人工智能技術(shù)在水力發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用探究

摘要：近年來人工智能技術(shù)在我國各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，水力發(fā)電廠智能監(jiān)控便屬于其中典型，智能監(jiān)控能夠大幅提升水力發(fā)電廠運行的穩(wěn)定性和安全性，在節(jié)約人力成本等方面也有著突出表現(xiàn)，近年來受到廣泛關(guān)注?；诖?，該文圍繞水力發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)中人工智能技術(shù)的應(yīng)用開展研究，具體涉及總體方案設(shè)計、智能開關(guān)設(shè)備配置方案、監(jiān)控系統(tǒng)方案，以供業(yè)內(nèi)人士參考。

關(guān)鍵詞：水力發(fā)電廠? 人工智能技術(shù)? 智能報警? 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TV736;TP18文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：1672-3791（2022）07（a）-0000-00

結(jié)合水力發(fā)電廠本質(zhì)安全需求、經(jīng)濟(jì)運營需求及電網(wǎng)發(fā)展需求進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，水力發(fā)電廠的智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計存在較高現(xiàn)實意義。該文研究以某水力發(fā)電廠作為研究對象，案例水力發(fā)電廠總裝機(jī)容量、年發(fā)電總量分別為14800MWA、17.10×108kWh，水力發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象包括高壓開關(guān)站、水輪發(fā)電機(jī)組、大壩快速閘門等。

1總體方案設(shè)計

智能化水力發(fā)電廠系統(tǒng)存在高環(huán)保性、節(jié)能性、可靠性、集成度等特點，案例水力發(fā)電廠的智能化系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

結(jié)合圖1進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，案例水力發(fā)電廠智能化系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施由5個部分組成：第一，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。作為重要的輸入數(shù)據(jù)來源，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集環(huán)境監(jiān)測及安防信息、大壩安全監(jiān)測信息、在線監(jiān)測信息、控制保護(hù)實時信息、水情自動測報信息、視頻信息，數(shù)據(jù)采集后的上傳基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，進(jìn)而為系統(tǒng)智能化、自動化工作提供依據(jù)[1]。第二，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。案例水力發(fā)電廠基于通信技術(shù)規(guī)范IEC61850進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，電氣設(shè)備間的互操作性和信息共享由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)責(zé)，該系統(tǒng)由過程層、間隔層、站控層、集控層及間隔網(wǎng)、站控網(wǎng)、調(diào)度應(yīng)用網(wǎng)組成，其中過程層與站控層單獨進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組建。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在案例水力發(fā)電廠按照控制生產(chǎn)區(qū)、非控制生產(chǎn)區(qū)、管理信息區(qū)、生產(chǎn)管理區(qū)細(xì)分，需要單獨進(jìn)行計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，各安全區(qū)需要基于電力系統(tǒng)實際需要和防護(hù)要求進(jìn)行連接[2];通信系統(tǒng)主要由通信光電纜、通信電源系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)、程控交換系統(tǒng)、通信綜合網(wǎng)管系統(tǒng)、時鐘同步組成;實體環(huán)境能夠為系統(tǒng)運行提供保障，具體涉及硬件運行、綜合決策會商、業(yè)務(wù)人員工作等環(huán)境;數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)資源整合、系統(tǒng)資源整合、數(shù)據(jù)存儲管理，可細(xì)分為數(shù)據(jù)存儲平臺和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[3]。

案例水力發(fā)電廠的子系統(tǒng)包括管理信息系統(tǒng)、綜合信息服務(wù)與決策支持系統(tǒng)、智能調(diào)度控制系統(tǒng)。以智能調(diào)度控制系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控機(jī)組系統(tǒng)、隔離開關(guān)、斷路器、閘門、輔機(jī)系統(tǒng)，實現(xiàn)邏輯控制、趨勢分析、自動電壓控制、自動發(fā)電控制、事件順序記錄，不同工況下的母線、線路、廠用電、變壓器、機(jī)組繼電保護(hù)可同時實現(xiàn)，結(jié)合具體的調(diào)度要求和命令，系統(tǒng)能夠進(jìn)行遙測、遙控、遙信、遙調(diào)，安全穩(wěn)定的控制將順利實現(xiàn)[4]。

