陳運華

(映秀灣水力發(fā)電總廠，四川成都 611830)

目前，隨著新能源發(fā)電的比重增加，國內(nèi)外電力系統(tǒng)提出了各種各樣的智能電網(wǎng)概念，同時，國際能源形勢的變化也促使各個國家對智能電網(wǎng)技術的研究應用進入了比較快的發(fā)展階段。目前，包括發(fā)輸供用電各個環(huán)節(jié)都在進行深入的智能化研究，已有很多的數(shù)字化變電站投入運行，這些都意味著作為智能電網(wǎng)的關鍵節(jié)點——智能變電站的進展迅速，為日后在發(fā)電環(huán)節(jié)智能水電廠的建設方面提供了很多參考經(jīng)驗。智能水電廠的標準以及相關建設標準目前正在制定中，國內(nèi)各大水電科學研究院、水電廠、電網(wǎng)科研院所、自動化廠商等都在積極進行智能水電廠課題的相關研究。通過推進水電廠智能化的進程，能夠推進水電廠狀態(tài)檢修的盡早實現(xiàn)，能夠大大提高水電站的安全可靠性，降低水電站的運營檢修成本，提高人員的工作效率，優(yōu)化水能發(fā)電效率，降低非計劃停機次數(shù)，具有良好的經(jīng)濟效益。

然而，智能化水電廠的建設如同智能電網(wǎng)的建設一樣，不是一、兩天就能夠實現(xiàn)的。如何建設智能化水電廠，如何控制在其建設過程中帶來的風險，如何能夠合理利用已有的智能電網(wǎng)的技術，如何借鑒數(shù)字化變電站建設帶來的經(jīng)驗，分步驟逐步實現(xiàn)水電廠智能化，都是我們目前需要考慮的問題。

1 水電廠和電網(wǎng)在實現(xiàn)智能化轉變中的區(qū)別

目前，所有的新技術環(huán)節(jié)都是為了實現(xiàn)電網(wǎng)的智能化而產(chǎn)生的。由于電網(wǎng)企業(yè)和水電廠企業(yè)在經(jīng)營理念上有一些區(qū)別，因此而決定了它們在實現(xiàn)智能化的過程中所注重的技術方面不同。

水電廠企業(yè)可以理解為一個電力生產(chǎn)性企業(yè)，其首要目的是在保證設備安全可靠的前提下盡可能多發(fā)電，盡可能減少設備檢修的頻率，提高設備的利用率，降低人員數(shù)量，提高人員工作效率，優(yōu)化成本結構，從而獲得最大的發(fā)電收益。

電網(wǎng)企業(yè)雖然是一個壟斷企業(yè)，但是目前的電網(wǎng)企業(yè)可以理解為是一個服務性、運營性的企業(yè)，在盡可能地保證供電安全可靠性的前提下，更好地服務于國家，根據(jù)國家的能源結構調(diào)整運營策略，響應國家對于能源政策的需求，電網(wǎng)的服務性比其經(jīng)營性的地位要求更高一些，而對于投資收益比的關注度要低一些，所以，電網(wǎng)會不計成本地投入一些建設及研發(fā)項目，一方面是為了國內(nèi)的電力設備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，另一方面也是為了響應國家能源政策要求。

由于其本質(zhì)上的不同，水電廠智能化和電網(wǎng)智能化在實現(xiàn)轉變的過程中存在著較大的區(qū)別。筆者對此簡要分析如下:

(1)共同點:都必須借助現(xiàn)在的新技術，實現(xiàn)電網(wǎng)和水電廠的設備技術升級;

(2)區(qū)別:電網(wǎng)更加強調(diào)其服務功能，對于前沿技術有探索性，對設備產(chǎn)業(yè)前瞻性有要求，而對于成本的考慮則相對較少;水電廠作為生產(chǎn)性企業(yè)，強調(diào)投資的回報率及帶來的經(jīng)濟效益，所以，水電廠在技術風險和投資風險控制上要比電網(wǎng)企業(yè)嚴格的多，一般條件下，水電廠只考慮使用成熟技術。

