張毅

（北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038）

1 調(diào)研背景概述

隨著技術(shù)進(jìn)步和全球新能源、分布式能源的發(fā)展，智能電網(wǎng)已成為未來(lái)世界電力系統(tǒng)發(fā)展的方向，為滿足未來(lái)能源發(fā)展的需要，2009年國(guó)家電網(wǎng)公司專門制定了“統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備（系統(tǒng)）研制規(guī)劃”，提出了智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度環(huán)節(jié)及通信信息平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備分階段研制目標(biāo)，南方電網(wǎng)制定了有關(guān)智能電網(wǎng)的研發(fā)計(jì)劃，研制智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備已成為當(dāng)前電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)和新方向。

結(jié)合所從事的水利水電自動(dòng)化專業(yè)領(lǐng)域和當(dāng)前水電廠智能化建設(shè)的實(shí)際需求，我們將水電廠智能化技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)作為本次跟蹤調(diào)研的重點(diǎn)。北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自動(dòng)化所）在水利水電自動(dòng)化領(lǐng)域具有30多年的研究開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，是國(guó)內(nèi)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主要研制廠家，在水電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)方面，技術(shù)居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。根據(jù)電力系統(tǒng)智能化發(fā)展趨勢(shì)，目前我們正在開(kāi)展智能化水電廠建設(shè)方面的研究工作，為本次調(diào)研工作提供了良好基礎(chǔ)，希望我們的跟蹤調(diào)研工作能對(duì)國(guó)內(nèi)智能水電廠建設(shè)有所裨益。

2 水電廠智能化技術(shù)調(diào)研的意義

水電廠智能化建設(shè)，代表了當(dāng)前國(guó)際水利水電自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向。由于國(guó)內(nèi)外在智能化水電廠自動(dòng)化技術(shù)方面的研究剛剛起步，智能水電廠的概念、目標(biāo)、功能、系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)模型及系統(tǒng)間互動(dòng)等方面均亟需進(jìn)一步研究明確，目前開(kāi)展水電廠智能化技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)跟蹤調(diào)研，有利于推動(dòng)水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)測(cè)控、狀態(tài)檢修、水情水調(diào)及優(yōu)化調(diào)度經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等自動(dòng)化系統(tǒng)智能化研究的展開(kāi)。

智能水電廠是智能電網(wǎng)的重要組成部分，但又與智能電網(wǎng)關(guān)注的重點(diǎn)不同，隨著智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備研制工作的展開(kāi)，國(guó)內(nèi)部分研究機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)院和水電廠已開(kāi)始智能水電廠建設(shè)的前期規(guī)劃設(shè)計(jì)和研究工作，但在智能化水電站建設(shè)方面還缺乏共識(shí)，因此有必要開(kāi)展智能水電廠自動(dòng)化技術(shù)調(diào)研，跟蹤并全面、系統(tǒng)了解和掌握相關(guān)學(xué)科技術(shù)的國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)，對(duì)我國(guó)水利水電行業(yè)未來(lái)的發(fā)展和增長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)行分析，同時(shí)通過(guò)對(duì)新技術(shù)的調(diào)研和分析，為本專業(yè)技術(shù)研究和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供技術(shù)參考。

3 近年水電廠智能化自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展新動(dòng)向和值得關(guān)注點(diǎn)

3.1 國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)

我國(guó)是統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的倡導(dǎo)者，近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司一直在努力打造以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，采用先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)和控制方法，研制堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備（系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全、高效運(yùn)行，以解決我國(guó)能源主要分布地與主要消費(fèi)地不一致和可再生能源發(fā)展的問(wèn)題。在智能電網(wǎng)建設(shè)初期，我國(guó)主要是對(duì)以電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)字化變電站為主的二次設(shè)備進(jìn)行更新。

智能電網(wǎng)是電力工業(yè)的未來(lái)發(fā)展方向，已在國(guó)內(nèi)外形成共識(shí)。目前智能電網(wǎng)建設(shè)已在變電環(huán)節(jié)獲得較大進(jìn)展，主要技術(shù)問(wèn)題已基本解決，智能化、數(shù)字化變電站將成為新建變電站的主流。而智能化建設(shè)在發(fā)電領(lǐng)域還處于剛剛起步階段，主要是因?yàn)榘l(fā)電環(huán)節(jié)涉及的設(shè)備與系統(tǒng)更多、更復(fù)雜，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范還需完善，智能化建設(shè)遇到的問(wèn)題技術(shù)難度較大。

