水電廠智能化技術發展動態調研

張毅

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

1 調研背景概述

隨著技術進步和全球新能源、分布式能源的發展，智能電網已成為未來世界電力系統發展的方向，為滿足未來能源發展的需要，2009年國家電網公司專門制定了“統一堅強智能電網關鍵設備（系統）研制規劃”，提出了智能電網發電、輸電、變電、配電、用電、調度環節及通信信息平臺的關鍵設備分階段研制目標，南方電網制定了有關智能電網的研發計劃，研制智能電網關鍵設備已成為當前電力系統技術發展的熱點和新方向。

結合所從事的水利水電自動化專業領域和當前水電廠智能化建設的實際需求，我們將水電廠智能化技術發展動態作為本次跟蹤調研的重點。北京中水科水電科技開發有限公司（中國水利水電科學研究院自動化所）在水利水電自動化領域具有30多年的研究開發經驗，是國內水電站計算機監控系統的主要研制廠家，在水電廠自動化控制系統方面，技術居國內領先水平。根據電力系統智能化發展趨勢，目前我們正在開展智能化水電廠建設方面的研究工作，為本次調研工作提供了良好基礎，希望我們的跟蹤調研工作能對國內智能水電廠建設有所裨益。

2 水電廠智能化技術調研的意義

水電廠智能化建設，代表了當前國際水利水電自動化技術的發展方向。由于國內外在智能化水電廠自動化技術方面的研究剛剛起步，智能水電廠的概念、目標、功能、系統配置、數據模型及系統間互動等方面均亟需進一步研究明確，目前開展水電廠智能化技術發展動態跟蹤調研，有利于推動水電廠計算機監控系統、保護測控、狀態檢修、水情水調及優化調度經濟運行等自動化系統智能化研究的展開。

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不同，隨著智能電網關鍵設備研制工作的展開，國內部分研究機構、設計院和水電廠已開始智能水電廠建設的前期規劃設計和研究工作，但在智能化水電站建設方面還缺乏共識，因此有必要開展智能水電廠自動化技術調研，跟蹤并全面、系統了解和掌握相關學科技術的國際發展態勢，對我國水利水電行業未來的發展和增長點進行分析，同時通過對新技術的調研和分析，為本專業技術研究和系統開發提供技術參考。

3 近年水電廠智能化自動化技術發展新動向和值得關注點

3.1 國內外智能電網技術發展動態

我國是統一堅強智能電網建設的倡導者，近年來，國家電網公司一直在努力打造以信息化、自動化、互動化為特征的統一的堅強智能電網。我國堅強智能電網是以特高壓電網為骨干網架，采用先進的設備技術和控制方法，研制堅強智能電網關鍵設備（系統），實現電網的安全、高效運行，以解決我國能源主要分布地與主要消費地不一致和可再生能源發展的問題。在智能電網建設初期，我國主要是對以電網調度系統和數字化變電站為主的二次設備進行更新。

智能電網是電力工業的未來發展方向，已在國內外形成共識。目前智能電網建設已在變電環節獲得較大進展，主要技術問題已基本解決，智能化、數字化變電站將成為新建變電站的主流。而智能化建設在發電領域還處于剛剛起步階段，主要是因為發電環節涉及的設備與系統更多、更復雜，技術標準與規范還需完善，智能化建設遇到的問題技術難度較大。

從2004年IEC正式發布IEC61850以來，ABB、SIEMENS、AREVA、GE等國外主要公司都推出了支持IEC61850標準的新一代變電站自動化系統。并在2006年8月就組織了13個廠商進行IEC61850產品的互聯展示。目前已經形成了一個完整的產業鏈。

IEC61850規約在我國等同引用為國內電力行業標準（DL/T860系列），并制定了相應的《DL/T860工程實施規范》，從2005年起，國調中心組織國內10個主要廠家和檢測單位成功進行了6次IEC61850互操作實驗，實現不同廠家的IED之間的信息交換與功能互動。在數字化變電站建設上，初步統計我國已有近百座數字化變電站投入運行，并在間隔層、變電站層等二次設備和系統上取得了較大的技術進步，在電子式互感器與智能化開關等需同時具備一、二次設備技術的過程層與國外仍有較大差距，可靠性方面等還有待進一步驗證與完善。

