水電廠自動化系統(tǒng)的智能化改造

劉 沛，汪 林，任 剛，李 輝，王杰飛

（中國長江電力股份有限公司，云南 昭通 657300）

近幾年，國家大力推進智能電網(wǎng)的建設，在輸、變、配電等環(huán)節(jié)得到了快速發(fā)展。目前，我國水電企業(yè)大多采用了生產管理的自動化，而對智能管理體系的構建尚不夠完善[1]。水電智能化電站的施工，關系到水電廠的整體結構和運作，是一個綜合性的、全球性的、長期的、系統(tǒng)的工程，因此，在水電廠的規(guī)劃中，要把效率與前瞻性、安全性、開放性、新技術應用與新的經(jīng)營理念有機地統(tǒng)一起來，以改善水電廠的可靠性、經(jīng)濟性、負載平衡性能和環(huán)保運作的能力，以保證工程的長期效益[2]。本文針對水電廠自動化系統(tǒng)的智能化問題進行深入的分析與探討，以推動電力行業(yè)特別是水力發(fā)電行業(yè)的智能化發(fā)展。

1 水電站與智能化電站概述

近幾年，隨著智能化電站的發(fā)展，以及與之配套的智能化技術的不斷推廣，為電站的安全、可靠的運營提供了有力的保障。其中包含了許多與電站管理有關的智能化技術，從而大大提升了電站的管理水平。

1.1 水電站設備

將水能量轉換成電力的電力機械裝置稱為水電站發(fā)電裝置。在普通水力發(fā)電廠中，以水輪發(fā)電機為主，配有調速器、油壓、勵磁設備等。水輪發(fā)電機是指以水輪機為原動機將水能轉化為電能的發(fā)電機。水流經(jīng)過水輪機時，將水能轉換成機械能，水輪機的轉軸又帶動發(fā)電機的轉子，將機械能轉換成電能而輸出，是水電站生產電能的主要動力設備。除了水輪機和輔助設備之外，水電站的電力設備還包含電壓配電設備、升壓變壓器、高壓配電設備、監(jiān)控、控制、測量、信號和保護性電力設備[3]。

1.2 智能化電站的要求及基本特征

智能電廠，簡而言之，就是在水電廠中利用現(xiàn)代科技和精密的測控技術進行運作，比如自動控制技術、傳感技術、信息通信技術、模擬數(shù)據(jù)傳感器、紅外測量技術、工業(yè)監(jiān)控攝像頭等[4]。智能化水力發(fā)電廠應根據(jù)基礎科研和其他發(fā)電廠的具體情況，運用計算機、網(wǎng)絡軟件、現(xiàn)場總線等智能化信息處理技術，構建覆蓋水電廠生產經(jīng)營以及管理等各個環(huán)節(jié)的系統(tǒng)平臺，以便對水電廠的經(jīng)營維護和日常運行管理的信息化數(shù)據(jù)進行采集處理、分析控制和反饋決策，實現(xiàn)水電廠運行管理的智能化和自動化，并且通過數(shù)據(jù)智能計算和多媒體技術實現(xiàn)資源在可控范圍內的有效共享，不斷提升智能化管理水平。

智能化電站以計算機閉環(huán)、電站設備在線監(jiān)測分析、生產技術信息系統(tǒng)為骨干網(wǎng)格，以電站設備數(shù)字化、信息共享、數(shù)據(jù)應用智能化為特點，使電站的本質安全、效益最優(yōu)、環(huán)境和諧[5]。電廠設備的數(shù)字化，是利用現(xiàn)代傳感器技術，對設備進行數(shù)字化處理，從而達到設備的數(shù)字化。而智能化是指建立一個標準化、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)、信息網(wǎng)絡，使各個自動化系統(tǒng)、系統(tǒng)和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)之間的相互連接，并在不同的區(qū)域內，將生產自動化系統(tǒng)和管理信息化系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)的整合、存儲和共享，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化。

