水電站電氣一次設(shè)備智能化技術(shù)研究

劉志欣 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司

一、前言

當(dāng)前無論各行各業(yè)都普遍開始融入智能化技術(shù)手段，而所謂的智能化技術(shù)也就是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)高度模擬人類行為的一種技術(shù)手段，這種智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了將科學(xué)性和人類主觀能動(dòng)性的有效結(jié)合。我們傳統(tǒng)的人工智能技術(shù)領(lǐng)域僅僅在文字、語言和圖像識(shí)別、仿生機(jī)器等領(lǐng)域進(jìn)行了推廣，而到了今天，水電站領(lǐng)域也開始大量的推廣應(yīng)用智能化技術(shù)，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)字化信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來監(jiān)測(cè)整個(gè)水電站的水輪機(jī)和其他設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，確保自動(dòng)完成信息監(jiān)控、采集和計(jì)量調(diào)節(jié)等功能。一般水電站的規(guī)模和機(jī)電設(shè)備的性能也決定了智能化水電站的智能化程度，國內(nèi)也對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，相繼在一些大中型水電站投入智能化系統(tǒng)，為我國智能化電力系統(tǒng)的建設(shè)提供強(qiáng)有力的保障

二、智能化水電站的特點(diǎn)

（一）電氣一次設(shè)備智能化

水電站系統(tǒng)中最重要的組成系統(tǒng)當(dāng)屬高壓一次設(shè)備，如果我們能在水電站系統(tǒng)中引入智能化技術(shù)，就可以利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行，然后通過微處理器監(jiān)測(cè)和控制電氣一次設(shè)備的信號(hào)回路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的自動(dòng)化監(jiān)控，進(jìn)而與電氣二次設(shè)備融合。這種技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)就是極大程度地簡化了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了變壓器、斷路器和互感器等一次設(shè)備的一體化結(jié)構(gòu)。

（二）電氣二次設(shè)備的信息共享化

一般水電站的電氣二次設(shè)備就包括了防誤閉鎖裝置、測(cè)量裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、同期操作裝置、繼電保護(hù)裝置、故障錄波裝置等。而隨著行業(yè)技術(shù)尤其是智能化技術(shù)的逐漸發(fā)展和引入，這些電氣二次裝備也逐漸向模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化過渡，能方便有效的與智能水電站系統(tǒng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)之間建立高度通信連接，共享所有信息數(shù)據(jù)，將最大程度的縮減電氣二次設(shè)備中所需的I/O現(xiàn)場接口用量。

（三）運(yùn)行管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

水電站的建立和運(yùn)行一旦實(shí)現(xiàn)融入智能化技術(shù)，就可以對(duì)電力生產(chǎn)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和自動(dòng)處理，有效記錄水電站當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。一旦水電站運(yùn)行過程中的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)了故障，整套運(yùn)行管理系統(tǒng)能及時(shí)監(jiān)測(cè)和查找故障地點(diǎn)和導(dǎo)致故障的原因，并出具詳細(xì)的故障分析報(bào)告，而且還能通過中央處理器快速制定解決故障措施。這套自動(dòng)化程序有效保證了整個(gè)水電站系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，也極大程度地減少了檢修人員的工作量，降低了水電站運(yùn)行成本。

三、智能化水電站的結(jié)構(gòu)組成

我們?cè)谖锢斫Y(jié)構(gòu)上一般將智能化水電站分為智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)信息共享化的二次設(shè)備，隨著智能化技術(shù)的深入應(yīng)用，基本上所有的高壓一次設(shè)備都會(huì)采用一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有些甚至能將部分二次設(shè)備的功能給融合進(jìn)來。傳統(tǒng)的設(shè)備體積偏大、功能又比較單一，使得布局看起來凌亂無章，而智能化技術(shù)能讓一次設(shè)備逐漸向小型化、緊湊化和多功能化的方向發(fā)展，有利于施工人員的高效安裝。

而從邏輯結(jié)構(gòu)上我們又將智能化水電站的整套系統(tǒng)按照層次分為過程層、間隔層和站控層。

過程層：作為一次設(shè)備和二次設(shè)備的結(jié)合面，過程層主要發(fā)揮的作用一是對(duì)水電站電力系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行和自身管理系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，二是利用驅(qū)動(dòng)執(zhí)行來自站控層的指令。還有一個(gè)功能就是它配備了雙供電源，當(dāng)中間層和站控層出現(xiàn)問題需要退出運(yùn)行系統(tǒng)的時(shí)候，過程層能作為獨(dú)立個(gè)體來運(yùn)行。

