流域型梯級智能水電站及其構架建設探討

彭 放,邱 華

(國電大渡河流域水電開發有限公司,四川 成都 625409)

流域型梯級智能水電站及其構架建設探討

彭 放,邱 華

(國電大渡河流域水電開發有限公司,四川 成都 625409)

針對現代化水電站自動監控技術的進步和生產管理的新需求提出了智能化水電站基本概念,并提出了流域型梯級智能化水電站系統結構設計思路、典型系統分區、支撐技術應用和發展思路,分析了流域型梯級智能化水電站的建設意義和行業應用前景,較為深入地對相關數字化通信標準等應用推廣提出了不同的觀點,初步梳理了流域型梯級水電站智能化可行的智能功能系統,有利于推動流域型梯級水電站加快智能化建設。

梯級水電站;智能化;構架;IEC61850;智慧應用

0 引言

目前我國水電站(新建或經改造)普遍實現了“無人值班(少人值守)”模式,流域性電站群正逐步實現了集中控制模式,電站設備基本實現數字化,高可靠性的計算機監控、視頻監控、微機保護、輔機監控、狀態監測等自動化技術得到廣泛應用,數字通信技術逐步成為信息傳遞的主要手段,電站整體已初步具備“智能化”部分特征。但由于受到發展階段和技術條件限制,水電站各系統的建設和管理相對獨立,流域水電站間的運行和管理也相對獨立,通信標準和協議不統一,水電站通信和管理缺乏頂層系統設計,導致電站各業務系統間信息交互復雜、硬件設備重復率高、軟件接口一致性低,通信互動成本高。進一步打破數據壁壘、實現系統間、電站間數據的集中管理、深度挖掘和高級應用,已成為現代化流域型水電站生產管理的迫切需求,智能化水電站概念的提出和技術應用的逐步推廣將成為必然趨勢[1-4]。

1 智能電站概念

智能電站。以設備管理數字化為基礎,以信息共享網絡化為手段,以數據應用智能化為表征,使得電站電力生產更加安全可靠、經營管理更加經濟高效,最終實現風險識別自動化、管理決策智慧化。

設備管理數字化。通過采用先進的傳感技術,使用可靠的智能化電力設備、智能儀表和現場總線技術,將設備狀態信息和控制信息數字化,以此作為智能電站的信息源,實現設備數字化管理。

信息共享網絡化。建設標準統一的數據信息網絡平臺,實現各自動化系統之間、系統與數據采集之間的互聯,實現全廠跨安全分區的生產自動化系統、管理信息化系統等應用系統之間的數據統一交換與存儲共享,達到“系統分散,數據集中”的要求。

數據應用智能化。充分利用設備信息數據,輔助專家智能系統,通過在線仿真、智能趨勢報警、遠方監視管控等技術途徑,實現對數據的智能應用,最終達到風險可預測、狀態可控制。

智能電站建設是一個不斷探索、創新的過程,需要建設管理、設計、生產制造、運行管理等各方緊密配合、通力合作。按照“安全可靠,經濟實用,標準先行,穩步推進”的原則,逐步實現電站“智能化”。

2 流域型智能電站的系統結構設想

2.1 安全分區

電站業務系統的劃分總體上遵循《電力監控系統安全防護規定》(國家發改委第14號令)、國家能源局《關于印發電力監控系統安全防護總體方案等安全防護方案和評估規范的通知》(國能安全〔2015〕36號)的規定,將所有業務系統劃分為控制區(安全Ⅰ區)、非控制區(安全Ⅱ區)和管理信息大區。

