智能化水電站技術(shù)應(yīng)用

國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司劉家峽水電廠 崇育斌 王小星

1 智能化水電站改造技術(shù)應(yīng)用

1.1 一次設(shè)備智能化技術(shù)運(yùn)用改造

1.1.1 整體改造技術(shù)運(yùn)用

水電站是我國(guó)水力發(fā)電的重要領(lǐng)域，是強(qiáng)化電力供應(yīng)的重要形式，目前水電站通常分為巨大、大型、中型以及小型幾種，具體等級(jí)分配是按照容量確認(rèn)。在實(shí)現(xiàn)水電站智能化優(yōu)化的過(guò)程中，須針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)開(kāi)展升級(jí)，借助智能化技術(shù)的使用，提高系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量和效率。本文研究的水電站結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1，在技術(shù)改造過(guò)程中為解決智能效果不足問(wèn)題，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案全方位增強(qiáng)智能效果。

表1 水電站結(jié)構(gòu)示意

通常情況下，在水電站日常運(yùn)行的過(guò)程中，技術(shù)人員需要按照以下公式完成處理以及水能計(jì)算：N=9.81ηQ電H凈（kW），其中：Q電是指流量，單位為m3/s；H凈是指水頭，單位為m；η是指水電站發(fā)電機(jī)的效率系數(shù)。而在智能技術(shù)運(yùn)用下，此項(xiàng)數(shù)據(jù)計(jì)算可借助大數(shù)據(jù)等技術(shù)完成高效運(yùn)算，減少技術(shù)人員人工數(shù)據(jù)處理的難度以及工作量。

為有效提高水電站運(yùn)行效率，智能化優(yōu)化的過(guò)程中需要針對(duì)多個(gè)系統(tǒng)完成可視化、智能化升級(jí)。在智能化改造升級(jí)過(guò)程中，本案例借助計(jì)算機(jī)設(shè)備完成智能化水電站系統(tǒng)搭設(shè)，以此形成智能監(jiān)測(cè)體系，全方位地監(jiān)測(cè)水電站運(yùn)行數(shù)據(jù)與信息，幫助技術(shù)人員判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并完成信息數(shù)據(jù)以及控制指令的傳達(dá)[1]。

本案例設(shè)計(jì)和應(yīng)用的智能化水電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具備自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)分析功能。站內(nèi)每個(gè)技術(shù)人員均下載手機(jī)App，之后便可以借助系統(tǒng)軟件完成視頻監(jiān)控。在水電站運(yùn)行期間，技術(shù)人員借助多種傳感器以及智能終端的運(yùn)用幫助工作人員隨時(shí)隨地掌握水電站的運(yùn)行狀況。在水電站運(yùn)營(yíng)調(diào)控期間，技術(shù)人員借助手機(jī)終端與外部智能傳感器相關(guān)聯(lián)，之后接收信息并下達(dá)管控指令，這便是本案例智能化水電站技術(shù)應(yīng)用的主要方案構(gòu)想。

此外，本項(xiàng)目改造應(yīng)用自適應(yīng)優(yōu)化調(diào)度模型，將其作為強(qiáng)化水電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益的重要形式。在智能化技術(shù)運(yùn)用中，水電站根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)狀況以及約束條件的設(shè)置完成算法計(jì)算，并結(jié)合最終的數(shù)據(jù)狀況開(kāi)展自動(dòng)化適應(yīng)調(diào)整，為后續(xù)的智能化決策奠定基礎(chǔ)，保障水電站經(jīng)濟(jì)效益。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，技術(shù)人員借助智能化系統(tǒng)完成模型參數(shù)的設(shè)定之后通過(guò)系統(tǒng)形成調(diào)度方案。

本項(xiàng)目的主變改造是指，對(duì)原有系統(tǒng)中能夠繼續(xù)運(yùn)用的主變系統(tǒng)借助外置傳感器，以及智能設(shè)備的安裝實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)。一般來(lái)講，此過(guò)程需要增設(shè)IED監(jiān)測(cè)裝置以及智能化終端等零件。在本項(xiàng)目改造的過(guò)程中，技術(shù)人員將以上零件裝置配置在智能化組件區(qū)域，之后運(yùn)用智能單元強(qiáng)化系統(tǒng)運(yùn)行。水電站運(yùn)行期間，信息數(shù)據(jù)可直接上傳至GOOSE網(wǎng)絡(luò)中，之后借助網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳遞至控制層的MMS網(wǎng)絡(luò)。在信息數(shù)據(jù)傳遞的過(guò)程中狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器會(huì)結(jié)合數(shù)據(jù)狀況完成參量配置。