2 傳統(tǒng)水電廠向智能化水電廠轉變的方案

2.1 智能化水電廠應具備的特點

在整個水電廠的發(fā)展歷程中，技術的進步給水電廠帶了很大的改變，從傳統(tǒng)的百萬千瓦級水電廠幾千人的規(guī)模，到目前不到百人就可以完成整個百萬千瓦級電站的生產(chǎn)運營，水電廠的發(fā)展也經(jīng)歷了很大的轉變，對比傳統(tǒng)水電廠、實現(xiàn)自動化后的水電廠及未來水電廠的特點，圖1簡要描述了各個階段水電廠的特點。

圖1 水電廠發(fā)展過程示意圖

經(jīng)過對比可知，水電站智能化改造以后，相比傳統(tǒng)水電廠必須具備以下特點，才能保證其相比傳統(tǒng)水電廠的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下幾方面:

(1)較高的系統(tǒng)可靠性。

對于安全就是效益的電力行業(yè)而言，水電廠實現(xiàn)智能化后，可靠性必須優(yōu)于傳統(tǒng)水電廠，才能體現(xiàn)出智能化水電廠的優(yōu)勢，否則任何新技術導致的安全可靠性的降低都是對水電廠最直接的經(jīng)濟損失。

(2)良好的經(jīng)濟性。

作為生產(chǎn)性企業(yè)，經(jīng)濟性是評價新技術在水電廠應用的直接評價指標，在水電站的智能化轉變過程中，必然會帶來很多設備的投入，如果不能帶來實際的安全及經(jīng)濟效益，則這些設備的投入就沒有大的意義。

(3)人員數(shù)量減少，人員效率提高。

改善人員工作環(huán)境，提高人員工作效率是水電廠智能化的基本目標，也是水電廠技術發(fā)展的基礎目標。通過水電廠智能化，能夠將人員從許多現(xiàn)場簡單的重復勞動中脫離出來，讓技術人員從事更加復雜的分析工作，提高工作效率;另外，運行值守人員也沒有必要一直留在現(xiàn)場，可以實現(xiàn)電站遠程監(jiān)控的目標，改善水電廠工作人員的生活狀態(tài)。

2.2 智能電網(wǎng)關鍵技術在水電廠中的應用

(1)在線監(jiān)測技術。

目前各種在線監(jiān)測技術在電網(wǎng)企業(yè)內(nèi)都有很廣泛和成熟的應用，如變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)。還有其他一些主設備也都實現(xiàn)了在線監(jiān)測，比如斷路器、輸電線路等。由于電網(wǎng)企業(yè)在線監(jiān)測技術的發(fā)展，也帶來了傳感器技術的發(fā)展，許多新技術傳感器也在電力行業(yè)中取得了長足的使用，開始應用于在線監(jiān)測，比如紅外測溫目前成本變低，也開始進入在線監(jiān)測的范疇。

由于涉及的監(jiān)測范圍較小，未涉及到遠距離通信，水電廠實現(xiàn)在線監(jiān)測比電網(wǎng)實現(xiàn)在線監(jiān)測的難度相對而言小的多，這也讓在線監(jiān)測成為水電廠智能化最容易、也是最應該實施的技術。

(2)通訊技術。

要實現(xiàn)智能電網(wǎng)，首要的目標是實現(xiàn)全電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集。通訊技術在這個過程中發(fā)揮了巨大的作用，如目前智能配電網(wǎng)的發(fā)展就需要將廣泛區(qū)域的數(shù)據(jù)進行采集、分析、處理，這就必須依賴于現(xiàn)代通信技術的發(fā)展。目前各種各樣的通訊方式都開始應用到電力行業(yè)的各個不同場景中，如正在運用的中低壓載波通訊、無線專網(wǎng)通訊、無線公網(wǎng)(GPRS/CDMA)通訊、光纖通訊、電信公網(wǎng)通訊等。

同樣，如果要實現(xiàn)智能化水電廠，首要的目標便是實現(xiàn)整個水電廠全站數(shù)據(jù)的采集。由于數(shù)據(jù)的采集方式和采集地點的多種多樣，必須借鑒在電網(wǎng)中使用的通信技術，如水電廠關口電度表電量的采集便可以考慮借鑒使用目前電網(wǎng)中成熟的電力線載波通訊技術，而還有一些傳感器放在比較偏遠的地方，尤其是一些水情信息及水庫山體的狀態(tài)信息等，這些數(shù)據(jù)的采集便可以采用無線技術，在有手機信號的區(qū)域也可以考慮采用GPRS/CDMA 技術進行遠方采集及傳輸?shù)?。由于水電廠的監(jiān)測范圍比變電站大，但相對于輸電線而言又比較分散，因此，對于無線通訊技術在電力行業(yè)的應用有較大的期待。

