水電廠自動化系統的智能化改造

劉 沛，汪 林，任 剛，李 輝，王杰飛

（中國長江電力股份有限公司，云南 昭通 657300）

近幾年，國家大力推進智能電網的建設，在輸、變、配電等環節得到了快速發展。目前，我國水電企業大多采用了生產管理的自動化，而對智能管理體系的構建尚不夠完善[1]。水電智能化電站的施工，關系到水電廠的整體結構和運作，是一個綜合性的、全球性的、長期的、系統的工程，因此，在水電廠的規劃中，要把效率與前瞻性、安全性、開放性、新技術應用與新的經營理念有機地統一起來，以改善水電廠的可靠性、經濟性、負載平衡性能和環保運作的能力，以保證工程的長期效益[2]。本文針對水電廠自動化系統的智能化問題進行深入的分析與探討，以推動電力行業特別是水力發電行業的智能化發展。

1 水電站與智能化電站概述

近幾年，隨著智能化電站的發展，以及與之配套的智能化技術的不斷推廣，為電站的安全、可靠的運營提供了有力的保障。其中包含了許多與電站管理有關的智能化技術，從而大大提升了電站的管理水平。

1.1 水電站設備

將水能量轉換成電力的電力機械裝置稱為水電站發電裝置。在普通水力發電廠中，以水輪發電機為主，配有調速器、油壓、勵磁設備等。水輪發電機是指以水輪機為原動機將水能轉化為電能的發電機。水流經過水輪機時，將水能轉換成機械能，水輪機的轉軸又帶動發電機的轉子，將機械能轉換成電能而輸出，是水電站生產電能的主要動力設備。除了水輪機和輔助設備之外，水電站的電力設備還包含電壓配電設備、升壓變壓器、高壓配電設備、監控、控制、測量、信號和保護性電力設備[3]。

1.2 智能化電站的要求及基本特征

智能電廠，簡而言之，就是在水電廠中利用現代科技和精密的測控技術進行運作，比如自動控制技術、傳感技術、信息通信技術、模擬數據傳感器、紅外測量技術、工業監控攝像頭等[4]。智能化水力發電廠應根據基礎科研和其他發電廠的具體情況，運用計算機、網絡軟件、現場總線等智能化信息處理技術，構建覆蓋水電廠生產經營以及管理等各個環節的系統平臺，以便對水電廠的經營維護和日常運行管理的信息化數據進行采集處理、分析控制和反饋決策，實現水電廠運行管理的智能化和自動化，并且通過數據智能計算和多媒體技術實現資源在可控范圍內的有效共享，不斷提升智能化管理水平。

智能化電站以計算機閉環、電站設備在線監測分析、生產技術信息系統為骨干網格，以電站設備數字化、信息共享、數據應用智能化為特點，使電站的本質安全、效益最優、環境和諧[5]。電廠設備的數字化，是利用現代傳感器技術，對設備進行數字化處理，從而達到設備的數字化。而智能化是指建立一個標準化、統一的數據、信息網絡，使各個自動化系統、系統和數據收集系統之間的相互連接，并在不同的區域內，將生產自動化系統和管理信息化系統之間進行數據的整合、存儲和共享，從而實現系統的智能化。

2 智能化電廠的體系構架

智能化電廠的體系主要包括：現場設備監測層，實時控制與優化層，生產運營管理層以及遠程管理和服務層。

2.1 現場設備監測層

該層采用現場總線技術、物聯網技術和先進的測量技術，對實時數字信息中的水電廠設備、人員、環境狀態和位置等信息進行采集，是智能控制和智能管理的基礎。通過數據總線技術實現智能管理水電廠相關設備[6]。設備監測技術包括3D可視化、RFID等，運用Internet技術的集成應用實現對設備狀態信息的實時監控。

2.2 實時控制與優化層

該層以 DCS/FCS 和 SIS 為分線，確保設備運行過程中的實時數據的集中處理、實時控制和在線優化數據[7]。數據傳輸和優化，可以通過現場自動數據設備先行邏輯運算，判斷設備狀態數據的有效性，在通過智能化控制元件對有效數據進行運算處理，達到控制和優化。通過定制預測和模糊控制等先進控制技術，提高控制目標的控制精度，確保水輪發電機功率等精確控制。自動優化技術同樣可應用于工器具準備、設備材料調控等環節，從而自動響應外部環境、工作條件等的變化，確保設備經濟運行，提供人性化智能化的良好操作環境。

