水電廠智能化技術(shù)發(fā)展動態(tài)調(diào)研

張毅

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

1 調(diào)研背景概述

隨著技術(shù)進步和全球新能源、分布式能源的發(fā)展，智能電網(wǎng)已成為未來世界電力系統(tǒng)發(fā)展的方向，為滿足未來能源發(fā)展的需要，2009年國家電網(wǎng)公司專門制定了“統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備（系統(tǒng)）研制規(guī)劃”，提出了智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度環(huán)節(jié)及通信信息平臺的關(guān)鍵設(shè)備分階段研制目標，南方電網(wǎng)制定了有關(guān)智能電網(wǎng)的研發(fā)計劃，研制智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備已成為當(dāng)前電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的熱點和新方向。

結(jié)合所從事的水利水電自動化專業(yè)領(lǐng)域和當(dāng)前水電廠智能化建設(shè)的實際需求，我們將水電廠智能化技術(shù)發(fā)展動態(tài)作為本次跟蹤調(diào)研的重點。北京中水科水電科技開發(fā)有限公司（中國水利水電科學(xué)研究院自動化所）在水利水電自動化領(lǐng)域具有30多年的研究開發(fā)經(jīng)驗，是國內(nèi)水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的主要研制廠家，在水電廠自動化控制系統(tǒng)方面，技術(shù)居國內(nèi)領(lǐng)先水平。根據(jù)電力系統(tǒng)智能化發(fā)展趨勢，目前我們正在開展智能化水電廠建設(shè)方面的研究工作，為本次調(diào)研工作提供了良好基礎(chǔ)，希望我們的跟蹤調(diào)研工作能對國內(nèi)智能水電廠建設(shè)有所裨益。

2 水電廠智能化技術(shù)調(diào)研的意義

水電廠智能化建設(shè)，代表了當(dāng)前國際水利水電自動化技術(shù)的發(fā)展方向。由于國內(nèi)外在智能化水電廠自動化技術(shù)方面的研究剛剛起步，智能水電廠的概念、目標、功能、系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)模型及系統(tǒng)間互動等方面均亟需進一步研究明確，目前開展水電廠智能化技術(shù)發(fā)展動態(tài)跟蹤調(diào)研，有利于推動水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)、保護測控、狀態(tài)檢修、水情水調(diào)及優(yōu)化調(diào)度經(jīng)濟運行等自動化系統(tǒng)智能化研究的展開。

智能水電廠是智能電網(wǎng)的重要組成部分，但又與智能電網(wǎng)關(guān)注的重點不同，隨著智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備研制工作的展開，國內(nèi)部分研究機構(gòu)、設(shè)計院和水電廠已開始智能水電廠建設(shè)的前期規(guī)劃設(shè)計和研究工作，但在智能化水電站建設(shè)方面還缺乏共識，因此有必要開展智能水電廠自動化技術(shù)調(diào)研，跟蹤并全面、系統(tǒng)了解和掌握相關(guān)學(xué)科技術(shù)的國際發(fā)展態(tài)勢，對我國水利水電行業(yè)未來的發(fā)展和增長點進行分析，同時通過對新技術(shù)的調(diào)研和分析，為本專業(yè)技術(shù)研究和系統(tǒng)開發(fā)提供技術(shù)參考。

3 近年水電廠智能化自動化技術(shù)發(fā)展新動向和值得關(guān)注點

3.1 國內(nèi)外智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展動態(tài)

我國是統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)建設(shè)的倡導(dǎo)者，近年來，國家電網(wǎng)公司一直在努力打造以信息化、自動化、互動化為特征的統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)。我國堅強智能電網(wǎng)是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，采用先進的設(shè)備技術(shù)和控制方法，研制堅強智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備（系統(tǒng)），實現(xiàn)電網(wǎng)的安全、高效運行，以解決我國能源主要分布地與主要消費地不一致和可再生能源發(fā)展的問題。在智能電網(wǎng)建設(shè)初期，我國主要是對以電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)字化變電站為主的二次設(shè)備進行更新。

