抽水蓄能電站控制智能化發(fā)展的探討

周佩鋒?朱冬?姜澤界?朱中山?葉林

摘? 要：依托現(xiàn)代抽水蓄能電站控制智能化技術(shù)發(fā)展的趨勢，對以工業(yè)4.0為基礎(chǔ)的采集前端智能化、數(shù)據(jù)傳送和處理方式、統(tǒng)一的硬件平臺、電站設(shè)備集中監(jiān)控及大數(shù)據(jù)應(yīng)用等方向進行可行性的研究與探討，通過對比目前應(yīng)用范圍與方式較為廣泛的控制系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境和結(jié)構(gòu)框架，提出差異化及其優(yōu)劣勢，展示更高水準(zhǔn)的技術(shù)理念，為未來發(fā)展方向提供合理化建議。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能;前端智能化;數(shù)據(jù)傳輸方法;統(tǒng)一硬件平臺;集中監(jiān)控;大數(shù)據(jù)應(yīng)用

中圖分類號：TP39 ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）06-0151-04

Discussion on Control Intelligent Development of Pumped Storage Power Station

ZHOU Peifeng1， ZHU Dong2， JIANG Zejie1， ZHU Zhongshan1， YE Lin1

（1.East China Tianhuangping Pumped Storage Co.， Ltd.， Huzhou? 313302， China; 2.Shanghai Minghua Electric Power Technology Co.， Ltd.， Shanghai? 200090， China）

Abstract： Relying on the development trend of modern pump storage power station control intelligent technology， based on industrial 4.0， this paper researches and discusses the feasibility of collection front-end intelligent， data transmission and processing mode， unified hardware platform， power station equipment centralized monitoring and big data application direction. By comparing the current More extensive application scope and mode of control system application environment and structure framework， it puts forward differentiation and its advantages and disadvantages， and shows the technical concept of higher level， provides reasonable suggestions for the future development direction.

Keywords： pumped storage; front-end intelligence; data transmission method; unified hardware platform; centralized monitoring; big data application

0? 引? 言

華東天荒坪抽水蓄能電站自1997年首臺機組投產(chǎn)以來對于華東電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行做出了不凡的貢獻，也創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。全站采用計算機全監(jiān)控方式，由多功能處理器集成的現(xiàn)地控制單元LCU組成，主要功能包括過程數(shù)據(jù)采集處理、邏輯處理、順序控制等，是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心單元，也是電站設(shè)備正常運行的中樞神經(jīng)。

然而隨著時間推移，電子模件、器件及連接件逐漸暴露出的隨機故障事件時有發(fā)生，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，軟、硬件設(shè)備的老化等諸多問題頻繁出現(xiàn)。電站寄希望于通過升級改造的方式，在工業(yè)4.0和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的相互推動下，實現(xiàn)電站全智能化水平的進一步提高。為實現(xiàn)智能化目標(biāo)，需在以工業(yè)4.0信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)深度融合這一核心理念的基礎(chǔ)上，依托人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等一系列技術(shù)手段，形成一套完整的包含了采集、傳輸、整合處理、計算判斷、存儲等環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制流程[1-6]。本文將以此為方向，展開相關(guān)內(nèi)容的可行性研究與設(shè)計。

1? 以工業(yè)4.0為基礎(chǔ)的采集前端智能化

毫無疑問，工業(yè)4.0和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮作用、影響電站生產(chǎn)過程，促進了大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用發(fā)展以及與管理精準(zhǔn)化，而實現(xiàn)智能化首先應(yīng)解決的工業(yè)4.0中的最前端的技術(shù)-信息物理系統(tǒng)（cyber physical system， CPS）。

所謂物理信息系統(tǒng)是計算進程和物理進程的整合集成，采用嵌入式計算和通信設(shè)備對過程進行監(jiān)測和控制。從自動化技術(shù)的角度看，信息物理系統(tǒng)是通過嵌入智能元件，集感知、采集、計算、通信和控制于一體的監(jiān)控前端設(shè)備或元件組成的系統(tǒng)。

