水電站智能化用能管控平臺(tái)擴(kuò)展研究

董曉寧，馬曉東

（黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司甘肅鹽鍋峽發(fā)電有限公司，甘肅 永靖 731601）

甘肅鹽鍋峽發(fā)電有限公司下轄鹽鍋峽、八盤(pán)峽兩座黃河中上游干流的大、中型水力發(fā)電站，其中鹽鍋峽水電站安裝有10 臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，全站總裝機(jī)509.6 MW。八盤(pán)峽水電站安裝有6 臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，全站總裝機(jī)220 MW。2019年鹽鍋峽、八盤(pán)峽水電站水情自動(dòng)化系統(tǒng)上線運(yùn)行，在該項(xiàng)目實(shí)施完成后，針對(duì)兩座水電站現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)管理和設(shè)備運(yùn)行需求，自主開(kāi)發(fā)了雨量實(shí)時(shí)采集、電力現(xiàn)貨實(shí)時(shí)跟蹤及結(jié)算數(shù)據(jù)查詢(xún)、發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視等功能，目前系統(tǒng)通過(guò)不斷的完善和后續(xù)的開(kāi)發(fā)已發(fā)展為集水情數(shù)據(jù)、機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、電能量數(shù)據(jù)等，集數(shù)據(jù)采集、存貯、計(jì)算、分析為一體的智能化用能管控平臺(tái)，為更好的發(fā)揮系統(tǒng)的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，充分挖掘平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析能力，通過(guò)對(duì)供水、污水、供熱等辦公生活保障系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行信息化改造，接入智能化用能管控平臺(tái)，優(yōu)化供水、污水、供熱運(yùn)行方式，提升水電站在用能方面的綜合運(yùn)行能效管理水平。

1 研究的意義及目的

鹽鍋峽水電站和八盤(pán)峽水電站兩座建成60 年和40 年的“老水電”，不同于其他新建電站，公司的所有機(jī)構(gòu)和人員全部集中在電站工作和生活，目前電站的辦公生活供水、污水和供熱系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)的管理和技術(shù)手段，主要依靠電話(huà)詢(xún)問(wèn)、現(xiàn)場(chǎng)查看等方式了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，未實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和信息化管理。辦公生活供水、污水和供熱系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息主要依靠人工記錄匯總，不能實(shí)時(shí)的進(jìn)行分析和管理決策。通過(guò)后期的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)辦公生活系統(tǒng)存在著能耗較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)劃管理的弊端。

隨著國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，以綜合智慧零碳電廠、綠能生態(tài)融合等新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的科研需求為導(dǎo)向，為適應(yīng)現(xiàn)代化電站管理模式，消除信息化“孤島”最后1 km，把辦公生活供水、污水和供熱系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息接入水電站智能化用能管控平臺(tái)，對(duì)站內(nèi)辦公生活供水、污水和供熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集控運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能減排、降耗減碳、優(yōu)化人力資源配置的目標(biāo)。

2 主要研究?jī)?nèi)容與預(yù)期目標(biāo)

2.1 主要研究?jī)?nèi)容

水電站辦公生活供水、污水、供熱的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，自上而下，由五層構(gòu)成，包括：智能化用能管控平臺(tái)層、數(shù)據(jù)管理層、監(jiān)控操作層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)層[1]。

管理層（數(shù)據(jù)中心）負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和處理采集到的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)向電廠智能化用能管控平臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)；操作層通過(guò)遠(yuǎn)程SCADA 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供水、污水和供熱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)報(bào)警處理[2]；控制層PLC 負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)層的控制和數(shù)據(jù)采集；現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備負(fù)責(zé)采集設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)和執(zhí)行器開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

2.1.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

電站整體采用分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分為PLC采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心和控制中心三個(gè)部分。電站生產(chǎn)生活遠(yuǎn)程監(jiān)控控制系統(tǒng)設(shè)兩級(jí)組成集散控制系統(tǒng)架構(gòu)，一級(jí)是廠級(jí)控制中心-中央控制室（上位管理），二級(jí)是區(qū)域控制工作站（現(xiàn)場(chǎng)控制站）。實(shí)現(xiàn)對(duì)電站供水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控[3]。整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)中央控制室、兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站組成，中央控制室與現(xiàn)場(chǎng)控制站之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，組成一個(gè)IT 和OT 雙網(wǎng)融合的通信控制網(wǎng)絡(luò)。供水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)均可通過(guò)融合控制網(wǎng)絡(luò)與智能化用能管控平臺(tái)完成數(shù)據(jù)信息的聯(lián)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電站辦公生活系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和企業(yè)信息管理系統(tǒng)的相互融合。

