智能水電廠技術(shù)標準體系研究及標準現(xiàn)狀

芮 鈞，徐 潔，王梅枝，馬軍建，鄭健兵，劉成俊

（南瑞集團公司/國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇省南京市 211106）

智能水電廠技術(shù)標準體系研究及標準現(xiàn)狀

芮 鈞，徐 潔，王梅枝，馬軍建，鄭健兵，劉成俊

（南瑞集團公司/國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇省南京市 211106）

當前我國智能水電廠開始進入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣應用，但缺乏相應的技術(shù)標準體系，影響了推廣速度和效果。本文介紹了智能水電廠主要技術(shù)內(nèi)容，提出了智能水電廠技術(shù)標準體系框架，分析了當前智能水電廠技術(shù)標準體系存在的問題并提出針對性措施。

水電工程；智能水電廠；自動化；技術(shù)標準

0 引言

水電是最主要、最成熟并且能源效率最高的可再生能源，在能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、水資源綜合利用等方面作用顯著。我國水電裝機規(guī)模居全球之首，擁有世界上最大的水電站和水電機組。然而，由于長期重建設輕運行管理，傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)技術(shù)與水電整體發(fā)展水平不相適應。傳統(tǒng)水電廠各自動化系統(tǒng)之間缺乏有效互動，水資源利用水平及水電協(xié)同能力不足，機組調(diào)節(jié)性能難以滿足源網(wǎng)協(xié)調(diào)要求，無法準確評估主設備健康狀態(tài)，發(fā)生事故易造成生命和財產(chǎn)重大損失，無法有效保障大型水電工程安全高效運行。

為此，我國自2010年起提出“智能水電廠”理念。智能水電廠是適應智能電網(wǎng)源網(wǎng)協(xié)調(diào)要求，以信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡化、集成標準化、運管一體化、業(yè)務互動化、運行最優(yōu)化、決策智能化為特征，采用智能電子裝置（IED）及智能設備，自動完成采集、測量、控制、保護等基本功能，具備基于一體化平臺的經(jīng)濟運行、在線分析評估決策支持、安全防護多系統(tǒng)聯(lián)動等智能應用組件，實現(xiàn)生產(chǎn)運行安全可靠、經(jīng)濟高效、友好互動的目標的水電廠。目前國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、五大發(fā)電集團均正在全力推行水電智能化建設。

現(xiàn)行水電自動化技術(shù)標準多針對孤立的設備或系統(tǒng)，且主要集中在基本的測控功能方面的技術(shù)要求，各自動化、信息化系統(tǒng)之間難以友好互動，分析評估及決策支持能力不足，無法滿足水電廠生產(chǎn)運行管理一體化、標準化和智能化的要求，難以適應我國“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的發(fā)展戰(zhàn)略，亟待建立智能水電廠技術(shù)標準體系。

1 智能水電廠技術(shù)內(nèi)容

智能水電廠可劃分為過程層、單元層和廠站層。過程層主要部署合并單元、智能終端、輔控單元等智能電子裝置（IED）或智能設備，單元層主要部署現(xiàn)地控制、繼電保護、穩(wěn)定控制、振擺保護，廠站層主要部署一體化平臺以及智能應用組件。調(diào)速、勵磁可部署在單元層，也可部署在單元層和過程層。

（1）智能電子裝置及智能設備。智能電子裝置是指基于微處理器技術(shù)的，具備數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸以及控制指令傳輸與執(zhí)行功能的電子裝置，包括合并單元、智能終端、智能組件等。智能設備是水電廠內(nèi)各種機電設備本體與相應智能組件的有機結(jié)合體。

（2）一體化管控平臺?；谒姽残畔⒛Ｐ停℉CIM）、插件式應用組件等技術(shù)，由數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)服務、基礎(chǔ)應用構(gòu)成，實現(xiàn)水電廠生產(chǎn)運行一體化管控的軟件平臺，實現(xiàn)各業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效融合，為各類智能應用組件提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和服務接口。

（3）經(jīng)濟運行系統(tǒng)?；谒畮煺{(diào)度與電力運行耦合的機理，重構(gòu)并優(yōu)化了水電廠、流域水電站群洪水預報、中長期來水預報、中長期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度、短期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度、洪水優(yōu)化調(diào)度、調(diào)度風險分析、調(diào)度效益評價技術(shù)體系，形成完整的閉環(huán)調(diào)度系統(tǒng)。

（4）主設備狀態(tài)檢修決策支持。包括水電廠主設備統(tǒng)一建模、監(jiān)測預警、狀態(tài)分析、狀態(tài)評估、風險評估、故障診斷、檢修決策等相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)基于在線監(jiān)測、運行巡檢、試驗、缺陷、臺賬等多元信息耦合的設備狀態(tài)評估及檢修決策。

（5）防汛決策支持與指揮調(diào)度。實現(xiàn)防汛信息整合、處理、查詢、分析和防汛決策指揮調(diào)度管理，全面覆蓋汛前檢查、汛中指揮、汛后總結(jié)等防汛業(yè)務流程，實現(xiàn)基于GIS的防汛人員及物資調(diào)配方案及路徑優(yōu)化，以及基于工作流的可視化防汛指揮平臺。

