沅水流域梯級集控及流域水電站智能化建設規劃淺析

劉書玉，張維力，武　媛，衛　效

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京　100024）

沅水流域梯級集控及流域水電站智能化建設規劃淺析

劉書玉，張維力，武媛，衛效

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100024）

摘要：結合當前智能化技術的發展和沅水流域的特點，對沅水流域梯級集控和各水電站的智能化建設進行了規劃，提出了智能化建設的總目標和總原則。著重對沅水流域集控中心的智能化建設和各流域水電站的智能化建設分別進行了規劃和構想，同時對智能化建設的實施進行了規劃。

關鍵詞：沅水；流域；集控；智能化；IEC61850；一體化管控平臺

1　沅水流域水電概況

沅水發源于貴州省東南部，是洞庭湖四水之一，全長1050 km，總落差1035m，流域面積90000 km2。河網呈羽毛狀分布，較大支流舞水、辰水、武水、酉水均在左岸，較小支流渠水、巫水、溆水均在右岸。左岸支流面積約為右岸的2倍。

五凌公司先后在沅水流域建成五強溪、凌津灘、洪江、碗米坡、三板溪、掛治、白市、托口8座水電站。沅水流域已建在建電廠的總裝機容量435萬kW，湘江流域已建近尾洲水電廠6.3萬kW，資江流域馬跡塘、東坪、株溪口水電廠共20.15萬kW。貴州黔東火電廠（2×60萬kW）已于2008年投產發電。公司目前共有12座大壩，13個電廠，已投產容量459.46 萬kW，在建裝機容量245萬kW。

目前經過對各流域電站特點進行分析比較，結合五凌公司智能化建設的需求，選取五凌公司集控中心以及洪江、碗米坡、三板溪及近尾洲4個電站（碗米坡、三板溪為混流式機組，洪江、近尾洲為貫流式機組）進行智能化改造規劃。集控中心設置在長沙五凌公司辦公大樓內。

2　國內外智能化水電站發展現狀及趨勢

經過多年的不懈努力，我國各流域水電公司已先后建立了梯級集控中心自動化系統，流域電站監控、水情水調、機組狀態監測、繼電保護、大壩監測、計量等自動化系統獲得廣泛應用，技術已趨于成熟，為智能化建設打下了良好的基礎。為流域各電站實現“無人值班”(少人值守)，提高水利水電工程的安全運行和自動化管理水平發揮了重要作用。

由于各自動化、信息化應用系統間沒有統一的接口標準和規范，導致系統接口種類繁多，數據共享、互動困難，距智能化水電廠信息化、自動化、互動化發展目標的要求有較大差距，嚴重制約了綜合效益的有效發揮。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。智能化已成為國際水電自動化技術發展的必然趨勢。

目前，國內外較早開展智能化控制系統技術研究的是智能電網領域，智能電網基于標準IEC61850，是電力工業的未來發展方向，主要技術問題已基本解決，智能化數字化變電站已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。

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，最終將從技術層面實現全數字化的智能水電廠。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，保證了站內的各個智能設備之間具有良好的互操作性，同時因采用智能化的一次設備，網絡化、數字化的二次設備，數據的采集、傳輸和設備控制均基于光纖，節約了大量二次電纜，并可徹底解決電站抗干擾問題，提高系統設計、施工效率，從而減少電站投資。

開展智能化系統規劃設計，研制智能化建設關鍵設備和系統，重點放在提升安全穩定與經濟運行水平，以水電工程信息化、自動化為基礎，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，并最終實現智能決策、優化運行，有效發揮流域電站經濟效益的智能化應用目標。

在流域智能化水電廠建設方面，重點是進行水電機組狀態檢修、梯級水電站群經濟運行與調度、梯級集控中心自動化系統、信息統一平臺、大壩監測自動化、電站自動化等方面的智能化研究與建設，提升發電站的安全穩定經濟運行水平、提高機組的可觀可控可調性，實現并網接入快速化、安全化、標準化和智能化，以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。

3　設計依據與規程規范

智能化水電廠設計應遵循IEC61850、IEC61970、IEC60870以及國家、行業和企業的相關標準。

4　流域智能化建設總目標與原則

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，建立全流域各電廠所有信息采集、傳輸、分析、處理的數字化統一信息平臺，實現水電廠的自動運行和遠方控制、設備狀態檢修、經濟運行與優化調度、智能分析決策等高級應用功能，通過系統功能整合，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，顯著降低一次性設備成本和運行維護成本；充分發揮智能水電廠的技術優勢，提高系統的經濟效益和自動化水平，提高整個系統的可靠性。