從2004年IEC正式發(fā)布IEC61850以來(lái)，ABB、SIEMENS、AREVA、GE等國(guó)外主要公司都推出了支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的新一代變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。并在2006年8月就組織了13個(gè)廠商進(jìn)行IEC61850產(chǎn)品的互聯(lián)展示。目前已經(jīng)形成了一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

IEC61850規(guī)約在我國(guó)等同引用為國(guó)內(nèi)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DL/T860系列），并制定了相應(yīng)的《DL/T860工程實(shí)施規(guī)范》，從2005年起，國(guó)調(diào)中心組織國(guó)內(nèi)10個(gè)主要廠家和檢測(cè)單位成功進(jìn)行了6次IEC61850互操作實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)不同廠家的IED之間的信息交換與功能互動(dòng)。在數(shù)字化變電站建設(shè)上，初步統(tǒng)計(jì)我國(guó)已有近百座數(shù)字化變電站投入運(yùn)行，并在間隔層、變電站層等二次設(shè)備和系統(tǒng)上取得了較大的技術(shù)進(jìn)步，在電子式互感器與智能化開(kāi)關(guān)等需同時(shí)具備一、二次設(shè)備技術(shù)的過(guò)程層與國(guó)外仍有較大差距，可靠性方面等還有待進(jìn)一步驗(yàn)證與完善。

在發(fā)電環(huán)節(jié)，隨著計(jì)算機(jī)監(jiān)控、保護(hù)測(cè)控、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)等自動(dòng)化系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，為智能化建設(shè)打好了良好的基礎(chǔ)，但有關(guān)研究工作還處于剛剛起步階段。根據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主要研發(fā)企業(yè)均開(kāi)展了相關(guān)的研究開(kāi)發(fā)工作，另外成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院等設(shè)計(jì)單位和白山電廠、葛洲壩電廠等發(fā)電企業(yè)均開(kāi)展了智能化水電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。由于目前水電站智能化建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范還不夠完善，技術(shù)發(fā)展方向還缺乏共識(shí)，同時(shí)缺少適合水電廠的大量一次智能設(shè)備，這些都決定了開(kāi)展發(fā)電環(huán)節(jié)智能化建設(shè)，研制關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)將需要一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期。

綜合調(diào)研情況分析，在適合水電廠的一次智能設(shè)備難以獲得突破的情況下，水電廠智能化建設(shè)研究，研制發(fā)電環(huán)節(jié)智能化建設(shè)關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)，總體目標(biāo)應(yīng)該是通過(guò)智能化建設(shè)，進(jìn)一步提高水電廠生產(chǎn)管理和設(shè)備的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，研究自動(dòng)控制系統(tǒng)智能化關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的無(wú)縫連接，通過(guò)建立一體化系統(tǒng)信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與互動(dòng)，提高系統(tǒng)之間的智能協(xié)調(diào)與安全運(yùn)行水平，強(qiáng)化電廠對(duì)電網(wǎng)的支撐能力，提升電網(wǎng)與發(fā)電廠智能協(xié)調(diào)水平，并最終實(shí)現(xiàn)智能決策、優(yōu)化運(yùn)行，有效發(fā)揮水利水電工程經(jīng)濟(jì)效益的智能化應(yīng)用目標(biāo)。在智能化水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)方面，重點(diǎn)是進(jìn)行水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)測(cè)控、水電機(jī)組狀態(tài)檢修、梯級(jí)水電站群經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等二次系統(tǒng)的智能化研究。

3.2 發(fā)展的新方向和值得關(guān)注點(diǎn)

經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，基于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在水電廠獲得了廣泛應(yīng)用，顯著提高了水電廠自動(dòng)化水平及安全運(yùn)行水平，但由于缺少統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，使得各自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)間接口復(fù)雜，難以相互兼容與互操作，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享帶來(lái)困難，對(duì)水電廠生產(chǎn)管理和自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生了不利的影響。