在發電環節，隨著計算機監控、保護測控、機組狀態監測等自動化系統的廣泛應用，為智能化建設打好了良好的基礎，但有關研究工作還處于剛剛起步階段。根據調研，國內水電廠計算機監控系統的主要研發企業均開展了相關的研究開發工作，另外成都勘測設計研究院、西北勘測設計研究院、東北勘測設計研究院等設計單位和白山電廠、葛洲壩電廠等發電企業均開展了智能化水電站的規劃設計工作。由于目前水電站智能化建設技術標準與規范還不夠完善，技術發展方向還缺乏共識，同時缺少適合水電廠的大量一次智能設備，這些都決定了開展發電環節智能化建設，研制關鍵設備和系統將需要一個相當長的時期。

綜合調研情況分析，在適合水電廠的一次智能設備難以獲得突破的情況下，水電廠智能化建設研究，研制發電環節智能化建設關鍵設備和系統，總體目標應該是通過智能化建設，進一步提高水電廠生產管理和設備的安全穩定與經濟運行水平，研究自動控制系統智能化關鍵技術，實現各系統之間的無縫連接，通過建立一體化系統信息平臺，實現數據共享與互動，提高系統之間的智能協調與安全運行水平，強化電廠對電網的支撐能力，提升電網與發電廠智能協調水平，并最終實現智能決策、優化運行，有效發揮水利水電工程經濟效益的智能化應用目標。在智能化水電廠自動化系統建設方面，重點是進行水電廠計算機監控系統、保護測控、水電機組狀態檢修、梯級水電站群經濟運行等二次系統的智能化研究。

3.2 發展的新方向和值得關注點

經過三十多年的發展和技術進步，基于計算機監控系統的綜合自動化系統在水電廠獲得了廣泛應用，顯著提高了水電廠自動化水平及安全運行水平，但由于缺少統一的接口標準和數據結構模型，使得各自動化設備和系統間接口復雜，難以相互兼容與互操作，為實現系統的統一管理和數據共享帶來困難，對水電廠生產管理和自動化系統技術發展產生了不利的影響。

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通信的國際標準IEC61850，目前新標準已改名為—電力企業自動化通信網絡和系統，并將IEC 61850標準推廣應用于水電廠自動化，并正式出版發行了水電廠監控通信標準 IEC61850-7-410：Hydroelectric power plants--Communication for monitoringand control。智能化、數字化代表了自動化系統未來發展方向。

智能水電廠通過采用先進的傳感器、電子、信息、通信、控制、智能分析決策等技術，建立全廠統一的信息采集、傳輸、分析、處理的一體化數據平臺，實現自動化功能的整合，簡化現有的水電廠監測設備，系統更為經濟、可靠。保護、監控、監測、錄波、計量等自動化裝置或功能可通過過程層網絡實現與同一套合并單元和智能化的一次設備接口，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。

目前還沒有嚴格的有關智能化水電廠的定義，但已有基本共識，智能化水電廠是指在硬件上由智能化一次設備（電子式互感器、智能化開關等）和網絡化、數字化的二次設備組成，軟件上以IEC61850標準作為通信協議，通過建立全廠統一的一體化系統信息平臺，實現設備間充分的信息共享和互操作。

目前在IEC61850的應用上二次廠家進展較快，一次廠家的技術水平落后于二次廠家，而智能化水電廠涉及的自動化系統和設備較多且較為復雜，因此實現真正的智能化水電廠將是一個長期、復雜和困難的過程，需要研究和解決的問題很多，IEC61850標準作為一個先進龐大的體系，提供了開放的通信協議、統一的數據模型和服務模型，代表了當今這個領域技術發展的方向，值得深入研究。

隨著技術的發展，電子式電流電壓互感器、智能化開關等各種一次智能化設備的完善，最終從技術層面實現全數字化的智能水電廠是可能的。在全數字化的智能化水電廠，各種智能設備均遵循IEC61850標準，所有數據均具有統一的數據結構并按標準的通信協議互聯，通過全廠通信網絡、監控、水情水調、信息、監測等跨安全分區的各應用系統間數據的統一交換與存儲共享的全廠統一數據平臺，消滅信息孤島，實現信息資源整合互動，形成全廠數據信息中心，在此基礎上開展數據挖掘、優化調度、故障診斷、狀態檢修等智能化應用技術的研究，為智能化水電廠提供統一的數據支撐管理開發應用環境，逐步滿足流域梯級電站遠方集控、水庫聯合優化調度、經濟運行、設備狀態在線監測與故障診斷、調度決策等智能應用需求，全面提升電站自動化運行管理水平和綜合經濟效益。

在當前條件下，我們認為智能化水電廠研究的主要內容和方向如下：

（1）在深入研究和分析IEC61850、IEC61970等標準體系、建模原則以及智能化水電廠站控層、間隔（LCU）層、過程層三層結構的基礎上，開展智能化自動控制系統總體設計研究工作；

