水電廠自動化系統(tǒng)的智能化改造研究

南寧交通資產(chǎn)管理有限責(zé)任公司 蒙 靜

在信息化時代背景下，我國水電廠智能化改造工程全面啟動，水電廠自動化系統(tǒng)運(yùn)行功能將會得到全面優(yōu)化，為水電廠進(jìn)一步發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。目前我國水電廠自動化系統(tǒng)已經(jīng)逐漸完善，但為滿足時代的發(fā)展與社會的需求，還需進(jìn)一步加強(qiáng)智能化水電廠建設(shè)力度，但為避免影響到水電廠運(yùn)行效率與運(yùn)行質(zhì)量，智能化建設(shè)不可脫離水電廠自動化系統(tǒng)，只能夠通過對現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對自動化系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，促使水電廠自動化系統(tǒng)運(yùn)行逐漸邁向智能化發(fā)展道路，優(yōu)化水電廠系統(tǒng)功能，為水電廠進(jìn)一步的發(fā)展奠定下良好基礎(chǔ)[1]。

1 水電廠自動化系統(tǒng)的智能化改造原則

1.1 安全性

要想保障水電廠自動化系統(tǒng)智能改造質(zhì)量提升，就需要保障改造工作的安全性：在系統(tǒng)智能化改造時，技術(shù)人員所使用的技術(shù)、智能化設(shè)備都需達(dá)到智能改造標(biāo)準(zhǔn)，避免因技術(shù)人員操作問題對智能化改造質(zhì)量造成影響，甚至對原有自動化系統(tǒng)功能造成影響，減少系統(tǒng)運(yùn)行安全問題，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性；保障智能改造內(nèi)容的安全性。由于水電廠自動化系統(tǒng)運(yùn)行過程中所涉及的調(diào)控內(nèi)容相對較多，為避免影響系統(tǒng)運(yùn)行安全，在前期改造工作實(shí)施過程中應(yīng)對改造安全提高重視程度，并在安全原則下提高系統(tǒng)設(shè)計改造性能，確保系統(tǒng)智能運(yùn)行的可靠性。

1.2 開放性

在自動化系統(tǒng)智能改造過程中具備一定的開放性，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全面升級與更新：對智能改造現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)加以明確。在智能化改造工作開展中，應(yīng)滿足國際與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到行業(yè)智能化規(guī)范改造要求，從而體現(xiàn)出智能化改造開放性；水電廠自動化系統(tǒng)智能改造需提前預(yù)留出系統(tǒng)升級接口，由于自動化系統(tǒng)本身具備一定的兼容性，所以在系統(tǒng)運(yùn)行升級中可保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性[2]。

1.3 先進(jìn)性

在系統(tǒng)改造期間內(nèi)要保障系統(tǒng)功能改造的先進(jìn)性，提高水電廠運(yùn)行效率。在改造中，技術(shù)人員操作技術(shù)要在滿足安全性原則下保障技術(shù)操作的智能化，避免對系統(tǒng)改造中會存在風(fēng)險，同時對二次設(shè)備故障問題進(jìn)行有效處理，以此提高系統(tǒng)運(yùn)行性能。

經(jīng)濟(jì)性。在智能化改造工作開展中還需要滿足經(jīng)濟(jì)性原則：由于在原有自動化系統(tǒng)中實(shí)施智能化改造需投入智能化系統(tǒng)與設(shè)備，且在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化期間內(nèi)要保障系統(tǒng)升級安全，對智能改造性價比進(jìn)行具體分析，盡可能減少智能化改造經(jīng)濟(jì)成本；在系統(tǒng)智能化改造結(jié)束后還需對系統(tǒng)后期維護(hù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合性考慮，確保在維護(hù)工作開展中制定好工作計劃，確定維護(hù)周期以及維護(hù)任務(wù)，從而避免加大成本支出。

