智能水電廠自動化系統總體構想初探

王德寬，張 毅，劉曉波，何飛躍，余江城，段振國

（中國水利水電科學研究院中水科技公司，北京，100038）

智能水電廠自動化系統總體構想初探

王德寬，張 毅，劉曉波，何飛躍，余江城，段振國

（中國水利水電科學研究院中水科技公司，北京，100038）

結合正在進行的具體研究項目，對智能水電廠自動化系統總目標、建設的總原則、總體構成及狀態檢修系統智能化、信息統一平臺智能化、經濟運行與智能調度等進行了探討，討論了智能水電廠各自動化系統的關系，并提出了水電廠自動化系統智能化建設改造方案，可供水電廠自動化、智能化領域的人員參考。

智能水電廠；自動化系統；監控系統；總體構想

0 概述

經過多年的不懈努力和技術進步，我國水電廠已普遍裝備了計算機監控系統、水情水調、繼電保護等系統，機組狀態監測、大壩監測、計量等自動化系統也初具規模。但各系統發展水平不平衡，由于沒有統一的接口標準和規范，各個系統間數據共享困難，未能有效發揮系統功能，距智能水電廠信息化、自動化、互動化的目標差距較大。

國際電工委員會第57技術委員會（IECTC57）制定了有關自動化系統實時通信的國際標準IEC61850，可以將當前眾多的通信協議規范化，代表了自動化技術的發展方向。目前已正式出版了水電廠監控通信標準IEC61850-7-410。通過智能水電廠建設，實現一次設備智能化，二次設備網絡化數字化，數據的采集和傳輸光纖化，全廠數據共享互動化，各信息系統之間有機配合與互操作，減少設備重復建設，節約大量二次電纜，解決電站抗干擾問題，提高設備及系統的可靠性和實時性，最終減少電站投資。

建設智能水電廠，目的是提升水電廠的安全和經濟運行水平，進一步提高機組的可觀性、可控性和可調性，提升網廠之間的智能協調水平。由于國內在智能水電廠方面剛剛起步研究，加強智能水電廠的概念、目標、功能、系統配置及系統間互動的研究，有利于推動計算機監控系統、機組狀態檢修、水電廠經濟運行等方面研究的展開。

1 智能水電廠的總目標

智能水電廠是智能電網的重要組成部分，但又與智能電網關注的重點有本質的不同，應注重電廠的安全和效益。智能水電廠的總體目標應該是通過智能化改造，進一步提高水電廠生產及管理的自動化水平，提高設備的安全運行水平，提高全廠經濟效益，為實現狀態檢修創造條件。具體目標如下：

（1）生產過程控制的智能化：完成水電廠計算機監控系統的智能化升級，通過對通信傳輸和計算機網絡系統的改造。

（2）運行調度決策的智能化：完成水情、氣象、水調和防汛決策支持等系統的智能化改造，實現水庫智能化調度，提高全廠經濟運行水平。

（3）設備檢修決策、大壩安全監測、設備運行管理的智能化：實現對水輪發電機組、變壓器、斷路器等主要設備及水工建筑物的在線狀態監測和智能診斷，提高設備故障診斷水平，減少運行維護及檢修成本。

（4）數據信息平臺的一體化：建設數據信息統一平臺，實現各自動化系統之間、系統與數據采集之間的IEC61850互聯，實現各生產自動化系統、管理信息化系統的數據共享與綜合應用。

（5）全廠經濟效益的最大化：提高設備安全運行水平，全面提升經濟效益，提高全員勞動生產率，降低勞動強度。

2 智能水電廠建設的總原則

（1）安全可靠性：智能化改造首先必須遵守的安全、可靠性的原則。應采用成熟可靠的技術和產品，確保改造后的系統能安全、穩定、可靠地運行。

（2）開放性：廣泛采用國際、國家或行業標準和規范，如IEC61850，提高系統的開放性。選用國際知名廠商的標準化產品，以方便備品備件及后續升級。

（3）先進性：追求技術先進和一定的超前性，但不盲目追求先進而損害安全可靠性。已建電站智能化改造時改動一次設備難度大并存在風險，應在二次設備、故障診斷與狀態檢修、水庫優化調度和水能最佳利用等方面下功夫，充分考慮技術的先進性與生產的安全性的平衡。

