智能水電廠的自動化系統(tǒng)總體建設(shè)

袁野

[摘? ? 要]智能水電廠是智能電網(wǎng)中的重要部分，建設(shè)的目標(biāo)主要是通過智能化改造，提升水電廠在生產(chǎn)以及管理方面的自動化水平，保證設(shè)備能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同互動，從而促進(jìn)水電廠經(jīng)濟(jì)效益的提升。目前，水電自動化面臨著資金投入多、工期長、信息共享難、維修管理累、可靠程度低等問題，通過智能化改造，優(yōu)化生產(chǎn)管理的水平，提升決策能力。本文闡述了智能水電廠自動化系統(tǒng)的建設(shè)原則以及建設(shè)目標(biāo)，分析了智能水電廠自動化系統(tǒng)的總體建設(shè)設(shè)計(jì)，并對電站自動化系統(tǒng)的智能化展開探究。

[關(guān)鍵詞]智能水電廠;自動化系統(tǒng);總體建設(shè)

[中圖分類號]TV736 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）10–00–02

The Overall Construction of the Automation System of the Intelligent Hydropower Plant

Yuan Ye

[Abstract]Smart hydropower plants are an important part of the smart grid. The goal of construction is to improve the automation level of hydropower plants in production and management through intelligent transformation， ensure safe and stable operation of equipment， and achieve business collaboration and interaction. Thereby promoting the economic benefit of hydropower plants. At present， hydropower automation is facing problems such as high capital investment， long construction period， difficult information sharing， tired maintenance and management， and low reliability. Through intelligent transformation， the level of production management is optimized and the decision-making ability is improved. This article expounds the construction principles and construction goals of the intelligent hydropower plant automation system， analyzes the overall construction design of the intelligent hydropower plant automation system， and explores the intelligence of the power plant automation system.

[Keywords]smart hydropower plant; automation system; overall construction

我國的大多數(shù)水電廠已經(jīng)安裝了計(jì)算機(jī)監(jiān)控、水情水調(diào)等系統(tǒng)，并且大壩監(jiān)測等自動化系統(tǒng)也具有一定的規(guī)模。由于系統(tǒng)的發(fā)展不均衡，缺乏統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，所以數(shù)據(jù)共享存在一定的難度，距離智能水電廠自動化也有一定的差距。目前，我國已經(jīng)正式出臺了水電廠監(jiān)控通信標(biāo)準(zhǔn)，通過智能水電廠的建設(shè)，可以避免出現(xiàn)系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)，提升設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性，有效地減少電站的投資。

1 智能水電廠自動化系統(tǒng)的建設(shè)原則

智能化水電廠是以信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡(luò)化、運(yùn)管一體化、業(yè)務(wù)互動化為特征，使用IED以及智能設(shè)備自動完成一些基本的功能。其具備基于一體化平臺的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、安全防護(hù)多系統(tǒng)聯(lián)動的職能應(yīng)用組件，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行的安全可靠以及經(jīng)濟(jì)高效[1]。

智能水電廠自動化系統(tǒng)的建設(shè)原則是：①安全可靠性。智能化改造應(yīng)使用比較成熟且可靠的產(chǎn)品、技術(shù)，保證改造之后的系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。②先進(jìn)性。追求技術(shù)的先進(jìn)和超前，對于已建的電站進(jìn)行智能化改造時，應(yīng)在二次設(shè)備、故障診斷、優(yōu)化調(diào)度等方面下功夫，保證先進(jìn)技術(shù)與生產(chǎn)安全之間的平衡。③開放性。采用國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提升系統(tǒng)的開放性，選擇使用一些標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，便于備品備件和之后的升級。④經(jīng)濟(jì)性。在保證智能化的同時，原有設(shè)備盡量局部改造，防止投資過大造成浪費(fèi)。⑤穩(wěn)妥性。智能水電廠的工作量比較大，應(yīng)將提高安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性、決策智能化作為重點(diǎn)，以對上述因素有影響的設(shè)備為突破口，確保在穩(wěn)妥的前提下逐步展開。

2 智能水電廠自動化系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)