2 智能化改造現(xiàn)狀

目前我國已有部分水電廠開展了自動化系統(tǒng)智能化改造工作，為智能化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)開展了初步探究工作，并取得了良好的成績。水電廠都是根據(jù)自身的實(shí)際發(fā)展情況對智能化改造制定了相應(yīng)的規(guī)劃，且不同水電廠智能化改造側(cè)重點(diǎn)存在不同，但總體改造都是在避免自動化系統(tǒng)受到影響的基礎(chǔ)上構(gòu)建了智能化數(shù)據(jù)平臺，以此對水電廠自動化系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與管理，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能運(yùn)行[3]。

2.1 站控層

在對自動化系統(tǒng)智能化改造中站控層設(shè)備保持不變，但要構(gòu)建獨(dú)立的一體化數(shù)據(jù)收集管理平臺，通過對IEC61850通信協(xié)議將系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息輸送到平臺當(dāng)中，以此對水電廠系統(tǒng)運(yùn)行輸數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，在一體化平臺中開設(shè)多個應(yīng)用功能，其中包含了系統(tǒng)聯(lián)動功能及數(shù)據(jù)綜合報表記錄功能。一體化數(shù)據(jù)平臺可安裝在站控層安全I(xiàn) 區(qū)與II 區(qū)中，其中安全I(xiàn)區(qū)系統(tǒng)具備系統(tǒng)監(jiān)控性能，可對信息系統(tǒng)加以保護(hù)。部分水電廠為保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行、保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，分別在安全I(xiàn) 區(qū)與II 區(qū)中構(gòu)建了一體化數(shù)據(jù)平臺。

一體化數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)信息的輸出方式主要包含以下方式：將各個自動化系統(tǒng)作為整體與一體化數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行連接，而該方式只需要在自動化系統(tǒng)中加入對外IEC61850通信接口，其余無需進(jìn)行改動；設(shè)置獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)與各個自動化單元之間實(shí)現(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸，并將IEC61850通信系統(tǒng)安裝在系統(tǒng)單元當(dāng)中，從而對自動化系統(tǒng)單元進(jìn)行智能化改造[4]。

2.2 間隔層

如果在采用設(shè)置獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能化改造，需要設(shè)置間隔層，在自動化系統(tǒng)的現(xiàn)有單元中，需要安裝IEC61850協(xié)議轉(zhuǎn)換器，同時還需要在系統(tǒng)子單元中安裝通信通道，從而數(shù)據(jù)信息直接通過IEC61850協(xié)議轉(zhuǎn)換器，將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)揭惑w化平臺當(dāng)中。而在間隔層設(shè)置時，通過利用系統(tǒng)與平臺的關(guān)聯(lián)性，成為獨(dú)立管理模塊，并可通過一體化平臺直接操作，將數(shù)據(jù)信息傳輸自動化系統(tǒng)單元當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能運(yùn)行。

2.3 過程層

針對水電廠自動化系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)際情況，在智能化改造中，需要在電纜節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用智能化通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息收集與管理，并將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)酵ㄐ殴こ坍?dāng)中，并在間隔層、站控層的作用下實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行。為避免在智能化改造后造成系統(tǒng)出現(xiàn)滯后性，所以在過程層中進(jìn)行智能改造時需對開關(guān)層進(jìn)行改造，而其余設(shè)備則不需要進(jìn)行調(diào)整，或?qū)ψ詣踊到y(tǒng)設(shè)備進(jìn)行全面更換，保障智能化改造的合理性。

2.4 系統(tǒng)層

要想保障自動化系統(tǒng)智能化改造質(zhì)量得到提高，需對系統(tǒng)層改造工作進(jìn)行全面處理：做好系統(tǒng)模塊分類工作，將系統(tǒng)進(jìn)行合理劃分，應(yīng)用在若干個應(yīng)用模塊當(dāng)中。如，可將數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)與傳輸系統(tǒng)通過利用智能化通信工程實(shí)現(xiàn)信息關(guān)聯(lián)，以此保障系統(tǒng)信息傳輸速度；在自動化系統(tǒng)層中需要構(gòu)建云儲存平臺，將系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息全部傳輸?shù)皆破脚_當(dāng)中。在云平臺構(gòu)建前，將運(yùn)行系統(tǒng)作為獨(dú)立運(yùn)行單位，對系統(tǒng)單元模塊進(jìn)行有效整理，以此提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 智能化改造要點(diǎn)及步驟

