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大型企业变电站智能化改造方案的设计与实现

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大型企业变电站智能化改造方案的设计s实现 电工电._【(2017 No.1) 标准与管理 大型企业变电站智能化改造方案的设计与实现 季雨枫,张平均,戴建民 (福建工程学院福建省数字化装备实验室,福建福州3501 O8) 摘 要:介绍了企业变电站的智能化改造框架,分析了现有的智能电站组网方式和常规变电站智能 化改造方案,通过采用合适的组网方案和设计智能应用软件,实现了企业变电站智能化改造。实际运行 结果表明,该改造有效地提高了企业电力系统的安全稳定性和企业电力的管理水平。 关键词:企业变电站;企业配电网;电力监控;智能化改造;IEC 61850 中图分类号:TM63;TM764.2 文献标识码:A 文章编号:1007—3175(2017)01—0059—04 Design and Implementation of Intellectualized Reconstruction Scheme in Giant Enterprise Substations JI Yu—feng,ZHANG Ping-jun,DAI Jian—min (FujianLaboratoryofDigitalEquipment,Fujian UniversityofTechnology,Fuzhou 350108,China) Abstract:Introduction was made to the intellectualized reconstruction flame in enterprise substation.Analysis was made to he existting networking mode of intellectualized substation and he troutine reconstruction scheme.The suiablte networing kscheme and design intelligence utility software was adopted to realize the intellectualized reconstruction of enterprise in giant enterprise substation.The actual operation results show that this transformation effectively improves the security nd astabiliy,and the tmanagement abiliy tof enterprise power system. Key words:enterprise substation;enterprise distribution network;power monitoring;intellectualized reconstruction;standard IEC 61850 自2009年开始,智能电网就已成为我国电力 发展的重点对象。智能变电站是实现智能电网的重 要支撑和架构,是电网运行数据的采集源头和命令 执行单元,是智能电网建设的重要组成部分 。 其具有变电站信息数字化、信息传递网络化、通信 模型标准化,信息平台一体化等特点,相比于常规 变电站在信息实时性、系统可靠性、经济性等方面 均有大幅度的提升。然而,传统变电站在我国仍然 占有很大一部分比例,而且大多数传统变电站设备 统进行智能化改造,不但能提高企业配电网的可靠 性和稳定性,还能通过数据处理分析,采取有效的 节能措施,提升能源利用效率 。本文根据国家电 网发布的《智能变电站技术导则》、《变电站智能化 改造技术规范》等一系列标准,结合该企业对电能 监控保护的需求,对某大型冶金企业的110/10 kV 变电站的二次侧电网及其下属车间配电网的智能化 改造方案进行设计与实现 。。 。 都还有很长的使用寿命。显然,全部更换智能化设 1企业电力系统智能化改造框架设计 某企业变电站智能化改造的对象为变电站 备会造成很大的资源浪费,所以,对传统变电站进 行智能化改造是实现全面智能电网的重要一环。 大型工业企业往往拥有大量精密设备和高能耗 设备,对电网供电质量和供电可靠性有很高的要求。 电网电压、频率的变化以及短时停电就可能对生产 过程和产品质量造成很大的影响。对于企业电力系 10 kV侧以及下属6个车间的配电网。6个车间分 别为:电解一期,熔铸三线,铸造,铸轧高压室, 万吨挤压、氧化,2万吨挤压、喷涂。以下把6个 车间的输配电系统简称为6个从站。