CN101871417B

CN101871417B - 基于iec61850的数字化水轮机调速系统

Info

Publication number: CN101871417B
Application number: CN2010102025202A
Authority: CN
Inventors: 陈启明; 吕桂林; 徐健文
Original assignee: WUHAN SICHUANG AUTOMATIC CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUHAN SICHUANG AUTOMATIC CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2030-06-03
Also published as: CN101871417A

Abstract

本发明提供一种基于IEC61850的数字化水轮机调速系统，通过站控层、间隔层和过程层三层网络对水轮机进行数字化控制，水轮机调速系统的主体分布在间隔层和过程层，处于间隔层的是水轮机调节器；处于过程层的是智能液压伺服系统、机组合并单元、系统合并单元、智能压油系统、智能转速继电器、机组智能单元；水轮机调节器与站控层和间隔层的智能电子设备构成冗余的高速星型以太网，此为间隔层以太网；水轮机调节器与过程层的智能电子设备构成冗余的高速星型以太网结构，此为过程层以太网；各智能电子设备通信协议满足IEC61850标准要求；水轮机调节器通过以太网接受各种指令和给定，采集相关信息，实现机组的调频、调相、调功。

Description

基于IEC61850的数字化水轮机调速系统

技术领域

本发明涉及一种基于IEC61850的数字化水轮机调速系统，用于数字化水电站各型水轮机组的控制，满足智能电网的控制要求。

技术背景

在全球金融危机和全球气候变化下，几乎所有发达国家都把发展可再生能源当作振兴经济的重要措施，中国也是如此，2009年12月25日各部委联合发布《重大技术装备自主创新指导目录》，百万千瓦级水电机组的水轮机及调速、励磁、发电机等附属设备及其系统集成设计技术被作为清洁高效发电设备及技术列入。同时，国家提出要建设坚强智能电网，以满足水电、风电、太阳能、潮汐能等多种可再生能源的可靠接入，这就对作为水轮机的附属设备调速系统提出了更高的要求。

目前应用于水电站的水轮机调速器大都能可靠运行，满足电站现有需求，但针对未来数字化水电站和智能电网的建设，还存在以下不足：

1)与上位机和其他设备的通信协议不统一，不便于数字化水电站的组网；

2)互操作性差，信息共享度差；

3)设备重复投资多；

4)可靠性、利用率和可维修性有待提高。

发明内容

本发明的目的是适应智能电网的提出和发展，利用新的应用于数字化变电站的通信标准IEC61850《变电站通信网络和系统》，设计一种基于IEC61850的数字化水轮机调速系统，实现水轮机调速系统与水电站其他智能电子设备、调度中心和远方控制的互操作及信息共享，以实现数字化水电站的建设和智能电网的控制。

本发明的技术方案：本发明的基于IEC61850的数字化水轮机调速系统通过站控层、间隔层和过程层三层网络对水轮机进行数字化控制，水轮机调速系统的主体分布在间隔层和过程层，处于间隔层的是冗余型水轮机调速器；处于过程层的是智能液压伺服系统、机组合并单元、系统合并单元、智能压油系统、智能转速继电器、机组智能单元；水轮机调速器与站控层和间隔层的智能电子设备构成冗余的高速星型以太网，此为间隔层以太网；水轮机调速器与过程层的智能电子设备构成冗余的高速星型以太网结构，此为过程层以太网；各智能电子设备通信协议满足IEC61850标准要求；水轮机调速器通过间隔层以太网接受水轮机组现地控制单元LCU的各种指令和给定，通过过程层以太网采集水轮机组频率、有功、接力器开度和其他相关信息，从而控制智能液压伺服系统将接力器定位于水轮机调速器指定的开度，实现机组的调频、调相、调功。

所述水轮机调速器包括电源模块、CPU模块、以太网接口和操作终端，CPU模块通过以太网接口接入间隔层和过程层的高速以太网，各种指令、状态、采集数据和控制信号均通过高速以太网实时传输，以实现调节器的各项功能。