(3)軟件技術。

各種各樣的管理軟件可以簡化生產(chǎn)流程，優(yōu)化物料、檢修管理，從而提高了我們的生產(chǎn)管理效率，另外，也大大方便了我們的辦公及生產(chǎn)。

對于水電廠這種重經(jīng)驗的生產(chǎn)型企業(yè)，專家系統(tǒng)有助于整個水電廠設備安全可靠性的提高。投入使用專家系統(tǒng)具有深遠的意義，不僅為檢修提供了判斷依據(jù)，而且專家系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)也有助于現(xiàn)場的運行維護人員進行決策及故障分析，是實現(xiàn)狀態(tài)檢修的必要條件。

生產(chǎn)信息系統(tǒng)和辦公系統(tǒng)在電網(wǎng)企業(yè)里已基本普及，目前，將生產(chǎn)管理系統(tǒng)、開票系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、檢修物料系統(tǒng)等整合起來，相互配合使用，不僅提高了生產(chǎn)工作的效率，同時也降低了管理成本。

(4)應用于數(shù)字化變電站的關鍵技術。

IEC61850協(xié)議及電子式互感器技術是數(shù)字化變電站的關鍵技術，也是我國推廣智能電網(wǎng)的關鍵技術之一。隨著IEC61850針對水電廠提出了對應的通信模型，使建設數(shù)據(jù)對象模型有了標準支撐。

但是，對于智能化水電廠而言，由于互感器和通信協(xié)議的改變，將會導致整個水電廠二次設備體系的改變，需要投入大量的金錢和精力來更新現(xiàn)有設備，而且設備更換的周期長、檢修風險大，對水電站運行的安全可靠性提出了挑戰(zhàn)。盡管該項技術肯定是未來的大勢所趨，但是筆者認為這并不是最急切的技術。因為傳統(tǒng)互感器及協(xié)議已能夠保證電廠的安全可靠運行，現(xiàn)在的電子式互感器在變電站的應用中出現(xiàn)了一些問題，但不能將其全部歸結為成熟技術和成熟產(chǎn)品。因此，水電廠在考慮采用該項技術時必須謹慎。

2.3 智能化水電廠實現(xiàn)流程設計

目前智能電網(wǎng)技術的發(fā)展逐漸趨于成熟，給傳統(tǒng)水電廠向智能化水電廠轉變帶來了發(fā)展契機。然而，電網(wǎng)企業(yè)和水電廠企業(yè)畢竟存在一些差異。筆者認為水電廠企業(yè)不應該盲目跟風，認為智能電網(wǎng)的技術即智能化水電廠的技術，按照電網(wǎng)做法開始進行設備更新改造。完全抄襲電網(wǎng)企業(yè)的做法不僅達不到預期目標，還會給電廠帶來投資浪費，更為嚴重的還會給電廠的安全運行帶來風險。水電廠的智能化改造有自己的特點，必須結合自身特點進行智能化改造，才是符合水電發(fā)展規(guī)律的正確之舉。

盡管目前新開工的水電廠在主機和輔機的自動化水平上都達到了較高的要求，但是目前一些傳統(tǒng)水電廠還沒有實現(xiàn)自動化，這些水電廠基本上都在積極地進行自動化改造。我們設計了一套轉變流程，結合水電廠的生產(chǎn)特點及運行特點，可以逐步實現(xiàn)傳統(tǒng)水電廠到智能化水電廠的過渡。實際上，水電廠實現(xiàn)自動化給大家?guī)淼暮锰幨秋@而易見的，然而，在其向智能化轉變進程中，大家迷惑了，每一個廠家對于智能化的認識也不一樣，每個電廠的技術人員也都有自己的看法，市場上的設備、監(jiān)測技術、分析方法各式各樣，導致我們的過渡過程比較緩慢。在這個發(fā)展過程中，會涉及各種各樣的系統(tǒng):哪套系統(tǒng)為主要，哪套系統(tǒng)為次要，每套系統(tǒng)應用何種智能電網(wǎng)的技術，應該在什么時候投入，都是我們必須要考慮的。