2.3 生產運營管理層

該層以SIS、ERP、MIS等作為主要依托，匯集、融合水電廠的生產與管理數據，以安全生產、水能高效利用為目標，通過采用數據分析處理、流程優化等技術對全廠生產和經營進行智能管理[8]。在現有技術條件下，主要指通過KKS碼的深化應用和三維可視技術的實踐，建立設備三維綜合管理系統；通過工業Wi-Fi、RFDI、手持設備、可穿戴設備等物聯網技術與監控、門禁、管理HPMS系統等應用，建立智能安全防護系統，從而實現實時員工地圖、任務地圖、智能工作票、電氣防誤等功能；通過對SIS、MIS、EPR等各信息系統整合融合和移動終端的結合，建立員工管理網絡一體化工作平臺，消除信息隔離，優化工作組織、強化安全管控，實現管理的便捷高效；通過數據倉庫技術和生產經營指標的梳理，建立基于多源數據庫的自動報表系統，便于設備維護和檢修的備品備件數據化管理，減輕人員工作量，提高工作效率，提高管理層對水電廠設備運行管理可控、能控。

2.4 遠程管理和服務層

該層使用 Internet 并操作大型數據分析技術來打破地理界限，為集團或企業構建遠程數據中心，利用單元群集分析和專家技能的優勢，并執行數據深度挖掘實現價值創造，主要實現設備預警報警、設備事故自動處理、設備遠方(自動)控制、電廠水庫調度分析、遠程監測分析、機組水耗分析等功能。其中還包括執行遠程效率測試、模擬控制質量測試、教育模擬訓練任務等。這些需要進行大量的信息系統建設，是一個長期而艱巨的任務。

3 智慧電廠與智能發電的關鍵技術

3.1 智能預警與診斷

在智能化技術飛速發展的今天，水力發電裝置的運行速度也越來越快，因此，要保證電廠的穩定運行，就需要將智能化技術和相應的智能化預警與診斷技術結合起來，以保證電站的安全可靠運行、集中控制和遠方控制[9]。在智能化技術實施后，當出現緊急事件或危險時，可以采用智能化的防護手段，將造成的破壞降到最低，保證電站的安全、穩定。比如，當使用了裝置報警和智能化技術，你就可以對裝置的運行狀況進行智能化的監測，并能夠及時地識別出存在的隱患，并對隱患進行分析，以便能夠及時、方便地應對。利用智能化技術，可以對電站的設備穩定、功耗、負荷、水量使用狀況進行綜合的分析，并能夠及時地檢測出設備的故障和安全問題，并在必要的時候進行維修。

3.2 數據挖掘與遠程專家診斷技術

發電廠的各種設備信息、運行狀態信息、應用系統數據等是一項非常有用的數據資源，通過對這些數據的存儲和特征分析，可以實現發電廠級別的智能自我管理和趨勢預警。還可引入云平臺數據挖掘資源，使所有區域的專家都可以方便的分享數據[10]。以水利企業知識信息管理系統、遠程監督數據平臺、專家網絡移動數據平臺等技術載體為支撐，運用數據挖掘、風險預測、實時風險預警設置、自動判斷智能處理等技術手段，實現省調級、市局級、縣廠級設備狀態的智能控制和自動控制。

3.3 智能巡檢技術

隨著智能技術的飛速發展，電力系統的智能故障診斷技術也得到了越來越多的運用，例如機組溫度、電量、振動信號的分析等，能夠對電站的設備狀態進行正確的分析，對電站的機械設備進行綜合評價。并通過專家圖書館、故障預測分析等手段保證電站的安全生產。通過智能系統可以實時地對電站的各類裝置和系統進行監測，并對各類數據進行收集、分類、處理，并通過與數據庫的聯結，對生產數據進行實時對比和分析，發現電站的操作中存在的問題。作為智能化檢測技術中的一個關鍵環節，通信技術在收集、整理和傳輸各類數據時顯得格外的關鍵。

4 水電廠智能化建設應考慮的問題

設備要標準化，在智能電站的建造中，需要用到許多的自動化設備（部件）。在設備購置時，要兼顧設備型號、技術的一致性，通用性。要避免因設備的性能、標準、型號、尺寸等方面不符合系統要求，導致設備無法正常工作。或者因設備不通用使安裝、維護成本大幅提高。