智能電網(wǎng)是電力工業(yè)的未來發(fā)展方向，已在國內(nèi)外形成共識。目前智能電網(wǎng)建設(shè)已在變電環(huán)節(jié)獲得較大進展，主要技術(shù)問題已基本解決，智能化、數(shù)字化變電站將成為新建變電站的主流。而智能化建設(shè)在發(fā)電領(lǐng)域還處于剛剛起步階段，主要是因為發(fā)電環(huán)節(jié)涉及的設(shè)備與系統(tǒng)更多、更復(fù)雜，技術(shù)標準與規(guī)范還需完善，智能化建設(shè)遇到的問題技術(shù)難度較大。

從2004年IEC正式發(fā)布IEC61850以來，ABB、SIEMENS、AREVA、GE等國外主要公司都推出了支持IEC61850標準的新一代變電站自動化系統(tǒng)。并在2006年8月就組織了13個廠商進行IEC61850產(chǎn)品的互聯(lián)展示。目前已經(jīng)形成了一個完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

IEC61850規(guī)約在我國等同引用為國內(nèi)電力行業(yè)標準（DL/T860系列），并制定了相應(yīng)的《DL/T860工程實施規(guī)范》，從2005年起，國調(diào)中心組織國內(nèi)10個主要廠家和檢測單位成功進行了6次IEC61850互操作實驗，實現(xiàn)不同廠家的IED之間的信息交換與功能互動。在數(shù)字化變電站建設(shè)上，初步統(tǒng)計我國已有近百座數(shù)字化變電站投入運行，并在間隔層、變電站層等二次設(shè)備和系統(tǒng)上取得了較大的技術(shù)進步，在電子式互感器與智能化開關(guān)等需同時具備一、二次設(shè)備技術(shù)的過程層與國外仍有較大差距，可靠性方面等還有待進一步驗證與完善。

在發(fā)電環(huán)節(jié)，隨著計算機監(jiān)控、保護測控、機組狀態(tài)監(jiān)測等自動化系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，為智能化建設(shè)打好了良好的基礎(chǔ)，但有關(guān)研究工作還處于剛剛起步階段。根據(jù)調(diào)研，國內(nèi)水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的主要研發(fā)企業(yè)均開展了相關(guān)的研究開發(fā)工作，另外成都勘測設(shè)計研究院、西北勘測設(shè)計研究院、東北勘測設(shè)計研究院等設(shè)計單位和白山電廠、葛洲壩電廠等發(fā)電企業(yè)均開展了智能化水電站的規(guī)劃設(shè)計工作。由于目前水電站智能化建設(shè)技術(shù)標準與規(guī)范還不夠完善，技術(shù)發(fā)展方向還缺乏共識，同時缺少適合水電廠的大量一次智能設(shè)備，這些都決定了開展發(fā)電環(huán)節(jié)智能化建設(shè)，研制關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)將需要一個相當(dāng)長的時期。

綜合調(diào)研情況分析，在適合水電廠的一次智能設(shè)備難以獲得突破的情況下，水電廠智能化建設(shè)研究，研制發(fā)電環(huán)節(jié)智能化建設(shè)關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)，總體目標應(yīng)該是通過智能化建設(shè)，進一步提高水電廠生產(chǎn)管理和設(shè)備的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟運行水平，研究自動控制系統(tǒng)智能化關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的無縫連接，通過建立一體化系統(tǒng)信息平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與互動，提高系統(tǒng)之間的智能協(xié)調(diào)與安全運行水平，強化電廠對電網(wǎng)的支撐能力，提升電網(wǎng)與發(fā)電廠智能協(xié)調(diào)水平，并最終實現(xiàn)智能決策、優(yōu)化運行，有效發(fā)揮水利水電工程經(jīng)濟效益的智能化應(yīng)用目標。在智能化水電廠自動化系統(tǒng)建設(shè)方面，重點是進行水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)、保護測控、水電機組狀態(tài)檢修、梯級水電站群經(jīng)濟運行等二次系統(tǒng)的智能化研究。

3.2 發(fā)展的新方向和值得關(guān)注點

經(jīng)過三十多年的發(fā)展和技術(shù)進步，基于計算機監(jiān)控系統(tǒng)的綜合自動化系統(tǒng)在水電廠獲得了廣泛應(yīng)用，顯著提高了水電廠自動化水平及安全運行水平，但由于缺少統(tǒng)一的接口標準和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，使得各自動化設(shè)備和系統(tǒng)間接口復(fù)雜，難以相互兼容與互操作，為實現(xiàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享帶來困難，對水電廠生產(chǎn)管理和自動化系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生了不利的影響。