其电气主接线 如下:变电站中有主变压器2台,备用1台,采用 基金项目:福建省科研基金项目(JK2012030);福建省高校基金项目(GYZ11072) 作者简介:季雨枫(1992一),男,硕士研究生,研究方向为电网嵌入式系统; 张平均(1969一),男,教授,博士,硕士生导师,研究方向为嵌入式系统应用。 一59— 电工电气 (2017 No.1) 双母线分段,出线l4回;电解一期站采用双母线 分段,进线2回,出线10回;熔铸三线站采用单 母线分段,进线2回,出线6回;其他从站接线方 式相对类似,也就不再详述。本次设计根据已有的 接线方式和设备条件,进行针对性的智能化改造, 主要涉及以下几个方面。 1)主设备的智能化:本次改造不改变原有的 接线方式,把老旧的10kV开关柜更换为中置式程 序化开关柜。使用包括智能电流互感器、智能电压 互感器、智能电表等智能仪表,安装综合一体化保 护测控装置 。 2)通信网络的建设:根据智能变电站通信网 络建设方案,分析讨论了已有的组网方式,采用了 适用于多种下位机通信的协议标准和组网模式。供 各信息处理平台进行统一、标准化、规范化的数据 存取访问,实现全站统一标准、信息集成、上下贯 通、模块互补…。 3)研发智能应用功能:在信息一体化平台上 实现能量流动实时监控、数据校验、负荷智能管理、 智能预警与故障综合分析、负荷跟踪与预测控制、 实时/历史数据库等智能应用,来提高企业用电的 可靠性和稳定性。还可以将企业生产管理平台与电 力监控平台进行信息互通,来进一步提高企业电力 管理水平。 图1提出了某企业变电站智能化改造构建框架 设想。 智能仪表I l电子互感器l l调度生产系统 区囹医亟亘垂圃 l 塑壁l I 开关l 保护组件 图l企业电力系统智能化改造框架 2智能化系统组网方案 2.1站点组网模式 一60一 大型企业变电站智能化改造方案的设if-9 ̄-N 该智能化改造系统涉及1个总站,6个从站, 每个站点都设有一个上位机系统,总站可以调控所 有站点。站点间组网的模式有很多,常用的有星型 连接、树干型连接和环形连接。星形连接的特点是 接线结构简单、通信速度快、可靠性高,一般采用 总线来组网,适用于结构简单、通信距离近的系统。 树干型连接方式可以适用于远距离通信,而且结构 简单,但是系统可靠性较低。环形连接最大的特点 是可靠性高,当某一处发生故障时,系统还能够继 续运行,大大提高了可靠性。综合考虑下,本系统 采用星形连接和环形连接相结合的混合组网模式, 并使用工业以太网作为通信物理层,以IgC 61850 作为系统通信标准。各站点内部采用星形连接的方 式,站点间采用环形连接,这样尽可能地保证系统 结构简单,实时性高,又满足远距离传输和系统的 可靠性旧 ,图2为站点组网结构示意图。 图2站点组网结构示意图 2.2过程层的组网方案 IEC61850将变电站智能化系统从逻辑上分为 三层两网结构,也是我国智能变电站建设普遍采用 的模式。过程层网络是智能变电站的重要基础,其 组网方法一直没有被规范,因此也使得实现方法的 多样化。以下分析讨论了几个主要的组网方案。 MSV点对点、GOOSE直连和B码或秒脉冲对时 的方式。这种方式与常规变电站的电缆连接方式相 似,区别在于智能化变电站使用光缆连接来代替电 缆,直连的方式无需通过网络交换机。此方式虽然 能够满足信息传输的可靠性,但设备采样数据无法 实现共享。当系统比较复杂时,直连的智能设备也 必须提供多个端口,光缆的接线数量也增多,导致 组网成本、布线的复杂程度大大提升,不适用于本 大型企业变电站智能化改造方案的设计s实现 次系统改造。 MSV组网、GOOSE组网和IRIG—B码对时的方式。 MSV组网能够实现全站数据共享,跳闸GOOSE组网 也能够实现网络跳闸,该方式完全符合I EC 61850 标准对过程层网络的组网要求。但是此种结构所需 的交换机需满足I EC 61850标准和电磁兼容要求, 且网络结构较为复杂时,所需交换机数量庞大,导 致投资成本巨大。目前此类智能变电站已有较多工 程实例,但不太适用于常规变电站智能化改造。 MSV、GOOSE和IEEE 1588标准对时统一组网的 方式。其中,IEEE 1588标准对时的精度小于1 us, 满足变电站所有领域的要求。此种组网方式与上述 方式极其相似,区别就在上述是MSV和GOOSE分别 组网,而此种方式是MSV和GOOSE共用一个网络, 相较而言,提高全站设备对时可靠性的同时,也节 省了投资。但是,此种组网方式对交换机又有了更 高的要求,交换机需支持I EEE 1588标准对时的功 能,此类交换机都是新产品,价格昂贵,稳定性和 可靠性还都需要进一步实践验证。总的来说,技术 层面上此种方式比较先进,国内也在慢慢推广,应 用于新建设的智能变电站。当然,其技术还未完全 成熟,还处于积累运维经验的阶段。 MSV直连、GOOSE组网和B码或秒脉冲对时的 方式。此种方式通过网络方式跳闸,一定程度上实 现了数据传输的网络化,具有较高的自动化程度, 这也符合IEC61850的标准。