（6）大壩安全分析評估與決策支持。對大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理，判定監(jiān)測結(jié)果和巡視檢查結(jié)果，診斷所有監(jiān)測或檢查部位是否正常，綜合評價整個大壩的安全穩(wěn)定狀況，并通過智能分析評估給出決策建議。

（7）安全防護系統(tǒng)聯(lián)動管理。合理規(guī)劃相關(guān)設備及系統(tǒng)的聯(lián)動模式及聯(lián)動策略，監(jiān)視安全防護設備實時狀態(tài)，根據(jù)聯(lián)動策略自動觸發(fā)安全防護設備聯(lián)動操作，為運行人員快速事件處理和關(guān)聯(lián)設備操作提供支持的管理系統(tǒng)。

2 標準體系框架及主要內(nèi)容

2.1 研究原則和方法

智能水電廠綜合運用了自動測報、自動控制、計算機、通信網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫、數(shù)值分析、數(shù)理統(tǒng)計、專業(yè)模型、專家系統(tǒng)、人工智能等技術(shù)，涉及計算機監(jiān)控、繼電保護、穩(wěn)定控制、水情測報、工程安全監(jiān)測等具體專業(yè)領(lǐng)域，是覆蓋范圍廣、多學科交叉、技術(shù)復雜的系統(tǒng)工程，由此決定了其技術(shù)標準體系的復雜性。智能水電廠技術(shù)標準體系研究時，除了要遵循“科學性、完整性、系統(tǒng)性、先進性、預見性和可擴充性”等基本原則以外，還需要特別注意以下幾點：

（1）注重與國際標準接軌。IEC TC 57針對電力系統(tǒng)自動化出版了IEC 61850標準，對電力自動化系統(tǒng)建模與通信進行了規(guī)定。尤其是針對水電廠自動化系統(tǒng)，專門出版了IEC 61850-7-410和IEC 61850-7-510兩個文件，詳細規(guī)定了IEC 61850標準應用于水電廠時額外的公用數(shù)據(jù)類、邏輯節(jié)點以及數(shù)據(jù)對象以及應用方法。應該注重與國際標準接軌，有利于推進我國水電工程國際化輸出。

（2）應全面覆蓋技術(shù)內(nèi)容。智能水電廠涉及設備、網(wǎng)絡和軟件系統(tǒng)，且涵蓋業(yè)務領(lǐng)域眾多，因此標準體系應將智能水電廠相關(guān)的各類自動化系統(tǒng)及決策支持系統(tǒng)均納入其中，全面反映智能水電廠的各項內(nèi)容及應達到的功能、性能要求，并明確提出了各系統(tǒng)調(diào)試和驗收環(huán)節(jié)的規(guī)范化要求。

（3）應注意我國的適用性。我國水電自動化、信息化技術(shù)與國外存在一定的差異性，且相關(guān)的技術(shù)發(fā)展十分快，應在確保與國際標準兼容的前提下，針對我國主流自動化系統(tǒng)及決策支持系統(tǒng)技術(shù)水平、相關(guān)電力調(diào)度機構(gòu)及智能電網(wǎng)對水電廠的技術(shù)要求進行完善，確保標準體系在我國現(xiàn)階段的適用性。

2.2 標準體系框架

圖1 智能水電廠技術(shù)標準體系Fig. 1 Standard system of smart hydroelectric power plants

智能水電廠技術(shù)標準體系共分為基礎(chǔ)類、設備類、平臺類、應用類和試驗類五部分，見圖1。其中，基礎(chǔ)類標準包括智能水電廠技術(shù)導則、智能水電廠公共信息模型技術(shù)規(guī)范、智能水電廠設備編碼體系應用技術(shù)規(guī)范、智能水電廠設備缺陷分類與編碼標準；設備類包括智能水電廠智能測控裝置技術(shù)規(guī)范、智能水電廠智能調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、智能水電廠智能勵磁系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范；平臺類包括智能水電廠一體化管控平臺技術(shù)規(guī)范，應用類包括智能水電廠經(jīng)濟運行系統(tǒng)技術(shù)條件、智能水電廠設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)技術(shù)導則、智能水電廠防汛應急指揮系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、智能水電廠大壩安全分析評估系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、智能水電廠安全防護系統(tǒng)聯(lián)動技術(shù)規(guī)范、智能水電廠運行風險評估與應用技術(shù)規(guī)范、智能水電廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、智能水電廠報價決策支持系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、智能水電廠培訓仿真系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、智能水電廠運維綜合監(jiān)管技術(shù)規(guī)范、智能水電廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)綜合分析技術(shù)規(guī)范；試驗類包括智能水電廠遠程集控接入驗收技術(shù)規(guī)范。

