智能化水電站設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

李彥

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

智能化水電站設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

李彥

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

隨著近幾年智能變電站的推廣和普及，智能化水電站的建設(shè)也在逐步發(fā)展。文章對(duì)智能化水電站建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和討論，包括智能化水電站的縱向架構(gòu)和具體實(shí)施中亟待解決的問(wèn)題。

智能化水電站 智能電網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)化

自2009年構(gòu)建以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的目標(biāo)提出，作為智能電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，智能化變電站的建設(shè)便慢慢提上進(jìn)程。經(jīng)歷了1年的研究試點(diǎn)階段，5年的全面建設(shè)階段。智能化新技術(shù)在智能變電站的運(yùn)用中得到了更優(yōu)的改進(jìn)和提升。借鑒智能化變電站積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)，隨著水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速器、勵(lì)磁等水電站輔助設(shè)備數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)化，智能化新技術(shù)的優(yōu)化推動(dòng)，智能化水電站的建設(shè)也在逐步開展中。

1 智能化電站的總體方案

傳統(tǒng)常規(guī)水電站系統(tǒng)的縱向架構(gòu)一般分為完成全站集中監(jiān)控任務(wù)的電站級(jí)控制層和完成機(jī)組、開關(guān)站和公用設(shè)備等監(jiān)控任務(wù)的現(xiàn)地控制單元層兩層?，F(xiàn)地控制層負(fù)責(zé)通過(guò)二次電纜收集各自范圍內(nèi)設(shè)備的數(shù)據(jù)信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)，利用光纜傳輸至電站級(jí)控制層。電站級(jí)控制層收集和分析各現(xiàn)地控制層上送的信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和傳遞下達(dá)各種命令。電站系統(tǒng)的橫向架構(gòu)則將電站的生產(chǎn)管理分為了面向運(yùn)行人員的控制生產(chǎn)大區(qū)（安全I(xiàn)區(qū)和安全I(xiàn)I區(qū)）和面向管理人員的管理信息大區(qū)（安全I(xiàn)II/IV區(qū)）。

智能化水電站系統(tǒng)的縱向架構(gòu)則是基于水電公共信息模型，網(wǎng)絡(luò)化傳輸方式，分區(qū)構(gòu)建了一個(gè)具有全局模型訪問(wèn)功能的智能一體化平臺(tái)。將傳統(tǒng)常規(guī)水電站系統(tǒng)橫向架構(gòu)的每個(gè)區(qū)域均設(shè)置一個(gè)智能一體化平臺(tái)，同時(shí)將各部分網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成了全站統(tǒng)一的一個(gè)智能一體化平臺(tái)。智能一體化平臺(tái)的數(shù)據(jù)信息由電站間隔層通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)傳輸，并遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。智能化水電站系統(tǒng)縱向架構(gòu)由負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理各現(xiàn)地單元層工作、收集有關(guān)信息并作處理和存儲(chǔ)的站控層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)和傳輸信息的間隔層以及負(fù)責(zé)接受一次設(shè)備傳輸信息量（包括電氣量、非電氣量和開關(guān)量）并同步處理的過(guò)程層三層構(gòu)成。過(guò)程層數(shù)據(jù)需符合標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，并通過(guò)通信總線傳送到間隔層及站控層。

由智能化水電站縱向架構(gòu)可看出，區(qū)別于傳統(tǒng)常規(guī)水電站，智能化水電站將電站各個(gè)分散獨(dú)立運(yùn)行的廠家信息收集標(biāo)準(zhǔn)化，通信規(guī)約統(tǒng)一化，全站信息共享化了，各類廠家的系統(tǒng)不再存在以往傳統(tǒng)模式的孤島化運(yùn)行，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以直接采集到所需的多樣化數(shù)據(jù)，大大提高了電站運(yùn)行的可靠性和高效性。

2 智能化電站的實(shí)施方案

從電站智能化總體方案可看出，智能化水電站完全區(qū)別于傳統(tǒng)常規(guī)水電站。具體實(shí)施起來(lái)亟待解決的問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面：

首先，過(guò)程層設(shè)備數(shù)據(jù)的收集問(wèn)題，傳統(tǒng)的水電站通常利用二次電纜直接現(xiàn)地采集和傳輸從電磁互感器變換后的電氣量。而智能化水電站卻無(wú)法直接在現(xiàn)地一次設(shè)備上采集數(shù)字信號(hào)并傳輸，目前常規(guī)的解決方案是在設(shè)備現(xiàn)地加裝一個(gè)信號(hào)處理裝置，一方面能接受一次設(shè)備傳送過(guò)來(lái)的電氣量，同時(shí)又能將之處理成數(shù)字信號(hào)后，再按特定格式轉(zhuǎn)送入電站間隔層網(wǎng)絡(luò)。

區(qū)別于智能變電站，智能化水電站過(guò)程層中最重要的設(shè)備是勵(lì)磁設(shè)備和調(diào)速器設(shè)備。目前大部分已投產(chǎn)和正在運(yùn)行的勵(lì)磁設(shè)備、調(diào)速器設(shè)備均未考慮過(guò)電站智能化的特殊要求，即在配置網(wǎng)絡(luò)接口和同步對(duì)時(shí)接口等方面未作長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮?；诖朔N原因，我們通常對(duì)于無(wú)法直接接入電站智能一體化平臺(tái)的這部分未完全改造設(shè)備，設(shè)備數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)一傳輸后，暫按IEC61970規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)，但最終仍以遵循IEC61850協(xié)議傳輸?shù)姆绞?，送至電站智能一體化平臺(tái)數(shù)據(jù)中心，由智能一體化平臺(tái)數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一對(duì)外發(fā)布各種共享數(shù)據(jù)和進(jìn)行綜合決策分析。據(jù)筆者了解到的某些勵(lì)磁廠家，最新設(shè)備的升級(jí)已經(jīng)由以前需要單獨(dú)增配智能電子裝置來(lái)協(xié)調(diào)信息量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，轉(zhuǎn)變到了直接將此功能集成于設(shè)備芯片之內(nèi)，設(shè)備數(shù)據(jù)輸出同常規(guī)方式一樣，可以直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娬局悄芤惑w化平臺(tái)上的方式。