2.2 系統分層

按照現有標準和行業實際,智能電站計算機監控系統可按照“三層”方式進行網絡分區,分別為過程層、單元層和廠站層,各區設備采用分層分布式結構。單元層按照機組、間隔劃分,各單元獨立組網,如圖1所示。其中,過程層包括智能測控單元、智能控制器、智能傳感器、具備以太網功能的數字化工業電視鏡頭等傳感、控制裝置,負責數據采集和控制輸出,并與單元層設備通信。單元層包括機組現地控制系統,如監控LCU、調速器以及勵磁調節器等;單元層控制系統直接與現場設備連接,采集過程層的各種信號并向過程層發布控制命令,可與多種專用功能裝置配套使用。廠站層主要包括中央控制主站、操作員工作站、控制數據庫以及通信工作站等,廠站層系統承擔了對全廠機組主設備、輔助設備、開關站設備、公用設備以及閘門設備的運行監控和操作控制任務,并具有對外信息發布功能。對于流域型水電站,廠站層部分業務系統和功能可納入流域公司統一平臺實現,各流域電站進行WEB訪問即可。

圖1 分層分布式結構實例

2.3 業務系統劃分實例

按照電站實際,將電站全部業務系統劃分為生產區和管理區,與電能生產、監測有關的業務系統分置于生產區,與電站經營和安全管理有關的業務系統分置于管理區。其中,視頻監控、門禁、車禁、廣播等系統也與電力生產密不可分,但考慮到其技術應用的廣泛性,少有電力專業對口的生產廠商和設備系統,暫將其作為安全管理業務分置于管理區,待有電力專用相關業務系統時,可作為電力安全生產可控設備的重要組成部分挪至生產區中的控制區內。

考慮到依照低防區系統及設備可置于高防區、高防區系統及設備不可置于低防區的原則,智能水電站典型業務分區見表1。

表1 智能電站典型業務分區

3 流域型智能電站的支撐技術

3.1 終端設備智能化

過程層設備主要作用于一次、機械等設備信息采集和操控。其中,采集的信息主要包括電氣量(如電壓、電流、功率、頻率、相位)、設備及環境參數(如溫濕度、亮度、距離、位置或高程、壓力、密度、絕緣、含量、流量、機械特性)、運行工作狀態(如速度、分合、充放、啟閉、啟停、投切)、部分運行統計數據(如時間、頻次)等;控制輸出的信息主要包括來自廠站層、單元層的人工或自動命令,進行分合、啟停、啟閉、投切、調整等控制。這些信息的采集和命令輸出,需要更加智能化的終端設備。

目前出現并在電力系統智能變電站中推廣應用的智能終端、合并單元、控制器等均具有智能傳感、現地AD轉換、校正、雙向通信連接甚至信息記憶、邏輯思維和判斷等功能,相較于傳統終端具有精度更高、性能更加可靠、功能更多樣等特點,若配以標準化的通信接口,將同時具備更高的互換性和更優的性價比。

面對電力生產過程的智能化,更加迫切地需要更多具備標準網絡接口的智能化終端設備的出現,而智能化終端的出現,需要依賴更先進的算法和設計、更先進的材料和材料技術、更先進的制造和安裝技術、更全面和嚴格的系統測試等,并具有相應的標準進行規范和指引。

3.2 系統通信標準化

目前,水電站自動化系統通信介質、通信協議等均多種多樣,甚至同樣的介質有多種接口、同樣的協議也有多種的版本,這種通信的差異現實導致各系統及設備之間難以建立互操作系統,進而使得自動化程度不夠高。

隨著能量管理系統應用程序接口(DL/T 890,即IEC61970)和系列標準的推廣和應用,諧波測量系統、能量管理系統、電網動態測量系統、仿真培訓系統、動態安全分析決策系統、電力市場運營系統、電力實時發布系統等與電力監控與調度系統間的通信更加標準和統一,并使得各EMS系統間實現了互操作和大發展。為順應國家能源互聯網發展、適應電網公司提出的智能電網下的網元協調控制要求、實現水電站和電網間的友好互動,建議水電站廠站層對外堅持采用DL/T890系列標準。同時可根據系統實際應用情況,在安全三區可適當采用WEB Service方式與云平臺互聯,進行一些數據挖掘后的發布、查詢、管理功能應用;并根據調度遠動需要,繼續使用遠動設備及系統(DL/T 634,即IEC60870)系列協議標準。

