小水電站運行智能化調(diào)節(jié)方案

摘要：雖然目前眾多小水電站實現(xiàn)了運行生產(chǎn)自動化、信息化，但電站運行調(diào)節(jié)工作還基本在沿襲人工操作模式，人工調(diào)節(jié)的弊端使運行調(diào)節(jié)已成為水電站生產(chǎn)流程的效率“瓶頸”環(huán)節(jié)。

本文提出了一套小水電站實現(xiàn)智能化運行調(diào)節(jié)的方案，按該方案設(shè)計的智能化運行調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可從實際運行生產(chǎn)中不斷獲取最優(yōu)經(jīng)驗，協(xié)同現(xiàn)有運行監(jiān)控系統(tǒng)，指令各設(shè)備及時、精確地進行運行調(diào)節(jié)。

該方案能最大程度地與不同電站的實際情況相結(jié)合，成本低，可操作性強，適合小水電站自行實施。

本文為小水電站自行開發(fā)運行智能化調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供了一套方法，對生產(chǎn)類企業(yè)的智能系統(tǒng)設(shè)計也提供了思路。

關(guān)鍵詞：小水電站;運行調(diào)節(jié);智能化

一、實現(xiàn)水電站運行智能化調(diào)節(jié)的必要性

隨著信息技術(shù)和自動化手段廣泛應(yīng)用于電力生產(chǎn)，眾多小水電站已實現(xiàn)了運行生產(chǎn)自動化、信息化。但運行調(diào)節(jié)工作——作為小水電站生產(chǎn)中最基本、最重要的一環(huán)，目前還基本在沿襲人工操作模式，最多也只是利用中控計算機用戶端或遠程監(jiān)控的形式進行人工調(diào)節(jié)操作。

人工調(diào)節(jié)極大地依賴于操作人員的工作經(jīng)驗和責任心，常常有調(diào)節(jié)時機、調(diào)節(jié)方式、調(diào)節(jié)程度不當?shù)默F(xiàn)象，這勢必導致發(fā)電生產(chǎn)效率的下降。運行調(diào)節(jié)已成為水電站生產(chǎn)流程的效率“瓶頸”環(huán)節(jié)。

水電站運行智能化調(diào)節(jié)，可以在河道來水量變化或其他生產(chǎn)條件發(fā)生變化時，及時決策出效率最優(yōu)的目標工況模式，將決策數(shù)據(jù)傳達至運行生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)以執(zhí)行調(diào)節(jié)操作。智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)可使水電站避免現(xiàn)有運行模式的弊端，從而持續(xù)處于最優(yōu)工作狀態(tài)，實現(xiàn)生產(chǎn)效率相對最大化，同時也可以極大地降低運行生產(chǎn)成本。

二、小水電站運行智能化調(diào)節(jié)方案介紹

本方案旨在建立一套適合小水電站的運行智能化調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)按照功能包括三大部分：經(jīng)驗模塊、決策模塊、執(zhí)行模塊。

（一） 工作原理介紹

1、 經(jīng)驗模塊：

水電站運行過程中，當河道來水流量變化時，在保持正常運行水位情況下，為了保證總發(fā)電有功功率相對最高，電站都需要進行必要的調(diào)節(jié)，如：調(diào)節(jié)運行機組的導葉開度;根據(jù)各機組高效區(qū)的不同選擇投運機組;調(diào)整投運機組的數(shù)量;調(diào)整勵磁電壓;調(diào)整攔河閘提升高度等，最終達到該水量情況下的最優(yōu)工作狀態(tài)。 [1]

智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的經(jīng)驗模塊與電站現(xiàn)有的運行自動化監(jiān)控系統(tǒng)相連，可連續(xù)、實時地接收運行監(jiān)控系統(tǒng)中所采集的各項數(shù)據(jù)，不斷記錄下各流量情況下的發(fā)電功率、設(shè)備狀態(tài)、運行參數(shù)數(shù)據(jù)等信息，成組自動錄入“運行數(shù)據(jù)庫”。在某一流量情況下，經(jīng)驗模塊以總發(fā)電功率的多少為主要依據(jù)，在運行數(shù)據(jù)庫中比較，選擇出該流量情況下發(fā)電總功率最高的一組，作為該流量情況下的“最優(yōu)運行模式數(shù)據(jù)組”，所有流量情況下的最優(yōu)運行模式數(shù)據(jù)組組成“最優(yōu)運行模式數(shù)據(jù)庫”。該數(shù)據(jù)庫既是一套高效的運行“經(jīng)驗”，也是運行調(diào)節(jié)的理想目標，智能運行調(diào)節(jié)系統(tǒng)將對照這些經(jīng)驗給出調(diào)節(jié)決策。也正因為這個原因，我們把智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的這個模塊稱為“經(jīng)驗模塊”。

