數(shù)據(jù)及控制平臺(tái)共享的智能小水電控制系統(tǒng)

吳　健，汪曉強(qiáng)，陳明凱

（1.福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，福建 福州 350001；2.福建省力得自動(dòng)化設(shè)備有限公司，福建 福州 350003）

0　引言

我國(guó)小水電資源十分豐富，小水電數(shù)量多，分布廣，技術(shù)可開發(fā)量為1.3億kW，全國(guó)已建成小水電4.7萬座，總裝機(jī)容量達(dá)7 322萬kW，年發(fā)電量2 281億kW·h。占全國(guó)水電發(fā)電總量的1/3。小水電廣泛分布在全國(guó)31個(gè)省市，對(duì)我國(guó)農(nóng)村尤其是老、少、邊、窮地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，促進(jìn)各民族和諧共處，發(fā)揮了巨大作用。但小水電站運(yùn)行的安全性卻不容樂觀，絕大多數(shù)小水電存在運(yùn)行、維護(hù)人員水平不高，自動(dòng)化程度低、設(shè)備隱患較多，故障處理不及時(shí)或不知道如何處理等諸多問題。因此，加快小水電智能化建設(shè)，提高電站本質(zhì)安全水平，具有十分重大的意義。

1　智能電站基本概念及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1　智能電站基本概念

智能水電站是指以水電站為基礎(chǔ)，將智能控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，現(xiàn)代先進(jìn)傳感測(cè)量技術(shù)，信息技術(shù)與水電站高度集成而形成的具有智能化、信息化、一體化、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特征的新型電廠。

1.2　智能電站發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)自2010年起就提出了“智能水電廠”的理念，2016年國(guó)家頒布了DL/T1547《智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則》，國(guó)家電網(wǎng)及5大發(fā)電集團(tuán)正在積極開展大型智能化電站建設(shè)試點(diǎn)工作。一些智能技術(shù)或產(chǎn)品在電站得到應(yīng)用。但是，由于缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，研究者對(duì)智能電站的理解各有不同，使得電站智能化發(fā)展進(jìn)程緩慢，智能技術(shù)或產(chǎn)品很難靈活、方便地得到應(yīng)用，且常使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化，信息難于交互和共享。特別是小水電，由于資金、技術(shù)及管理水平限制，智能控制技術(shù)的發(fā)展更加緩慢。

2　基于數(shù)據(jù)及控制平臺(tái)共享的智能小水電控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)小水電特點(diǎn)和自動(dòng)化及智能化技術(shù)要求，為保證機(jī)組保護(hù)、勵(lì)磁、同期、測(cè)速、交采、開關(guān)量、模擬量等組件設(shè)備的性能，提高各組件間的數(shù)據(jù)共享和處理能力，減少硬接線和維護(hù)工作量，保證電站安全可靠運(yùn)行，研究提出基于數(shù)據(jù)及控制平臺(tái)共享的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、控制輸出單元、數(shù)據(jù)共享平臺(tái)和控制共享平臺(tái)組成。其中，數(shù)據(jù)采集單元包括：電壓電流采集單元、水位采集單元、開關(guān)量采集單元、溫度量采集單元、外部設(shè)備通信單元；控制輸出單元包括：電參量計(jì)算單元、調(diào)速器處理單元、保護(hù)處理單元、準(zhǔn)同期處理單元、勵(lì)磁處理單元、智能化控制處理單元。

2.2　數(shù)據(jù)共享平臺(tái)

數(shù)據(jù)共享平臺(tái)硬件采用32位DSP處理器，利用DSP強(qiáng)大的處理能力，大容量的RAM及FLASH存儲(chǔ)空間以及豐富的通訊接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，交換和處理。

各個(gè)功能模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，通過各自不同的通道方式匯集到一起，在數(shù)據(jù)共享平臺(tái)上進(jìn)行整理和存儲(chǔ)。同時(shí)各個(gè)功能模塊也可以通過各自不同的通訊方式從平臺(tái)獲取所需的數(shù)據(jù)和信息。通過數(shù)據(jù)共享的方式可以消除數(shù)據(jù)重復(fù)采集的弊端（各個(gè)功能模塊不需要各自獨(dú)立去采集轉(zhuǎn)換各種數(shù)據(jù)），大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件的復(fù)雜性，同時(shí)也保證了數(shù)據(jù)的一致性。通過數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，各個(gè)功能模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完全的快速共享，從而為各個(gè)模塊功能的實(shí)現(xiàn)，提供了可靠全面的信息基礎(chǔ)。

2.3　控制輸出共享平臺(tái)

控制輸出共享平臺(tái)，采用了獨(dú)立的CPU，CPU根據(jù)控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)外控制輸出。所有的邏輯功能模塊，通過向控制輸出共享平臺(tái)發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部的對(duì)外控制輸出接口的控制。通過控制輸出共享平臺(tái)所有的邏輯功能模塊能夠?qū)崿F(xiàn)功能的交叉互補(bǔ)，如準(zhǔn)同期處理單元可以實(shí)現(xiàn)部分的保護(hù)功能，勵(lì)磁處理單元可以實(shí)現(xiàn)部分調(diào)速器的功能等，并且可以不用增加額外重復(fù)的控制輸出接口。