所述智能液压伺服系统包括智能控制器、伺服驱动系统、机械液压伺服系统和接力器反馈；智能液压伺服系统通过以太网接口接入过程层的高速以太网；智能控制器包括电源模块、CPU模块和以太网接口，智能控制器通过以太网接受调节器的指令开度，通过采集接力器反馈以确定接力器实际开度，据此计算指令开度与实际开度之差控制伺服驱动系统，驱动机械液压伺服系统开、关接力器，从而完成接力器开度的闭环控制。

所述的智能液压伺服系统包含A、B两套，包括：A、B两套智能控制器、A、B两套伺服驱动、A、B两套伺服电机、A、B两套无油电转、一个引导阀、一个主配压阀和A、B两套接力器反馈；两套智能液压伺服系统同时连接到A、B两套水轮机组的接力器反馈、A、B两套伺服系统，两套智能液压伺服系统同时接受调节器的开度指令，与接力器开度反馈形成闭环，控制伺服电机及其驱动器，从而控制引导阀和主配开或关，压力油进入接力器的开腔或关腔，推动接力器开或关到指令开度。

所述的智能压油系统包括智能控制单元、软启动器、油泵电机组、自动补气装置、压力油罐、回油箱、压力罐压力变送器、压力罐液位变送器、回油箱液位变送器、漏油箱及其漏油箱断路器、漏油箱油泵电机组和漏油箱液位变送器；智能控制单元以太网口不少于两个，以实现网络冗余。

所述的水轮机调速器采用A、B两套控制器，互为热备冗余，切换时间小于30μs；每套控制器以太网口不少于4个，分别与间隔层和过程层构成高速冗余的星型以太网；水轮机调速器从间隔层和站控层接受各种指令和状态量，包括开机、停机、调相、并网、一次调频、负荷增减令；接受各种数据，包括功率给定、水头、电气开限；水轮机调速器的采样值和反馈状态量则从过程层取得，包括接力器反馈采样值、机组频率、系统频率、机组有功、智能液压伺服系统的状态、主配拒动信号、紧急停机动作信号、事故配压阀动作信号；水轮机调速器根据各种工况下的PID计算和逻辑判断，控制过程层各智能单元，以完成相应的功能。

本发明的优点：

本发明的水轮机调速系统相比常规调速系统具有如下优点：

(1)将调速系统的功能分布在不同的智能电子设备(IED)中；

(2)各智能电子设备(IED)均支持IEC61850标准，可实现不同IED之间的互操作和信息共享；

(3)采用10M/100M/1000M以太网交换机，节约电缆布线，提高了抗干扰能力；

(4)采用高速冗余星型以太网，相比其他网络形式，可靠性高，不易发生网络风暴；

(5)可实现机组间的调速系统冗余控制；

(6)由于实现了信息共享，调速系统可实现状态检修功能；

(7)支持远程维护功能；

(8)机组频率、系统频率、机组有功、接力器开度等采样值和状态量可与其他IED共享，避免了设备的重复投资；

(9)采用智能液压伺服系统，实现了机械液压系统的数字化控制，提高机械液压系统的可靠性；

(10)本发明的调速器具备相对完整的系统级设备重组功能，冗余程度高。其具有双间隔层以太网、双过程层以太网、双套调节控制器、双智能液压伺服系统控制器、双交流伺服式无油电转、双联滤油器、双紧急停机、双接力器反馈、双路机组PT测频、残压测频和齿盘测频冗余、双路系统频率、双路有功输入、双路供电电源，供13个部件可实现冗余，可形成8192组正常工作组态，如果考虑机组间调速器冗余，可形成16384组正常工作组态，极大地提高了调速器的可靠性、利用率和可维修性；