國際電工委員會第57技術(shù)委員會（IECTC57）制定了有關(guān)自動化系統(tǒng)通信的國際標準IEC61850，目前新標準已改名為—電力企業(yè)自動化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，并將IEC 61850標準推廣應(yīng)用于水電廠自動化，并正式出版發(fā)行了水電廠監(jiān)控通信標準 IEC61850-7-410：Hydroelectric power plants--Communication for monitoringand control。智能化、數(shù)字化代表了自動化系統(tǒng)未來發(fā)展方向。

智能水電廠通過采用先進的傳感器、電子、信息、通信、控制、智能分析決策等技術(shù)，建立全廠統(tǒng)一的信息采集、傳輸、分析、處理的一體化數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)自動化功能的整合，簡化現(xiàn)有的水電廠監(jiān)測設(shè)備，系統(tǒng)更為經(jīng)濟、可靠。保護、監(jiān)控、監(jiān)測、錄波、計量等自動化裝置或功能可通過過程層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與同一套合并單元和智能化的一次設(shè)備接口，使現(xiàn)場設(shè)備大大減少和簡化，顯著降低了一次性設(shè)備成本和運行維護成本；同時由于裝置減少和消除了復(fù)雜的電纜接線，大大提高整個系統(tǒng)的可靠性。

目前還沒有嚴格的有關(guān)智能化水電廠的定義，但已有基本共識，智能化水電廠是指在硬件上由智能化一次設(shè)備（電子式互感器、智能化開關(guān)等）和網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的二次設(shè)備組成，軟件上以IEC61850標準作為通信協(xié)議，通過建立全廠統(tǒng)一的一體化系統(tǒng)信息平臺，實現(xiàn)設(shè)備間充分的信息共享和互操作。

目前在IEC61850的應(yīng)用上二次廠家進展較快，一次廠家的技術(shù)水平落后于二次廠家，而智能化水電廠涉及的自動化系統(tǒng)和設(shè)備較多且較為復(fù)雜，因此實現(xiàn)真正的智能化水電廠將是一個長期、復(fù)雜和困難的過程，需要研究和解決的問題很多，IEC61850標準作為一個先進龐大的體系，提供了開放的通信協(xié)議、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和服務(wù)模型，代表了當(dāng)今這個領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的方向，值得深入研究。

隨著技術(shù)的發(fā)展，電子式電流電壓互感器、智能化開關(guān)等各種一次智能化設(shè)備的完善，最終從技術(shù)層面實現(xiàn)全數(shù)字化的智能水電廠是可能的。在全數(shù)字化的智能化水電廠，各種智能設(shè)備均遵循IEC61850標準，所有數(shù)據(jù)均具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并按標準的通信協(xié)議互聯(lián)，通過全廠通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控、水情水調(diào)、信息、監(jiān)測等跨安全分區(qū)的各應(yīng)用系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一交換與存儲共享的全廠統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺，消滅信息孤島，實現(xiàn)信息資源整合互動，形成全廠數(shù)據(jù)信息中心，在此基礎(chǔ)上開展數(shù)據(jù)挖掘、優(yōu)化調(diào)度、故障診斷、狀態(tài)檢修等智能化應(yīng)用技術(shù)的研究，為智能化水電廠提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支撐管理開發(fā)應(yīng)用環(huán)境，逐步滿足流域梯級電站遠方集控、水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度、經(jīng)濟運行、設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷、調(diào)度決策等智能應(yīng)用需求，全面提升電站自動化運行管理水平和綜合經(jīng)濟效益。

在當(dāng)前條件下，我們認為智能化水電廠研究的主要內(nèi)容和方向如下：

（1）在深入研究和分析IEC61850、IEC61970等標準體系、建模原則以及智能化水電廠站控層、間隔（LCU）層、過程層三層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開展智能化自動控制系統(tǒng)總體設(shè)計研究工作；

（2）智能化水電廠系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型和接口全部基于IEC61850標準設(shè)計和開發(fā)，常規(guī)功能裝置重復(fù)的I/O現(xiàn)場接口和硬連線將逐步減少，有必要進行智能化水電廠自動化系統(tǒng)設(shè)計原則、總體結(jié)構(gòu)、實時性、可靠性、穩(wěn)定性及電磁兼容性等研究；