與此同時(shí)，智能設(shè)備運(yùn)用下，通信過(guò)程主要是運(yùn)用光纖與以太網(wǎng)開(kāi)展，而非電量保護(hù)則是按照DL/T500完成信號(hào)監(jiān)測(cè)，以此強(qiáng)化水電站智能化水準(zhǔn)。在改造內(nèi)容上，主要針對(duì)套管等完成監(jiān)測(cè)，借助傳感器等展開(kāi)在線繼電器壓力檢測(cè)以及油質(zhì)分析等內(nèi)容[2]。

1.1.2 升壓站斷路器、隔離開(kāi)關(guān)技術(shù)運(yùn)用

傳統(tǒng)的水電站內(nèi)部含有大量的開(kāi)關(guān)裝置設(shè)備，雖然使用壽命較長(zhǎng)但是若是不能夠?qū)崿F(xiàn)智能化改造，則也會(huì)制約水電站的長(zhǎng)遠(yuǎn)建設(shè)。本案例在智能化水電站建設(shè)中，設(shè)計(jì)方案包括兩種形式，即“智能化設(shè)備+GOOSE網(wǎng)絡(luò)”與“GIS裝置+GOOSE網(wǎng)絡(luò)”。其中，前者是指通過(guò)就地增設(shè)智能終端的形式，完成GOOSE光纖網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。與此同時(shí)，在智能化裝置運(yùn)用下，閉鎖告警功能可實(shí)時(shí)掌握濕度、溫度等信息，以此滿足自動(dòng)化管控。GIS模式的運(yùn)用則是指在原有結(jié)構(gòu)上增設(shè)智能設(shè)備以及智能傳感器，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可視化管控。本案例涉及的智能組件涵蓋智能管控設(shè)備以及合并單元等，其中前者與GIS智能管控柜相連接，后者則是可以單獨(dú)設(shè)置，以此接收數(shù)據(jù)，并完成加工分析，確保其符合標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.3 一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)智能化系統(tǒng)運(yùn)用

一次設(shè)備屬于系統(tǒng)重要結(jié)構(gòu)，在智能化技術(shù)運(yùn)用的過(guò)程中，主要是為了確保數(shù)據(jù)信息能夠滿足智能化采集。本案例建設(shè)使用的智能設(shè)備包括IED裝置，該裝置可以在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用下，實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)收集以及分析處理，實(shí)時(shí)分析油中氣的成分以及油位等數(shù)據(jù)參數(shù)，并在光纖的使用下完成IED系統(tǒng)信息互通，為技術(shù)人員掌握設(shè)備運(yùn)行參數(shù)創(chuàng)造良好的條件。

1.1.4 主變壓器智能技術(shù)優(yōu)化

本改造項(xiàng)目水電站內(nèi)部的每一臺(tái)變壓器裝置內(nèi)部均設(shè)有非電量保護(hù)裝置，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)保護(hù)。此功能主要借助智能單元實(shí)現(xiàn)，智能單元內(nèi)部包含完整的智能交互信息程序，可隨時(shí)為技術(shù)人員提供數(shù)據(jù)信息，并結(jié)合實(shí)際完成非電量保護(hù)。與此同時(shí)，本系統(tǒng)借助GOOSE網(wǎng)絡(luò)完成非電量保護(hù)跳閘操作，以此強(qiáng)化系統(tǒng)智能化管控的整體水平。總而言之，項(xiàng)目改造完成之后，水電站的智能管控水平進(jìn)一步提升，可滿足數(shù)據(jù)廣泛收集、分析、處理、傳遞的需求，為水電站長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1.2 微機(jī)保護(hù)智能化技術(shù)運(yùn)用

1.2.1 設(shè)備智能化

傳統(tǒng)水電站中，主要是運(yùn)用LCU以及PLC智能設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集與傳遞，而本項(xiàng)目基于智能化升級(jí)背景完成改造，則可以實(shí)現(xiàn)多區(qū)域的智能管控。這是因?yàn)樵诨ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用下，不同的廠家均使用統(tǒng)一的開(kāi)放協(xié)議內(nèi)容，因此單元層設(shè)備裝置可直接將信息傳遞至主控層的設(shè)備中，以此降低傳統(tǒng)LCU裝置數(shù)據(jù)收集的難度和壓力。在原有裝置機(jī)組中，PLC種類(lèi)運(yùn)用形式較多，可滿足水位、壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置啟停控制需求，因此在后續(xù)智能化過(guò)程中，可在其基礎(chǔ)上加大智能裝置運(yùn)用，例如新型傳感器等，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)用目標(biāo)的同時(shí)減少此過(guò)程的能源損耗。

