生的风险。

（5）做好技改各班组的分工。

（6）严格按照相关标准着手于继电保护技改验收工作，并采取科学的验收方法。

2.3 装置安装调试

对运输至现场的继电保护屏柜内部構件完整性进行检查，审核图纸资料与其他备件，确认无误后，便可执行安装调试工作。在此期间，需积极落实“两票”制度，以保证操作流程与工序规范性，规避作业风险。安装、调试作业流程及要求如下：先执行电缆敷设工作，再拆除继电保护屏柜外部接线，紧接着使用绝缘胶布对裸露导体进行处理，避免导线相接触引发短路故障。完成此项工作后吊出旧屏柜、吊入新屏柜，做好外部电缆的整理工作，按照设计的配线图纸执行新继电保护屏柜外部线号的打印工作，并正确穿入电缆芯线，接入相应接线端子[3]。

对配线进行逐一检查，主要检查内容为屏柜整体绝缘情况、所有模拟量输入采样精度、继电保护逻辑功能、开入与开出回路动作、故障录波设备运行等，合格后开展调试工作，应保证调试全面性。完成所有保护功能验证与试验，并保证断路器分、合闸正确后，申请终结工作票，再根据相关要求执行设备的检修工作，试运行新安装的继电保护装置。在此期间，应采取手动控制的方式增加一次设备电压与电流，全过程观察模拟量采样的正确与否，以保证运行数据准确。试运行结束后，便可投入到正式运作中，做好设备巡检工作，实现对设备运行状态的跟踪掌控。

3 水电厂励磁系统智能化研究与应用

3.1 系统智能设计

3.1.1 智能调节器设计

励磁系统需配置完全独立且并联冗余容错结构的双通道励磁调节器，若条件允许也可设置第三个试验通道。励磁调节器需具备自我诊断与完善功能，并将励磁电压及电流等参数上传于PMU系统，达到同智能电站所有逻辑层级互联互通的效果。采取历史数据对比、趋势分析等措施，优化励磁软件运行功能即对水电厂力励磁装置运作状态进行诊断、预测，再将诊断结果反馈于人机界面，确保故障点定位精准性。借助组态编程技术，灵活定义励磁系统输出信号。设计系统功能模块时，应包括过励保护、空载过电压保护、双调节器故障保护、三功率柜故障保护等，充分发挥功能模块运行优势，避免二次作业时安全措施接线错误，确保所有设备运行安全。应用工控机替换触摸屏，实现对历史录波图像、故障报警、系统状态的实时查看，还可远程操作各试验，且采集与存储的数据精确度较高。此外，励磁调节器可以通过主控机对机组进行多项试验，包括阶跃响应试验、空载特性试验、短路特性试验等，自动记录试验结果，并生成数据报告。

3.1.2 智能功率柜设计

各功率柜均需配备一套独立运作的智能控制系统，系统由显示屏、传感器、智能检测单元等构成，增强检测、显示智能化。利用光纤将报警信息、功率柜运行状态数据上传于励磁调节器、励磁智能综合信息管理系统中。智能功率柜的智能均流为高频脉冲列触发技术的晶闸管桥臂智能均流，实现动态均流智能化、退柜行为自动化、信息显示直观化。同时，功率柜还拥有自动控制、智能检测功能。

3.1.3 智能灭磁柜设计

智能灭磁柜需配置可操作控制以及智能检测装置，如温度、报警信息检测，利用网络技术上传各项参数于励磁调节器系统中，包括非线性电阻温度、灭磁柜磁场断路器闭合状态、跨接器工作次数、转子绕组温度等，还可对灭磁及转子电流与电压值进行智能录波与存储。设计时，应针对不同工况设置灭磁时序，确保系统运行故障时，能够快速做出反应，规避正常灭磁对系统的影响。而在设计灭磁跳闸回路时，应保证可以准确区分故障跳闸与正常分闸，并独立设计灭磁开关监控系统与保护跳闸回路。与此同时，构建监视回路，自动记录监视参数，再将其上传于灭磁柜智能检测装置中，提高系统故障分析精度与处理效率。