3.1 數(shù)據(jù)描述對象化

水電廠自動化系統(tǒng)種類相對較多，且每一個系統(tǒng)運(yùn)行方式及功能存在一定的差異性。每一個系統(tǒng)在運(yùn)行中缺乏中心管理，只有進(jìn)行系統(tǒng)轉(zhuǎn)化才能實(shí)現(xiàn)通信交互功能。為此，通過利用建模技術(shù)，以面向?qū)ο蟮男问綄?shù)據(jù)信息進(jìn)行描述，則可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自我描述功能，而其余自動化系統(tǒng)在接收數(shù)據(jù)信息后，則不需在對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行交互轉(zhuǎn)換，促使系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理與維護(hù)功能得到了優(yōu)化，解決了自動化系統(tǒng)之間所存在的信息互通問題。水電廠自動化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，主要是應(yīng)以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為基，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)建模，根據(jù)水電廠運(yùn)行情況對數(shù)據(jù)信息模型進(jìn)行完善與拓展，促使水電廠自動化系統(tǒng)信息模型達(dá)到良好的規(guī)范性，同時在電力系統(tǒng)的應(yīng)用下實(shí)現(xiàn)IEC61970標(biāo)準(zhǔn)支持，從而滿足水電廠應(yīng)用需求。

3.2 數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)化

自動化系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息要想實(shí)現(xiàn)交互傳輸則需采用IEC61850通信協(xié)議，以此提高自動化系統(tǒng)之間的交互性能，發(fā)揮出數(shù)據(jù)模塊的實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢。但鑒于水電廠由于缺乏IEC61850通信協(xié)議的支持，所以在智能改造中可采用其余標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，將其作為自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過渡模塊。目前在對水電廠自動化系統(tǒng)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行智能改造的過程中，應(yīng)滿足與現(xiàn)代化系統(tǒng)數(shù)字化功能，改變系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息傳輸方式，盡可能使用對外網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)相關(guān)智能化設(shè)備，將傳統(tǒng)數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行全面拓展，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化收集與管理，從而保障系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)智能化功能[5]。

3.3 管控應(yīng)用一體化

在自動化系統(tǒng)站控層基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型以及通信交互功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的檢測與安全控制，對水電廠每一個自動化系統(tǒng)進(jìn)行全面控制與管理，從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管控系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)智能化控制中心。在管控系統(tǒng)平臺中應(yīng)構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸方式，提供標(biāo)準(zhǔn)的消息總線與服務(wù)總線，以此滿足各個自動化系統(tǒng)運(yùn)行管理需求。管控系統(tǒng)平臺在構(gòu)建中主要將自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面收集，為實(shí)現(xiàn)智能化提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)環(huán)境。

在綜合管控平臺中，需對站控層安全I(xiàn) 區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)安裝防火墻，以此加強(qiáng)防護(hù)性能。在I 區(qū)系統(tǒng)中主要包含了輔機(jī)控制系統(tǒng)及測控系統(tǒng)等，需對自動化系統(tǒng)日常運(yùn)行進(jìn)行全面檢測，以此為水電廠生產(chǎn)運(yùn)行管理提供更加優(yōu)質(zhì)的管理服務(wù)，而且對水電廠智能化應(yīng)用提供相應(yīng)的智能服務(wù)，同時促使系統(tǒng)外數(shù)據(jù)交互，如水文氣象以及MIS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)協(xié)同交互。

3.4 高級應(yīng)用智能化

通過實(shí)現(xiàn)管控平臺對水電廠自動化運(yùn)行智能化功能進(jìn)行全面開發(fā)，在系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理下實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用系統(tǒng)。智能應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中主要是以管控平臺作為數(shù)據(jù)支撐，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建設(shè)云計算數(shù)據(jù)庫，以此對水電廠運(yùn)行進(jìn)行全面監(jiān)控并實(shí)現(xiàn)智能化預(yù)警功能[2]。