1.2.2 開(kāi)關(guān)站220kV系統(tǒng)過(guò)程層智能化改造

為有效強(qiáng)化系統(tǒng)保護(hù)水準(zhǔn)，技術(shù)人員對(duì)220kV的系統(tǒng)過(guò)程層完成智能化優(yōu)化。一般來(lái)講，220kV為常規(guī)互感器，內(nèi)部設(shè)有合并單元，線路高抗性能較好。在智能優(yōu)化過(guò)程中，技術(shù)人員對(duì)線路保護(hù)設(shè)備以及測(cè)量裝置、濾波裝置等開(kāi)展了交流采樣工作，并運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)布置等形式，開(kāi)展合并單元優(yōu)化。在實(shí)際工作中，技術(shù)人員在220kV斷路器中增設(shè)了跳閘線圈，因此斷路器設(shè)備內(nèi)部還可以直接與智能終端完成連接，以此強(qiáng)化智能跳閘。其中，智能終端的安裝主要是就地處理，在接口設(shè)計(jì)方面包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及智能化GOOSE兩種形式，在裝置安裝的過(guò)程中滿足母線保護(hù)等實(shí)際需要。

1.2.3 調(diào)速系統(tǒng)智能化技術(shù)運(yùn)用

調(diào)速系統(tǒng)主要是在主控層與過(guò)程層之間，按照DL/T860標(biāo)準(zhǔn)完成模型搭建，之后技術(shù)人員通過(guò)機(jī)組連接完成通信。在本案例中，工作人員主要使用電壓電流冗余型水輪機(jī)調(diào)節(jié)器，其內(nèi)部含有兩套控制器，可直接與壓油智能化接口以及其他A/B液接口相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)需要[3]。

1.2.4 勵(lì)磁系統(tǒng)智能化技術(shù)應(yīng)用

勵(lì)磁系統(tǒng)是在主控層與過(guò)程層之間，要求在智能化的過(guò)程中必須滿足網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，在智能化設(shè)計(jì)中運(yùn)用冗余型調(diào)節(jié)器裝置，將其與過(guò)程層的智能斷路器相連接，以此管控溫度以及反饋量等數(shù)據(jù)信息。在調(diào)節(jié)器運(yùn)行的過(guò)程中，智能接口與GOOSE相連接直接完成信息數(shù)據(jù)的接收，幫助技術(shù)人員掌握發(fā)電機(jī)等運(yùn)行狀況。

與此同時(shí)，智能化勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行具備自我判斷等功能，可系統(tǒng)化地監(jiān)測(cè)某一時(shí)期系統(tǒng)狀態(tài)，并針對(duì)性地完成啟動(dòng)操作。為確保監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)完成數(shù)據(jù)收集，調(diào)節(jié)器在使用的過(guò)程中還會(huì)借助網(wǎng)絡(luò)信號(hào)將信息傳遞至智能控制單元中的設(shè)備，之后同時(shí)接收上級(jí)控制指令，進(jìn)而強(qiáng)化系統(tǒng)智能管控。結(jié)合目前情況來(lái)看，本案例中的智能化勵(lì)磁系統(tǒng)在運(yùn)用的過(guò)程中，可借助智能終端強(qiáng)化機(jī)組啟動(dòng)管控以及無(wú)功調(diào)節(jié)，幫助各單元層完成信息數(shù)據(jù)的互通。

1.2.5 故障錄波智能化改造

結(jié)合現(xiàn)階段的IES61850水電站管控標(biāo)準(zhǔn)，要求應(yīng)將錄波設(shè)備安裝在單元層中，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行交直流電壓量、電流數(shù)據(jù)等信息的監(jiān)管。一般來(lái)講，智能化技術(shù)運(yùn)用中可使用裝置觸電智能監(jiān)測(cè)等形式完成數(shù)據(jù)分析，且故障錄波系統(tǒng)通常是以直接接入的形式完成處理。從整體來(lái)看，本案例中水電站設(shè)備運(yùn)行的交流電壓量，被運(yùn)用在記錄中性點(diǎn)電壓中；開(kāi)關(guān)量則是記錄繼電保護(hù)設(shè)備的跳閘觸點(diǎn)以及其他裝置的觸點(diǎn)。