圖2為傳統(tǒng)水電廠逐步過渡到智能化水電廠的轉變實現(xiàn)簡約過程。筆者對其轉變的具體步驟進行了具體分析。

第一步。實現(xiàn)水電廠主要設備自動化。

傳統(tǒng)水電廠要向智能化水電廠進行過渡，水電站自動化是必須實現(xiàn)的階段。在傳統(tǒng)水電廠的基礎上投入監(jiān)控系統(tǒng)，能夠達到減人增效的效果;輔機系統(tǒng)實現(xiàn)自動化，能夠大大減少輔機故障發(fā)生的概率，降低巡檢人員的巡檢次數(shù)，提高整套系統(tǒng)的工作效率。

圖2 傳統(tǒng)水電廠到智能化水電廠的轉變流程圖

通過水電廠自動化的實現(xiàn)，能夠將水電廠所有的開關量全部采集并實時顯示，實現(xiàn)對所有開關量狀態(tài)的實時監(jiān)控。

第二步。實現(xiàn)水電廠的全面狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。

目前大部分水電廠已經(jīng)實現(xiàn)了自動化，但是對于在線監(jiān)測系統(tǒng)的投入則沒有計劃性。由于在線監(jiān)測系統(tǒng)不會直接影響主設備的運行，所以其并沒有引起目前水電廠技術人員及管理人員足夠的重視。每個水電站都會根據(jù)電站人員的技術情況及電廠的資金情況投入一些在線監(jiān)測系統(tǒng)。由于目前監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的內(nèi)容及數(shù)據(jù)較少，還無法對主設備的檢修和運行起到指導作用。

按照目前水電廠的主設備情況，根據(jù)目前水電廠設備的運行特點，綜合考慮水電廠運行的安全性和經(jīng)濟性，針對目前水電廠的實際情況，我們考慮按以下步驟逐步實現(xiàn)全站設備的狀態(tài)監(jiān)測。

(1)對于目前已大量投入使用且技術實現(xiàn)已經(jīng)成熟的在線監(jiān)測系統(tǒng)，我們要加強對其歷史數(shù)據(jù)進行分析，努力利用這些數(shù)據(jù)對運行人員的決策起到輔助作用。這些設備主要包括:主變壓器油色譜分析在線監(jiān)測系統(tǒng)、水輪發(fā)電機振動擺度監(jiān)測系統(tǒng)等。但是，所有這些在線監(jiān)測系統(tǒng)也都只是起到了停留在收集歷史數(shù)據(jù)以及故障后診斷的作用，而并未作為狀態(tài)評估的依據(jù)。

(2)針對目前一些技術上雖然尚處在探索階段，但是卻監(jiān)測著主要設備，對電廠的安全運行起重要作用的系統(tǒng)應采用逐步完善的機制。如增加對水輪機、發(fā)電機、主變壓器的監(jiān)測手段，逐步加入變壓器局放監(jiān)測系統(tǒng)、變壓器介損監(jiān)測系統(tǒng)、變壓器鐵心接地系統(tǒng)、發(fā)電機局放監(jiān)測、水輪機振動在線監(jiān)測系統(tǒng)等各種監(jiān)測手段，收集各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，使其起到對主設備進行全面評估的作用。

(3)針對其他一些關鍵主設備，雖然是免維護狀態(tài)，但是每年需要定期進行檢查。隨著傳感器技術的發(fā)展，傳感器成本的降低，也可以進行在線監(jiān)測，如斷路器、GIS 設備等，包括GIS 的局部放電情況、微水情況等。

(4)針對一些關鍵輔機設備(如調(diào)速器油泵軸溫、大型水泵軸溫、廠用電氣開關柜電氣節(jié)點溫度等)，這些設備本身的價格較高，一旦出現(xiàn)故障后如果不及時發(fā)現(xiàn)，對整個水輪發(fā)電機系統(tǒng)也會產(chǎn)生較大影響，嚴重時甚至可能導致機組停機。對這些設備的監(jiān)測，可以考慮加入其它簡單的在線監(jiān)測系統(tǒng)，用來對整個電站輔機系統(tǒng)的狀態(tài)及整個水電廠的綜合安全性進行評估。

(5)另外，對于水電廠而言還有一些其他的基本狀態(tài)量(如壓力，溫度等)，通過對這些狀態(tài)量的長期監(jiān)測，也可以從側面反映設備的狀態(tài)。對于電力設備，幾乎所有有絕緣要求的電氣設備都應該有溫升的需求，溫度是反應一個設備運行狀態(tài)最好、同時也是最容易監(jiān)測的量。