2 智能化電廠的體系構架

智能化電廠的體系主要包括：現(xiàn)場設備監(jiān)測層，實時控制與優(yōu)化層，生產運營管理層以及遠程管理和服務層。

2.1 現(xiàn)場設備監(jiān)測層

該層采用現(xiàn)場總線技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和先進的測量技術，對實時數(shù)字信息中的水電廠設備、人員、環(huán)境狀態(tài)和位置等信息進行采集，是智能控制和智能管理的基礎。通過數(shù)據(jù)總線技術實現(xiàn)智能管理水電廠相關設備[6]。設備監(jiān)測技術包括3D可視化、RFID等，運用Internet技術的集成應用實現(xiàn)對設備狀態(tài)信息的實時監(jiān)控。

2.2 實時控制與優(yōu)化層

該層以 DCS/FCS 和 SIS 為分線，確保設備運行過程中的實時數(shù)據(jù)的集中處理、實時控制和在線優(yōu)化數(shù)據(jù)[7]。數(shù)據(jù)傳輸和優(yōu)化，可以通過現(xiàn)場自動數(shù)據(jù)設備先行邏輯運算，判斷設備狀態(tài)數(shù)據(jù)的有效性，在通過智能化控制元件對有效數(shù)據(jù)進行運算處理，達到控制和優(yōu)化。通過定制預測和模糊控制等先進控制技術，提高控制目標的控制精度，確保水輪發(fā)電機功率等精確控制。自動優(yōu)化技術同樣可應用于工器具準備、設備材料調控等環(huán)節(jié)，從而自動響應外部環(huán)境、工作條件等的變化，確保設備經(jīng)濟運行，提供人性化智能化的良好操作環(huán)境。

2.3 生產運營管理層

該層以SIS、ERP、MIS等作為主要依托，匯集、融合水電廠的生產與管理數(shù)據(jù)，以安全生產、水能高效利用為目標，通過采用數(shù)據(jù)分析處理、流程優(yōu)化等技術對全廠生產和經(jīng)營進行智能管理[8]。在現(xiàn)有技術條件下，主要指通過KKS碼的深化應用和三維可視技術的實踐，建立設備三維綜合管理系統(tǒng)；通過工業(yè)Wi-Fi、RFDI、手持設備、可穿戴設備等物聯(lián)網(wǎng)技術與監(jiān)控、門禁、管理HPMS系統(tǒng)等應用，建立智能安全防護系統(tǒng)，從而實現(xiàn)實時員工地圖、任務地圖、智能工作票、電氣防誤等功能；通過對SIS、MIS、EPR等各信息系統(tǒng)整合融合和移動終端的結合，建立員工管理網(wǎng)絡一體化工作平臺，消除信息隔離，優(yōu)化工作組織、強化安全管控，實現(xiàn)管理的便捷高效；通過數(shù)據(jù)倉庫技術和生產經(jīng)營指標的梳理，建立基于多源數(shù)據(jù)庫的自動報表系統(tǒng)，便于設備維護和檢修的備品備件數(shù)據(jù)化管理，減輕人員工作量，提高工作效率，提高管理層對水電廠設備運行管理可控、能控。

2.4 遠程管理和服務層

該層使用 Internet 并操作大型數(shù)據(jù)分析技術來打破地理界限，為集團或企業(yè)構建遠程數(shù)據(jù)中心，利用單元群集分析和專家技能的優(yōu)勢，并執(zhí)行數(shù)據(jù)深度挖掘實現(xiàn)價值創(chuàng)造，主要實現(xiàn)設備預警報警、設備事故自動處理、設備遠方(自動)控制、電廠水庫調度分析、遠程監(jiān)測分析、機組水耗分析等功能。其中還包括執(zhí)行遠程效率測試、模擬控制質量測試、教育模擬訓練任務等。這些需要進行大量的信息系統(tǒng)建設，是一個長期而艱巨的任務。

3 智慧電廠與智能發(fā)電的關鍵技術

3.1 智能預警與診斷

在智能化技術飛速發(fā)展的今天，水力發(fā)電裝置的運行速度也越來越快，因此，要保證電廠的穩(wěn)定運行，就需要將智能化技術和相應的智能化預警與診斷技術結合起來，以保證電站的安全可靠運行、集中控制和遠方控制[9]。在智能化技術實施后，當出現(xiàn)緊急事件或危險時，可以采用智能化的防護手段，將造成的破壞降到最低，保證電站的安全、穩(wěn)定。比如，當使用了裝置報警和智能化技術，你就可以對裝置的運行狀況進行智能化的監(jiān)測，并能夠及時地識別出存在的隱患，并對隱患進行分析，以便能夠及時、方便地應對。利用智能化技術，可以對電站的設備穩(wěn)定、功耗、負荷、水量使用狀況進行綜合的分析，并能夠及時地檢測出設備的故障和安全問題，并在必要的時候進行維修。