本发明的电液转换环节采用双无油电液转换器作为电液转换机构，两者互为冗余，具有如下特点。

①对油质无要求，不卡塞，不受温度影响，调速器整机油耗小；复中精度高且重复性好，零位调整方便；

②引导阀的定位精度和复中精度，是单电转的两倍

③伺服电机的力矩比单电转伺服电机的力矩减小一倍，有利于提高无油电转的响应频率；

④双无油电转采用位移输出，在稳态下，主配压阀芯是稳定不动的，减小了主配压阀的磨损；

⑤双无油电转的切换无需其他机械部件，切换稳定可靠，无扰动；

⑥每个无油电转都配有操作手轮，无需液压阀进行切换即可纯手动操作接力器；

⑦无油电转集成复中功能，结构紧凑，无需另加定中机构；

⑧双无油电转采用的是对称冗余，其维修性和可利用率要高于非对称冗余，有利于减少备件；

本发明的机械液压系统结构简单，集成度高，易调整，易操作，方便检修维护。

当有紧急事故需紧急停机时，A套紧急停机阀动作，切断引导阀的控制油，同时将主配活塞上腔通排油，主配活塞上移，导叶接力器将以设定的调保时间全关。当A套紧急停机阀有故障时，迅速投入B套紧急停机阀，切断A套紧急停机阀的压力油的同时切断引导阀的控制油，并使主配活塞上腔通排油，主配活塞上移，导叶接力器将以设定的调保时间全关。

采用双联滤油器，保证调速器的油质。

具备机手动操作功能(调速器切机手动后，操作无油电转的手轮，即可开、关接力器)，不依赖于控制系统而独立工作，便于机组检修维护，也可以作为一种后备运行方式。

附图说明

图1是数字化水轮机调速系统结构框图。

图2是水轮机调速器硬件逻辑框图。

图3是智能液压伺服系统逻辑框图。

图4包含A、B两套智能液压伺服系统示意图。

图5是智能压油系统。

图6水轮机机组间水轮机调速系统冗余示意图。

图7是机械液压系统图。

具体实施方式

图1数字化水轮机调速系统结构框图：

系统结构框图及工作原理：

本发明的调速系统通过数字化水电站的站控层、间隔层和过程层三层以太网进行控制，调速系统的主体分布在间隔层和过程层，处于间隔层的是冗余型水轮机调速器，含两套互为主备用的控制器；处于过程层的是A、B两套智能液压伺服系统、机组合并单元、系统合并单元、智能压油系统、智能转速继电器、机组智能单元；水轮机调速器与站控层和间隔层智能电子设备(IED)构成冗余的高速星型以太网，此为间隔层以太网；水轮机调速器与过程层智能电子设备(IED)构成冗余的高速星型以太网结构，此为过程层以太网；各智能电子设备(IED)通信协议满足IEC61850标准要求；水轮机调速器通过间隔层以太网接受机组现地控制单元LCU的各种指令和给定，通过过程层以太网采集机组频率、有功、接力器开度和其他相关信息，从而控制智能液压伺服系统将接力器定位于调节器指定的开度，实现机组的调频、调相、调功等功能。

一、图2是水轮机调速器硬件逻辑框图：

所述水轮机调速器可以采用A、B两套控制器，互为热备冗余，切换时间小于30μs，切换无扰动；当然也可以采用一套控制器；图2中是采用一套控制器的水轮机调速器硬件逻辑框图；每套控制器包括电源模块、CPU模块、以太网接口和操作终端，CPU模块通过以太网接口接入间隔层和过程层的高速以太网，各种指令、状态、采集数据和控制信号均通过高速太网实时传输。

调节器从间隔层和站控层接受各种指令和状态量，如开机、停机、调相、并网、一次调频、负荷增减令等，还可接受各种数据，如功率给定、水头、电气开限等，调节器的采样值和反馈状态量则从过程层取得，如接力器反馈采样值、机组频率、系统频率、机组有功、智能液压伺服系统的状态、主配拒动信号、紧急停机动作信号、事故配压阀动作信号等，调节器根据各种工况下的PID计算和逻辑判断，控制过程层各智能单元，以完成相应的功能。

为了实现调速系统的状态检修，调节器还接受智能压油系统和智能转速继电器的相关数据和状态量。调速系统通过站控层以太网支持远程维护功能。

相比传统的调速器，无需模拟量采集通道、输入/输出通道和模拟量输出通道，实现了正真的全数字化和信息共享，可靠性更高，节约投资成本，且具有互操作性，满足IEC61850协议。

