流域型梯級智能水電站及其構(gòu)架建設探討

彭 放,邱 華

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司,四川 成都 625409)

流域型梯級智能水電站及其構(gòu)架建設探討

彭 放,邱 華

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司,四川 成都 625409)

針對現(xiàn)代化水電站自動監(jiān)控技術(shù)的進步和生產(chǎn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)設計思路、典型系統(tǒng)分區(qū)、支撐技術(shù)應用和發(fā)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(yè)應用前景,較為深入地對相關(guān)數(shù)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(tǒng),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(gòu)架;IEC61850;智慧應用

0 引言

目前我國水電站(新建或經(jīng)改造)普遍實現(xiàn)了“無人值班(少人值守)”模式,流域性電站群正逐步實現(xiàn)了集中控制模式,電站設備基本實現(xiàn)數(shù)字化,高可靠性的計算機監(jiān)控、視頻監(jiān)控、微機保護、輔機監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)測等自動化技術(shù)得到廣泛應用,數(shù)字通信技術(shù)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(fā)展階段和技術(shù)條件限制,水電站各系統(tǒng)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(xié)議不統(tǒng)一,水電站通信和管理缺乏頂層系統(tǒng)設計,導致電站各業(yè)務系統(tǒng)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(shù)據(jù)壁壘、實現(xiàn)系統(tǒng)間、電站間數(shù)據(jù)的集中管理、深度挖掘和高級應用,已成為現(xiàn)代化流域型水電站生產(chǎn)管理的迫切需求,智能化水電站概念的提出和技術(shù)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(shù)字化為基礎,以信息共享網(wǎng)絡化為手段,以數(shù)據(jù)應用智能化為表征,使得電站電力生產(chǎn)更加安全可靠、經(jīng)營管理更加經(jīng)濟高效,最終實現(xiàn)風險識別自動化、管理決策智慧化。

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

信息共享網(wǎng)絡化。建設標準統(tǒng)一的數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡平臺,實現(xiàn)各自動化系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集之間的互聯(lián),實現(xiàn)全廠跨安全分區(qū)的生產(chǎn)自動化系統(tǒng)、管理信息化系統(tǒng)等應用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一交換與存儲共享,達到“系統(tǒng)分散,數(shù)據(jù)集中”的要求。

數(shù)據(jù)應用智能化。充分利用設備信息數(shù)據(jù),輔助專家智能系統(tǒng),通過在線仿真、智能趨勢報警、遠方監(jiān)視管控等技術(shù)途徑,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的智能應用,最終達到風險可預測、狀態(tài)可控制。

智能電站建設是一個不斷探索、創(chuàng)新的過程,需要建設管理、設計、生產(chǎn)制造、運行管理等各方緊密配合、通力合作。按照“安全可靠,經(jīng)濟實用,標準先行,穩(wěn)步推進”的原則,逐步實現(xiàn)電站“智能化”。

2 流域型智能電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設想

2.1 安全分區(qū)

電站業(yè)務系統(tǒng)的劃分總體上遵循《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護規(guī)定》(國家發(fā)改委第14號令)、國家能源局《關(guān)于印發(fā)電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護總體方案等安全防護方案和評估規(guī)范的通知》(國能安全〔2015〕36號)的規(guī)定,將所有業(yè)務系統(tǒng)劃分為控制區(qū)(安全Ⅰ區(qū))、非控制區(qū)(安全Ⅱ區(qū))和管理信息大區(qū)。

2.2 系統(tǒng)分層

按照現(xiàn)有標準和行業(yè)實際,智能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)可按照“三層”方式進行網(wǎng)絡分區(qū),分別為過程層、單元層和廠站層,各區(qū)設備采用分層分布式結(jié)構(gòu)。單元層按照機組、間隔劃分,各單元獨立組網(wǎng),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(wǎng)功能的數(shù)字化工業(yè)電視鏡頭等傳感、控制裝置,負責數(shù)據(jù)采集和控制輸出,并與單元層設備通信。單元層包括機組現(xiàn)地控制系統(tǒng),如監(jiān)控LCU、調(diào)速器以及勵磁調(diào)節(jié)器等;單元層控制系統(tǒng)直接與現(xiàn)場設備連接,采集過程層的各種信號并向過程層發(fā)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(shù)據(jù)庫以及通信工作站等,廠站層系統(tǒng)承擔了對全廠機組主設備、輔助設備、開關(guān)站設備、公用設備以及閘門設備的運行監(jiān)控和操作控制任務,并具有對外信息發(fā)布功能。對于流域型水電站,廠站層部分業(yè)務系統(tǒng)和功能可納入流域公司統(tǒng)一平臺實現(xiàn),各流域電站進行WEB訪問即可。

圖1 分層分布式結(jié)構(gòu)實例

2.3 業(yè)務系統(tǒng)劃分實例

按照電站實際,將電站全部業(yè)務系統(tǒng)劃分為生產(chǎn)區(qū)和管理區(qū),與電能生產(chǎn)、監(jiān)測有關(guān)的業(yè)務系統(tǒng)分置于生產(chǎn)區(qū),與電站經(jīng)營和安全管理有關(guān)的業(yè)務系統(tǒng)分置于管理區(qū)。其中,視頻監(jiān)控、門禁、車禁、廣播等系統(tǒng)也與電力生產(chǎn)密不可分,但考慮到其技術(shù)應用的廣泛性,少有電力專業(yè)對口的生產(chǎn)廠商和設備系統(tǒng),暫將其作為安全管理業(yè)務分置于管理區(qū),待有電力專用相關(guān)業(yè)務系統(tǒng)時,可作為電力安全生產(chǎn)可控設備的重要組成部分挪至生產(chǎn)區(qū)中的控制區(qū)內(nèi)。