（4）經濟性：在確保智能化目標的前提下，原有設備通過局部升級改造時，盡量進行局部改造，避免投資浪費。

（5）積極穩妥抓重點：由于智能水電廠是一個新生事物，沒有先例可鑒，工作量大，涉及面廣，應以提高決策智能化、安全性、可靠性及經濟性等為重點，以影響上述因素最突出的設備為突破口，積極穩妥，逐步展開，取得實效。

3 系統總體設計

3.1 智能水電廠自動化系統總體構成

智能水電廠具體體現在一系列高度智能化的生產過程控制、運行決策和生產輔助管理自動化系統。這些系統相對獨立，功能明確，界限清晰，完成各自的特定功能，相互之間又有機互聯，實現數據共享互動配合，完成全廠智能化的目標。

（1）智能化系統的構成

智能水電廠自動化系統總體構成可以概括為具有特定功能的一系列智能化應用自動化系統的有機集成。這些系統分屬三大安全區域，通過全廠統一數據信息平臺實現互動，實現水電廠生產過程控制、運行決策與生產管理的智能化，使水電廠的效益最大化。

（2）系統間的互聯

三大安全區域各有一個數據共享平臺，負責整合本區各自動化系統，實現數據互聯、共享和互動。

系統間互聯初期可在具備條件的系統間采用IEC61850規約，后期應逐步推廣采用IEC61850規約。

三大安全區域之間的互聯，應按國家電監會等部門的有關規定，采取必要的安全防護措施。智能水電廠自動化系統總體構成如圖1所示。

圖1 智能水電廠自動化系統總體結構圖

由于水電廠的辦公自動化系統及其他屬于安全IV區的系統與生產直接關系不十分密切，本文沒有將這些系統納入智能水電廠建設體系中來。

（3）各自動化系統與傳感器、執行元件的連接

常規的傳感器、執行元件等二次設備，如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠動裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及在線狀態監測裝置等全部基于標準化、模塊化的微處理機設計制造，設備之間的連接全部采用高速的網絡通信，二次設備不再出現常規功能裝置重復的I/O現場接口，通過網絡真正實現數據共享、資源共享，常規的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。

由于目前符合IEC61850標準的二次設備、儀器、儀表及智能電子設備（IED）并不很多，只能逐步向標準靠近，使系統具備接入支持IEC61850的IED的能力。

具體而言，如電站監控系統LCU應具備接入支持IEC 61850的IED的能力，如調速器、勵磁、保護、合并測控單元、同期等，也可接入常規硬布線信號，并繼續支持其他規約的通信。

3.2 智能化建設規劃

智能水電廠建設涉及生產、運行、維護管理的方方面面，規模大，結構復雜，內容多，技術難度大，建設周期長，是一項巨大的系統工程，為保證智能化建設的高起點和高水平，實現全廠各系統的統一有效管理和互動，避免重復建設，必須按照“統一規劃、分步實施”的原則進行總體規劃。

智能化建設規劃應根據進度要求、現場實際需求、具備的技術條件等，對包括基礎設施、應用支撐平臺、電站各應用系統等建設內容，以及相應的組織管理和技術保障等方面，按照系統總體層次架構進行規劃設計，通過多學科、多技術的相互支撐，整合各子系統，分階段、分層次開發建設，以實現各系統的有序耦合。

基礎設施是完成各類信息從數據采集、傳輸、處理、存儲到展示全過程的軟硬件設備及所需的實體環境，是智能水電廠建設的基礎。包括數據采集系統、通信系統、計算機網絡系統、數據儲存與管理等系統。