國(guó)際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員會(huì)（IECTC57）制定了有關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)通信的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61850，目前新標(biāo)準(zhǔn)已改名為—電力企業(yè)自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，并將IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)推廣應(yīng)用于水電廠自動(dòng)化，并正式出版發(fā)行了水電廠監(jiān)控通信標(biāo)準(zhǔn) IEC61850-7-410：Hydroelectric power plants--Communication for monitoringand control。智能化、數(shù)字化代表了自動(dòng)化系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展方向。

智能水電廠通過(guò)采用先進(jìn)的傳感器、電子、信息、通信、控制、智能分析決策等技術(shù)，建立全廠統(tǒng)一的信息采集、傳輸、分析、處理的一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化功能的整合，簡(jiǎn)化現(xiàn)有的水電廠監(jiān)測(cè)設(shè)備，系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)、可靠。保護(hù)、監(jiān)控、監(jiān)測(cè)、錄波、計(jì)量等自動(dòng)化裝置或功能可通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與同一套合并單元和智能化的一次設(shè)備接口，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備大大減少和簡(jiǎn)化，顯著降低了一次性設(shè)備成本和運(yùn)行維護(hù)成本；同時(shí)由于裝置減少和消除了復(fù)雜的電纜接線，大大提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

目前還沒(méi)有嚴(yán)格的有關(guān)智能化水電廠的定義，但已有基本共識(shí)，智能化水電廠是指在硬件上由智能化一次設(shè)備（電子式互感器、智能化開(kāi)關(guān)等）和網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的二次設(shè)備組成，軟件上以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)作為通信協(xié)議，通過(guò)建立全廠統(tǒng)一的一體化系統(tǒng)信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間充分的信息共享和互操作。

目前在IEC61850的應(yīng)用上二次廠家進(jìn)展較快，一次廠家的技術(shù)水平落后于二次廠家，而智能化水電廠涉及的自動(dòng)化系統(tǒng)和設(shè)備較多且較為復(fù)雜，因此實(shí)現(xiàn)真正的智能化水電廠將是一個(gè)長(zhǎng)期、復(fù)雜和困難的過(guò)程，需要研究和解決的問(wèn)題很多，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)作為一個(gè)先進(jìn)龐大的體系，提供了開(kāi)放的通信協(xié)議、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和服務(wù)模型，代表了當(dāng)今這個(gè)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的方向，值得深入研究。

隨著技術(shù)的發(fā)展，電子式電流電壓互感器、智能化開(kāi)關(guān)等各種一次智能化設(shè)備的完善，最終從技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的智能水電廠是可能的。在全數(shù)字化的智能化水電廠，各種智能設(shè)備均遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，所有數(shù)據(jù)均具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并按標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議互聯(lián)，通過(guò)全廠通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控、水情水調(diào)、信息、監(jiān)測(cè)等跨安全分區(qū)的各應(yīng)用系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一交換與存儲(chǔ)共享的全廠統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)，消滅信息孤島，實(shí)現(xiàn)信息資源整合互動(dòng)，形成全廠數(shù)據(jù)信息中心，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展數(shù)據(jù)挖掘、優(yōu)化調(diào)度、故障診斷、狀態(tài)檢修等智能化應(yīng)用技術(shù)的研究，為智能化水電廠提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支撐管理開(kāi)發(fā)應(yīng)用環(huán)境，逐步滿足流域梯級(jí)電站遠(yuǎn)方集控、水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷、調(diào)度決策等智能應(yīng)用需求，全面提升電站自動(dòng)化運(yùn)行管理水平和綜合經(jīng)濟(jì)效益。

在當(dāng)前條件下，我們認(rèn)為智能化水電廠研究的主要內(nèi)容和方向如下：

（1）在深入研究和分析IEC61850、IEC61970等標(biāo)準(zhǔn)體系、建模原則以及智能化水電廠站控層、間隔（LCU）層、過(guò)程層三層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展智能化自動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)研究工作；

（2）智能化水電廠系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型和接口全部基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，常規(guī)功能裝置重復(fù)的I/O現(xiàn)場(chǎng)接口和硬連線將逐步減少，有必要進(jìn)行智能化水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、總體結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)性、可靠性、穩(wěn)定性及電磁兼容性等研究；

（3）遵循IEC61850、IEC61970等開(kāi)放協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展智能化自動(dòng)控制系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，組建水電廠全廠統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)智能設(shè)備無(wú)縫接入與互動(dòng)；