2.1.2 電站供水遠(yuǎn)程監(jiān)控SCADA 系統(tǒng)構(gòu)建分析

按照電站辦公生活供水系統(tǒng)工藝流程，電站供水系統(tǒng)是按照以下生產(chǎn)處理工藝流程（如圖1 所示）為站區(qū)提供辦公生活用水。

圖1 八盤(pán)峽水電站辦公生活供水系統(tǒng)工藝流程

供水系統(tǒng)目前沒(méi)有完善的底層控制系統(tǒng)，按照遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)兩級(jí)組成集散控制架構(gòu)[1]，供水系統(tǒng)由一個(gè)在中央集中控制室的遠(yuǎn)程SCADA 系統(tǒng)和兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC 控制站組成，中央控制室與現(xiàn)場(chǎng)控制站之間通過(guò)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。其中，PLC 控制站負(fù)責(zé)采集設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)和執(zhí)行器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和處理采集到的數(shù)據(jù)，控制中心則通過(guò)SCADA 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供水生產(chǎn)工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，供水生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、供水水質(zhì)監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)報(bào)警[4]。具體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 供水遠(yuǎn)程調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案圖

2.1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理

智能化用能管控平臺(tái)支持云端部署和本地化部署兩種方式[5]，電站可根據(jù)自身情況部署。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理總體架構(gòu)涉及到實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、整理及管理等過(guò)程。

針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的分散特點(diǎn)，采取分布式數(shù)據(jù)處理的方式。分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)指能夠接受和容納多個(gè)設(shè)計(jì)群體數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)，分布在不同的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索和處理[6]。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)來(lái)自監(jiān)測(cè)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入等過(guò)程，數(shù)據(jù)格式有結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化的圖片數(shù)據(jù)，而且對(duì)于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)周期、讀寫(xiě)效率等各項(xiàng)指標(biāo)要求均不同。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用不同服務(wù)器存儲(chǔ)不同類(lèi)型數(shù)據(jù)，可以通過(guò)服務(wù)器硬件配置對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)配。

2.2 預(yù)期目標(biāo)

（1）通過(guò)對(duì)水電站供水、污水、供熱等辦公生活保障系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行信息化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)水電站辦公生活保障系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和集中控制。

（2）通過(guò)跨平臺(tái)架構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模型的研究，為水電站辦公生活系統(tǒng)信息化改造提供數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的技術(shù)支撐。

（3）以水電站辦公生活供水、污水、供熱系統(tǒng)的信息化轉(zhuǎn)型和精細(xì)化管理為目標(biāo)，同時(shí)考慮節(jié)能降耗為約束條件，通過(guò)對(duì)水電站智能化用能管控平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展研究，以水電站供水系統(tǒng)中的大功率水泵機(jī)組為控制對(duì)象，研究針對(duì)泵組運(yùn)行優(yōu)化的智慧節(jié)能控制策略，提升水電站辦公生活保障系統(tǒng)設(shè)備的綜合運(yùn)行能效管理水平。

3 研究成果的重要意義

（1）智能化用能管控平臺(tái)通過(guò)接入水電站供水、污水、供熱等數(shù)據(jù)信息，完善智能化用能管控平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息融合。

（2）通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析制定出水電站供水、污水和供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行最佳方案，提升供水、污水和供熱系統(tǒng)設(shè)備機(jī)組運(yùn)行能效管理水平。

（3）通過(guò)成果應(yīng)用可提升電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益。軟件系統(tǒng)可用于其他水電站，保障水電站供水、污水和供熱系統(tǒng)設(shè)備的安全、高效和穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

通過(guò)水電站智能化用能管控平臺(tái)擴(kuò)展研究項(xiàng)目的實(shí)施，首先可以實(shí)現(xiàn)水電站辦公生活保障系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，消除信息孤島，將全部生產(chǎn)工藝系統(tǒng)納入廠級(jí)信息管理平臺(tái)；其次在供水和污水具體生產(chǎn)過(guò)程中大幅度減輕操作運(yùn)維人員的勞動(dòng)工作強(qiáng)度，消除安全隱患；最后在大數(shù)據(jù)、現(xiàn)代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的加持下對(duì)水電站供水、污水和供熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)維，通過(guò)智能化運(yùn)維技術(shù)在水電站辦公生活保障系統(tǒng)中的應(yīng)用，為鹽鍋峽水電廠的數(shù)字化、信息化建設(shè)提供新的思路，為鹽鍋峽水電廠的智慧化轉(zhuǎn)型進(jìn)行有益的探索和實(shí)踐。