2.3 技術(shù)標準現(xiàn)狀

目前，我國已經(jīng)于2016年發(fā)布了DL/T 1547《智能水電廠技術(shù)導則》、DL/T 860.7410《電力自動化通信網(wǎng)絡和系統(tǒng) 第7-410部分：基本通信結(jié)構(gòu) 水力發(fā)電廠 監(jiān)視與控制用通信》和DL/T 860.7510《電力自動化通信網(wǎng)絡和系統(tǒng) 第7-510部分：基本通信結(jié)構(gòu)水力發(fā)電廠 建模原理與應用指南》共三項電力行業(yè)技術(shù)標準。其中，DL/T 860.7410標準等同采用了IEC 61850-7-410標準，DL/T 860.7510標準等同采用了IEC 61850-7-510標準。此外，我國正組織編寫《智能水電廠公共信息模型技術(shù)規(guī)范》《智能水電廠一體化管控平臺技術(shù)規(guī)范》《智能水電廠主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)技術(shù)導則》等六項國家標準。

2014年，南瑞集團公司向IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會）國際標準組織提交了“Technical Guide for Smart Hydroelectric Power Plant” PAR（項目授權(quán)請求）。此后，南瑞集團公司與IEEE進行了多次深入交流討論。206年底，IEEE正式同意了該國際標準立項，成立了智能水電工作組（P2775）。目前，來自中國的多家IEEE會員單位，以及美國GE、法國施耐德等單位均參加了該國際標準編寫。

3 存在的問題及技術(shù)措施

3.1 存在的問題

智能水電廠是隨著IEC 61850、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)而發(fā)展起來的，各項技術(shù)本身處于快速發(fā)展過程中，還需要不斷持續(xù)探索各項新技術(shù)在水電自動化、信息化中的應用領(lǐng)域及業(yè)務結(jié)合點，已發(fā)布的和在編的標準較少，具體問題包括：

（1）在水電國際標準方面話語權(quán)較弱。目前我國水電自動化領(lǐng)域普遍對IEC 61850的掌握程度不足，在IEC、IEEE水電自動化標準編制方面參與較少，與我國水電產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)水平和國際地位嚴重不符，制約了我國水電“走出去”的步伐。

（2）基礎(chǔ)技術(shù)研究及應用不足。隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、等各類新興技術(shù)快速發(fā)展及人工智能的廣泛應用，給傳統(tǒng)的水電自動化技術(shù)帶來了新的發(fā)展機遇。但目前在各類技術(shù)的基礎(chǔ)研究及在水電廠中的應用研究不足，制約了水電自動化技術(shù)快速發(fā)展。

3.2 主要技術(shù)措施

（1）積極參與水電自動化國際標準編制工作。應積極采用IEC 61850等國際標準，通過工程應用持續(xù)改進相關(guān)國際標準。依托正在編制的IEEE國際標準，加強與IEC組織的技術(shù)交流，與IEC、IEEE等國際組織建立起常態(tài)的技術(shù)交流機制。積極參與國際標準化組織活動，申請智能水電廠相關(guān)的其他國際標準提案，爭取在3～5年內(nèi)實現(xiàn)水電自動化國際標準突破。

（2）進一步加大新興信息技術(shù)、人工智能的研究和應用。智能水電廠專業(yè)面廣、技術(shù)領(lǐng)域多，需要大量運行專業(yè)數(shù)學模型、數(shù)理統(tǒng)計方法、數(shù)值分析方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、專家知識庫，并且與具體業(yè)務有效結(jié)合，才能真正實現(xiàn)智能化。需要我國標準化部門、科研機構(gòu)、高等院校、發(fā)電企業(yè)以及系統(tǒng)集成商之間緊密合作，加強產(chǎn)學研合作，共同完善標準體系框架。

4 結(jié)束語

當前，智能水電廠理念已經(jīng)得到了廣泛認同，國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)以及五大發(fā)電集團均積極參與了智能水電廠試點工程建設及技術(shù)標準編制工作。由于水電工程相互之間差異比較大，需要結(jié)合工程特點針對性完善。因此，急需編制完整的技術(shù)標準體系，進一步統(tǒng)一國內(nèi)對智能水電廠的共識，推動我國水電產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級改造，提高我國水電國際標準話語權(quán)。

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2016-06-12

2017-05-24

芮 鈞（1978—），男，博士，高級工程師，主要研究方向：水庫調(diào)度及自動發(fā)電控制。E-mail：ruijun@sgepri.sgcc.com.cn

Research on Technical Standard System of Smart Hydropower Plants

RUI Jun，XU Jie，WANG Meizhi，MA Junjian，ZHENG Jianbing，LIU Chengjun
（NARI Group Corporation/State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 211106，China）

Smart hydropower plant has started large-scale industrialization in China. Because of no appropriate technical standards system，the industrialization speed and results are affected. Based on the content of smart hydropower plant technology，the framework of technical standard system has been proposed. Also，the problems of technical standard system have been analyzed and suggestions have been supposed.

hydropower engineering； smart hydropower plant；automation system； technical standard

TK71

A學科代碼：480.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.004