水電廠自動化系統(tǒng)的智能化改造研究

邱小波，于亞雄，嚴(yán)漢秋

（廣東蓄能發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510950）

1 智能水電廠的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，我國一些水電廠對智能水電站的建設(shè)進(jìn)行了初步研究，取得了一些有益的成果和經(jīng)驗(yàn)[1]。多數(shù)水電站根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行智能化改造，重點(diǎn)不同，但一般情況下，它們將在現(xiàn)有生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的支持下建立一個(gè)獨(dú)立的模塊。集成的數(shù)據(jù)平臺將水電廠范圍內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)結(jié)合，并應(yīng)用先進(jìn)的應(yīng)用程序加以控制。智能水電廠的系統(tǒng)分為三部分，分別為系統(tǒng)層，控制層及過程層，如圖1所示。

圖1 智能水電廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）系統(tǒng)層

原有生產(chǎn)自動化系統(tǒng)中的終端管理工具保持不變，獨(dú)立創(chuàng)建集成數(shù)據(jù)平臺。每個(gè)自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在集成平臺上顯示，使用IEC61850通信協(xié)議集中存儲和顯示所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及平臺上的一些高級應(yīng)用，如報(bào)文管理、系統(tǒng)綁定及防洪解決方案等業(yè)務(wù)。智能化系統(tǒng)具有控制系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)的功能。緊湊型數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)訪問方法通常分為兩類，第一類是每個(gè)自動化系統(tǒng)都是完全連接的，形成一個(gè)整體；第二類是對于每個(gè)IEC61850自動化系統(tǒng)，與從本地單元部分傳輸IEC61850連接的本地單元或子系統(tǒng)通信[2]。

（2）現(xiàn)地控制層

在第二種接入方式下，各自動化系統(tǒng)的本地單元或子系統(tǒng)需要配置一個(gè)IEC61850協(xié)議適配器和一個(gè)單獨(dú)的通信通道，本地單元采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過IEC61850協(xié)議將平臺發(fā)出的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)到本地控制臺，本地設(shè)備和站系統(tǒng)之間的連接保持不變。

（3）過程層

目前，水電自動化系統(tǒng)的主要信息層次仍大量使用電纜組件和傳統(tǒng)通信方法獲得數(shù)據(jù)，其中勵磁監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測及水電管理缺乏適合于智能系統(tǒng)的控制設(shè)備。目前，水電站自動化系統(tǒng)的過程層改造實(shí)例仍然較為缺乏，對原有非智能設(shè)備的依賴程度較高。

盡管我國一些水電站已經(jīng)進(jìn)行了合理地改造和探索，在智能化方面取得了不同程度的進(jìn)步，但仍受到現(xiàn)有技術(shù)條件和現(xiàn)實(shí)因素的限制[3]。

（1）智能化改造后，對IEC61850的維護(hù)和構(gòu)建智能化水電廠的建設(shè)流程缺乏經(jīng)驗(yàn)。

（2）目前，智能系統(tǒng)主要是面向數(shù)據(jù)的平臺，僅限于集中存儲和執(zhí)行各種系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對大型生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行先進(jìn)的分析，對生產(chǎn)功能有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用，但后臺支持方面明顯不足，不能反映“智能化”的優(yōu)勢。

（3）對通信的實(shí)施，IEC61850通過在當(dāng)前系統(tǒng)層和現(xiàn)地控制層之間引入?yún)f(xié)議切換，將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和服務(wù)的工作量，降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

（4）綜合平臺雖然是對自動控制部分的改造，但并沒有完全取代原有系統(tǒng)，其監(jiān)測功能應(yīng)進(jìn)行長期運(yùn)行測試。

（5）與傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)相比，IEC61850在使用數(shù)據(jù)時(shí)消耗更多的計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬，硬件處理難以滿足大中型機(jī)組的實(shí)際需要。

（6）由于缺乏滿足水電廠需要的基礎(chǔ)支持設(shè)備，且相關(guān)技術(shù)缺乏，目前IEC61850的技術(shù)優(yōu)勢無法充分發(fā)揮，無法達(dá)到預(yù)期的效果。

2 水電廠智能化改造方案

2.1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對象

在沒有集成數(shù)據(jù)模型的情況下，水力發(fā)電廠各種自動化系統(tǒng)不能共享其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，必須設(shè)計(jì)特殊傳輸協(xié)議。使用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)以對象的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享時(shí)，接收數(shù)據(jù)后，其他系統(tǒng)不需要匹配物理大小和數(shù)據(jù)范圍轉(zhuǎn)換，從而更容易管理和維護(hù)數(shù)據(jù)，并在不同智能或半智能設(shè)備之間進(jìn)行有效通信，從而解決了數(shù)據(jù)問題。

水電站自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)建模應(yīng)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)邏輯節(jié)點(diǎn)和新數(shù)據(jù)的具體規(guī)則，采用基于集成信息模型的綜合信息建模方法。在擴(kuò)展和完善水電站綜合信息模型的同時(shí)，采用了廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的IEC61970標(biāo)準(zhǔn)，以滿足各種水電應(yīng)用的要求。

2.2 數(shù)據(jù)交換接口的整合

不同操作系統(tǒng)之間的交互數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)作為一種統(tǒng)一的通信協(xié)議。統(tǒng)一通信協(xié)議是基于IEC61850的協(xié)議，可以統(tǒng)合系統(tǒng)間的差異，并從集成數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)中獲益。然而，鑒于設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，對不支持IEC 61850的設(shè)備應(yīng)允許使用其他的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，以增加必要傳輸形式。現(xiàn)有地面設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和調(diào)整應(yīng)以第一臺設(shè)備的輸入輸出數(shù)據(jù)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收、測量和控制網(wǎng)絡(luò)和總線連接的逐步轉(zhuǎn)換以及智能網(wǎng)絡(luò)接口的推廣為基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)采集和控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化，需要將數(shù)字化擴(kuò)展到水電廠智能化系統(tǒng)的所有設(shè)備，有助于通信的標(biāo)準(zhǔn)化。