其次的問(wèn)題在于常規(guī)水電站現(xiàn)地控制單元對(duì)于數(shù)據(jù)的采集是電纜傳輸，直接收集。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)帶來(lái)的好處在于每個(gè)設(shè)備的信號(hào)輸出端子都直接接至現(xiàn)地控制單元信息點(diǎn)表模塊上，這對(duì)于電站運(yùn)行人員來(lái)說(shuō)，直觀明了，便于運(yùn)行操作和設(shè)備維修維護(hù)。而智能化水電站的全站數(shù)據(jù)拋棄了常規(guī)電站數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?，大部分采用網(wǎng)絡(luò)化傳輸，雖然節(jié)省了大量二次電纜，但同時(shí)也帶來(lái)了新的問(wèn)題。大量數(shù)據(jù)匯合到智能一體化平臺(tái)，均無(wú)相對(duì)應(yīng)的硬件地址和定義，如何處理全站如此龐大的數(shù)據(jù)信息，監(jiān)控系統(tǒng)廠家提出了虛端子的概念。對(duì)應(yīng)于常規(guī)的實(shí)端子，將智能化水電站所有網(wǎng)絡(luò)采集到的遙測(cè)、遙信、遙調(diào)數(shù)據(jù)及一部分遙控?cái)?shù)據(jù)，裝置內(nèi)部軟信號(hào)數(shù)據(jù)等分別配置相對(duì)應(yīng)的虛端子地址。由監(jiān)控廠家編制統(tǒng)一的信息點(diǎn)表，將過(guò)程層設(shè)備名稱，裝置背板開入，工程信號(hào)描述，過(guò)程層設(shè)備虛端子描述，數(shù)據(jù)流向示意，間隔層裝置虛端子描述，間隔層設(shè)備名稱等信息均在后臺(tái)系統(tǒng)中依次對(duì)應(yīng)建立起來(lái)，便于后臺(tái)的匯總整理和操作。然而筆者個(gè)人認(rèn)為全站實(shí)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不僅規(guī)模上龐大，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)化傳輸帶來(lái)的數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、隨機(jī)性、可靠性等問(wèn)題仍值得進(jìn)一步探討，怎么樣能夠獲得精確和精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，仍將成為今后智能化水電站亟待解決的又一新問(wèn)題。

區(qū)別于傳統(tǒng)水電站的設(shè)計(jì)思路，智能化水電站采用新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將多個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一和聯(lián)合起來(lái)，用以實(shí)現(xiàn)全站工業(yè)電視、消防、防誤、巡檢等系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。工業(yè)電視系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、防誤系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)分別將各自信息送到電站管理信息大區(qū)中安全Ⅲ區(qū)的智能一體化平臺(tái)上，并同時(shí)接受智能一體化平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)信息。電站發(fā)生事故時(shí)，工業(yè)電視系統(tǒng)自動(dòng)切換至所需的畫面，門禁系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)關(guān)閉相應(yīng)防火門并開放逃生通道，同時(shí)聯(lián)動(dòng)消防系統(tǒng)開啟雨淋閥及相應(yīng)設(shè)施并發(fā)出報(bào)警。每個(gè)系統(tǒng)都需要提供準(zhǔn)確的基本數(shù)據(jù)，并隨時(shí)接受智能一體化平臺(tái)下達(dá)的聯(lián)動(dòng)命令。這不僅大大提高了電站運(yùn)行的可靠性和工作效率，同時(shí)對(duì)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)中每個(gè)廠家的設(shè)備數(shù)據(jù)接口穩(wěn)定性、命令執(zhí)行響應(yīng)的快速性要求更加嚴(yán)苛。

電站智能化建設(shè)帶來(lái)了不同于傳統(tǒng)電站的多方面的改進(jìn)和創(chuàng)新，具體實(shí)施起來(lái)仍有很多細(xì)節(jié)問(wèn)題需要解決。除了上面提出的幾點(diǎn)，還包括智能化水電站的一體化管控支撐技術(shù)、全站安全預(yù)警技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及狀態(tài)檢修智能決策評(píng)估技術(shù)、電站運(yùn)行、站網(wǎng)協(xié)調(diào)控制仿真技術(shù)等等。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著信息技術(shù)不斷的進(jìn)步，水電站智能化將逐漸成為繼變電站智能化后又一發(fā)展趨勢(shì)。擁有一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、信息管理標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)行效率最優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)的智能化電站的推廣建設(shè)將促成水電站設(shè)計(jì)、建設(shè)的全面升級(jí)。不僅提升了電站整體的運(yùn)行效益和社會(huì)效益，也為進(jìn)一步發(fā)展建設(shè)智能電網(wǎng)，打下了強(qiáng)有力的支撐基礎(chǔ)。

[1]蔡衛(wèi)江，等.數(shù)字化水電站中智能水輪機(jī)調(diào)速器的設(shè)計(jì)思路[J].電氣技術(shù)，2010，（8）：43-46.

[2]馮汗夫，等.智能水電站建設(shè)的思考[J].計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，2010，34(6)：1-5.

[3]張毅.水電廠智能化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2013，36(3)：1-5.

2017-01-07）

李彥（1983-），女，湖南長(zhǎng)沙人，在職研究生，工程師，目前從事電氣二次設(shè)計(jì)工作。