3.2 數(shù)據(jù)挖掘與遠程專家診斷技術

發(fā)電廠的各種設備信息、運行狀態(tài)信息、應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)等是一項非常有用的數(shù)據(jù)資源，通過對這些數(shù)據(jù)的存儲和特征分析，可以實現(xiàn)發(fā)電廠級別的智能自我管理和趨勢預警。還可引入云平臺數(shù)據(jù)挖掘資源，使所有區(qū)域的專家都可以方便的分享數(shù)據(jù)[10]。以水利企業(yè)知識信息管理系統(tǒng)、遠程監(jiān)督數(shù)據(jù)平臺、專家網(wǎng)絡移動數(shù)據(jù)平臺等技術載體為支撐，運用數(shù)據(jù)挖掘、風險預測、實時風險預警設置、自動判斷智能處理等技術手段，實現(xiàn)省調級、市局級、縣廠級設備狀態(tài)的智能控制和自動控制。

3.3 智能巡檢技術

隨著智能技術的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)的智能故障診斷技術也得到了越來越多的運用，例如機組溫度、電量、振動信號的分析等，能夠對電站的設備狀態(tài)進行正確的分析，對電站的機械設備進行綜合評價。并通過專家圖書館、故障預測分析等手段保證電站的安全生產。通過智能系統(tǒng)可以實時地對電站的各類裝置和系統(tǒng)進行監(jiān)測，并對各類數(shù)據(jù)進行收集、分類、處理，并通過與數(shù)據(jù)庫的聯(lián)結，對生產數(shù)據(jù)進行實時對比和分析，發(fā)現(xiàn)電站的操作中存在的問題。作為智能化檢測技術中的一個關鍵環(huán)節(jié)，通信技術在收集、整理和傳輸各類數(shù)據(jù)時顯得格外的關鍵。

4 水電廠智能化建設應考慮的問題

設備要標準化，在智能電站的建造中，需要用到許多的自動化設備（部件）。在設備購置時，要兼顧設備型號、技術的一致性，通用性。要避免因設備的性能、標準、型號、尺寸等方面不符合系統(tǒng)要求，導致設備無法正常工作?；蛘咭蛟O備不通用使安裝、維護成本大幅提高。

設備維護，在建立智能水力發(fā)電廠時，將會采用許多新技術與新的裝置，因為電站通常位于偏僻地區(qū)，造成設備維護困難。因此，發(fā)電廠要聘用有專業(yè)技術的人才，同時，施工管理方要加強對工程項目質量的監(jiān)督，要求工程建設方和設備供應方加強技術的支持和培訓，以便設備出故障時，電廠的工作人員能及時排除故障。

成本節(jié)約，智能化水電站的造價通常不菲。在智能化的建筑中，必須要有更多的精密測量設備、電子控制系統(tǒng)和軟件，而在實際操作中，這些精密測量設備、電子控制系統(tǒng)等設備難免會出現(xiàn)問題，而精密測量設備的造價和維護成本也會隨之提高，從而增加水電廠運行成本，所以智能化電廠還應綜合考慮運行成本等問題。

5 水電廠智能化改造方案

5.1 設計數(shù)據(jù)對象

由于沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議，水電站不同的自動控制系統(tǒng)無法與其它的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的交流，因此需要專門的通信協(xié)議。采用數(shù)據(jù)模型技術，將數(shù)據(jù)以各種模型的方式進行分享，各子系統(tǒng)可以方便的進行數(shù)據(jù)共享，便于數(shù)據(jù)分析和運算。

針對電廠的實際情況，建立以IEC 61850為基礎的電力工業(yè)自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，并結合實際的邏輯結點，建立一個完整的信息模型。為了適應不同的水利行業(yè)需求，可以實現(xiàn)邏輯模型的通用化。