此种模式已有较多的 工程实例,经验表明在重负载下GOOSE跳闸命令仍 能满足实时传送,符合工程应用要求。虽然MSV直 连导致采样数据无法在过程层实现数据共享,但可 以通过上位机组网实现数据共享。显然,此种方式 非常符合常规变电站智能化改造,不但通信满足要 求,而且结构简单,施工周期短,成本也相对较低, 图3为该模式结构示意图 。 图3过程层组网结构示意图 电工电气(2017 No.1) 3设备的选型与通信 综上所述,本系统站点组网采用混合组网模 式,过程层采用MSV直连、GOOSE组网的方式,最 后采用工业以太网作为通信物理层。根据这些要 求来选型合适的综合测控保护一体化设备。本次设 计将选用珠海万利达MLPR一810HD设备。该设备适 用于110kV以下的不接地系统、电阻接地系统及 直接接地系统的线路综合保护、控制和测量,支持 IEC60870—5—103、IEC60870—5~104 口IEC61850 三种通信模式,并且其具有104个端口,2个以太 网接口和1个Debug端口。显然,MLPR一810Hb完 全符合上述组网条件。 本次设计采用成熟的组态软件组态王(6.55) 来开发智能化应用,它充分利用了Windows图形功 能完备、界面一致性好、易学易用的特点,采用多 线程、COM组件等技术,可以实现实时多任务,并 且软件运行稳定可靠,使开发的系统具有通用性, 减少开发者的重复性工作,便于二次开发。在组态 王(6.55)中并没有IEC61850协议通信的设备驱 动,需要自主开发。完成设备驱动开发之后,进入 工程界面配置设备,步骤如下:选择设备一智能仪 表一电力协议一IEC 61850一设备名称一设备地址。 如此一来,就实现了上位机软件与MLPR一810Hb的 通信。 4智能化应用的开发 本次开发的智能化应用软件不仅实现了人机界 面、数据校验、信息管理等传统功能,还集成了 PMU、故障录波和利用专家型模糊控制算法调控变 频器等功能,总体实现了集中监控、在线预测、远 程维护、电能质量评估以及智能管理等高级功能。 本文将着重介绍两个具有企业特色的智能化应 用的开发。分别是具有优先级的实时报警系统和数 据自动更新存储系统。 在本系统中将报警分作两类,一是重要报警, 一旦发生报警不但在报警窗口中记录而且要弹屏报 警并发出报警广播;二是次重要报警,只在报警窗 口中记录并等待确认。利用变量的优先级和报警组 可以将不同的报警类型进行分级分类,但是这只能 在报警窗口显示中体现出来,无法达到部分报警弹 一61— 电工电气(2017 No.1) 屏等效果。所以需要利用事件命令语言,首先要设 置一条事件语句,例如“\\本站点\¥新报警--=I” 当符合这条语句条件时(即事件发生时),就会执 行事件命令语言。其中,变量“¥新报警”是个内 存离散变量,当发生任何报警时,它的值就置1。 然后,根据报警分级的条件编写判断语句,再利用 showpicture 0命令和PlaySound 0命令实现弹屏 示警和广播告警功能,如此一来,即可实现分级报 警功能。 数据自动更新存储系统主要应用于报表。比如, 负荷日报表是每个站点都必须有的一个画面,使用 数据自动更新存储系统实现该报表对本站点的所有 进线出线的数据(电流、功率等)的自动记录,过 0点时能自动保存当天的报表并重新开始记录第二 天的数据。该功能编程需要应用数据改变命令语 言,在编写命令语言之前要先设定一个变量,该变 量的功能是当系统检测到变量发生变化时,就会执 行相对应的程序。因为报表是按小时记录数据,故 取内存变量“¥时”作为该变量。该程序中核心语 言是reportsetcel Ivalue 0,以实现将实时的变 量数据写入到指定报表的指定单元格内。当0点时, 程序将执行Reportsaveas 0语句,将指定报表存 储到指定的文件夹内。此处应注意,保存报表文件 名需加上内存变量“¥日期”,以免出现名字重复 造成数据丢失。最后,在执行完存储命令后,利用 reportsetce]istring2 0命令将报表初始化。 5运行和调试 在运行和调试前,还需进行网络配置。本系统 的网络结构是一种柔性结构,可以将整个应用程序 分配给多个服务器,这样可以提高项目的整体结构 容量并改善系统的性能。服务器的分配是基于实际 中物理设备结构,根据系统的需要分别设立1 0服 务器、历史数据服务器、报警服务器、登陆服务器。 调试工作主要分为三部分,一是遥测测试,根 据设备接线CAD图连接外部电路并施加电压,观察 智能应用软件中是否能取到该变量的值且该值是否 跟下位机面板上显示的值一致,改变电压,观察灵 敏度是否满足要求;二是遥信测试,在对应保护接 口的外部电路中施加越限电压,观察应用软件中对 应的I/0离散变量是否置1,并触发报警;三是遥 一62一 大型企业变电站智能化改造方案的设计s实现 控测试,在应用软件中执行遥控指令观察下位机是 否接收并执行指令,下位机动作后,信号是否重新 返回到应用软件中u训。 