計算機網絡系統是各類自動化系統的連接交換平臺，應根據各個應用系統對網絡實時性、安全可靠性和帶寬要求建設計算機網絡。為提高網絡安全性和可擴展性，計算機網絡采用層次化結構，劃分為控制專網、業務內網和業務外網。

統一信息平臺為智能水電廠提供統一的信息支撐管理應用環境，實現全廠跨安全分區的各應用系統之間的數據統一交換與存儲共享。

應用系統是與水電廠運行維護管理直接相關的各業務子系統，主要包括計算機監控、水情水調自動化、在線監測與狀態檢修、大壩安全監測以及保護量測等系統，是智能化建設的主要內容。

4 電站自動化系統的智能化

目前電站自動化系統越來越多，變送器重復設置，信號重復采集，結構繁雜，信息源多，易受到電磁干擾，同時由于缺少統一的接口標準和數據結構模型，沒有從根本上解決信息化孤島問題，各自動化設備和系統間接口復雜，難以相互兼容與互操作，不同廠家設備間的互操作性更難以實現，對水電廠生產管理和自動化技術的進一步提高形成制約。

智能水電廠通過采用先進的傳感器、電子、信息、通信、控制、智能分析軟件等技術，建立全站所有信息采集、傳輸、分析、處理的數字化統一應用平臺，實現了自動化功能的整合，簡化現有的水電廠監測設備，系統更為經濟、可靠。僅用一套間隔層測控裝置實現保護、測控、錄波、測距、選線等自動化功能，使現場設備大大減少和簡化，顯著降低了一次性設備成本和運行維護成本；同時由于裝置減少和消除了復雜的電纜接線，大大提高整個系統的可靠性。

鑒于目前數字化傳感器和智能開關組件尚不成熟和穩定，水電廠智能化改造并不意味著更換一次設備，仍可采用傳統開關和傳統PT/CT，但智能水電廠計算機監控系統應具備接入合并單元、開關控制器等IEC61850智能設備的能力，實現IEC61850-9-1、或者IEC61850-9-2采樣值接收以及GOOSE跳閘報文的發送。

4.1 智能水電廠系統結構

智能水電廠自動化系統的結構，在物理上可分為兩類，即智能化的一次設備和網絡化的二次設備。在邏輯結構上可分為三個層次，根據1EC61850通信協議定義，這三個層次分別稱為“過程層”、“間隔層”、“站控層”。各層次內部及層次之間采用高速網絡通信。其中，站控層與間隔層網絡采用交換式以太網，介質可選雙絞線。間隔層與過程層的網絡也采用交換式以太網，介質應采用光纖。其系統結構如圖2所示。

4.1.1 過程層

過程層是一次設備與二次設備的結合面，或者說是指智能化電氣設備的智能化部分。過程層的主要功能分為以下三類：

（1）實時電氣量檢測

與傳統的功能一樣，主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測，其他電氣量如有功、無功、電能量可通過間隔層的設備運算得出。

（2）狀態參數在線檢測與統計

水電廠需要進行狀態參數檢測的設備，主要有變壓器、斷路器、刀閘、母線、電容器、電抗器以及直流電源系統。在線檢測的內容，主要有溫度、壓力、密度、絕緣、機械特性以及工作狀態等數據。

（3）操作控制的執行與驅動

操作控制的執行與驅動，包括變壓器分接頭調節控制，電容、電抗器投、切控制，斷路器、刀閘的合、分控制，直流電源充、放電控制。

4.1.2 間隔層

間隔層設備的主要功能是：（1）匯總本間隔過程層實時數據信息；（2）實施對一次設備保護控制功能；（3）實施本間隔操作閉鎖功能；（4）實施操作同期及其他控制功能；（5）對數據采集、統計運算及控制命令的發出，具有優先級別的控制；（6）承上啟下的通信功能，即同時高速完成與過程層及站控層的網絡通信功能。