智能水電廠的目標(biāo)主要是通過智能化改造優(yōu)化生產(chǎn)管理的自動化水平，保證設(shè)備能夠安全可靠地運(yùn)行，提升水電廠的經(jīng)濟(jì)效益。智能水電廠自動化系統(tǒng)的具體建設(shè)目標(biāo)為：①生產(chǎn)過程控制的智能化目標(biāo)，對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及通信傳輸進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的智能化升級。②調(diào)度決策的智能化，通過對水情、水調(diào)、防汛等系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)度，從而提升水電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。③大壩監(jiān)測、設(shè)備運(yùn)行管理的智能化，通過對變壓器、斷路器設(shè)備的在線監(jiān)測，提升故障監(jiān)測水平，從而有效地減少檢修和維護(hù)的成本。④一體化管控平臺，通過建設(shè)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一平臺，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)之間的互聯(lián)，以及數(shù)據(jù)共享和綜合應(yīng)用。⑤經(jīng)濟(jì)效益最大化，提升設(shè)備的安全運(yùn)行水平，降低勞動強(qiáng)度，提升生產(chǎn)率以及經(jīng)濟(jì)效益[2]。

3 智能水電廠自動化系統(tǒng)的總體建設(shè)設(shè)計(jì)

3.1 總體構(gòu)成

智能水電廠主要體現(xiàn)在生產(chǎn)過程的控制、運(yùn)行決策等自動化系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)功能十分明確、界線比較清晰，而互相之間也有一定的聯(lián)系，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享與配合，從而完成水電廠智能化目標(biāo)。如圖1所示，智能水電廠自動化系統(tǒng)的體系架構(gòu)主要是一些智能化應(yīng)用自動化系統(tǒng)的集成，這些系統(tǒng)分屬于3個安全區(qū)域，通過一體化管控平臺進(jìn)行互動，并且實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)管理、運(yùn)行決策的智能化，保證水電廠經(jīng)濟(jì)效益最大化。

系統(tǒng)之間的互聯(lián)。在三大安全區(qū)域內(nèi)，各自有一個數(shù)據(jù)共享平臺，主要對區(qū)域內(nèi)的自動化系統(tǒng)進(jìn)行整合，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)與共享。同時，三大安全區(qū)域的互聯(lián)，應(yīng)根據(jù)我國電力監(jiān)管委員會等相關(guān)部門的規(guī)定，采取相應(yīng)的安全防護(hù)措施。

自動化系統(tǒng)和執(zhí)行元件、傳感器的連接。對于執(zhí)行元件以及傳感器等二次設(shè)備，如遠(yuǎn)動裝置、電壓無功控制等，全部在標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行微處理，設(shè)備之間也應(yīng)使用高速網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行連接，從而真正實(shí)現(xiàn)資源和數(shù)據(jù)的共享[3]。

3.2 建設(shè)規(guī)劃

智能水電廠的建設(shè)涉及多個方面，包括生產(chǎn)、管理、運(yùn)行等，并且規(guī)模較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，建設(shè)周期較長。因此，總體建設(shè)規(guī)劃應(yīng)遵循統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施這一原則。水電廠智能化建設(shè)規(guī)劃應(yīng)根據(jù)技術(shù)條件、實(shí)際需求以及進(jìn)度要求，按照系統(tǒng)架構(gòu)對電站、基礎(chǔ)設(shè)施等建設(shè)內(nèi)容以及組織管理、技術(shù)保障進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。通過互相支撐以及對子系統(tǒng)的整合，分階段進(jìn)行開發(fā)與建設(shè)，從而保證各系統(tǒng)的耦合?；A(chǔ)設(shè)施是建設(shè)智能化水電廠的基礎(chǔ)，是完成信息全過程的軟件設(shè)備、硬件設(shè)備、實(shí)體環(huán)境等。例如，從數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸、儲存，再到展示等整個過程，基礎(chǔ)設(shè)施主要包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有重要的作用，是各系統(tǒng)連接交換的平臺，所以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)應(yīng)結(jié)合每一個應(yīng)用系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)安全性、實(shí)時性的要求，為保證網(wǎng)絡(luò)的安全、可靠以及可擴(kuò)展性，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以劃分為業(yè)務(wù)內(nèi)外網(wǎng)、控制專網(wǎng)。統(tǒng)一信息平臺主要是提供統(tǒng)一的信息，并實(shí)現(xiàn)跨安全區(qū)域各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享。應(yīng)用系統(tǒng)是水電廠智能化的主要內(nèi)容，是和水電廠的運(yùn)行管理有著直接關(guān)系的業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，其中包括計(jì)算機(jī)監(jiān)控、大壩監(jiān)測、水清水調(diào)自動化等系統(tǒng)[4]。