4.1流域智能化建設總目標

沅水流域梯級集控智能化及智能化水電廠建設的總體目標是進一步提高發電生產及管理的智能化程度，提高設備的安全穩定運行水平，提高全廠經濟效益，為實現狀態檢修、智能分析決策等高級應用功能創造條件。具體目標如下：

（1）生產過程控制的智能化：完成梯級電站自動化系統智能化改造與建設，通過通信傳輸和計算機網絡系統，實現流域梯級各電站遠方智能集中控制。

（2）運行調度決策的智能化：完成水情、氣象、水調和防汛決策指揮等系統的智能化建設，實現梯級水庫智能化聯合調度，提高流域梯級經濟運行水平。

（3）設備檢修決策、大壩安全監測、設備運行管理的智能化：完成狀態檢修系統的智能化建設，實現對水輪發電機組、變壓器、斷路器等主要發電設備及水工建筑物的在線狀態監測和故障智能診斷，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：完成數據信息統一平臺建設，逐步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、管理信息化系統數據的共享與綜合應用。

（5）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。

4.2智能化建設總原則

（1）安全可靠性：智能化建設首先必須遵守安全、可靠性的原則。應采用成熟可靠的技術和產品，確保智能化系統能安全、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，提高系統開放性。應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。逐步實施由電子式互感器、智能開關等智能化設備進行一次設備智能化改造建設，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充分考慮技術的先進性與生產的安全性的合理平衡。

（4）經濟性：在確保智能化目標完成的前提下，優先進行基礎條件好、技術相對成熟部分設備和系統的智能化建設，避免投資浪費。在確保電力系統安全的前提下，重點關注電廠的安全性和經濟性。

（5）實效性：流域梯級集控智能化及智能化水電廠均是新生事物，在國際上沒有標準，沒有先例可借鑒，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和系統為突破口，積極穩妥，逐步展開，取得實效。

5　智能化建設規劃范圍

沅水流域規劃范圍主要包括集控中心和流域各電站。集控中心在建立統一管控平臺的基礎上，研究各系統高級應用分析功能，實現各系統之間的無縫連接，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，并最終實現智能決策、優化運行，有效發揮流域電站經濟效益的智能化應用目標。

而各流域水電廠則在構建智能化體系結構的基礎上，進行設備的數據采集及共享、水電機組等主要設備的狀態檢修及運行監視、信息統一平臺建設等，實現生產運行安全可靠、經濟高效、友好互動目標的智能化水電廠。

5.1集控中心智能化建設規劃

集控中心智能化建設主要包括：一體化管控平臺的智能化建設；狀態檢修智能化建設；沅水流域梯級水電站群經濟運行與調度、大壩安全監測智能化建設；流域梯級集控中心自動化系統智能化建設；應急調度指揮系統智能化建設以及基礎支撐智能化建設等。

（1）一體化管控平臺的智能化建設

通過統一規范的傳輸規約和網絡接口，進行各應用系統的智能化建設，整合離散的各個子系統，建立滿足二次安全防護要求的流域各梯級水電廠信息統一平臺，形成流域各梯級電廠數據信息中心，實現流域各梯級水電廠監控、信息、通信、水情、監測等跨安全分區的各應用系統之間的數據的統一交換與存儲共享，消滅信息孤島，為智能化水電廠提供統一的信息支撐管理應用環境，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診斷等系統的應用需求，全面提升流域各梯級水電廠自動化運行管理水平和綜合經濟效益。

一體化管控平臺是智能化水電廠控制模式的支撐系統，也是調度和管理、優化效率、經濟運行等高級應用功能的基礎系統，它將是電廠與電網形成互動關系的接口和執行者，也是融入智能化電網體系的基礎。分布式一體化管控平臺橫跨安全I區、安全II區和管理信息大區，并實現不同安全區之間的數據信息同步。

（2）狀態檢修系統智能化建設規劃

以沅水流域梯級電廠機電主設備為實施對象，建立沅水流域發電廠設備遠程故障診斷中心，實現狀態監測、故障診斷與狀態檢修智能化決策系統。根據沅水流域發電廠的設備配置、機型特點、機組參數、廠站間通信狀況及在電網中的地位等因素，以及國內外設備狀態監測技術發展水平，確定系統的結構體系、網絡結構體系以及監測對象、監測手段，選擇具有國內或國際先進技術水平的硬件、軟件系統平臺，通過在線監測與離線監測(或巡檢)以及測試數據的有機結合，實現對設備運行狀態的遠程實時在線監測與分析。