（3）遵循IEC61850、IEC61970等開放協(xié)議標準，開展智能化自動控制系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的設(shè)計與開發(fā)，組建水電廠全廠統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)各個智能設(shè)備無縫接入與互動；

（4）通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型、數(shù)模一體化、標準化、即插即用通信接口、開放高級應(yīng)用、互插式圖形與人機聯(lián)系、GIS技術(shù)融合等關(guān)鍵技術(shù)研究，開發(fā)完成新一代水電廠自動控制系統(tǒng)平臺；

（5）開展符合IEC61850標準的監(jiān)控、保護等系統(tǒng)及測控二次智能設(shè)備儀表研制（智能SOE裝置，交流采樣裝置、智能溫度巡檢儀等），以滿足水電站智能化建設(shè)的要求。

4 水電廠智能化建設(shè)的建議

目前水電廠自動化系統(tǒng)越來越多，變送器重復(fù)設(shè)置，信號重復(fù)采集，結(jié)構(gòu)繁雜，信息源多，易受到電磁干擾，且各自動化設(shè)備和系統(tǒng)間接口復(fù)雜，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型難以相互兼容，不同廠家設(shè)備或系統(tǒng)間的互操作性更難以實現(xiàn)，同時由于缺少統(tǒng)一的接口標準和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，無法從根本上解決信息化孤島問題，對水電廠生產(chǎn)管理和自動化水平的進一步提高形成制約。開展智能化研究，建設(shè)信息統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)信息資源整合共享，集中管理并綜合運用的需求越來越強烈，智能化已成為今后水電廠自動化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

水電廠智能化建設(shè)，涉及生產(chǎn)、運行、維護管理等，具體體現(xiàn)在一系列高度智能化的生產(chǎn)過程控制、運行決策和生產(chǎn)輔助管理自動化系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通過全廠一體化的數(shù)據(jù)平臺有機互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享互動配合，完成全廠智能化的目標，具有系統(tǒng)規(guī)模大，技術(shù)難度高，需研究開發(fā)的內(nèi)容眾多，涉及學(xué)科范圍廣的特點，是一項需經(jīng)過長期研究開發(fā)與建設(shè)完善的系統(tǒng)工程。

智能水電廠自動化系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)對IEC61850標準的全面支持，站控層和間隔層采用IEC61850-8-1通信。PLC采用支持IEC61850的PLC，除采集常規(guī)信號外，還應(yīng)具備接入電子式PT/CT和智能開關(guān)控制器的能力。

鑒于目前數(shù)字化傳感器和智能開關(guān)組件尚不成熟和穩(wěn)定，技術(shù)尚待完善，目前智能水電廠一次設(shè)備一般不進行更換，仍采用傳統(tǒng)一次設(shè)備和常規(guī)的PT/CT，為與未來技術(shù)水平的發(fā)展相適應(yīng)，當(dāng)需接入電子式互感器、合并單元時，系統(tǒng)應(yīng)采用三層結(jié)構(gòu)，在站控層和間隔層之外，增加過程層設(shè)備，站控層和間隔層采用IEC61850-8-1通信，間隔層設(shè)備（包括機組LCU、開關(guān)站LCU、公用LCU）可接收來自合并單元的數(shù)據(jù)，合并單元可以IEC61850-9-1、IEC61850-9-2發(fā)送采樣值。間隔層設(shè)備對開關(guān)量的控制可通過向開關(guān)控制器發(fā)送GOOSE報文實現(xiàn)。并根據(jù)實際需要配置過程層設(shè)備，包括支持IEC61850的光纖以太網(wǎng)交換機。

因站控層網(wǎng)絡(luò)全面支持IEC61850-8-1通信規(guī)約，此時，除可采用IEC61850網(wǎng)關(guān)的方式外，站控層網(wǎng)絡(luò)還將提供支持IEC61850的IED設(shè)備和系統(tǒng)的直接接入。與支持IEC61850的IED設(shè)備通過IEC61850-8-1進行通信，實現(xiàn)對數(shù)字化保護和測控裝置的數(shù)據(jù)采集和控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 水電廠智能化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

綜上所述，智能水電廠以信息化、自動化、互動化為特征，其建設(shè)目標是實現(xiàn)我國水電廠向安全、高效、經(jīng)濟、互動的現(xiàn)代智能電廠方向發(fā)展，并滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展需要。

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