目前基于通用網絡通信平臺的變電站自動化國際標準IEC61850已在變電站領域成功應用,取得良好效果,并逐漸超出變電站自動化系統的范圍[5],其第2版也已增加了水電廠的模型定義。國內已引入并發布等同系列標準DL/T860,相關水電站自動系統設備供應商已正在大力開發適合該系列標準的智能化產品,并不斷完善該系列標準對水電廠模型的定義。雖然暫時在水電站應用較少,但已基本確定了目前智能水電站通信發展的方向。建議隨著過程層滿足DL/T860系列標準要求的設備直接接入、不滿足DL/T 860系列標準要求系統也通過協議轉換器逐步接入并在條件具備后進行改造,在接入時對單元層主干網進行適當分段,避免出現主干網節點過多影響網絡效率或主干網故障導致關鍵節點功能失效等問題發生。

因此,需要更加規范化使用DL/T 634和DL/T 890系列標準,并不斷完善和改進DL/T860系列標準,尤其增進適用DL/T 860和相關支持產品的發展應用,實現水電站自動化系統通信標準化,為水電站進一步的數據匯集和應用奠定基礎。

3.3 數據存儲云端化

數據云平臺是在電站側或電站群集中控制側建立一個數據平臺。

隨著“云計算”、“大數據”等一系列新概念、新技術的發展和應用,流域電站建設一個統一的數據云平臺的條件已基本成熟。從流域性電站企業管理角度看,流域各電站技術和經驗數據共享、設備項目和資產運營管理結合、人力資源和辦公自動化統一等應用需求日益增加,表明流域各電站間相對封閉的信息狀態已不能滿足流域性電站管理的數據需求,需要建設一個充分、敏捷、高效整合各電站信息的數據平臺。

建立數據云平臺的目的就是要規范數據格式和接口標準,打破信息壁壘,以便利于多系統聯動、深度數據挖掘、智能設備診斷和高級站企管理。通過云平臺建設,促進通信接口標準規范,實現電站數據的集中匯聚,信息采集覆蓋電站所有控制區、非控制區和管理信息大區的各個設備系統;對采集的生產設備實時數據、生產設備歷史數據、設備安全監測數據、環境安全監測數據、生產管理過程數據、生產管理視頻數據進行集中、分類管理;實現對采集數據的系統性分類管理,便于數據的查詢分析和提取;實現歷史數據的存儲,并能方便的在管理信息大區的應用終端進行查詢、分析;通過云平臺數據挖掘后對外發布,避免流域梯級型電站各數據分析和挖掘系統重復建設。

圖2 數據中心數據類別劃分

3.4 高級應用智慧化

流域各電站及其相關的上級管理、配套檢修等單位通過云平臺查看、分析、深度挖掘電力生產相關數據,開發高級應用模塊,為設備技術攻關、管理策略調整、應急指揮決策等提供更加全面的支撐,進而以流域整體的形象為能源互聯網提供重要的數據基站;流域各電站可通過充分應用建立在云平臺上的各種功能模塊的總服務,以客戶端的形式進行數據訪問。表2為部分高級應用舉例。

表2

4 結束語

本文在分析了水電站設備、管理發展與現狀的基礎上,分析了開展智能電站建設工作的必要性,提出了水電站智能化概念,并對現代流域型智能水電站的網絡結構和數據體系進行了系統性設計。為流域型水電站智能化建設工作提供參考。

[1]陳世和.智能電站發展現狀及展望[C]//智能化電站技術發展研討暨電站自動化2013年會論文集,2013.

[2]倪益民,楊 宇,樊 陳,等.智能變電站二次設備集成方案討論[J].電力系統自動化,2014,38(3):194-199.

[3]李瑞生,李燕斌,周逢權.智能變電站功能架構及設計原則[J].電力系統保護與控制,2010,38(21):24-27.

[4]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[J].水電自動化與大壩監測,2011,35(1):4-8.

[5]彭志強,朱 辰.IEC61850在智能水電廠應用的相關技術[J].水電自動化與大壩監測,2011,35(4):6-9.

TV736

B

1672-5387(2017)07-0005-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.002

2017-04-27

彭 放(1981-),男,高級工程師,從事水電廠自動化設備維護檢修管理工作。