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(jié)構(gòu)在邏輯上分為應用系統(tǒng)、應用支撐平臺和基礎設施等；計算機監(jiān)控系統(tǒng)部分的設計思路。

關鍵詞：智能化水電站；總體結(jié)構(gòu)；計算機監(jiān)控系統(tǒng)

國家電網(wǎng)公司于2009年提出“建設統(tǒng)一堅強電網(wǎng)”目標，并制定了“統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)關鍵設備（系統(tǒng)）研制規(guī)劃”。隨著智能電網(wǎng)的不斷構(gòu)建與完善，智能化水電站的研究與建設已經(jīng)成為新建水電站的發(fā)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(wěn)定和高效運行越來越成為我國經(jīng)濟社會快速發(fā)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(shù)據(jù)采集自動化、信息預測精確化、調(diào)度決策最優(yōu)化、運行控制一體化”為特征，以電站設施可靠性和電網(wǎng)運行安全性為中心，準確地滿足流域水情和電網(wǎng)負荷調(diào)度要求，實現(xiàn)電站社會效益與經(jīng)濟效益的最優(yōu)。

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(jié)構(gòu)，其特征是采用基于IEC61850 協(xié)議，通過設備的功能接口和通信的標準化，為自動化系統(tǒng)提供一個開放的統(tǒng)一平臺，滿足不同類型監(jiān)測、保護、控制與調(diào)節(jié)設備的集成和交互。不同廠家的產(chǎn)品可以在本地交互或者與遠方系統(tǒng)進行交互和信息共享，使水電站系統(tǒng)的功能易于擴展并可以兼容第三方產(chǎn)品等。隨著電子式電流電壓互感器、智能化開關、在線監(jiān)測等技術的發(fā)展，所有數(shù)據(jù)均以數(shù)字量的形式按統(tǒng)一的通信協(xié)議傳輸，站內(nèi)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(jiān)控系統(tǒng)等與發(fā)電生產(chǎn)有關的設備。智能電站的內(nèi)涵首先表現(xiàn)出數(shù)字化的特點。主要包括：

（1）數(shù)據(jù)采集數(shù)字化

采用數(shù)字化電氣量測系統(tǒng)（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(xiàn)一、二次系統(tǒng)在電氣上的有效隔離，增大了電氣量的動態(tài)測量范圍并提高了測量精度，從而為實現(xiàn)信息集成化應用提供了基礎。

（2）系統(tǒng)分層分布化

IEC61850協(xié)議提出了過程層、間隔層、站控層的三層結(jié)構(gòu)模型，建議采用面向?qū)ο蠼?、軟件復用、高速以太網(wǎng)、嵌入式實時操作系統(tǒng)，以便滿足電力系統(tǒng)對實時性、可靠性的要求，同時有效地解決異構(gòu)系統(tǒng)之間的信息互通、裝置的自我描述和互操作以及系統(tǒng)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(tǒng)建模標準化

IEC 61850 確立了電力系統(tǒng)的建模標準，為自動化系統(tǒng)定義了統(tǒng)一、標準的信息模型和信息交換模型，實現(xiàn)智能設備的互操作性及信息共享。

（4）信息交互網(wǎng)絡化

數(shù)字化水電站采用低功率、數(shù)字化的新型互感器代替常規(guī)互感器，將高電壓、大電流直接變換為數(shù)字信號。水電站內(nèi)設備之間通過高速網(wǎng)絡進行信息交互，二次設備不再出現(xiàn)功能重復的I/O接口，常規(guī)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(wǎng)技術真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)及資源共享。

（5）信息應用集成化

常規(guī)水電站的監(jiān)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(tǒng)，這些系統(tǒng)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(shù)字化變電站則對原來分散的二次系統(tǒng)裝置進行了信息集成及功能優(yōu)化處理，因此有效地避免了上述問題的發(fā)生。IEC針對電力系統(tǒng)操作與運行制定了一整套標準，以逐步統(tǒng)一電力系統(tǒng)內(nèi)各自動化系統(tǒng)的信息模型和信息交換模型，消除由于缺乏統(tǒng)一建模和系統(tǒng)異構(gòu)而導致的各種“信息孤島”。

2 智能化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能水電站是由先進、可靠、節(jié)能、環(huán)保、集成的設備組合而成，以高速網(wǎng)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(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、水庫經(jīng)濟運行、在線分析決策、協(xié)同互動等高級應用功能。包括標準化的信息采集系統(tǒng)；分層分布的信息網(wǎng)絡系統(tǒng)；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(tǒng)、應用支撐平臺和基礎設施三層結(jié)構(gòu)。

a.應用系統(tǒng)平臺：是用戶直接使用的與業(yè)務有關的各子系統(tǒng)集合，以計算機監(jiān)控為主，包括實時生產(chǎn)各系統(tǒng)、非控制實時生產(chǎn)各系統(tǒng)、生產(chǎn)管理各系統(tǒng)、管理信息各系統(tǒng)等。高級應用則是在各應用系統(tǒng)的常規(guī)功能基礎上進一步開發(fā)深層次的應用，根據(jù)不同用戶的需要對數(shù)據(jù)調(diào)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(xiàn)資源的有效共享和各應用系統(tǒng)的互連互通，為應用系統(tǒng)的功能實現(xiàn)提供技術支持、多種服務及運行環(huán)境，是實現(xiàn)應用系統(tǒng)之間、應用系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)以及系統(tǒng)運行實體環(huán)境。

3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計

智能水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡系統(tǒng)，由過程層及站控層兩層網(wǎng)絡實現(xiàn)連接，整個體系結(jié)構(gòu)為“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，并通過站控層網(wǎng)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(gòu)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(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等。

間隔層由保護、勵磁、調(diào)速、測控、監(jiān)測、安穩(wěn)等若干個子系統(tǒng)組合而成，在站控層及站控層網(wǎng)絡失效的情況下，仍能獨立完成對本間隔設備的就地監(jiān)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(gòu)成，提供站內(nèi)運行的人機聯(lián)系界面，實現(xiàn)管理控制間隔層、過程層設備等功能，形成全站監(jiān)控、管理中心，并與調(diào)度通信中心通信。

過程層網(wǎng)絡主要實現(xiàn)過程層設備、間隔層設備間的連接；站控層網(wǎng)絡主要實現(xiàn)間隔層設備、站控層設備間的連接，并經(jīng)網(wǎng)絡隔離后接入電站集控層。

4 結(jié)束語

智能水電站以提高系統(tǒng)的整體運行水平為目標，利用先進可靠的控制系統(tǒng)和安全高效的網(wǎng)絡平臺，以實時控制、經(jīng)濟運行、水庫優(yōu)化調(diào)度、設備在線狀態(tài)監(jiān)測診斷等數(shù)據(jù)為基礎，根據(jù)電站的實際需求，插接各種不同的應用系統(tǒng)，通過信息的實時溝通及分析，使整個系統(tǒng)可以良性互動與高效協(xié)調(diào)。實現(xiàn)流域水資源利用最優(yōu)化，達到電站整體經(jīng)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(tǒng)及其自動化方面的研究，副教授。