考慮到依照低防區(qū)系統(tǒng)及設備可置于高防區(qū)、高防區(qū)系統(tǒng)及設備不可置于低防區(qū)的原則,智能水電站典型業(yè)務分區(qū)見表1。

表1 智能電站典型業(yè)務分區(qū)

3 流域型智能電站的支撐技術(shù)

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(huán)境參數(shù)(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(tài)(如速度、分合、充放、啟閉、啟停、投切)、部分運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)(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(diào)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(xiàn)并在電力系統(tǒng)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(xiàn)地AD轉(zhuǎn)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(tǒng)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(yōu)的性價比。

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

3.2 系統(tǒng)通信標準化

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

隨著能量管理系統(tǒng)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(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、電網(wǎng)動態(tài)測量系統(tǒng)、仿真培訓系統(tǒng)、動態(tài)安全分析決策系統(tǒng)、電力市場運營系統(tǒng)、電力實時發(fā)布系統(tǒng)等與電力監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)間的通信更加標準和統(tǒng)一,并使得各EMS系統(tǒng)間實現(xiàn)了互操作和大發(fā)展。為順應國家能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展、適應電網(wǎng)公司提出的智能電網(wǎng)下的網(wǎng)元協(xié)調(diào)控制要求、實現(xiàn)水電站和電網(wǎng)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(jù)系統(tǒng)實際應用情況,在安全三區(qū)可適當采用WEB Service方式與云平臺互聯(lián),進行一些數(shù)據(jù)挖掘后的發(fā)布、查詢、管理功能應用;并根據(jù)調(diào)度遠動需要,繼續(xù)使用遠動設備及系統(tǒng)(DL/T 634,即IEC60870)系列協(xié)議標準。

目前基于通用網(wǎng)絡通信平臺的變電站自動化國際標準IEC61850已在變電站領(lǐng)域成功應用,取得良好效果,并逐漸超出變電站自動化系統(tǒng)的范圍[5],其第2版也已增加了水電廠的模型定義。國內(nèi)已引入并發(fā)布等同系列標準DL/T860,相關(guān)水電站自動系統(tǒng)設備供應商已正在大力開發(fā)適合該系列標準的智能化產(chǎn)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(fā)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(tǒng)也通過協(xié)議轉(zhuǎn)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(wǎng)進行適當分段,避免出現(xiàn)主干網(wǎng)節(jié)點過多影響網(wǎng)絡效率或主干網(wǎng)故障導致關(guān)鍵節(jié)點功能失效等問題發(fā)生。

因此,需要更加規(guī)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(guān)支持產(chǎn)品的發(fā)展應用,實現(xiàn)水電站自動化系統(tǒng)通信標準化,為水電站進一步的數(shù)據(jù)匯集和應用奠定基礎。

3.3 數(shù)據(jù)存儲云端化

數(shù)據(jù)云平臺是在電站側(cè)或電站群集中控制側(cè)建立一個數(shù)據(jù)平臺。

隨著“云計算”、“大數(shù)據(jù)”等一系列新概念、新技術(shù)的發(fā)展和應用,流域電站建設一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)云平臺的條件已基本成熟。從流域性電站企業(yè)管理角度看,流域各電站技術(shù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)共享、設備項目和資產(chǎn)運營管理結(jié)合、人力資源和辦公自動化統(tǒng)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(tài)已不能滿足流域性電站管理的數(shù)據(jù)需求,需要建設一個充分、敏捷、高效整合各電站信息的數(shù)據(jù)平臺。

建立數(shù)據(jù)云平臺的目的就是要規(guī)范數(shù)據(jù)格式和接口標準,打破信息壁壘,以便利于多系統(tǒng)聯(lián)動、深度數(shù)據(jù)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(guī)范,實現(xiàn)電站數(shù)據(jù)的集中匯聚,信息采集覆蓋電站所有控制區(qū)、非控制區(qū)和管理信息大區(qū)的各個設備系統(tǒng);對采集的生產(chǎn)設備實時數(shù)據(jù)、生產(chǎn)設備歷史數(shù)據(jù)、設備安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理過程數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理視頻數(shù)據(jù)進行集中、分類管理;實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性分類管理,便于數(shù)據(jù)的查詢分析和提取;實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲,并能方便的在管理信息大區(qū)的應用終端進行查詢、分析;通過云平臺數(shù)據(jù)挖掘后對外發(fā)布,避免流域梯級型電站各數(shù)據(jù)分析和挖掘系統(tǒng)重復建設。

圖2 數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)類別劃分

3.4 高級應用智慧化

流域各電站及其相關(guān)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(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù),開發(fā)高級應用模塊,為設備技術(shù)攻關(guān)、管理策略調(diào)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(lián)網(wǎng)提供重要的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)訪問。表2為部分高級應用舉例。

表2

4 結(jié)束語

本文在分析了水電站設備、管理發(fā)展與現(xiàn)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(xiàn)代流域型智能水電站的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)體系進行了系統(tǒng)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(fā)展現(xiàn)狀及展望[C]//智能化電站技術(shù)發(fā)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(tǒng)自動化,2014,38(3):194-199.

[3]李瑞生,李燕斌,周逢權(quán).智能變電站功能架構(gòu)及設計原則[J].電力系統(tǒng)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(tǒng)總體構(gòu)想初探[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2011,35(1):4-8.

[5]彭志強,朱 辰.IEC61850在智能水電廠應用的相關(guān)技術(shù)[J].水電自動化與大壩監(jiān)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。