經(jīng)驗模塊按照該方式持續(xù)工作，最優(yōu)運行模式數(shù)據(jù)會不斷得到自動更新，時間越長則高效經(jīng)驗數(shù)據(jù)越趨于理想。

必須提出的是，安全是電站運行生產(chǎn)的前提，經(jīng)驗模塊在錄入最優(yōu)運行模式數(shù)據(jù)前，需要核對有關(guān)運行參數(shù)是否符合要求，如運行水位、機組軸承溫度、上網(wǎng)功率因數(shù)等。如果某一項超出設(shè)定范圍，即使發(fā)電功率再高，該組數(shù)據(jù)都不得作為最優(yōu)運行模式數(shù)據(jù)，程序設(shè)計時需要加入該項限制措施。

2、 決策模塊：

決策模塊實時獲取河道來水流量數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)流量情況，在經(jīng)驗模塊的最優(yōu)運行模式數(shù)據(jù)庫中尋找出該流量所對應(yīng)的最優(yōu)運行模式數(shù)據(jù)組，作為“運行調(diào)節(jié)決策”傳輸至智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行模塊。

作為決策環(huán)節(jié)，在按上述程序進行模式數(shù)據(jù)選擇和傳輸前，決策模塊還需要核實當前運行水位等重要因素，我們可以在決策模塊的程序設(shè)計時引入如下思路：

針對實際運行水位，根據(jù)事先設(shè)定好的理想水位和正常水位范圍進行核對，當實際水位高于理想水位時，決策模塊先選取高一級流量的最優(yōu)運行模式數(shù)據(jù)組;水位低于理想水位時則先選取低一級流量的最優(yōu)運行模式數(shù)據(jù)組;如果實際水位與理想水位偏差較大甚至超越了正常水位范圍，則先跳躍多個流量級別來選擇最優(yōu)運行模式數(shù)據(jù)組;待水位恢復到理想水位數(shù)值時再采用同級流量的最優(yōu)運行模式數(shù)據(jù)組。

3、 執(zhí)行模塊

目前眾多小水電站通過技改，已搭建了自動化、信息化運行生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，這為我們智能化調(diào)節(jié)決策的執(zhí)行創(chuàng)造了條件[2]。執(zhí)行模塊通過接口（包括硬件和軟件的連接）與電站現(xiàn)有的運行生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)對接，當決策模塊作出當前流量對應(yīng)的運行調(diào)節(jié)決策后，執(zhí)行模塊立即將決策中的數(shù)據(jù)組傳達到運行生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中，通過生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的程序向各設(shè)備發(fā)出指令，各設(shè)備以調(diào)節(jié)決策中各項數(shù)據(jù)為標準，及時、精確地執(zhí)行對應(yīng)的調(diào)節(jié)操作。這樣，在河道流量變化時，整個生產(chǎn)系統(tǒng)的工況可以瞬間達到最優(yōu)，發(fā)電生產(chǎn)效率可以一直維持在相對最高水平。

這個環(huán)節(jié)需要與運行監(jiān)控系統(tǒng)的自動化廠家合作，達到兩項要求：一是要做好現(xiàn)有運行監(jiān)控系統(tǒng)與我們智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的對接，包括軟件和硬件的連接、智能運行調(diào)節(jié)決策數(shù)據(jù)的接收和識別等;二是要對運行生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)進行程序設(shè)置，在接收到一組智能調(diào)節(jié)決策后，要將該組決策的各項數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)設(shè)備能識別的調(diào)節(jié)操作指令信息，給每個設(shè)備發(fā)出的每一條調(diào)節(jié)操作指令要包括：是否調(diào)節(jié);如何調(diào)節(jié);調(diào)節(jié)多少。要確保所形成指令的準確性，確保指令傳輸和各設(shè)備接收指令的可靠性，各設(shè)備自動執(zhí)行指令的及時性、準確性和可靠性。

（二）運行智能化調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1、硬件：

（1）服務(wù)器

運行智能化調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以用一臺高效、穩(wěn)定的電腦作為核心服務(wù)器，三個模塊都可以布局在該電腦中。