對智能電站而言，對這類智能前端設(shè)備，除了常規(guī)的監(jiān)控要求外，或許還希望擁有與產(chǎn)品全生命周期有關(guān)的出廠信息（包括圖紙和資料）、運行過程設(shè)備的健康信息，維修信息和壽命以及與運行環(huán)境相關(guān)的信息，這可能要求前端設(shè)備的具備數(shù)據(jù)存儲、處理和通信（傳輸）包括實時的、圖像（視頻）的、文字及圖表等結(jié)構(gòu)型和非結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)。大體如圖1所示。

前端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸可包括了結(jié)構(gòu)型實時數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)型實時或非實時數(shù)據(jù)，采用插件方式，用不同通信技術(shù)，可分別處理和傳輸前端設(shè)備所采集的不同類型的數(shù)據(jù)。

在目前抽水蓄能實時監(jiān)控方面，前端數(shù)據(jù)采集還是停留在常規(guī)過程參數(shù)的實時采集，而對智能化安全運行而言，除了這些參數(shù)本身外，其動態(tài)變化是設(shè)備運行過程中值得關(guān)注的，它反映了設(shè)備安全運行的狀況和變化趨勢，預(yù)示可能發(fā)生的事件，如：

反映參數(shù)在一定時間內(nèi)的平均變化率：

dp/dt=p2-p1 （1）

反映參數(shù)在一定時間內(nèi)變化的快慢程度：

d2p/dt2= dp2/dt2-dp1/dt1（2）

其中“p2”為“t2”時刻的數(shù)據(jù)，“p1”為“t1”時刻的數(shù)據(jù);且t2≥t1。

假設(shè)在采集端增加智能化芯片進行數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)計算和處理功能，對采集數(shù)據(jù)進行初步運算直接獲取參數(shù)的變化率和變化的速度，就目前的技術(shù)而言是不難實現(xiàn)的，唯一的要求是必須根據(jù)參數(shù)的物理特征確定p2和p1采樣點間的時間間隔，對不同的參數(shù)允許設(shè)置可調(diào)整的采樣間隔。按照機組或設(shè)備的穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)過程和不同工況，自動選擇采樣間隔，并可根據(jù)制造廠商要求或運行經(jīng)驗允許在線調(diào)整，設(shè)定告警值，計算數(shù)據(jù)超限的次數(shù)。

同樣，對于電動或氣動設(shè)備，在原有設(shè)備內(nèi)以嵌入智能模塊方式，除常規(guī)的數(shù)據(jù)采集外，采集端的智能化可以記錄閥門開啟和關(guān)閉所需的時間，開啟/關(guān)閉次數(shù)、閥門開啟關(guān)閉時電氣或液壓參數(shù)，通過與正常運行（設(shè)計）的參數(shù)比較，對設(shè)備故障類型、進行預(yù)警、預(yù)判和定位。

采集前端智能化能擴大并補充了設(shè)備監(jiān)控的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的積累和提煉可用于機組或設(shè)備在不同工況、穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運行條件下安全邊界的設(shè)置，為真正實現(xiàn)無人值班、為未來大數(shù)據(jù)處理和分析和加工、為電站管理的精準(zhǔn)化奠定基礎(chǔ)。

2? 數(shù)據(jù)傳送方式和數(shù)據(jù)處理

目前各電站大都采用傳統(tǒng)的通信規(guī)約進行數(shù)據(jù)傳輸，而國外推出的面向?qū)ο蠹夹g(shù)手段（如IEC61850），采用了面向?qū)ο蠼?、可擴展的架構(gòu)，將通信傳輸方式從原來的面向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變到面向?qū)ο骩7]。