3　系統(tǒng)工作原理

根據(jù)智能小水電控制系統(tǒng)要求，機(jī)組電氣量、開關(guān)量、溫度量等相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集通道匯集到數(shù)據(jù)共享平臺(tái)；機(jī)組勵(lì)磁處理單元、調(diào)速處理單元、同期處理單元、保護(hù)處理單元、電參量處理單元所需數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)交換通道，共享數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)，同時(shí)，通過控制輸出命令通道將各控制單元處理結(jié)果匯集到控制輸出共享平臺(tái)，經(jīng)智能化處理單元處理后送到機(jī)組相關(guān)控制設(shè)備，從而完成數(shù)據(jù)和控制輸出的交互共享。

圖1　基于數(shù)據(jù)及控制平臺(tái)共享的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4　系統(tǒng)主要特點(diǎn)

4.1　集成化

系統(tǒng)運(yùn)用全數(shù)字化技術(shù)，采用總線式板卡設(shè)計(jì)，高度集成水位監(jiān)測(cè)、調(diào)速器控制、微機(jī)勵(lì)磁、自動(dòng)準(zhǔn)同期、電量/非電量監(jiān)測(cè)、繼電保護(hù)等模塊，具有手動(dòng)、自動(dòng)、智能3種模式。得益于架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，各板卡間同步共享電網(wǎng)電壓、機(jī)端電壓/電流、勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無縫協(xié)同，進(jìn)而完成智能診斷（綜合判斷與精準(zhǔn)定位故障等）及其他復(fù)雜任務(wù)。

4.2　智能化

（1）智能控制

智能控制系統(tǒng)集成了電量及非電量數(shù)據(jù)采集，微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期，微機(jī)SCR勵(lì)磁控制，水輪機(jī)導(dǎo)葉開度控制，繼電保護(hù)及互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程接口等設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵自動(dòng)開停機(jī)、遠(yuǎn)程控制開停機(jī)等功能，還能根據(jù)前池水位完成自動(dòng)開停機(jī)、經(jīng)濟(jì)發(fā)電等。

（2）智能學(xué)習(xí)

智能控制系統(tǒng)采用基于蜂群算法的高效運(yùn)行策略（Al Schedule),引入多機(jī)組間的有序競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，主/從機(jī)可適時(shí)切換，由主機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)度剩余機(jī)組功率，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度。此外，系統(tǒng)通過收集、分析水電站歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，能夠智能學(xué)習(xí)、識(shí)別每臺(tái)機(jī)組特定的水位與效能轉(zhuǎn)換關(guān)系，不斷優(yōu)化、調(diào)整參數(shù)，以確保每臺(tái)機(jī)組的效能最大、損耗最小。

（3）智能診斷

智能控制系統(tǒng)具備智能診斷能力，能夠完成自檢、巡檢及趨勢(shì)預(yù)警等復(fù)雜任務(wù)。系統(tǒng)對(duì)自身存儲(chǔ)模塊及各板卡進(jìn)行自檢。還能自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)攔污柵堵塞、冷卻水堵塞、剎車漏水等安全風(fēng)險(xiǎn)，消除視覺盲區(qū)。根據(jù)水位、軸承等關(guān)鍵數(shù)據(jù)變化情況，進(jìn)行趨勢(shì)分析，預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)，防患于未然。

4.3　信息化

系統(tǒng)集成了以太網(wǎng)光纖接口或GPRS接口，搭載遠(yuǎn)程管理平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水電站信息，如水位、機(jī)組運(yùn)行情況、機(jī)組出力大小、故障及預(yù)警信息等，對(duì)水電站進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；系統(tǒng)具備手機(jī)APP監(jiān)控能力，通過安裝手機(jī)APP,實(shí)時(shí)提醒，智能掌控水電站運(yùn)營(yíng)信息，猶如貼身秘書。設(shè)備軟件版本的更新借助互聯(lián)網(wǎng)方式，能夠?qū)崿F(xiàn)云端推送、OTA遠(yuǎn)程升級(jí)，提高效率，方便快捷。

5　結(jié)束語

本文提出了一種基于數(shù)據(jù)及控制輸出平臺(tái)共享智能控制系統(tǒng)，采用全數(shù)字化技術(shù)、全方位防護(hù)體系和高效運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)了電站智能開停機(jī)、智能調(diào)度、智能經(jīng)濟(jì)發(fā)電和智能化運(yùn)行管理。較好地解決了小水電因所處位置偏遠(yuǎn)，管理難度增大，人工成本增加，無法實(shí)時(shí)掌握電站關(guān)鍵信息和機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等現(xiàn)實(shí)問題。

基于數(shù)據(jù)及控制輸出平臺(tái)共享的智能小水電控制系統(tǒng)由福建省力得自動(dòng)化設(shè)備有限公司生產(chǎn)（型號(hào)：LD-HAS）。目前已有260多套在國(guó)內(nèi)小水電站投入使用，運(yùn)行情況良好，獲得了業(yè)主一致好評(píng)。該智能控制系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、方案合理，對(duì)國(guó)內(nèi)小水電自動(dòng)化、信息化及智能化建設(shè)起到借鑒作用，并具有廣泛的應(yīng)用前景。

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