2智能開關(guān)設(shè)備配置方案

案例水力發(fā)電廠的智能化系統(tǒng)采用兩種智能開關(guān)設(shè)備配置方案，具體如圖2所示。

結(jié)合方案一進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，智能單元設(shè)計選擇中間隔段方式，具體需要在各斷路器匯控柜科學(xué)分配。圍繞方案二設(shè)計進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計將機(jī)電控制回路取消，集成開關(guān)機(jī)構(gòu)和智能單元，智能單元能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測，最終形成智能機(jī)構(gòu)。其中，方案一存在較高經(jīng)濟(jì)性，方案二在預(yù)防故障、現(xiàn)場接線時間節(jié)約、設(shè)備檢查和維修等方面具備顯著優(yōu)勢。在智能化主變配置中，方案一可通過智能單元進(jìn)行主變非電量信號和本體電量收集，同時對油色譜監(jiān)測信號進(jìn)行采集并傳遞GOOSE格式報文，之后對下行控制命令進(jìn)行采集，如風(fēng)扇的停止、開啟等控制命令。方案二在智能化主變配置中不僅具備方案一的能力，同時可實現(xiàn)對風(fēng)冷控制功能的重新調(diào)配，結(jié)合對溫度量等權(quán)重的收集實現(xiàn)風(fēng)扇的停止、開啟控制，由此形成的風(fēng)冷控制回路中主變本體無需通過繼電器、電氣接點等構(gòu)造[5]。

3監(jiān)控系統(tǒng)方案

3.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3為案例水力發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計示意圖，結(jié)合該圖進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，具體設(shè)計由站控層、間隔層、過程層、站控層網(wǎng)絡(luò)、過程層網(wǎng)絡(luò)組成。

站控層網(wǎng)絡(luò)通過站控設(shè)備與間隔層的信息交互進(jìn)行控制，為保證水力發(fā)電廠的運行可靠和安全，監(jiān)控系統(tǒng)需要選擇冗余網(wǎng)絡(luò)，在對比環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，站控層網(wǎng)絡(luò)實施選擇雙絞線以太網(wǎng)連接方式，傳輸過程無縫切換通過雙網(wǎng)雙工結(jié)構(gòu)和雙星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸連續(xù)性、自動化控制功能可更好地得到保障;過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計選擇星型結(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是由于該結(jié)構(gòu)具備拓展容易、布線簡單、容易辨識故障、信號快速傳輸、維修便利等特點。對比多種協(xié)議，過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計選擇標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)方式“IEC 61850-9-2”，該采樣值傳輸協(xié)議在形成簡潔采樣值網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、減少連接介質(zhì)、成本節(jié)約等方面表現(xiàn)突出。在交換機(jī)配置設(shè)計中，設(shè)計綜合采用按單間隔、多間隔進(jìn)行交換機(jī)配置的方式。在網(wǎng)絡(luò)流量控制技術(shù)的選擇方面，設(shè)計選擇GMRP技術(shù)，該技術(shù)在成本、網(wǎng)絡(luò)性能、擴(kuò)展和維護(hù)方面優(yōu)勢明顯。最終，過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計選擇100M以太網(wǎng)，星型結(jié)構(gòu)，具體配置采用雙套物理獨立單網(wǎng)，基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳遞需要在GOOSE、采樣值、同步正確時進(jìn)行，實現(xiàn)公網(wǎng)運作和三網(wǎng)合一，自動控制網(wǎng)絡(luò)流量使用GMRP技術(shù)，100M光口、千兆以太網(wǎng)技術(shù)分別用于40M以下、以上帶寬。為在線監(jiān)視通信網(wǎng)絡(luò)，這一監(jiān)視由網(wǎng)絡(luò)通信記錄分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)，具備自動報警、數(shù)據(jù)自主分析、數(shù)據(jù)存儲、信息查詢、記錄運行狀態(tài)、時間全場同步、信息快速交互等功能，該系統(tǒng)可細(xì)分為分析系統(tǒng)和記錄分析儀，前者負(fù)責(zé)比較報文并對隱患進(jìn)行自動識別，后者負(fù)責(zé)記錄運行信息并完成通訊報文生成，具體涉及圖像、設(shè)備運行、時間等信息，進(jìn)而為案例水力發(fā)電廠安全運行提供保障。