3.2 先进技术应用

3.2.1 IEC 61850通信规约

该标准是当前电力系统自动化中唯一一个全球通用标准，依据通信规约打造的智能电站，体现出极强的标准性，并增强智能电站运行统一性、规范性。该标准对电站信息分层结构进行重新定义，利用大数据技术，构建电站数字化模型，而电站的智能化发展基础则为网络独立性、数据自描述。水电厂的励磁系统与监控LCU彼此间实现IEC 61850通信，如模拟量采样的SV通信、开关量信号的MMS和GOOSE通信。单台机组励磁系统可同时接收500个传输信号，以保证监控系统对励磁系统信息采集的全面性，为设备运作状态分析提供数据参考。

3.2.2 红外测温系统

在励磁系统中设置独立运行的红外测温系统，实现对灭磁柜、功率柜多个部位温度的在线测量，比如可控硅、功率柜阻容保护装置、灭磁开关触头等。技术人员可通过监控系统显示屏实时了解各重要构件运行时的温度，依据数据结果判定其是否正常运作，确保异常的提前发现。此外，红外测温系统具备数据记录、整合与存储的功能，丰富系统数据库，在大量数据信息的支撑下，增强设备趋势分析结果准确性。

3.2.3 内部通信光纤化

该技术的应用赋予励磁系统更高的抗电磁干扰能力，也表现出传输容量大的优势，可全过程跟踪监视励磁系统所有模块的运作情况，并自动同正常运行数据进行对比，当两项数据存在较大偏差时，便会在第一时间发出告警信号，为技术人员故障处理方案的制定争取充足时间，实现对系统运行状态的及时纠正，促使励磁系统整体安全性、稳定性得以提高。此外，设计、搭建励磁系统时，还应注重光纤通信网络化的使用，技术的操作优势是跟踪采集运行装置的各项参数信息，采集对象励磁系统调节器、灭磁柜、过压保护装置等，采集信息包括各装置内部实际运行情况以及各种开关量、模拟量。

3.2.4 光纤脉冲传输技术

为保证水电厂正常、稳定运作，充分发挥其社會职能，会长时间开启大型水轮发电机组，很多水电厂为该装置打造相应的励磁系统功率柜，并使用同轴或扁平电缆传输脉冲，但这种设计形式无法保障功率柜的抗干扰能力。对此，可将光纤作为触发脉冲传输介质，并使用点对光纤传输技术传输可控硅触发脉冲信号，借助光纤可将励磁调节器输出的触发脉冲传送至整流桥中，以保证励磁主控制回路整体可靠，并大幅提高功率柜抗干扰能力[5]。

3.3 智能综合信息管理系统设计

SIMS利用1IEC 61850通信规约实现多台励磁系统的整合，在同一网络环境下，只需通过控制管理系统，便可实时采集各励磁系统的模拟量与开关量。该系统还具备数据采集、存储、处理、查询功能，并自动统计、分析各项数据，还可实现图表的直观呈现，推动水电厂秩序生产与运作。其中，数据处理主要工作内容有分析数据误码，实时、全过程控制数据传输误差。同时，还可以开展数据阈值设置比较分析工作，再借助存储功能将原始数据、实际数据以及对比结果报告完整存储于信息库中。而查询功能则是对库中数据进行调用，并显示数据存储时间、查询次数等信息。数据统计功能的实现是统计分析励磁智能管理单元中采集到的各类数据，包括模拟量、开关量等，模拟量数据以固定周期内数据趋势波形进行统计，而开关量则是以固定周期内发生次数及间隔时长开展统计工作。SIMS设置在励磁系统内部，且配备有横向隔离装置，有效保护励磁系统不被入侵，增强系统整体安全性。

4 结束语

为保证水电厂继电保护装置的稳定、安全运作，就需运用先进设计理念，合理选择装置，优化功能设计，依托多元化技术打造智能化励磁系统。同时，为增强励磁系统运作连续性，应注重红外测温系统、内部通信光纤化等多类新技术的应用，确保水电厂励磁系统智能化设计合理性、科学性。

参考文献

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