對于IEC61850，目前國內(nèi)變電站和水電站都有應(yīng)用實例，單純從對象建模概念發(fā)散性進行理解，電站的監(jiān)控對象除溫度、壓力、流量、液位、電流、電壓等二次監(jiān)測元件外，機械類主要有泵、閥門（擋板）、壓縮機、馬達等。電氣類主要有斷路器、閘刀、變壓器、避雷器等，系統(tǒng)則包括了LCU、勵磁、調(diào)速器、同期裝置、繼電保護及輔助控制系統(tǒng)等。在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的框架下，如何細分、歸納、定義和規(guī)范公共數(shù)據(jù)類CDC（Common Data Class）、邏輯節(jié)點類LN（Logical Node、數(shù)據(jù)對象DO（Data Object）以及智能電子設(shè)備IED（Intelligent Electric Device）是應(yīng)用好IEC61850面向?qū)ο蠼５年P(guān)鍵[8]。

若采用面向?qū)ο蟮慕７绞剑?guī)范系統(tǒng)/設(shè)備/元件的傳送信息表，一旦監(jiān)測內(nèi)容和要求發(fā)生變化，可采用改變設(shè)備/元件建模模型改變該設(shè)備/元件的傳輸信息。設(shè)想若LCU層與操作監(jiān)視層的網(wǎng)絡(luò)也采用類似面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)傳輸方式，以類似電視機掃描頻道的方式，將每個對象的變化同步傳輸映射到數(shù)據(jù)庫和畫面，可減少前端采集設(shè)備變化對數(shù)據(jù)庫和畫面修改的工作量，簡化電站監(jiān)控系統(tǒng)維護工作。

面向?qū)ο笸ㄐ旁O(shè)計為智能化前端技術(shù)的發(fā)展提供了思路，在設(shè)備建模合理、網(wǎng)絡(luò)傳輸規(guī)范、系統(tǒng)可擴的前提下，隨著應(yīng)用的增加，這種技術(shù)將逐步地被用戶接納，提升其通用性。

3? 統(tǒng)一硬件平臺

目前工業(yè)應(yīng)用的計算機微處理監(jiān)控設(shè)備/裝置一般都由以下部分組成：（1）控制處理單元;（2）通信單元;（3）操作監(jiān)視單元;（4）I/O接口單元;（5）電源單元。

除各系統(tǒng)電源單元容量（可采用疊加方式增加容量）不同外，各種類型的微機裝置主要差別在于I/O接口單元，其按被控對象監(jiān)控分快速和一般數(shù)據(jù)采集處理，如勵磁、SFC、繼電保護、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障錄波等大致應(yīng)采用快速采集處理方式、其他均可歸類到一般處方式。目前國外一些知名控制設(shè)備廠家相繼推出了基于統(tǒng)一硬件平臺的系列產(chǎn)品，采用同一設(shè)計、同一配置、同一規(guī)格尺寸的硬件平臺，根據(jù)不同被控對象，調(diào)整采樣速率，配置和下裝不同的軟件滿足設(shè)備監(jiān)控的要求。統(tǒng)一硬件平臺的最大好處在于硬件設(shè)計制造和軟件開發(fā)的分離，通過這種方式可以實現(xiàn)硬件設(shè)計制造的標(biāo)準(zhǔn)化、精細化，而硬件平臺的規(guī)范也有利于軟件的開發(fā)和升級，同時對用戶而言統(tǒng)一硬件平臺的應(yīng)用可以大大減少電站模塊備品的種類，便于維護和管理。在硬件性能逐步改善、價格逐步下降的今天，是否可按照應(yīng)用要求，配置快速和一般采集處理這兩類模塊，統(tǒng)一硬件平臺，通過軟件配置和下裝不同的軟件，來滿足不同系統(tǒng)、設(shè)備的監(jiān)控應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集處理要求。