（4）通過(guò)統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型、數(shù)模一體化、標(biāo)準(zhǔn)化、即插即用通信接口、開(kāi)放高級(jí)應(yīng)用、互插式圖形與人機(jī)聯(lián)系、GIS技術(shù)融合等關(guān)鍵技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)完成新一代水電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)平臺(tái)；

（5）開(kāi)展符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控、保護(hù)等系統(tǒng)及測(cè)控二次智能設(shè)備儀表研制（智能SOE裝置，交流采樣裝置、智能溫度巡檢儀等），以滿足水電站智能化建設(shè)的要求。

4 水電廠智能化建設(shè)的建議

目前水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)越來(lái)越多，變送器重復(fù)設(shè)置，信號(hào)重復(fù)采集，結(jié)構(gòu)繁雜，信息源多，易受到電磁干擾，且各自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)間接口復(fù)雜，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型難以相互兼容，不同廠家設(shè)備或系統(tǒng)間的互操作性更難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)由于缺少統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，無(wú)法從根本上解決信息化孤島問(wèn)題，對(duì)水電廠生產(chǎn)管理和自動(dòng)化水平的進(jìn)一步提高形成制約。開(kāi)展智能化研究，建設(shè)信息統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息資源整合共享，集中管理并綜合運(yùn)用的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，智能化已成為今后水電廠自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

水電廠智能化建設(shè)，涉及生產(chǎn)、運(yùn)行、維護(hù)管理等，具體體現(xiàn)在一系列高度智能化的生產(chǎn)過(guò)程控制、運(yùn)行決策和生產(chǎn)輔助管理自動(dòng)化系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通過(guò)全廠一體化的數(shù)據(jù)平臺(tái)有機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享互動(dòng)配合，完成全廠智能化的目標(biāo)，具有系統(tǒng)規(guī)模大，技術(shù)難度高，需研究開(kāi)發(fā)的內(nèi)容眾多，涉及學(xué)科范圍廣的特點(diǎn)，是一項(xiàng)需經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究開(kāi)發(fā)與建設(shè)完善的系統(tǒng)工程。

智能水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的全面支持，站控層和間隔層采用IEC61850-8-1通信。PLC采用支持IEC61850的PLC，除采集常規(guī)信號(hào)外，還應(yīng)具備接入電子式PT/CT和智能開(kāi)關(guān)控制器的能力。

鑒于目前數(shù)字化傳感器和智能開(kāi)關(guān)組件尚不成熟和穩(wěn)定，技術(shù)尚待完善，目前智能水電廠一次設(shè)備一般不進(jìn)行更換，仍采用傳統(tǒng)一次設(shè)備和常規(guī)的PT/CT，為與未來(lái)技術(shù)水平的發(fā)展相適應(yīng)，當(dāng)需接入電子式互感器、合并單元時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)采用三層結(jié)構(gòu)，在站控層和間隔層之外，增加過(guò)程層設(shè)備，站控層和間隔層采用IEC61850-8-1通信，間隔層設(shè)備（包括機(jī)組LCU、開(kāi)關(guān)站LCU、公用LCU）可接收來(lái)自合并單元的數(shù)據(jù)，合并單元可以IEC61850-9-1、IEC61850-9-2發(fā)送采樣值。間隔層設(shè)備對(duì)開(kāi)關(guān)量的控制可通過(guò)向開(kāi)關(guān)控制器發(fā)送GOOSE報(bào)文實(shí)現(xiàn)。并根據(jù)實(shí)際需要配置過(guò)程層設(shè)備，包括支持IEC61850的光纖以太網(wǎng)交換機(jī)。

因站控層網(wǎng)絡(luò)全面支持IEC61850-8-1通信規(guī)約，此時(shí)，除可采用IEC61850網(wǎng)關(guān)的方式外，站控層網(wǎng)絡(luò)還將提供支持IEC61850的IED設(shè)備和系統(tǒng)的直接接入。與支持IEC61850的IED設(shè)備通過(guò)IEC61850-8-1進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化保護(hù)和測(cè)控裝置的數(shù)據(jù)采集和控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 水電廠智能化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

綜上所述，智能水電廠以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征，其建設(shè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)水電廠向安全、高效、經(jīng)濟(jì)、互動(dòng)的現(xiàn)代智能電廠方向發(fā)展，并滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展需要。

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