在智能應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行下，可根據(jù)水電廠自動化系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行情況構(gòu)建數(shù)據(jù)分析模型，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)分析技術(shù)及集成技術(shù)進(jìn)行有效運(yùn)用，可對水電廠自動化系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面分析。此外，通過構(gòu)建關(guān)聯(lián)診斷數(shù)據(jù)庫，通過智能技術(shù)的應(yīng)用可對水電廠運(yùn)行設(shè)備的安全情況進(jìn)行全面分析，并對設(shè)備故障進(jìn)行診斷，從而實(shí)現(xiàn)智能化檢測以及智能化故障診斷功能。

在水電廠智能化改造工作中，通過對水庫優(yōu)化調(diào)度制定防汛決策，實(shí)現(xiàn)自動化系統(tǒng)監(jiān)管維護(hù)等應(yīng)用功能，可提高水電廠自動化運(yùn)行管理水平，減少水電廠自動化設(shè)備運(yùn)行維護(hù)工作量，減少設(shè)備維護(hù)難度，可提高設(shè)備運(yùn)行效率與運(yùn)行穩(wěn)定性，為水電廠的發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益提升起到了一定的促進(jìn)作用，為水電廠進(jìn)一步發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)，從而也實(shí)現(xiàn)了水電廠自動化系統(tǒng)智能化改造的最終目的。

3.5 智能化改造步驟

根據(jù)水電廠自動化系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)際情況，對自動化系統(tǒng)設(shè)備元件進(jìn)行具體分析，認(rèn)為在智能化改造工作實(shí)施時應(yīng)當(dāng)逐步開展改造工作，從以下幾方面進(jìn)行逐步改造。

針對水電站自動化系統(tǒng)常規(guī)監(jiān)控站控層部分，應(yīng)通過利用管控平臺將其代替，以此提高系統(tǒng)監(jiān)控能力。不過在管控平臺的基礎(chǔ)上，需得到IEC61850通信協(xié)議的支持，或可采取常規(guī)通信協(xié)議，保障該部分智能化改造得到有效落實(shí)；針對智能化開關(guān)站改造情況，應(yīng)通過對IEC61850通信協(xié)議替換常規(guī)的開關(guān)站，由管控平臺直接對自動化系統(tǒng)開關(guān)站進(jìn)行有效控制，并對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行智能化監(jiān)控檢測；通過使用公用LCU 作為試點(diǎn)，由IEC61850通信協(xié)議CPU 對公用LCU 進(jìn)行替換，插入IEC61850通信協(xié)議plc 通訊模塊，避免在協(xié)議轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生故障點(diǎn)，影響到系統(tǒng)運(yùn)行性能。

根據(jù)水電廠自動化系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，應(yīng)當(dāng)對公用系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，通過利用智能化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與管控平臺進(jìn)行連接，以此減少水電廠自動化電纜數(shù)量，同時也能夠保障數(shù)據(jù)信息收集的完整性，提高系統(tǒng)新能。根據(jù)水電廠自動化系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，對智能化綜合應(yīng)用功能加大開發(fā)力度，構(gòu)建智能化應(yīng)用系統(tǒng)，對自動化系統(tǒng)性能進(jìn)行全面優(yōu)化；在具備成熟的智能化改造方案下，可對自動化元件以及測控設(shè)備進(jìn)行全面改造，以此實(shí)現(xiàn)水電廠智能化運(yùn)行與管理[3]。

綜上，水電廠在未來的發(fā)展中自動化系統(tǒng)無法滿足時代的發(fā)展需求，會全面實(shí)現(xiàn)水電廠智能化系統(tǒng)。雖然目前智能化改造依舊處于初級探索階段，但隨著智能化技術(shù)的不斷成熟，水電廠自動化系統(tǒng)智能化改造也會越加完善，提高水電廠智能化運(yùn)行水平，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率與運(yùn)行質(zhì)量，為水電廠創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益，為水電廠進(jìn)一步發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。