二、图3是智能液压伺服系统逻辑框：

所述智能液压伺服系统包括智能控制器、伺服驱动系统、机械液压伺服系统和接力器反馈；智能液压伺服系统通过以太网接口接入过程层的高速太网；智能控制器包括电源模块、CPU模块和以太网接口，智能控制器通过以太网接受调节器的指令开度，通过采集接力器反馈以确定接力器实际开度，据此计算指令开度与实际开度之差控制伺服驱动系统，驱动机械液压伺服系统开、关接力器，从而完成接力器开度的闭环控制。

如图4：智能液压伺服系统包含A、B两套，包括：A、B两套智能控制器、A、B两套伺服驱动、A、B两套伺服电机、A、B两套无油电转、一个引导阀、一个主配压阀和A、B两套接力器反馈。两套智能液压伺服系统同时连接到A、B两套机组的接力器反馈、A、B两套伺服系统，两套智能液压伺服系统同时接受调节器的开度指令，与接力器开度反馈形成闭环，控制伺服电机及其驱动器，从而控制引导阀和主配开或关，压力油进入接力器的开腔或关腔，推动接力器开或关到指令开度。

三、机械液压系统如图7所示：

图中：1-伺服电机、2-手动手轮、3-滚珠自动复中装置、4-零位调整杆、5-调整杆组件、6-关机时间调整螺母、7-开机时间调整杆、8-复中下弹簧、9-引导阀活塞、10-引导阀衬套、11-主配阀活塞、12-主配阀阀体、13-主配阀托簧、14-事故配压阀、15-分段关闭单向阀、16-分段关闭先导阀、17-分段关闭主阀、18-事故配压先导阀、19-双联滤油器、20-压力表、21-紧急停机电磁阀、22-紧急停机液动阀。

根据具体要求，液压伺服系统可以采用其他形式，如比例伺服阀型液压伺服系统、数字阀液压伺服系统等，智能控制器也可采用单套形式。

冗余智能控制器：

两套智能控制器互为主备用，可手动切换，也可故障后切换，切换时间小于30μs，切换无扰动。每个智能控制器以太网口不少于两个，以实现网络冗余。

每套智能控制器可自动判断伺服系统故障和反馈故障，从而实现A/B套伺服系统(伺服驱动器+伺服电机+无油电转)切换和A/B套接力器反馈切换。

智能控制器会实时反馈接力器开度和智能液压伺服系统的状态给调节器，接力器开度还会实时反馈给机组LCU，供机组开、停机等逻辑顺控和监视记录用。智能液压伺服系统的状态包括滤油器堵塞信号、伺服驱动器故障、伺服电机故障、无油电转反馈故障、接力器反馈故障、紧急停机状态等。

智能液压伺服系统相比传统的机械液压伺服系统，多了智能控制器，取消了机械反馈，代之以电气反馈，可以完成机械液压伺服系统的自闭环控制，自成一个稳定的伺服系统，简单可靠，除了可以接受调节器和机组LCU的各种指令外，还可与调节器和其他智能电子设备共享接力器开度、智能液压伺服系统的各种状态，满足IEC61850协议的要求，是一种数字式的、智能的液压伺服系统。

四、智能压油系统如图5所示：

智能压油系统包括智能控制单元、软启动器、油泵电机组、自动补气装置、压力油罐、回油箱、压力罐压力变送器、压力罐液位变送器、回油箱液位变送器、漏油箱及其漏油箱断路器、漏油箱油泵电机组和漏油箱液位变送器。

智能控制单元主要任务是保持压力罐的压力和液位在正常工作范围；同时还要保持漏油箱的油位低于设定值。

智能控制单元以太网口不少于两个，以实现网络冗余。其通过以太网可以接受油泵启、停指令，也可输出压力、液位、油泵电机电流等采样值和事故低油压等信号。

五、智能转速继电器：

如图1：智能转速继电器具有两个以太网口，可以接入过程层高速冗余星型以太网，通过以太网可以接受机组频率，作为残压测频值；智能转速继电器还与两个齿盘测速探头相连，实现齿盘测频；这样就可实现双路测频。