（3）沅水梯級經濟運行與智能化調度規劃

根據沅水流域的水情自動測報的數據與智能化調度規劃，對來水情況進行分析，結合電網的要求，在建立梯級水電站經濟運行和智能化調度的基礎上，實現長期、中期和短期水電調度以及智能在線調度等功能。實現智能監測，智能預報，智能調度，智能管理的梯級經濟運行目標。

（4）大壩安全監測智能化建設

大壩安全穩定運行是電廠智能化的基礎，通過對大壩等樞紐建筑物安全監測數據的大規模自動化采集、處理、分析、統計、比較、判斷，進而對大壩等建筑物安全狀況進行綜合評價，使安全監測成果及時發揮應有的作用，為大壩的工程運行管理提供專家決策支持，形成大壩及工程運行安全評估專家系統，實現分布式數據采集、集中統一管理和安全評估。

（5）流域集控中心自動化系統智能化建設規劃

隨著流域梯級水電廠計算機監控系統、水情自動測報系統和水調自動化系統的實施和技術發展，梯級集控中心在提高流域水電公司管理水平方面已顯現出強大的優勢，建設流域梯級集控中心，實現流域梯級水電資源的優化控制管理，已成為各流域水電公司的發展趨勢和方向。

在實現流域電廠智能化的基礎上，改造建設流域梯級集控中心自動化系統，實現水庫群聯合調度、流域梯級水電廠遠方集中控制、機組優化運行，可以提高流域梯級電廠運行管理的智能化決策水平，減輕運行人員勞動強度，提高經濟效益。

（6）應急調度指揮系統智能化建設規劃

建設沅水流域應急調度指揮系統，配套相應的指揮調度場所，包括：指揮調度大廳、會商室、機房和值班室，提供實體運行環境，安裝部署基礎軟件、數據庫軟件，并根據應急調度指揮需求開發應用軟件，通過應急通信系統、計算機網絡系統、圖像監控系統、視頻會議系統等硬件基礎支撐系統的建設，實現應急系統與信息統一平臺和其他系統的無縫連接，為全面提升沅水流域預防和處理突發事件能力提供完善的技術保障和工具。

（7）流域集控中心基礎支撐建設規劃

為保證集控中心正常穩定運轉，在集控中心和電廠建立統一的電源系統、衛星時鐘系統、防雷系統以及動力環境監測系統。

5.2各流域水電站的智能化建設規劃

各流域水電站的智能化建設主要包括：電站一體化平臺的智能化建設；計算機監控系統智能化改造建設；電站一次設備智能化改造建設；繼電保護系統的智能化建設；電站輔助控制系統智能化改造建設以及安全防護等系統聯動智能化建設等。

（1）電站一體化平臺的智能化建設

電站級一體化平臺，通過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。以標準IEC61850規約為基礎，將有關數據信息送往調度或集控中心，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、過程層諸設備的實時監控功能。一體化平臺主要以生產（安全一區）為主，在電站計算機監控系統的基礎上，實現電站的經濟運行。同時建立安全三區，實現主要設備狀態監測等高級應用功能。

（2）計算機監控系統的智能化改造建設規劃

流域梯級電廠計算機監控系統的智能化建設規劃主要包括：基于IEC61850標準體系和建模原則，完成智能化水利水電工程自動控制系統總體改造，根據水電廠內各種設備和系統的物理特性抽象出物理和信息模型，建立智能化水電廠信息模型，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，改造建設新一代水電廠自動控制系統平臺。

通過流域梯級電廠計算機監控系統的智能化改造建設，可全面提升智能化水平，提升發電站的安全穩定經濟運行水平、提高機組的可觀可控可調性，實現并網接入快速化、安全化、標準化和智能化，強化電廠對電網的支撐能力，提升網廠智能協調水平。

（3）流域梯級電站一次設備智能化改造建設規劃一次設備智能化是智能水電站的重要標志之一。根據沅水流域梯級各水電站的設備特點進行各電站的一次設備智能化改造建設。主要包括：