4.1.3 站控層

通過兩級高速網絡匯總全站的實時數據信息，刷新實時數據庫，實現全廠集中監控及人機聯系功能。按標準規約，將有關數據信息送往調度或控制中心，并接收調度或集控中心有關控制命令，轉間隔層、過程層執行；具有對間隔層、過程層諸設備的在線維護、在線組態，在線修改參數的功能。

4.2 計算機監控系統改造方案

由于目前智能水電廠一次設備一般不進行更換，仍采用傳統PT/CT，我們認為電廠計算機監控系統智能化改造的主要目標是進一步提高系統的安全性、可靠性、經濟性、開放性和人機聯系的友好度。智能水電廠監控系統改造目前可按以下兩個階段進行。

（1）監控智能化改造階段一

對現有電廠計算機監控系統進行軟件升級改造，在站控層和間隔層增加IEC61850通信接口，實現IEC61850的IED設備接入，同時保留各種常規通訊接口，保留主要計算機設備和PLC，進行軟件和少量硬件升級，可顯著提升系統的智能化水平，優化系統性能。對于現地層智能設備數據通訊，優先采用IEC61850通信規約和現場總線方式實現設備間數據交換，其他數據可通過常規方式實現接入。

在這個階段，系統采用兩層結構設計，即一次設備仍采用傳統的PT/CT，機組LCU、開關站LCU、公用LCU的PLC不更換，數據采集及控制以硬接線為主的形式實現。站控層和LCU通信仍采用PLC廠家的網絡規約。

在LCU的PLC中配置相應的IEC61850通信接口模塊，實現間隔層IEC61850-8-1通信的IED設備接入。

在監控系統站控層增加IEC61850網關，完成IEC61850標準接口開發，支持IEC61850的有關系統和IED設備接入，網關將從IED設備接收的實時數據放入監控系統實時庫，監控系統通過網關實現對IEC61850有關設備的控制。

（2）監控智能化改造階段二

實現計算機監控系統對IEC61850標準的全面支持，系統采用兩層結構，站控層和間隔層采用IEC61850-8-1通信。一次設備仍可采用傳統的PT/CT。PLC更換為支持IEC61850的PLC，具有接入非常規PT/CT和開關控制器的能力，LCU與站控層通信采用IEC61850-8-1通信規約。

間隔層設備（包括機組LCU、開關站LCU、公用LCU）的數據來自合并單元，合并單元可以IEC61850-9-1，IEC61850-9-2發送采樣值。間隔層設備對開關量的控制可通過向開關控制器發送GOOSE報文實現。

5 狀態檢修系統智能化

實施機組狀態檢修決策系統是建設智能水電廠的主要目標之一。

近年來，狀態監測與故障診斷技術在國外發展迅速，特別是在在線監測、網絡技術與遠程訪問等方面進步明顯。但由于故障診斷、設備狀態評估等技術還存在一些不確定性，還需要在實踐中不斷完善。從水電行業發展來看，設備狀態檢修代替定期檢修是發展的必然趨勢，需經歷一個過程。在這個過程中，狀態檢修還不能完全取代定期檢修方式，而是形成一套融故障檢修、定期檢修和狀態檢修為一體的、優化的檢修方式。而且，要做到真正的狀態檢修，僅有技術支持系統是不夠的，還需要水電廠整體水平的提升，如高素質的管理人員、健全的設備管理體制、先進的配套設備與技術等。

由于狀態監測與故障診斷系統涉及的設備及子系統眾多，且來自不同的廠家，通過智能化建設，采用開放的通信規約、統一的技術標準與數據模型，使系統各個部分之間能夠實現網絡化的無縫通信，最終實現“即插即用”的環境。