智能转速继电器可以选择残压测频，也可以选择齿盘测频；根据设置的转速门槛值，输出不同转速开关信号，以GOOSE信号输出给相关智能电子设备(IED)。其齿盘测速值还需以数据的形式输出给水轮机调速器。

六、机组合并单元和系统合并单元：

如图1：机组合并单元对机组电流互感器、电压互感器进行数据采样、合并和处理，通过两个以太网口输出机组频率、有功、无功、电流采样值、电压采样值、相位等数据，供机组其他智能电子设备(IED)使用。

系统合并单元对系统电流互感器、电压互感器进行数据采样、合并和处理，通过两个以太网口输出系统频率、有功、无功、电流采样值、电压采样值、相位等数据，供电站其他智能电子设备(IED)使用。

七、机组智能单元：

如图1：机组智能单元具有两个以太网口、多路模拟量采集通道和开关量输入/输出通道，可以采集机组各部位的温度、摆动、液位、冷却水的状态等，以确定机组工作状态，机组若需要紧急停机或事故停机，机组智能单元可分别作用于智能液压伺服系统的紧急停机电磁阀或事故配压阀的电磁阀。

事故配压阀作为机组调速系统的一个后备保护，其液压油路绕过主配压阀，直接动作接力器，实现机组保护停机，所以，其控制电磁阀直接接入机组智能单元，由机组LCU通过GOOSE信号控制，或通过机械液压过速装置控制。

冗余紧急停机和主配拒动：

主配拒动信号和紧急停机电磁阀的控制是调速器的后备保护，其直接与机组智能单元相连，由机组LCU判断机组频率大于一级过速设定值，而主配还没有动作时，则通过GOOSE信号动作紧急停机电磁阀，实行紧急停机。

该系统配置两套紧急停机电磁阀和位置反馈节点，互为冗余，机组LCU根据机组保护需要而控制。

八、网络拓扑结构：

为了数字化水电站的可靠运行，网络拓扑结构的选择很重要。为了提高网络层的可靠性，这里在间隔层和过程层均采用双星形冗余以太网，藉此构建10M/100M/1000M冗余以太网。

双星形冗余以太网采用两个以太网交换机，构成两个独立的星形以太网，如图1中的过程层，每个IED都有两个独立的以太网接口，拥有不同的IP地址，分别接入不同的子网，通过IED双网口的客户机连接在IED内部，享有相同服务器的服务。

双星形冗余以太网有双网双工模式和双网热备模式。双网双工模式下，服务器对客户1和客户2进行无差别的处理；当网络01或者网络02发生故障时，另一网络将继续工作，保证通信的不间断。在双网热备模式下，网络01正常工作，网络02保持连接；当网络01发生故障时，网络02注册网络01曾注册过的带缓冲的报告控制块(BRCB)，利用BRCB的缓冲功能，可以实现重要信息无丢失的网络切换；同时，由于网络02保持了连接，通过TCP/IP协议的TCP_KEEPALIVE参数，IED可以同时检测网络02运行状态，当网络02发生故障时，可以直接报警检修；这种双网热备模式不仅减少了信息处理量，而且还保证了通信的可靠性。在这里，过程层采用双网双工模式，保证网络切换的无扰动，间隔层则采用双网热备模式，在保证可靠性的前提下，以减少信息处理量。

九、水轮机机组间水轮机调速系统冗余如图6所示：

如果A、B两台水轮机机组的过程层组成一个以太网，那么A、B两台机组的水轮机调速系统就可形成机组间的水轮机调速系统冗余，也就是说如果A机组的水轮机调速器因故障退出后，可由B机组的水轮机调速器在控制B机组的同时，也控制A机组