設備維護，在建立智能水力發電廠時，將會采用許多新技術與新的裝置，因為電站通常位于偏僻地區，造成設備維護困難。因此，發電廠要聘用有專業技術的人才，同時，施工管理方要加強對工程項目質量的監督，要求工程建設方和設備供應方加強技術的支持和培訓，以便設備出故障時，電廠的工作人員能及時排除故障。

成本節約，智能化水電站的造價通常不菲。在智能化的建筑中，必須要有更多的精密測量設備、電子控制系統和軟件，而在實際操作中，這些精密測量設備、電子控制系統等設備難免會出現問題，而精密測量設備的造價和維護成本也會隨之提高，從而增加水電廠運行成本，所以智能化電廠還應綜合考慮運行成本等問題。

5 水電廠智能化改造方案

5.1 設計數據對象

由于沒有統一的通信協議，水電站不同的自動控制系統無法與其它的系統進行數據的交流，因此需要專門的通信協議。采用數據模型技術，將數據以各種模型的方式進行分享，各子系統可以方便的進行數據共享，便于數據分析和運算。

針對電廠的實際情況，建立以IEC 61850為基礎的電力工業自動化系統的數據模型，并結合實際的邏輯結點，建立一個完整的信息模型。為了適應不同的水利行業需求，可以實現邏輯模型的通用化。

5.2 加強自動控制應用的管理

在管理方面，水情、監控、安全等自動化體系的整合與互動應該建立在統一的數據通信互動機制之上，新增加的自動化子系統要很方便的加入其中，最后形成一個高智能的一體化管理與控制平臺。為了適應不同的應用需求，該平臺必須配備標準的內部數據總線、消息總線和業務總線。集成的管理平臺為企業的自動化系統提供了全面的信息，并為智能化的應用提供了支撐。

集成的監控與控制系統采用了防火墻，或者是實體的隔離，以保證 Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ的網絡的安全性。Ⅰ區主要由各種自動化控制設備構成，主要完成電廠日常的生產控制和運行。Ⅱ區主要是對自動化控制設備信息進行收集，為大部分的工業應用以及全廠的先進操作管理提供數據支撐。Ⅲ區由電廠的各個應用系統組成，可以完成各種數據分析，為電廠運行提供更好的決策。

5.3 高級智能應用

以電廠集成的管理和控制平臺為基礎，構建一個適合電廠高效運行的智能應用系統。該智能應用程序具有集成的管理與監控體系。在對數據進行綜合分析、挖掘與優化的基礎上，構建一個專門的水利水電企業的智能化分析與預警體系。該智能應用程序可以將其智能分析成果轉化為通用的數據模型，并將此模型用于日常設備故障處理中，通過對故障的分析提供預防措施和作業指南。建立水電站工程數據分析模型、數據分析方法、形成了以相關故障為基礎的智能邏輯機構，能夠對水電設施的運行情況進行在線監測、故障報警、水庫規劃優化、閥門聯動、防洪決策等。從而提高生產管理自動化、減少維護負擔。通過對智能水力發電廠的實際運行情況進行分析，確定其運行的可靠度，并對其進行合理的維修規劃，以提高其運行的經濟性。

5.4 數據交互標準化

在不同的自動化系統中，以及在不同的系統中進行數據交互，必須使用標準化的通信協議。采用標準的IEC 61850通信協議，可使系統間的互用性最大化，并充分利用統一的數據模型。如果由于特殊原因無法實現的，可以用其他標準化的、廣泛使用的通信協議作為必要的補充和過渡。現地層設備的規范化改造，應以設備的輸入、輸出數字化、網絡化為基礎，由“硬接線”逐漸轉變為網絡或總線，并推廣具有外部網絡的智能設備，把數字化的范圍擴大到現場設備。優化數據采集，設備控制數字化、網絡化，從而達到數據交互標準化。

6 結語

水力發電企業的智能化已成為電力工業的一個發展趨勢，但是要使其成為智能化，還需要不斷地進行深入的探索。IEC 61850對規范水電系統進行優化設計具有十分重要的意義，但它只是一個基本方法。隨著水電機組技術的成熟和有關技術的運用，電廠的智能化將會逐漸地得到進一步的發展和改進，從而達到更好的效果。在智能化電力系統中，水力發電廠所關心的重點是如何提升電廠的整體效益，因此必須重視其運行的安全性和經濟性。智能水力發電廠的整體目的是：以智能化為基礎，進一步提升電廠的生產和經營自動化程度，從而為電廠的正常運轉提供有利的環境，達到改善電廠整體效益的目的。