系统最终在某大型冶金企业的变电站中实际运 行,部分项目改造前后的对比如表1所示。 表1项目改造前后对比 时开关设备位置 丝 髫0 开关设备位置自动识别 人工定期巡视 自动采集到上位机 记录设备状态 由人机界面显示 故障时,人工检查各类 自动识别分析故障、录波、 信息,手动生成故障简报 监控信息,生成故障简报 人工填写信息表 从系统导入 员工查看纸质信息表 LED实时更新显示 各站点孤立 各站点组成环网 信息集成一体 6结语 智能电网的作用不仅在于提高供电质量和可靠 性,还可以根据需求控制能量的生产、输配与转换, 从而大幅度提高能效,实现节能减排。显然,对于 老牌大型工业企业进行企业变电站的智能化改造, 实现部分智能电网功能,是非常有必要的。本文提 出了一套企业变电站智能化改造框架,着重分析了 多种组网方案,开发了一套智能应用软件,详细介 绍了具有优先级的实时报警系统和数据自动更新存 储系统的开发,最后对整个系统进行运行调试。总 而言之,本文介绍了一个大型工业企业变电站智能 化改造的工程实例,以便为今后企业电网智能化改 造提供参考。 参考文献 [1]冯军.智能变电站原理及测试技术[M].北京:中 国电力出版社,2011. 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[5]赵琳,刘振,任雁铭,等.220kV数字化变电站测 控保护一体化的实现方式[J],中国电力,2010, (下转第68页) 电工电气(2017 No.1) 交流电动机振动异常的诊断及处理 力而向上窜动。而电机的驱动端安装的是6314轴 电机找中心,电机回装也是按原螺栓位置安装。这 就也排除了机务方面的原因。 5)其他方面的原因 承,这种轴承在轴向方向是有一定游隙的,也就是 说6314轴承只能限制电机转子在轴向方向的大的 窜动,但并不能限制电机转子在轴向方向的小的窜 排除以上几种常见导致电机振动的原因后,开 始再次回顾电机修理及试运过程。电机修理后空转 振动正常,电机在带负载运行的前20 min,振动值 只是偏大,而在电机带负载运行20min后出现振 动变大,并且该电机的振动值开始呈周期性变化。 尤其是再次空转该电机后发现电机振动仍偏大,这 说明轴承的运行状态已经发生了变化,滚球已经不 能正常地在跑道上滚动。而轴承带负载运行很短时 间就出现异常,并且导致轴承运行状态发生严重异 动。因此电机转子在高速运行时会向上窜动,使得 电机上端的7314轴承的滚动体的受力角度偏离设 计受力角度较多,不能在跑道上正常的运行。同时 由于这种窜动多为弹性窜动,因而电机转子在高速 转动过程中就表现为一种轴向往复运动,导致电机 本体周期性振动大并伴有异音,以及该轴承的失效 损坏。 常变化,于是开始再次考虑轴承方面的原因。 通过对轴承选型的分析,发现非驱动端轴承 为7314单列角接触球轴承,通过查询轴承手册发 现角接触球轴承的接触角为4O。,因此可以承受很 3处理结果 结合对电机故障原因的分析,将电机非驱动端 轴承更换6314轴承,这种轴承内外径与7314轴承 相同,与驱动端轴承配合使用既能承受一定的轴向 力,也能允许一定轴向窜动,能保证这种立式电机 的可靠运行。更换轴承后电机空试及带负载运行中 振速均小于1.2 mm/S,振幅均小于0.025 mm,达到 了良好的运行状况。 大的轴向负荷。角接触球轴承是非分离型设计,内 外圈两侧的肩部高低不一。把其中一侧的肩部加工 得较低是为了让轴承可装进更多的钢球,以提高轴 承的负载能力。由于该轴承单独使用时只能单方向 限制轴向串动,即轴承只能单方向承受轴向负荷。 电机厂设计时估计是考虑到该电机为立式安装,需 要单方向承受转子的重量,不需要对轴承进行轴向 两个方向限制窜动,因此将非驱动端轴承设计为 7314轴承。 4结语 在现场电机出现振动大现象后应该从多方面分 析导致振动的可能原因,并逐项进行排查。由于在 实际电机检修工作中都是保持原电机设计,甚至电 机各部件的拆装都是要求做好标记,原样拆除原样 回装。因而在对于一些电机的老毛病或者是一些无 但是结合这台电机的实际情况,该型轴承的使 用分析可能会产生以下不利的影响:由于实际在 运行中该电机为高转速电机,转速为2 970r/min, 在运行中可能会受到机务侧泵轴窜动而产生的一个 向上的推力,以及由于电机磁力中心线与转子中心 不一致而产生的一个电磁推力,在这两个推力的 法根除的顽症,应该从电机的设计以及轴承的选型 方面进行分析检查,也许会取得意想不到的效果。 收稿日期:2016—10—1l 单独或复合作用下可能会使电机转子克服自身重 (上接第62页) 43(4):38—40. 度自动化系统稳态监控网络拓扑分析[J].电力系 统保护与控制,2015,43(18):101—107. 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