（2）數(shù)據(jù)輸入接口和線纜

用于經(jīng)驗模塊接收來自運行監(jiān)控系統(tǒng)的各類運行相關(guān)數(shù)據(jù)，包括河道來水流量、發(fā)電功率、功率因數(shù)、運行水位、各機組狀態(tài)（包括是否投運、導葉開度、勵磁電壓、軸承溫度等）、攔河閘提升高度等。

3 數(shù)據(jù)輸出接口及線纜

包含于智能系統(tǒng)的執(zhí)行模塊中，用于將來自決策模塊的最優(yōu)運行模式數(shù)據(jù)組（即運行調(diào)節(jié)決策）輸送到運行生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。

2、 軟件：

1 操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫軟件

因智能系統(tǒng)涉及與電站現(xiàn)有的運行生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸、識別，所以操作系統(tǒng)以及經(jīng)驗模塊中數(shù)據(jù)庫軟件的選用建議與運行監(jiān)控系統(tǒng)一致。

2 模塊程序

三個模塊各具不同功能，涉及對數(shù)據(jù)進行自動對比、錄入、選擇、傳輸?shù)萚3]，這些操作都需要程序才能實現(xiàn)。所需設(shè)計的程序并不復雜，掌握程序語言基礎(chǔ)知識即可完成，但最好委托電站現(xiàn)有運行監(jiān)控系統(tǒng)的自動化廠家制作（至少執(zhí)行模塊的程序應(yīng)采取這種方式制作），因為運行智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)和運行監(jiān)控系統(tǒng)后續(xù)是協(xié)同工作的，應(yīng)從軟件和程序方面最大程度確保整個體系的協(xié)調(diào)和兼容。

3 對現(xiàn)有運行監(jiān)控系統(tǒng)程序的設(shè)置

現(xiàn)有運行監(jiān)控系統(tǒng)需要與智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)對接并進行數(shù)據(jù)接收、識別、轉(zhuǎn)換，形成并發(fā)出有效調(diào)節(jié)指令，控制各設(shè)備按最優(yōu)調(diào)節(jié)決策目標執(zhí)行操作。要實現(xiàn)這些功能，需要對運行監(jiān)控系統(tǒng)進行相關(guān)程序設(shè)置，因授權(quán)級別限制，需要其自動化廠家的技術(shù)人員進行該項操作。

4 用戶界面

為便于設(shè)置和操作，運行智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的用戶界面應(yīng)集成到電站現(xiàn)有的運行監(jiān)控系統(tǒng)畫面中。其界面設(shè)計應(yīng)至少允許進行如下幾項操作：

一是可以快速切換“智能調(diào)節(jié)模式”和“人工調(diào)節(jié)模式”;二是可設(shè)置運行水位等有關(guān)參數(shù)的基準值和限制范圍;三是可手動將某個運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)組實時存入經(jīng)驗模塊中的運行數(shù)據(jù)庫，且可以刪除運行數(shù)據(jù)庫中的某組數(shù)據(jù);四是應(yīng)可設(shè)置每兩組調(diào)節(jié)操作之間的最短時間間隔。

用戶界面應(yīng)引入加密程序，分級設(shè)置用戶操作權(quán)限。

（三）關(guān)于本方案的其他說明

1、 初期應(yīng)通過“經(jīng)驗賦予”工作，為智能系統(tǒng)提供較高的經(jīng)驗起點

在智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入使用初期，為了讓經(jīng)驗模塊盡快擁有較高效的運行調(diào)節(jié)“經(jīng)驗”，需要電站組織專項的“智能系統(tǒng)經(jīng)驗賦予工作”，在該階段內(nèi)，由具有豐富經(jīng)驗且責任心強的運行人員執(zhí)行調(diào)節(jié)，以便讓經(jīng)驗模塊在最短時間內(nèi)獲得較理想的“最優(yōu)運行模式數(shù)據(jù)組”，為智能系統(tǒng)賦予較高的經(jīng)驗起始點。

2、系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)便于在“智能調(diào)節(jié)”和“人工調(diào)節(jié)”兩種模式之間切換

操作者在用戶界面上應(yīng)可以隨時進行兩種模式的手動切換。

在設(shè)備發(fā)生故障時或智能系統(tǒng)工作發(fā)生異常時，系統(tǒng)應(yīng)能立即自動切換為人工調(diào)節(jié)模式工作。該項功能可在執(zhí)行模塊的程序中加入。

人工調(diào)節(jié)模式時，可以讓智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的經(jīng)驗模塊繼續(xù)工作，不放過任何汲取新“經(jīng)驗”的機會。