3.2監(jiān)控系統(tǒng)功能及配置方案

案例水力發(fā)電廠站控層功能包括采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、安全監(jiān)視、自動調(diào)控、防誤操作閉鎖、自動電壓控制、自動發(fā)電控制、事故處理指導(dǎo)、記錄與報告、系統(tǒng)診斷等。以安全監(jiān)視為例，具體涉及過程監(jiān)視、運行監(jiān)視、監(jiān)控系統(tǒng)異常監(jiān)視、全廠公用設(shè)備和輔助設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、自動報警等，如人為誤操作出現(xiàn)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動閉鎖，進(jìn)而實現(xiàn)對設(shè)備的保護(hù)。在自動發(fā)電控制中，該功能可實現(xiàn)全站聯(lián)合有功成組調(diào)節(jié)，各機(jī)組可基于設(shè)定明確成組調(diào)節(jié)的參與情況，基于成組方式或單機(jī)方式，操作員可以向調(diào)度層進(jìn)行每臺機(jī)組的“提交”，其中站控層的自動發(fā)電控制優(yōu)先權(quán)高于調(diào)度層?；陔娏ο到y(tǒng)提供的負(fù)荷曲線、容量曲線、控制機(jī)組啟停、給定負(fù)荷值，監(jiān)控系統(tǒng)能夠避開機(jī)組氣蝕、振動等約束條件，進(jìn)而實現(xiàn)對水力發(fā)電廠最優(yōu)的機(jī)組運行數(shù)量進(jìn)行計算，同時可科學(xué)調(diào)整機(jī)組間負(fù)荷。自動發(fā)電控制涉及的功能包括自動電壓控制、自動調(diào)頻運行、調(diào)峰、經(jīng)濟(jì)運行、指定機(jī)組臺數(shù)、給定功率[6]。

在現(xiàn)地控制級設(shè)備配置中，該配置涉及開關(guān)站單元、公用單元、機(jī)組單元等系統(tǒng)，可以為獨立設(shè)備，也可以由過程層和間隔層兩層設(shè)備組成，這一過程需要聚焦現(xiàn)地級智能化系統(tǒng)的要求滿足。以機(jī)組單元中的智能控制單元為例，該單元屬于機(jī)組間隔與站控層的聯(lián)系樞紐，能夠采集溫度量、開關(guān)量、模擬量、交流電量等信息，記錄機(jī)組的調(diào)節(jié)、控制、監(jiān)視、測量、同期并網(wǎng)、事故順序，且能夠滿足信息交換需要?；谧銐虻墓饪?，智能控制單元可實現(xiàn)點對點的機(jī)組斷路器事故閘門、滅磁開關(guān)等重要設(shè)備直接控制，具體設(shè)計基于分布式計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行，機(jī)組智能控制單元按照多處理器體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置，該結(jié)構(gòu)可進(jìn)行復(fù)數(shù)CPU、多電源和雙總線冗余的配置，成對冗余的CPU可以通過雙絞線連接遠(yuǎn)程智能I/O模板，智能模板可順利實現(xiàn)，進(jìn)而獨立采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)通信報文也能夠通過對各信號發(fā)生絕對時間的實時記錄生成，最終完成高質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集，為保證網(wǎng)絡(luò)通信效率，設(shè)計同時選擇變位上送模式，系統(tǒng)穩(wěn)定性可同時提升。為連接站控層網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計需要進(jìn)行通信插件的配置，具體規(guī)格為IEC61850。為保證智能化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的更好實現(xiàn)，還應(yīng)聚焦成熟的智能設(shè)備引進(jìn)，進(jìn)而保證智能控制單元的控制、調(diào)節(jié)、顯示、診斷、數(shù)據(jù)采集與處理、故障處理記錄、水力機(jī)械事故保護(hù)等功能更好實現(xiàn)，事件順序記錄、事故追憶、獨立可編程控制器配置屬于其中關(guān)鍵。