間隔層：如其字面含義一樣，它主要是起到連接作用，將過程層和站控層的通信連接并控制好相應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算和發(fā)布命令。這就要求間隔層必須具備全雙工通信能力，確保其通信信道的容量，才能高效完成過程層和站控層雙向通信功能。

站控層：它主要是針對(duì)過程層發(fā)揮功效，通過建立起的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫來協(xié)調(diào)管理過程層的工作，實(shí)時(shí)收集過程層傳輸來的數(shù)據(jù)信息然后將其自動(dòng)保存到自身建立起的數(shù)據(jù)信息庫，再將有用信息傳至調(diào)控中心，操作員通過調(diào)控中心設(shè)置監(jiān)控狀態(tài)和故障處理等工作，調(diào)控中心緊接著發(fā)出控制命令再傳輸給間隔層和過程層來執(zhí)行命令。這就要求站控層具備水電站內(nèi)人機(jī)交互功能，在線監(jiān)測(cè)和維護(hù)間隔層和過程層的功能。當(dāng)站控層發(fā)生故障時(shí)還需要向過程層發(fā)出信號(hào)，使其開始獨(dú)立運(yùn)行，防止其他設(shè)備的監(jiān)控中斷。

四、水電站電氣一次設(shè)備智能化策略

要讓整個(gè)水電站實(shí)現(xiàn)智能化，關(guān)鍵還是在于讓電氣一次設(shè)備實(shí)現(xiàn)全面智能化，而為了讓電氣一次設(shè)備實(shí)現(xiàn)全面智能化，就必須落實(shí)到各種組件和融合工作的智能化。所以我們一般定義下的智能組件就是由智能終端、合并單元和狀態(tài)監(jiān)測(cè)三部分組成，它們?nèi)齻€(gè)實(shí)現(xiàn)了可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長和監(jiān)測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

智能終端：智能終端常常采用電纜或是光纜跟一次設(shè)備連接，這樣能有效接收來自斷路器、電壓傳感器等一次設(shè)備發(fā)出的位置狀態(tài)和信息。當(dāng)一次設(shè)備發(fā)出故障信息后，智能終端能夠及時(shí)做出反應(yīng)向電氣一次設(shè)備傳遞跳閘指令，以避免因?yàn)楣收隙鴮?duì)其他設(shè)備進(jìn)一步的損害，同時(shí)再進(jìn)一步對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行調(diào)整維修。這一套程序需要智能終端支持三相跳閘、指令連鎖、分項(xiàng)跳閘等GOOSE命令以及遙控分合命令，以達(dá)到對(duì)電氣一次設(shè)備的保護(hù)目的。

合并單元：合并集成電路芯片和各種互感器組成了合并單元，它所發(fā)揮的作用就是利用互感器來實(shí)時(shí)接收水電站整個(gè)電力系統(tǒng)的電流電壓瞬時(shí)值，通過分析和處理來保證所獲得的電流電壓值的有效性，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)送到測(cè)控裝置來監(jiān)測(cè)和保護(hù)電力系統(tǒng)。此外合并單元還要保留足夠的數(shù)據(jù)輸出口，與其他智能組件建立通信通道，在必要的時(shí)候外接自動(dòng)化裝置來進(jìn)一步催化其他功能。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)：狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置需要最基本的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能，信息采集和處理功能以及控制發(fā)布指令的功能。它主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)避雷器狀態(tài)、機(jī)構(gòu)狀態(tài)和局部放電。在安裝時(shí)可以將狀態(tài)監(jiān)測(cè)外置或內(nèi)置在設(shè)備上。需要工作人員注意的是選擇傳感器時(shí)應(yīng)該盡量選擇體積小、壽命長、靈敏度等都高于設(shè)備的傳感器。

五、結(jié)語

縱觀當(dāng)前智能化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，我們不難判斷出未來電力行業(yè)會(huì)積極將智能化技術(shù)融入到水電站的建設(shè)工程中，尤其隨著相關(guān)技術(shù)的加強(qiáng)，水電站系統(tǒng)內(nèi)各種組件都會(huì)越來越智能化，發(fā)揮的作用也越來越大，智能化程度也會(huì)越來越高。以現(xiàn)階段來看，在改造水電站融入智能化技術(shù)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)水電站實(shí)際情況來配備功能匹配的電氣一次設(shè)備，才能最大程度地減少信息傳輸錯(cuò)誤率、故障發(fā)生率，有效提高經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性，改善當(dāng)前勞動(dòng)力投入大、生產(chǎn)率低的現(xiàn)狀，促使智能化技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用前景越來越廣闊。