智能水電廠狀態檢修決策系統結構采用分層分布式結構，由電站監測層－中心診斷層－用戶訪問層組成。

電站監測層由站級數據服務器和機組監測設備組成。站級數據服務器用于監測、存儲各電站機組的狀態數據，并向中心診斷層發送設備狀態數據。其中機組監測設備包括在線監測設備和離線設備。在線監測設備由多個監測模塊組成，其監測范圍涵蓋機組振動與擺度、壓力脈動、噪聲、空化、機組效率、發電機氣隙、發電機局部放電、變壓器油色譜、GIS局部放電等。

中心診斷層是系統的核心，主要負責監測設備日常維護、日常監測與報告，簡單故障分析等；進行故障診斷、機組維修建議、組織各個領域專家會診疑難故障，以及系統維護和升級等。主要由中心數據服務器、通訊服務器、WEB服務器、故障診斷服務器以及中心工作站等組成。

用戶訪問層包括電站內部用戶和Internet網上授權用戶等，如電網內部用戶、經過授權的高等院校、科研院所的診斷專家等。這些用戶可以遠程對設備運行狀態進行監測、診斷和維護。對于設備疑難故障，可組織不同專業的專家進行網上會診。

6 信息統一平臺智能化

建設信息統一數據平臺，按照IEC61850標準統一規范全廠各應用系統的通信接口與數據模型，實現電站各相關應用系統數據共享、集中管理，為全廠各種高級應用提供一體化的支撐平臺。

水電廠統一信息平臺由全廠三級安全區域的數據平臺組成。可結合計算機監控系統的智能化升級改造，建設安全I區的數據平臺；結合水情水調系統的智能化升級改造，建設安全II區的數據平臺；結合WEB發布功能和門戶網站的建設，建設安全III區的數據平臺。通過網絡安全防護設備，實現全廠三級安全區域數據平臺間的數據交換和共享。

統一信息平臺建設，需重新梳理各應用系統及其之間的關系，統一規劃三級安全區域，形成電廠生產數據中心。

在完成計算機通信網絡系統、統一信息平臺運行實體環境等支撐系統的基礎上，建設全廠數據交換和中心存儲設備，通過統一規范的傳輸規約和網絡接口，進行全廠各應用系統升級改造，整合離散的各個子系統，建立滿足全廠二次安全防護要求的信息統一平臺，形成全廠數據信息中心，實現跨安全分區的各應用系統之間的數據統一交換與存儲共享，消滅信息孤島，并根據智能水電廠對數據交換、存儲管理、數據挖掘、綜合應用、展現、發布等要求，進行統一信息平臺高級應用軟件的開發和功能擴展。為智能水電廠提供統一的信息支撐管理應用環境，滿足各應用系統的需求，提升電站自動化運行管理水平和綜合經濟效益。

7 經濟運行與智能調度

通過智能水電廠建設，實現水電廠機組之間的優化運行，提升電網與電廠智能協調控制及電站優化運行的智能化決策水平。根據水電廠的特點，可開展以下幾方面實用化研究：

（1）智能調度實用化數學模型及求解算法。

考慮水輪發電機組工況，水庫入庫流量與水量情況，電站運行約束，以及智能電網運行的要求，實現水電廠智能化最佳運行。

（2）水電廠優化調度與電網聯合智能協調控制技術。

研究水電廠優化調度與電網聯合智能協調控制技術，水電廠自動發電控制（AGC）與電網調度EMS系統的自動發電控制（AGC）功能實施合理信息交互，提高遠方負荷控制精度和自動化程度，實現更智能化的協調互動調度、控制。

8 結束語

本文是根據我們對智能水電廠的理解、從事的專業領域以及對當前水電廠實際情況的了解而寫成的。由于時間倉促，水平有限，對智能水電廠的理解難免有謬誤之處，敬請指正，希望對智能水電廠建設能有所裨益。

TV736

A

1672-5387（2011）03-0001-04

2011-04-11

王德寬（1960-），男，教授級高級工程師，現任北京中水科水電科技開發有限公司總經理，中國水利水電科學研究院自動化所所長，長期從事水電廠自動化、計算機監控與仿真技術研究與應用。