4? 電站設(shè)備集中監(jiān)控

與火電不同的是，目前抽水蓄能電站實時監(jiān)控仍以LCU為主，PLC為輔的方式，一些重要設(shè)備或子系統(tǒng)往往采用廠家配備的PLC，盡管有許多子系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)采用通信方式及硬布線互補方式進行數(shù)據(jù)交換，由于這些獨立系統(tǒng)與LCU在采集周期、數(shù)據(jù)處理、通信時間以及時標(biāo)處理上的差異，因此在機組或電站層面的數(shù)據(jù)分析，往往需要借助其他高速數(shù)據(jù)采集裝置和平臺[9]。

就目前監(jiān)控手段和技術(shù)而言，扁平化的統(tǒng)一監(jiān)控平臺是完全可行的，如火電已將汽機控制系統(tǒng)等一些重要輔機控制系統(tǒng)移植到機組或電站DCS監(jiān)控平臺，對一些具備知識產(chǎn)權(quán)保護的應(yīng)用，可采用廠家提供軟件包的方式，統(tǒng)一在一個平臺運行，達到集中監(jiān)控的目的。

統(tǒng)一集中監(jiān)控是開展大數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，有了統(tǒng)一監(jiān)控，集團公司可以整合利用各電站的平臺數(shù)據(jù)，研究和了解數(shù)據(jù)間的相關(guān)特性，開展數(shù)據(jù)高級的分析和應(yīng)用工作。

5? 大數(shù)據(jù)應(yīng)用

目前國內(nèi)抽水蓄能無論是規(guī)模還是技術(shù)經(jīng)驗上都在世界領(lǐng)先地位，不同類型，不同轉(zhuǎn)速，不同水頭運行數(shù)據(jù)的積累將給設(shè)計制造及學(xué)術(shù)研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，隨著不斷的積累，在數(shù)據(jù)收集、處理，研究、提煉的基礎(chǔ)上，將其轉(zhuǎn)化為圖表參數(shù)、數(shù)據(jù)，經(jīng)驗公式，形成技術(shù)專利，為未來設(shè)計、制造、研發(fā)提供參考，對國內(nèi)乃至世界抽水蓄能行業(yè)的技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。

同時將設(shè)計、運行、檢修參數(shù)結(jié)合時間參數(shù)引入大數(shù)據(jù)應(yīng)用，對機組設(shè)備誕生起引入資產(chǎn)全壽命周期管理理念，通過與設(shè)計、制造、安裝及試驗等參數(shù)的比較，改變電站資產(chǎn)管理的方式，提升管理效能，同時驗證設(shè)計等參數(shù)的合理性。

6? 智能化電站與電站監(jiān)控技術(shù)指標(biāo)的對比優(yōu)勢

電站的智能化相較于傳統(tǒng)電站監(jiān)控系統(tǒng)而言，在數(shù)據(jù)監(jiān)控的各個環(huán)節(jié)各個方面均需要有著定性與定量的顯著優(yōu)勢。以下表1根據(jù)幾個主要考量的技術(shù)性指標(biāo)，對比其在應(yīng)用層面的差異性。

7? 電站智能化發(fā)展的建議

智能電站的建立需要依托于先進的傳感和測量技術(shù)、高度化集成、可靠的軟硬件平臺以及高速、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，同時又需要配備具有強大分析處理能力的后臺數(shù)據(jù)庫。抽水蓄能電站從工藝流程上看需作為一個整體系統(tǒng)進行考慮，因此上述軟、硬件技術(shù)指標(biāo)的性能要求作為智能化電站強有力的技術(shù)支撐其實是缺一不可的，否則極有可能會因為產(chǎn)生短板效應(yīng)而無法達到理想的效果。

同時針對新建電站或技改原有電站需區(qū)別對待。新建電站可通過初期統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計，將智能化設(shè)備、智能化儀表、智能化平臺在可研初期就行整體考慮，較為容易實現(xiàn)。而已經(jīng)投產(chǎn)的電站則需考慮相應(yīng)的整改難度，利舊與否、升級與否，是整體優(yōu)化還是局部更新，都必須根據(jù)電站本身的實際情況進行深入細致的可行性分析和研究。