4 電站自動化系統(tǒng)的智能化

4.1 智能水電廠的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從物理層面來說，智能水電廠自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備。從邏輯結(jié)構(gòu)上來說，智能水電廠自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為過程層、間隔層、站控層3個層次，每一個層次的內(nèi)部以及各層次之間都使用高速網(wǎng)絡(luò)通信。如圖2所示，過程層和間隔層的網(wǎng)絡(luò)使用交換式以太網(wǎng)，其介質(zhì)為光纖;間隔層與站控層之間也使用交換式以太網(wǎng)，其介質(zhì)為雙絞線。

過程層。這是一次設(shè)備和二次設(shè)備的結(jié)合面，也可以稱作智能化電氣設(shè)備中的智能化部分。過程層的功能主要有3類：①實(shí)時進(jìn)行電氣量檢測，對電壓、電流等進(jìn)行檢測，對于有功、電能量等電氣量，則需要借助間隔層設(shè)備進(jìn)行運(yùn)算得出。②狀態(tài)參數(shù)檢測和統(tǒng)計(jì)，水電廠中需要進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)檢測的設(shè)備比較多，其中主要包括變壓器、電容器、母線、電抗器等，在線檢測主要是對工作的狀態(tài)、溫度、壓力、絕緣等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。③操作控制的執(zhí)行和驅(qū)動，主要包括變壓器分接頭調(diào)節(jié)控制，斷路器、刀閘的合分控制等。

間隔層。間隔層的設(shè)備功能主要包含：將本間隔過程層的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行整合匯總;對一次設(shè)備的保護(hù)與控制;進(jìn)行本間隔操作閉鎖;操作同期以及其他的控制功能;發(fā)出數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、控制命令，具有一定的優(yōu)先控制功能;通信功能，可以同時保持高速完成與過程層、站控層的網(wǎng)絡(luò)通信，具有承上啟下的作用。

站控層。通過兩級高速網(wǎng)絡(luò)對全站信息的匯總，有效地刷新數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)集中性監(jiān)控以及人機(jī)聯(lián)系的功能。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，把相關(guān)的數(shù)據(jù)信息傳送至調(diào)度或者控制中心，然后從中接受相關(guān)的控制命令，并轉(zhuǎn)由過程層以及間隔層開始執(zhí)行，同時，對過程層、間隔層的所有設(shè)備，具有在線維護(hù)、修改參數(shù)等功能。

4.2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

智能水電廠的一次設(shè)備通常不更換，對于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的智能改造主要是提升系統(tǒng)的安全可靠性、開放性以及經(jīng)濟(jì)性。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件升級，在間隔層與站控層增設(shè)IEC61850通信接口，并保留一些常規(guī)化的通信接口，對軟件以及少部分的硬件進(jìn)行升級，從而有效地提升系統(tǒng)的智能化水平，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化。NC2008 V3.0系統(tǒng)軟件主要是面向水利行業(yè)所研制的大型計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，它包含了分布式對象架構(gòu)，以及支持異構(gòu)平臺的特性，提供高效、安全的監(jiān)控內(nèi)核，精美的圖形界面，以及強(qiáng)大的組態(tài)工具等各種常規(guī)性和高級性功能。

5 結(jié)束語

當(dāng)前的水電自動化由于技術(shù)發(fā)展、系統(tǒng)架構(gòu)等因素面臨著各種問題，如投資多、工期長、信息共享難、檢修費(fèi)用高等。因此，在遵循安全可靠性、先進(jìn)性、穩(wěn)妥性的建設(shè)原則基礎(chǔ)上，通過智能水電廠自動化系統(tǒng)的總體建設(shè)，實(shí)現(xiàn)水電自動化的目標(biāo)，消除應(yīng)用系統(tǒng)孤島、防止系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)、優(yōu)化生產(chǎn)管理水平，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)協(xié)同互動。

參考文獻(xiàn)

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