2 水電站通信系統(tǒng)智能化改造技術(shù)應(yīng)用

2.1 主控層智能化

主控層網(wǎng)絡(luò)是指主機(jī)設(shè)備與IED之間的以太網(wǎng)形式。在本案例中，以太網(wǎng)運(yùn)用ACSI以及SCSM技術(shù)形式處理原有水電站運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定性與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運(yùn)用之間的問(wèn)題。在傳統(tǒng)水電站運(yùn)行過(guò)程中，一旦對(duì)SCSM技術(shù)加以?xún)?yōu)化，則必須同時(shí)優(yōu)化ACSI才能夠滿足使用需求，而本項(xiàng)目智能化改造建設(shè)使用MMS協(xié)議，其支持的通信網(wǎng)絡(luò)種類(lèi)較多，可同時(shí)滿足以太網(wǎng)以及TCP/IP等運(yùn)用需求，因此主控層使用更加具備靈活性。

2.2 過(guò)程層智能化

過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)是指單元層與過(guò)程層之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的以太網(wǎng)形式，內(nèi)部通信種類(lèi)較多，其中最為關(guān)鍵的便是SMN以及GOOSE網(wǎng)絡(luò)形式，目前SNTP等網(wǎng)絡(luò)形式也可以輔助系統(tǒng)完成信息數(shù)據(jù)傳遞。

相比于其他網(wǎng)絡(luò)，過(guò)程層對(duì)數(shù)據(jù)信息傳遞的時(shí)效性標(biāo)準(zhǔn)要求更高，因此在智能化技術(shù)運(yùn)用的過(guò)程中，技術(shù)人員開(kāi)始大量使用SMV以及GOOSE網(wǎng)絡(luò)。在技術(shù)運(yùn)用下，信息數(shù)據(jù)傳遞的通信協(xié)議只運(yùn)用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO中的4層，直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的傳遞，降低了此過(guò)程中數(shù)據(jù)打包以及傳遞運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間成本，能夠有效提升信息傳遞的時(shí)效性。

結(jié)合目前情況來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括總線、星形以及環(huán)形幾種，其中后者冗余性較高，具備較強(qiáng)的安全性，然而在使用的過(guò)程中一旦出現(xiàn)故障，或者連線終端便需要重新生成RSTP協(xié)議并進(jìn)行信息修復(fù)，此過(guò)程時(shí)間成本較高，難以滿足延時(shí)在4ms以?xún)?nèi)的標(biāo)準(zhǔn)要求，因此在后續(xù)智能化技術(shù)運(yùn)用的過(guò)程中，應(yīng)該升級(jí)結(jié)構(gòu)內(nèi)容，運(yùn)用雙星型冗余結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題。

在本案例中，為保障數(shù)據(jù)傳遞的精準(zhǔn)度，使數(shù)據(jù)傳遞信息能夠滿足配置需求，技術(shù)人員在開(kāi)展過(guò)程控制層智能化的過(guò)程中按照以下要求開(kāi)展：合并單元運(yùn)用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式完成采樣值確認(rèn)，之后按照標(biāo)準(zhǔn)要求提供通信協(xié)議；智能重點(diǎn)設(shè)備運(yùn)用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式接受LCU設(shè)備的開(kāi)關(guān)跳閘指令要求，并提供光纖接口，使其能夠與過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)，為后續(xù)提供I/O信息奠定基礎(chǔ)；合并單元應(yīng)單獨(dú)處理，需結(jié)合采樣信息完成單元設(shè)置，若是重要I/O信息則要設(shè)有雙重化的智能設(shè)備終端。在設(shè)備安裝的過(guò)程中，應(yīng)確保冗余設(shè)備的獨(dú)立性。從安裝的角度來(lái)看，智能優(yōu)化的過(guò)程中合并單元以及終端設(shè)備就地處理，開(kāi)關(guān)站的終端設(shè)備也是直接安裝[4]。

綜上所述，傳統(tǒng)水電站在運(yùn)行的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)受到外在因素的影響出現(xiàn)諸多不足，而在智能化改造的背景下，則可強(qiáng)化電能質(zhì)量，優(yōu)化輸電的穩(wěn)定與安全，為水電站創(chuàng)元可持續(xù)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。在具體工作中，要求技術(shù)人員須針對(duì)一次設(shè)備，以及微機(jī)系統(tǒng)裝置開(kāi)展智能化優(yōu)化與升級(jí)，并借助互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展主控層與過(guò)程層智能完善，以此確保水電站建設(shè)能夠滿足智能化時(shí)代發(fā)展需要，為社會(huì)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供能源支持。