現(xiàn)地控制級設(shè)備配置還應(yīng)關(guān)注機(jī)組在線監(jiān)測、故障錄波及發(fā)電機(jī)出口計量。對于機(jī)組在線監(jiān)測，需要監(jiān)測的項目包括鍵相、壓力脈動、軸向位移、定子鐵芯振動、振動及擺度、導(dǎo)葉接力器行程等參數(shù)，及發(fā)電電動機(jī)定轉(zhuǎn)子間的磁通密度、空氣間隙、過程量參數(shù)、工況參數(shù)等，需要將在線監(jiān)測裝置獨立設(shè)置于各機(jī)組，設(shè)備位置狀態(tài)信息及傳感器信息需要通過過程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采集，采集后需結(jié)合過程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)換及對外通信，最終向狀態(tài)檢修系統(tǒng)發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息;對于故障錄波，需認(rèn)識到該設(shè)備的應(yīng)用價值，具體需要設(shè)置故障錄波裝置于案例水力發(fā)電廠的各機(jī)組處，用于發(fā)電機(jī)各處的電壓、定子電流記錄，如中心點、機(jī)端處。在具體配置故障錄波裝置的過程中，交流電流量、交流電壓量均需要至少控制為16路，開關(guān)量、直流量最小應(yīng)分別控制為64路、6路;發(fā)電機(jī)出口計量能夠用于關(guān)口點的針對性考核，具體的計量由電能表和互感器完成，具體選擇數(shù)字式電能表和電子式互感器，實現(xiàn)0.2S要求的計量精度，這一過程需要嚴(yán)格按照單表進(jìn)行電能表配置，向電能量采集終端的傳遞需要使用網(wǎng)絡(luò)方式。

3.3人工智能應(yīng)用

在案例水力發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)中，人工智能技術(shù)的應(yīng)用極為關(guān)鍵，專家知識庫智能預(yù)警與定制報表分析可由此實現(xiàn)。專家知識庫智能預(yù)警需要在數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合水力發(fā)電廠專業(yè)數(shù)據(jù)分析需要，針對性完成專業(yè)主體模板建設(shè)，該模板由指標(biāo)、算法、數(shù)據(jù)集提取規(guī)則、報警、視圖等要素構(gòu)成，通過選擇模板，即可對歷史數(shù)據(jù)時段和待分析設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同時選擇需要分析的參數(shù)，挖掘方案可自動形成?；谀_本語言形式，對報警策略進(jìn)行定義，即可最終建成專家知識庫用于智能預(yù)警，需結(jié)合運行管理經(jīng)驗進(jìn)行報警策略總結(jié)，通過驗證的數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果也需要引入其中，進(jìn)而完成自定義綜合報警、關(guān)聯(lián)設(shè)備報警、設(shè)備趨勢分析報警等模式，實現(xiàn)水力發(fā)電廠智能監(jiān)控和報警;定制報表分析需要應(yīng)用水力發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)提供的可定制專用報表函數(shù)，結(jié)合海量數(shù)據(jù)提取不同設(shè)備的運行特征，結(jié)合趨勢分析、偏差分析、關(guān)聯(lián)分析等統(tǒng)計分析方法，即可對比分析不同時期的相同設(shè)備、相同時期的不同設(shè)備參數(shù)，分析結(jié)果可基于多種視圖直觀展示，如餅圖、柱狀圖、散點圖、數(shù)據(jù)對比曲線、雷達(dá)圖、瀑布圖等，水力發(fā)電廠的智能監(jiān)控水平可進(jìn)一步提升。

4結(jié)語

綜上所述，人工智能技術(shù)能夠較好用于水力發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，該文涉及的總體方案設(shè)計、智能開關(guān)設(shè)備配置方案、監(jiān)控系統(tǒng)方案等內(nèi)容，則直觀展示了人工智能技術(shù)的具體應(yīng)用。為更好地開展水力發(fā)電廠監(jiān)控，人工智能技術(shù)應(yīng)用還需要關(guān)注智能機(jī)器人的引入、智能報警的強(qiáng)化。

參考文獻(xiàn)

[1] 珠海優(yōu)特電力科技股份有限公司.優(yōu)特科技助力華能小灣水電站保障電氣作業(yè)安全[J].石油化工自動化，2021，57（6）：95.

[2] 丁澤濤，高國，趙金平，等.基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控系統(tǒng)智能化改造研究應(yīng)用[J].信息與電腦：理論版，2020，32（23）：138-140.

[3] 李曉超，謝威威，秦蓉，等.水電站故障監(jiān)測與分析系統(tǒng)研究綜述[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2021（5）：85-89.

[4] 王嵬，代彭梁，孫磊.智能安防系統(tǒng)在卡洛特水電站建設(shè)中的應(yīng)用[J].人民黃河，2021，43（S1）：202，205.

[5] 蹇林.基于5G網(wǎng)絡(luò)的水電廠智能巡檢系統(tǒng)研究[J].四川水利，2021，42（6）：48-50.

[6] 姚明書.水電廠上下游水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].沈陽：沈陽工程學(xué)院，2021.

作者簡介：姜坤（1988—），男，本科，助理工程師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化。