目前國內(nèi)部分企業(yè)已對IEC61850及統(tǒng)一硬件平臺等課題開展了研究和應(yīng)用。面臨國內(nèi)能源戰(zhàn)略的變化，能否針對抽水蓄能用戶，打破行業(yè)壁壘，在原有研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，順應(yīng)智能化的發(fā)展，整合各方優(yōu)勢，在廣泛探討和研究的基礎(chǔ)上，提出總體解決方案，為應(yīng)對和挑戰(zhàn)未來智能化抽水蓄能產(chǎn)業(yè)未雨綢繆。

8? 結(jié)? 論

服務(wù)于電網(wǎng)的抽水蓄能要求以安全、可靠、靈活的方式來應(yīng)對電網(wǎng)需求的變化，可以想象，智能前端的開發(fā)，將從數(shù)據(jù)源頭增加未來智能開發(fā)的可能;面向?qū)ο笸ㄐ欧绞降淖兏铮瑢ξ磥碇悄芑岸思夹g(shù)持續(xù)發(fā)展，對監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)和維護意義重大，而統(tǒng)一平臺，將為電站的集中監(jiān)控，為大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供統(tǒng)一平臺。然而電站監(jiān)控是智能化是一個復(fù)雜而又龐大的系統(tǒng)工程，除了需要技術(shù)創(chuàng)新外，更重要的是需要統(tǒng)一的規(guī)劃設(shè)計及強大的決策和執(zhí)行力。

參考文獻：

[1] 彭志強，閔崢，朱辰，等.基于IEC 61850的智能水電廠建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)分析 [J].水電廠自動化，2012（1）：1-3，8.

[2] 杜宇，陳一靚，焦邵華，等.基于IEC61850-7-410的智能水電監(jiān)控系統(tǒng)建模 [J].水電廠自動化，2015（2）：62-65.

[3] 姜海軍，吳正義，汪軍，等.抽水蓄能電站計算機監(jiān)控技術(shù)發(fā)展與展望 [J].水電廠自動化，2013（3）：6-10.

[4] 劉曉波，張毅，趙勇飛.大型抽水蓄能電站自動控制技術(shù)動態(tài)跟蹤調(diào)研 [J].水電站機電技術(shù)，2016，39（2）：32-36.

[5] 溫柳，朱靜華，姜海軍，等.抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式和機組控制策略研究 [J].電子測試，2015（4）：7-8.

[6] 陳世和，張曦.基于工業(yè)4.0的智能電站控制技術(shù) [J].自動化博覽，2015（9）：42-50.

[7] 金和平，潘建初.大型水利水電工程工業(yè)4.0應(yīng)用及展望 [C]//中國水力發(fā)電工程學(xué)會信息化專委會、水電控制設(shè)備專委會2015年學(xué)術(shù)交流會論文集，2015：230-237.

[8] 李莉，魏偉，李帆，等.工業(yè)4.0在電能智能計量系統(tǒng)中的應(yīng)用展望 [J].儀表技術(shù)，2016（11）：32-36.

[9] 繆學(xué)勤.工業(yè)4.0推動機電一體化走向智能技術(shù)系統(tǒng) [J].自動化儀表，2016，37（1）：1-5+8.

作者簡介：周佩鋒（1980—），男，漢族，浙江青田人，電站專工，工程師，本科，主要研究方向：電氣自動化;朱冬（1985—），男，漢族，江蘇江陰人，項目經(jīng)理，工程師，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化;姜澤界（1981—），男，漢族，甘肅會寧人，電站專工，高級工程師，本科，主要研究方向：水動;朱中山（1972—），男，漢族，湖南汝城人，電站專工，高級工程師，本科，主要研究方向：電氣自動化;葉林（1979—），男，漢族，浙江杭州人，電站專工，工程師，本科，主要研究方向：電氣自動化。

收稿日期：2022-02-11