(6)針對一些以前屬于離線監(jiān)測、需要運行人員定期巡檢的物理量(如水流量、壓力等)，也可以考慮采用各種通訊技術將其全部采集回來，從而可以對整個管路的狀態(tài)進行監(jiān)測，進而實現(xiàn)設備的全站狀態(tài)監(jiān)視。還有一些特殊量，如電度表的電量，可以借鑒目前智能電網(wǎng)中的載波超標技術，實現(xiàn)整個電站關口數(shù)據(jù)的無人管理，從而提高抄表的可靠性，同時亦可提高人員的工作效率。

實現(xiàn)全站設備的狀態(tài)檢修是一個漫長而見效較慢的過程，在實現(xiàn)全站設備狀態(tài)檢修的過程中，能夠穩(wěn)步提高電站的安全運行水平。

第三步。實現(xiàn)專家系統(tǒng)指導狀態(tài)檢修。

將所有的數(shù)據(jù)都采集并成為保存一段時間的歷史記錄后，我們可以對當前的設備進行簡單的人工評估。

通過相應的軟件技術和經(jīng)驗數(shù)據(jù)構成專家系統(tǒng)，對于設備的所有數(shù)據(jù)進行綜合分析，進而對設備的整個狀態(tài)能夠有一個更直觀的評估。通過對設備進行狀態(tài)評估，結合對應技術體系的要求，可以制定出合適的檢修計劃，從而將設備從定期計劃檢修逐步轉向狀態(tài)檢修。所有的關于智能化水電廠的投入，在這個基礎上才會出現(xiàn)實際的經(jīng)濟效益。狀態(tài)檢修帶來的檢修費用的節(jié)省會大大降低整個水電站的運營成本。

第四步。實現(xiàn)數(shù)字化水電廠的全部要求。

為滿足IEC61850協(xié)議的要求，現(xiàn)場必須更換所有的互感器，這將會使整個水電廠二次系統(tǒng)的體系發(fā)生變化，相比以前運行穩(wěn)定的設備和檢修運行習慣，這一步的跨度比較大。整個過程的實施會影響整個水電廠的二次系統(tǒng)，如調(diào)速系統(tǒng)、發(fā)電機保護系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)等都需要整體升級。

另外，IEC61850協(xié)議的使用也會使整個系統(tǒng)的后臺監(jiān)控系統(tǒng)需要進一步升級，針對這一步，各個水電廠可以視時間和設備的運行老化情況來定。只有在最合適、最經(jīng)濟的時候實施這一步計劃，才能確保整個過程轉變成功。

鑒于目前電子式互感器還沒有在電網(wǎng)內(nèi)完全無缺陷、無障礙的使用，可以考慮暫時不必著急更換互感器和對IEC61850協(xié)議的支持。應根據(jù)水電廠自身的情況來定，在最經(jīng)濟的原則下進行。

第五步。實現(xiàn)智能化水電廠的全部要求。

水電廠的硬件體系完全構建完成后，各個管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行就是水電廠最大的問題，優(yōu)化各個系統(tǒng)的運行流程，整合所有軟件系統(tǒng)，將專家系統(tǒng)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)、檢修系統(tǒng)、物資系統(tǒng)等全面結合起來，在整個整合過程中，必須以專家系統(tǒng)為核心，用專家系統(tǒng)的輔助功能來支持全站的生產(chǎn)、檢修及物資管理。同時，將專家系統(tǒng)的實時信息與現(xiàn)場的運行人員分享，從而指導運行人員實現(xiàn)輔助決策、故障預判、事故預演等功能。

3 結語

根據(jù)水電廠生產(chǎn)方式的特點，我們認為:安全經(jīng)濟是水電廠改造的基本原則，結合目前水電廠的現(xiàn)狀，為了讓水電廠從傳統(tǒng)方式逐步實現(xiàn)水電廠自動化，進而過渡到完成全站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，然后逐步完成整個水電廠的智能化轉變。這個轉變過程是對水電廠生產(chǎn)影響最小，也最符合整個水電廠的改造順序，是目前實現(xiàn)水電廠智能化最簡單、也是最合理的實施步驟。

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