智能化水電站建設的探索

鄭文　薛曄

摘 要：文章介紹了智能化水電站的特點；電站總體結構在邏輯上分為應用系統、應用支撐平臺和基礎設施等；計算機監控系統部分的設計思路。

關鍵詞：智能化水電站；總體結構；計算機監控系統

國家電網公司于2009年提出“建設統一堅強電網”目標，并制定了“統一堅強智能電網關鍵設備（系統）研制規劃”。隨著智能電網的不斷構建與完善，智能化水電站的研究與建設已經成為新建水電站的發展目標。

目前，我國大型水電站運行已步入智能化和信息化時代，水電站的安全穩定和高效運行越來越成為我國經濟社會快速發展的重要支撐。智能化水電站以“無人值班（少人值守）”運行模式為基礎，以“數據采集自動化、信息預測精確化、調度決策最優化、運行控制一體化”為特征，以電站設施可靠性和電網運行安全性為中心，準確地滿足流域水情和電網負荷調度要求，實現電站社會效益與經濟效益的最優。

1 智能化水電站的特點

智能化水電站是一種無逢連接的開放式結構，其特征是采用基于IEC61850 協議，通過設備的功能接口和通信的標準化，為自動化系統提供一個開放的統一平臺，滿足不同類型監測、保護、控制與調節設備的集成和交互。不同廠家的產品可以在本地交互或者與遠方系統進行交互和信息共享，使水電站系統的功能易于擴展并可以兼容第三方產品等。隨著電子式電流電壓互感器、智能化開關、在線監測等技術的發展，所有數據均以數字量的形式按統一的通信協議傳輸，站內的各個智能設備之間具有良好的互操作性。智能化水電站中IEC61850重點關注的對象是水電站計算機監控系統等與發電生產有關的設備。智能電站的內涵首先表現出數字化的特點。主要包括：

（1）數據采集數字化

采用數字化電氣量測系統（如光電式互感器或電子式互感器）采集電流、電壓等電氣量，實現一、二次系統在電氣上的有效隔離，增大了電氣量的動態測量范圍并提高了測量精度，從而為實現信息集成化應用提供了基礎。

（2）系統分層分布化

IEC61850協議提出了過程層、間隔層、站控層的三層結構模型，建議采用面向對象建模、軟件復用、高速以太網、嵌入式實時操作系統，以便滿足電力系統對實時性、可靠性的要求，同時有效地解決異構系統之間的信息互通、裝置的自我描述和互操作以及系統的擴展性等問題，為實施水電站分層分布式方案提供了可靠的技術基礎。

（3）系統建模標準化

IEC 61850 確立了電力系統的建模標準，為自動化系統定義了統一、標準的信息模型和信息交換模型，實現智能設備的互操作性及信息共享。

（4）信息交互網絡化

數字化水電站采用低功率、數字化的新型互感器代替常規互感器，將高電壓、大電流直接變換為數字信號。水電站內設備之間通過高速網絡進行信息交互，二次設備不再出現功能重復的I/O接口，常規的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，即通過采用標準以太網技術真正實現了數據及資源共享。

（5）信息應用集成化

常規水電站的監視、控制、保護、故障錄波、量測與計量等裝置幾乎都是功能單一、相互獨立的系統，這些系統往往存在硬件配置重復、信息不共享及投資成本大等缺點。而數字化變電站則對原來分散的二次系統裝置進行了信息集成及功能優化處理，因此有效地避免了上述問題的發生。IEC針對電力系統操作與運行制定了一整套標準，以逐步統一電力系統內各自動化系統的信息模型和信息交換模型，消除由于缺乏統一建模和系統異構而導致的各種“信息孤島”。

2 智能化系統總體結構

智能水電站是由先進、可靠、節能、環保、集成的設備組合而成，以高速網絡通信平臺為信息傳輸基礎，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和檢測以及流域水文測報、大壩監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、水庫經濟運行、在線分析決策、協同互動等高級應用功能。包括標準化的信息采集系統；分層分布的信息網絡系統；一體化的信息平臺；智能化的高級應用技術等。從邏輯上分為應用系統、應用支撐平臺和基礎設施三層結構。

a.應用系統平臺：是用戶直接使用的與業務有關的各子系統集合，以計算機監控為主，包括實時生產各系統、非控制實時生產各系統、生產管理各系統、管理信息各系統等。高級應用則是在各應用系統的常規功能基礎上進一步開發深層次的應用，根據不同用戶的需要對數據調用處理進而完成各種高級功能。

b.應用支撐平臺：以應用服務器、中間件技術為核心的基礎軟件技術支撐平臺，其作用是實現資源的有效共享和各應用系統的互連互通，為應用系統的功能實現提供技術支持、多種服務及運行環境，是實現應用系統之間、應用系統與其他平臺之間進行信息交換、傳輸、共享的核心。應用支撐平臺主要包括：應用組件、公共服務、應用交互、基礎支撐等4個部分。

c.基礎設施平臺：基礎設施主要是完成各類信息從采集到數據的傳輸、加工處理、存儲和展示等全過程的軟硬件設備等，是智能化水電站建設的基礎。包括智能數據采集系統、通信系統、計算機網絡系統、數據存儲與管理系統以及系統運行實體環境。

3 計算機監控系統的設計

智能水電站監控系統結構在邏輯功能上宜由站控層、間隔層和過程層三層設備組成，并采用分層、分布、開放式網絡系統，由過程層及站控層兩層網絡實現連接，整個體系結構為“三層兩網”結構，并通過站控層網絡設備接入智能水電站集控層，如圖1所示。

過程層由電子式互感器、合并單元、智能單元等構成，完成與機械、一次設備相關的功能，包括實時運行電氣量的采集、設備運行狀態的監測、控制命令的執行等。

間隔層由保護、勵磁、調速、測控、監測、安穩等若干個子系統組合而成，在站控層及站控層網絡失效的情況下，仍能獨立完成對本間隔設備的就地監控功能。

站控層由主機、操作員站、工程師站、遠動通信裝置、其它二次各種功能站構成，提供站內運行的人機聯系界面，實現管理控制間隔層、過程層設備等功能，形成全站監控、管理中心，并與調度通信中心通信。

過程層網絡主要實現過程層設備、間隔層設備間的連接；站控層網絡主要實現間隔層設備、站控層設備間的連接，并經網絡隔離后接入電站集控層。

4 結束語

智能水電站以提高系統的整體運行水平為目標，利用先進可靠的控制系統和安全高效的網絡平臺，以實時控制、經濟運行、水庫優化調度、設備在線狀態監測診斷等數據為基礎，根據電站的實際需求，插接各種不同的應用系統，通過信息的實時溝通及分析，使整個系統可以良性互動與高效協調。實現流域水資源利用最優化，達到電站整體經濟運行的目標，使電站效益最大化。

第一作者簡介：鄭文（1972-），女，碩士，主要從事電力系統及其自動化方面的研究，副教授。