Claims

1.一种基于IEC61850的数字化水轮机调速系统，包括水轮机调速器，其特征在于：水轮机调速系统通过站控层、间隔层和过程层三层网络对水轮机进行数字化控制，水轮机调速系统的主体分布在间隔层和过程层，处于间隔层的是水轮机调速器；处于过程层的是智能液压伺服系统、机组合并单元、系统合并单元、智能压油系统、智能转速继电器、机组智能单元；水轮机调速器与站控层和间隔层的智能电子设备构成冗余的高速星型以太网，此为间隔层以太网；水轮机调速器与过程层的智能电子设备构成冗余的高速星型以太网结构，此为过程层以太网；各智能电子设备通信协议满足IEC61850标准要求；水轮机调速器通过间隔层以太网接受水轮机组现地控制单元LCU的各种指令和给定，通过过程层以太网采集水轮机组频率，有功，接力器开度，智能液压伺服系统的状态，智能压油系统的液位、压力，智能转速继电器测得的机组转速和机组智能单元发送的GOOSE信号，从而控制智能液压伺服系统将接力器定位于水轮机调速器指定的开度，实现机组的调频、调相、调功。

2.根据权利要求1所述的基于IEC61850的数字化水轮机调速系统，其特征在于：所述水轮机调速器包括电源模块、CPU模块、以太网接口和操作终端，CPU模块通过以太网接口接入间隔层和过程层的高速以太网，各种指令、状态、采集数据和控制信号均通过高速以太网实时传输，以实现调节器的各项功能。

3.根据权利要求1或2所述的基于IEC61850的数字化水轮机调速系统，其特征在于：所述智能液压伺服系统包括智能控制器、伺服驱动系统、机械液压伺服系统和接力器反馈；智能液压伺服系统通过以太网接口接入过程层的高速以太网；智能控制器包括电源模块、CPU模块和以太网接口，智能控制器通过以太网接受调节器的指令开度，通过采集接力器反馈以确定接力器实际开度，据此计算指令开度与实际开度之差，控制伺服驱动系统，驱动机械液压伺服系统开、关接力器，从而完成接力器开度的闭环控制。

4.根据权利要求1或2所述的基于IEC61850的数字化水轮机调速系统，其特征在于：智能液压伺服系统包含A、B两套，包括：A、B两套智能控制器、A、B两套伺服驱动、A、B两套伺服电机、A、B两套无油电转、一个引导阀、一个主配压阀和A、B两套接力器反馈；两套智能液压伺服系统控制器同时连接到A、B两套水轮机组的接力器反馈、A、B两套伺服系统，两套智能液压伺服系统同时接受调节器的开度指令，与接力器开度反馈形成闭环，控制伺服电机及其驱动器，从而控制引导阀和主配压阀开或关，压力油进入接力器的开腔或关腔，推动接力器开或关到指令开度。

5.根据权利要求1或2所述的基于IEC61850的数字化水轮机调速系统，其特征在于：智能压油系统包括智能控制单元、软启动器、油泵电机组、自动补气装置、压力油罐、回油箱、压力罐压力变送器、压力罐液位变送器、回油箱液位变送器、漏油箱及其漏油箱断路器、漏油箱油泵电机组和漏油箱液位变送器；智能控制单元以太网口不少于两个，以实现网络冗余。

6.根据权利要求1或2所述的基于IEC61850的数字化水轮机调速系统，其特征在于：水轮机调速器采用A、B两套控制器，互为热备冗余，切换时间小于30μs；每套控制器以太网口不少于4个，分别与间隔层和过程层构成高速冗余的星型以太网；水轮机调速器从间隔层和站控层接受各种指令和状态量，包括开机、停机、调相、并网、一次调频、负荷增减令；接受各种数据，包括功率给定、水头、电气开限；水轮机调速器的采样值和反馈状态量则从过程层取得，包括接力器反馈采样值、机组频率、系统频率、机组有功、智能液压伺服系统的状态、主配拒动信号、紧急停机动作信号、事故配压阀动作信号；水轮机调速器根据各种工况下的PID计算和逻辑判断，控制过程层各智能单元，以完成相应的功能。