5.2 加強自動控制應用的管理

在管理方面，水情、監(jiān)控、安全等自動化體系的整合與互動應該建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信互動機制之上，新增加的自動化子系統(tǒng)要很方便的加入其中，最后形成一個高智能的一體化管理與控制平臺。為了適應不同的應用需求，該平臺必須配備標準的內部數(shù)據(jù)總線、消息總線和業(yè)務總線。集成的管理平臺為企業(yè)的自動化系統(tǒng)提供了全面的信息，并為智能化的應用提供了支撐。

集成的監(jiān)控與控制系統(tǒng)采用了防火墻，或者是實體的隔離，以保證 Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ的網(wǎng)絡的安全性。Ⅰ區(qū)主要由各種自動化控制設備構成，主要完成電廠日常的生產控制和運行。Ⅱ區(qū)主要是對自動化控制設備信息進行收集，為大部分的工業(yè)應用以及全廠的先進操作管理提供數(shù)據(jù)支撐。Ⅲ區(qū)由電廠的各個應用系統(tǒng)組成，可以完成各種數(shù)據(jù)分析，為電廠運行提供更好的決策。

5.3 高級智能應用

以電廠集成的管理和控制平臺為基礎，構建一個適合電廠高效運行的智能應用系統(tǒng)。該智能應用程序具有集成的管理與監(jiān)控體系。在對數(shù)據(jù)進行綜合分析、挖掘與優(yōu)化的基礎上，構建一個專門的水利水電企業(yè)的智能化分析與預警體系。該智能應用程序可以將其智能分析成果轉化為通用的數(shù)據(jù)模型，并將此模型用于日常設備故障處理中，通過對故障的分析提供預防措施和作業(yè)指南。建立水電站工程數(shù)據(jù)分析模型、數(shù)據(jù)分析方法、形成了以相關故障為基礎的智能邏輯機構，能夠對水電設施的運行情況進行在線監(jiān)測、故障報警、水庫規(guī)劃優(yōu)化、閥門聯(lián)動、防洪決策等。從而提高生產管理自動化、減少維護負擔。通過對智能水力發(fā)電廠的實際運行情況進行分析，確定其運行的可靠度，并對其進行合理的維修規(guī)劃，以提高其運行的經(jīng)濟性。

5.4 數(shù)據(jù)交互標準化

在不同的自動化系統(tǒng)中，以及在不同的系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)交互，必須使用標準化的通信協(xié)議。采用標準的IEC 61850通信協(xié)議，可使系統(tǒng)間的互用性最大化，并充分利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型。如果由于特殊原因無法實現(xiàn)的，可以用其他標準化的、廣泛使用的通信協(xié)議作為必要的補充和過渡?，F(xiàn)地層設備的規(guī)范化改造，應以設備的輸入、輸出數(shù)字化、網(wǎng)絡化為基礎，由“硬接線”逐漸轉變?yōu)榫W(wǎng)絡或總線，并推廣具有外部網(wǎng)絡的智能設備，把數(shù)字化的范圍擴大到現(xiàn)場設備。優(yōu)化數(shù)據(jù)采集，設備控制數(shù)字化、網(wǎng)絡化，從而達到數(shù)據(jù)交互標準化。

6 結語

水力發(fā)電企業(yè)的智能化已成為電力工業(yè)的一個發(fā)展趨勢，但是要使其成為智能化，還需要不斷地進行深入的探索。IEC 61850對規(guī)范水電系統(tǒng)進行優(yōu)化設計具有十分重要的意義，但它只是一個基本方法。隨著水電機組技術的成熟和有關技術的運用，電廠的智能化將會逐漸地得到進一步的發(fā)展和改進，從而達到更好的效果。在智能化電力系統(tǒng)中，水力發(fā)電廠所關心的重點是如何提升電廠的整體效益，因此必須重視其運行的安全性和經(jīng)濟性。智能水力發(fā)電廠的整體目的是：以智能化為基礎，進一步提升電廠的生產和經(jīng)營自動化程度，從而為電廠的正常運轉提供有利的環(huán)境，達到改善電廠整體效益的目的。