3、 應(yīng)經(jīng)常進行“經(jīng)驗提升”工作，竭力為智能系統(tǒng)創(chuàng)造更優(yōu)經(jīng)驗

根據(jù)該智能系統(tǒng)工作原理，我們應(yīng)經(jīng)常選擇時機切換為“人工調(diào)節(jié)”模式，人為創(chuàng)造最優(yōu)運行工況，如果效果超越了經(jīng)驗模塊數(shù)據(jù)庫中已有的最優(yōu)模式，則智能系統(tǒng)可以立刻“掌握”更高級的運行調(diào)節(jié)經(jīng)驗，經(jīng)驗模塊中的數(shù)據(jù)又得以進一步優(yōu)化。

4、 每兩組調(diào)節(jié)之間要有合理的時間間隔

我們把每一次從決策模塊發(fā)出調(diào)節(jié)決策至設(shè)備完成調(diào)節(jié)操作的整個過程稱為“一組調(diào)節(jié)”。每組調(diào)節(jié)中的每一項設(shè)備操作都需要用一定時間才能完成，有些操作時間短，比如調(diào)節(jié)導葉開度或增減勵磁電壓等;而有些操作耗時較長，比如讓某臺發(fā)電機組開機投運。我們不能在前一組調(diào)節(jié)操作尚未完成的情況下就發(fā)出下一組調(diào)節(jié)決策，而且，應(yīng)該在上一組調(diào)節(jié)操作完成后，要等待一定時間使其調(diào)節(jié)效果相對穩(wěn)定后再進行下一組決策和操作，每兩組調(diào)節(jié)之間要有合理的時間間隔。

該時間間隔=①上一組調(diào)節(jié)中所有操作完成需要的時間+②預先設(shè)置的兩組操作之間最短間隔時間。

其中，由于每組調(diào)節(jié)操作的內(nèi)容不一樣，所以時間①不會相同，可以在每組調(diào)節(jié)操作全部完成后，由運行監(jiān)控系統(tǒng)向智能系統(tǒng)的決策模塊發(fā)出反饋信息。該功能需要在運行監(jiān)控系統(tǒng)的程序中設(shè)置。

加入時間②是為了確保在每一次調(diào)節(jié)操作的效果得以相對穩(wěn)定后再進行下一組決策和操作，其時間值在用戶界面中可以根據(jù)需要設(shè)置。

在決策模塊的程序設(shè)計中需要加入上述限制。

三、本方案的可行性

本套小水電站運行智能化調(diào)節(jié)方案，以實現(xiàn)發(fā)電效率最大化為目標，其設(shè)計理念是：“從實踐中持續(xù)學習、積累、總結(jié)經(jīng)驗，不斷更新和優(yōu)化經(jīng)驗，以最優(yōu)經(jīng)驗指導工作”。該智能系統(tǒng)的運用，可以有效地形成“經(jīng)驗不斷優(yōu)化、發(fā)電生產(chǎn)效益不斷提高”的良性循環(huán)局面。

本方案以小水電現(xiàn)有設(shè)備為基礎(chǔ)，無需對設(shè)備進行增加或改造，對所需要的硬件、軟件要求都很低，各小水電站協(xié)同自動化廠家即可完成智能化調(diào)節(jié)系統(tǒng)的搭建工作，工作量小，成本低。智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的操作簡便，容易掌握，后續(xù)維護方便，具有較強的可行性。

結(jié)語：本文根據(jù)小水電站信息自動化現(xiàn)狀，以避免人工調(diào)節(jié)操作弊端為出發(fā)點，前瞻小水電智能化發(fā)展趨勢，提出了一套小水電站運行智能化調(diào)節(jié)系統(tǒng)的自行設(shè)計思路和方案。按照該方案，智能系統(tǒng)可從實際運行中獲得最優(yōu)調(diào)節(jié)經(jīng)驗且不斷更新，并以最優(yōu)經(jīng)驗反過來智能指引實際運行工作，勢必極大地提高電站發(fā)電生產(chǎn)效率。

參考文獻：

[1]代長中.淺談水電站智能化改造[J].機電信息，2012（33）：73-74.

[2]黃維.計算機監(jiān)控系統(tǒng)在中小型水電的應(yīng)用[J].水利科技，2014（19）：192.

[3]薛虎軍.水電站電氣一次設(shè)備智能化技術(shù)[J].消費導刊，2020（10）：205.

作者簡介：

陳曉斌，1974年2月，男，重慶人，碩士，水電站智能化方向。