（2）智能化水電廠系統數據模型和接口全部基于IEC61850標準設計和開發，常規功能裝置重復的I/O現場接口和硬連線將逐步減少，有必要進行智能化水電廠自動化系統設計原則、總體結構、實時性、可靠性、穩定性及電磁兼容性等研究；

（3）遵循IEC61850、IEC61970等開放協議標準，開展智能化自動控制系統的統一數據模型的設計與開發，組建水電廠全廠統一數據平臺，實現各個智能設備無縫接入與互動；

（4）通過統一數據模型、數模一體化、標準化、即插即用通信接口、開放高級應用、互插式圖形與人機聯系、GIS技術融合等關鍵技術研究，開發完成新一代水電廠自動控制系統平臺；

（5）開展符合IEC61850標準的監控、保護等系統及測控二次智能設備儀表研制（智能SOE裝置，交流采樣裝置、智能溫度巡檢儀等），以滿足水電站智能化建設的要求。

4 水電廠智能化建設的建議

目前水電廠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，且各自動化設備和系統間接口復雜，數據結構模型難以相互兼容，不同廠家設備或系統間的互操作性更難以實現，同時由于缺少統一的接口標準和數據結構模型，無法從根本上解決信息化孤島問題，對水電廠生產管理和自動化水平的進一步提高形成制約。開展智能化研究，建設信息統一數據平臺，實現信息資源整合共享，集中管理并綜合運用的需求越來越強烈，智能化已成為今后水電廠自動化技術發展的必然趨勢。

水電廠智能化建設，涉及生產、運行、維護管理等，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，這些系統通過全廠一體化的數據平臺有機互聯，實現數據共享互動配合，完成全廠智能化的目標，具有系統規模大，技術難度高，需研究開發的內容眾多，涉及學科范圍廣的特點，是一項需經過長期研究開發與建設完善的系統工程。

智能水電廠自動化系統應實現計算機監控系統對IEC61850標準的全面支持，站控層和間隔層采用IEC61850-8-1通信。PLC采用支持IEC61850的PLC，除采集常規信號外，還應具備接入電子式PT/CT和智能開關控制器的能力。

鑒于目前數字化傳感器和智能開關組件尚不成熟和穩定，技術尚待完善，目前智能水電廠一次設備一般不進行更換，仍采用傳統一次設備和常規的PT/CT，為與未來技術水平的發展相適應，當需接入電子式互感器、合并單元時，系統應采用三層結構，在站控層和間隔層之外，增加過程層設備，站控層和間隔層采用IEC61850-8-1通信，間隔層設備（包括機組LCU、開關站LCU、公用LCU）可接收來自合并單元的數據，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。并根據實際需要配置過程層設備，包括支持IEC61850的光纖以太網交換機。

因站控層網絡全面支持IEC61850-8-1通信規約，此時，除可采用IEC61850網關的方式外，站控層網絡還將提供支持IEC61850的IED設備和系統的直接接入。與支持IEC61850的IED設備通過IEC61850-8-1進行通信，實現對數字化保護和測控裝置的數據采集和控制。系統結構圖如圖1所示。

圖1 水電廠智能化系統結構圖

綜上所述，智能水電廠以信息化、自動化、互動化為特征，其建設目標是實現我國水電廠向安全、高效、經濟、互動的現代智能電廠方向發展，并滿足智能電網的發展需要。

[1]國家電網公司智能電網部.統一堅強智能電網關鍵設備（系統）研制規劃[Z].2009.

[2]王德寬,張 毅,劉曉波,等.智能水電廠自動化系統總體構想初探[A].中國水力發電工程學會信息化專委會2010年學術交流會論文集[C].2010.

[3]王德寬,張 毅,劉曉波,等.白山發電廠智能化水電廠建設規劃設計方案[R].北京中水科水電科技開發有限公司研究報告，2010.

[4]陳樹勇,宋書芳,李蘭欣,等.智能電網技術綜述[J].電網技術,2009，33（8）：1-7．

[5]Goran N.Ericsson.Cyber security and power system communication-Essential parts of a smart grid infrastructure[J].IEEE Transactionson power delivery,2010，25（3）.

[6]李興源,魏 巍,王渝紅,等.堅強智能電網發展技術的研究[J].電力系統保護與控制,2009，37（17），1-7．

[7]王 峰,黃春雷.電網水電智能調度系統的研究與設計[J].水電能源科學,2010，28（1）：133-136．