2.3 加強(qiáng)自動控制應(yīng)用的管理

對于管理層面，水情、監(jiān)控及安全等自動化系統(tǒng)之間的集成與交互應(yīng)以集成的目標(biāo)信息模型和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信交互為基礎(chǔ)，逐步實(shí)現(xiàn)各自動化系統(tǒng)的集成與交互，并最終形成一個(gè)高度綜合的管理控制平臺。平臺應(yīng)提供標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)置數(shù)據(jù)總線、消息總線及服務(wù)總線，以滿足各種應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行要求。綜合管理平臺為整個(gè)企業(yè)自動化系統(tǒng)提供完整的數(shù)據(jù)，為智能應(yīng)用提供支持環(huán)境。

綜合管理和控制平臺使用防火墻或物理隔離來保護(hù)Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ區(qū)域之間的安全。Ⅰ區(qū)系統(tǒng)主要由監(jiān)控、安全測控、閘門及輔機(jī)等自動化控制子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組成，負(fù)責(zé)正常生產(chǎn)控制功能的執(zhí)行和改進(jìn)管理。Ⅱ區(qū)主要依賴Ⅰ區(qū)數(shù)據(jù)，提供對自動化子系統(tǒng)的訪問，如水調(diào)、在線監(jiān)測等，可以為多數(shù)生產(chǎn)應(yīng)用和整個(gè)廠的高級運(yùn)行管理提供支持服務(wù)環(huán)境。Ⅲ區(qū)對整個(gè)廠的分析和決策起作用。高級應(yīng)用程序提供支持服務(wù)，并負(fù)責(zé)與外部系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)。

2.4 高級智能應(yīng)用

基于綜合管理與控制平臺，為水電站的應(yīng)用與生產(chǎn)建立了智能化的應(yīng)用系統(tǒng)。智能應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)綜合的管理和控制系統(tǒng)。這是基于集成管理和控制平臺的廣泛數(shù)據(jù)服務(wù)和支持服務(wù)。通過全面的數(shù)據(jù)分析、挖掘和優(yōu)化，建立了水電廠生產(chǎn)過程智能分析和預(yù)警的專業(yè)系統(tǒng)庫。智能應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)果可以傳輸?shù)郊傻墓芾砗涂刂破脚_，以創(chuàng)建相關(guān)任務(wù)、采取預(yù)防措施或提供操作指導(dǎo)。

水電站實(shí)例數(shù)據(jù)分析模型的建立、數(shù)據(jù)分析方法的引入、相關(guān)分析方法、綜合分析方法以及不同的速度是最重要的狀態(tài)間關(guān)系，構(gòu)成了基于相關(guān)診斷的知識庫，具有智能的邏輯機(jī)制，可實(shí)時(shí)評估水電設(shè)備的健康狀況和故障診斷，并提供智能在線監(jiān)測、故障報(bào)警和維護(hù)、優(yōu)化水庫規(guī)劃、閥門聯(lián)動、防洪決策及視頻通信，對提高生產(chǎn)管理自動化、減少操作和維護(hù)困難、減少維護(hù)負(fù)擔(dān)及改進(jìn)維護(hù)設(shè)備起到重要作用，以減少意外停機(jī)。研究開發(fā)智能化水電廠控制系統(tǒng)在應(yīng)用中的可靠性，優(yōu)化發(fā)電維護(hù)計(jì)劃，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，從而達(dá)到建設(shè)智能水電站的主要目標(biāo)。

3 水電廠智能化改造的步驟

根據(jù)目前水電站自動化設(shè)備及部件的現(xiàn)狀，本文認(rèn)為水電站自動化系統(tǒng)的智能化變革應(yīng)該漸進(jìn)地進(jìn)行。

（1）為消除傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的部分站控層，用綜合管理控制平臺取代傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的部分站控層，綜合管理控制平臺必須支持對能夠傳輸支持和維護(hù)傳統(tǒng)IEC61850協(xié)議的通信的混合訪問。

（2）為支持IEC61850協(xié)議，依靠智能子終端轉(zhuǎn)換的二次部分，取消傳統(tǒng)的LCU轉(zhuǎn)換站，直接利用集成控制平臺對交換站進(jìn)行控制。

（3）選擇通用LCU或其他LCU作為試點(diǎn)，并使用直接支持IEC 61850協(xié)議的PLC連接IEC 61850的附加協(xié)議。

（4）根據(jù)各水電站設(shè)備的實(shí)際和具體要求，除大量電纜外，還應(yīng)更換一般可用的附件，用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)和電線進(jìn)行現(xiàn)場替換。

（5）開發(fā)先進(jìn)的應(yīng)用功能，以滿足水電站生產(chǎn)經(jīng)營的實(shí)際需要，建立智能化應(yīng)用系統(tǒng)。

（6）在產(chǎn)品成熟或解決方案成熟的情況下，逐漸替換現(xiàn)有的自動化元件、測控工具，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備智能化。

4 結(jié) 論

水電廠智能化是自動化系統(tǒng)發(fā)展的必然方向，但要實(shí)現(xiàn)智能化的變革仍需繼續(xù)研究。IEC 61850在標(biāo)準(zhǔn)水電站的合理改造中發(fā)揮著理想而直接的作用，但這是實(shí)現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)和手段，而不是其目標(biāo)。隨著系列成熟度和相關(guān)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，水電站自動化系統(tǒng)的智能化改造將逐步向前推進(jìn)和完善，并取得更好的效果。