1）變壓器智能化；

2）開關設備智能化；

3）避雷器設備智能化；

4）電容性設備智能化；

5）電子式互感器。

（4）繼電保護系統智能化改造建設規劃

根據沅水流域電站設備現狀，配套完成繼電保護系統智能化改造。實現保護裝置數字化接口(包括測量回路即電流、電壓互感器采用光電互感器)，保護壓板可遠方投退，測量回路、跳閘回路、信號回路實現數字化通信(連接)。進行線路、發變組故障錄波器智能化改造建設，采用微機型綜合自動化裝置，實現保護、控制、測量、信號監測功能的智能化。

（5）輔機系統的智能化改造建設規劃

通過輔機系統的智能化改造建設，完善包括機組調速、勵磁、輔助設備監測與控制種類和范圍，滿足智能化水電廠高速實時通信、數字化、智能化的基本要求。建立智能化輔機監控系統，使輔助設備控制系統與主機控制系統數字化連接，實現輔助設備的遠程監控功能，滿足智能化水電廠的基本要求。

（6）安全防護多系統聯動

突破傳統的水電廠生產運行控制與管理的思路，合理規劃聯動模式和聯動策略，由一體化管控平臺以及各需要聯動的子系統間通過聯動信息的交互解析實現生產實時監控、工業電視、門禁、五防、消防及通風等系統的聯動，充分利用大量有效信息，輔助決策，提高操作的可靠性、安全性以及工作效率。

6　智能化系統總體規劃及建設步驟

沅水流域智能化建設必須根據沅水流域實際需求，進行整體規劃設計，分階段、分層次開發建設，逐步建成具有國際先進水平和可持續發展能力的智能化水電廠。

（1）總體規劃：對沅水流域智能化建設進行全面規劃，確定建設目標和范圍，明確各系統間的關系。總體規劃是否科學合理關系到最終總體目標的實現，關系到總的成果水平。

根據目前現有的流域水電廠運行方式，沅水流域水電廠智能化系統采用分層、分區的模塊化總體架構，由一系列具有特定功能的智能化應用系統的有機集成構成全流域分層分區的系統總體結構，其中分層是從系統總體架構上進行劃分，分區則是根據系統安全防護的等級進行劃分。

沅水流域智能化系統總體結構上可分為3個層次，即：流域集控中心層、廠站層和設備現地層。在控制層面上可分為：上級調度部門控制、集控中心控制、水電站監控系統控制和設備現地控制4個層次。

流域梯級集控中心層與所屬各梯級電站廠站層通過梯級電站專用光纖通信網進行連接；同時通過電力調度數據網與上級網/省調中心互連。

（2）詳細設計：在總體規劃的基礎上，針對智能化建設的每個細節，進行沅水流域智能化建設的詳細設計，包括系統總體結構、功能、設備配置、性能指標和實施進度、資源配置等方面。詳細設計應進行全面論證和評審，以確保方案切實完整可行，為智能化建設的順利進行打好基礎。

（3）研究開發：沅水流域智能化建設是一個全新的復雜系統工程，除承建廠家外，公司應組織強有力的工程技術隊伍參與聯合設計與研究開發，以便緊密結合電廠實際，解決智能化建設中的技術難題，滿足實用化要求。各系統均應首先通過實驗室聯調測試驗證。

（4）分步實施：根據各個系統及產品的情況，結合沅水流域的實際情況，分步實施。按照先主要系統，后子系統、輔助系統的順序進行建設，實現各系統的無縫銜接。

首先建立沅水流域梯級智能化集控中心，結合流域各水電站的接入要求以及各電站的實際情況，對碗米坡、洪江、三板溪和近尾洲電站進行升級改造，包括以下內容：

建立電站級一體化平臺，升級改造可兼容IEC61850的計算機監控系統；補充完善機組、主變以及GIS的在線監測系統；補充完善各系統的運行狀態及故障信息。實現工業電視及門禁、火災報警系統聯動。完善電站動力、環境等參數和信息。完善水情測報和大壩監測系統等。

（5）持續改進：在每一個系統的建設過程中，要及時發現問題，認真總結經驗，提出改進措施，不斷提高完善各個系統功能和性能。

（6）經驗總結：在系統完成建設后，要認真組織項目驗收、專家鑒定和后評估，以利于進一步推廣應用和借鑒。

中圖分類號：TV736

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）07-0014-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.004

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：劉書玉（1973-），男，教授級高級工程師，從事電氣二次設計和技術管理工作。