芮 鈞，徐 潔，王梅枝，馬軍建，鄭健兵，劉成俊

（南瑞集團(tuán)公司/國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇省南京市 211106）

智能水電廠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究及標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

芮 鈞，徐 潔，王梅枝，馬軍建，鄭健兵，劉成俊

（南瑞集團(tuán)公司/國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇省南京市 211106）

當(dāng)前我國(guó)智能水電廠開(kāi)始進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，但缺乏相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，影響了推廣速度和效果。本文介紹了智能水電廠主要技術(shù)內(nèi)容，提出了智能水電廠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系框架，分析了當(dāng)前智能水電廠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系存在的問(wèn)題并提出針對(duì)性措施。

水電工程；智能水電廠；自動(dòng)化；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

0 引言

水電是最主要、最成熟并且能源效率最高的可再生能源，在能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、水資源綜合利用等方面作用顯著。我國(guó)水電裝機(jī)規(guī)模居全球之首，擁有世界上最大的水電站和水電機(jī)組。然而，由于長(zhǎng)期重建設(shè)輕運(yùn)行管理，傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)與水電整體發(fā)展水平不相適應(yīng)。傳統(tǒng)水電廠各自動(dòng)化系統(tǒng)之間缺乏有效互動(dòng)，水資源利用水平及水電協(xié)同能力不足，機(jī)組調(diào)節(jié)性能難以滿足源網(wǎng)協(xié)調(diào)要求，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估主設(shè)備健康狀態(tài)，發(fā)生事故易造成生命和財(cái)產(chǎn)重大損失，無(wú)法有效保障大型水電工程安全高效運(yùn)行。

為此，我國(guó)自2010年起提出“智能水電廠”理念。智能水電廠是適應(yīng)智能電網(wǎng)源網(wǎng)協(xié)調(diào)要求，以信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡(luò)化、集成標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)管一體化、業(yè)務(wù)互動(dòng)化、運(yùn)行最優(yōu)化、決策智能化為特征，采用智能電子裝置（IED）及智能設(shè)備，自動(dòng)完成采集、測(cè)量、控制、保護(hù)等基本功能，具備基于一體化平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、在線分析評(píng)估決策支持、安全防護(hù)多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等智能應(yīng)用組件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、友好互動(dòng)的目標(biāo)的水電廠。目前國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、五大發(fā)電集團(tuán)均正在全力推行水電智能化建設(shè)。

現(xiàn)行水電自動(dòng)化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)多針對(duì)孤立的設(shè)備或系統(tǒng)，且主要集中在基本的測(cè)控功能方面的技術(shù)要求，各自動(dòng)化、信息化系統(tǒng)之間難以友好互動(dòng)，分析評(píng)估及決策支持能力不足，無(wú)法滿足水電廠生產(chǎn)運(yùn)行管理一體化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化的要求，難以適應(yīng)我國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的發(fā)展戰(zhàn)略，亟待建立智能水電廠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

1 智能水電廠技術(shù)內(nèi)容

智能水電廠可劃分為過(guò)程層、單元層和廠站層。過(guò)程層主要部署合并單元、智能終端、輔控單元等智能電子裝置（IED）或智能設(shè)備，單元層主要部署現(xiàn)地控制、繼電保護(hù)、穩(wěn)定控制、振擺保護(hù)，廠站層主要部署一體化平臺(tái)以及智能應(yīng)用組件。調(diào)速、勵(lì)磁可部署在單元層，也可部署在單元層和過(guò)程層。

（1）智能電子裝置及智能設(shè)備。智能電子裝置是指基于微處理器技術(shù)的，具備數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸以及控制指令傳輸與執(zhí)行功能的電子裝置，包括合并單元、智能終端、智能組件等。智能設(shè)備是水電廠內(nèi)各種機(jī)電設(shè)備本體與相應(yīng)智能組件的有機(jī)結(jié)合體。

（2）一體化管控平臺(tái)。基于水電公共信息模型（HCIM）、插件式應(yīng)用組件等技術(shù)，由數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)服務(wù)、基礎(chǔ)應(yīng)用構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)水電廠生產(chǎn)運(yùn)行一體化管控的軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效融合，為各類智能應(yīng)用組件提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和服務(wù)接口。

（3）經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)。基于水庫(kù)調(diào)度與電力運(yùn)行耦合的機(jī)理，重構(gòu)并優(yōu)化了水電廠、流域水電站群洪水預(yù)報(bào)、中長(zhǎng)期來(lái)水預(yù)報(bào)、中長(zhǎng)期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度、短期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度、洪水優(yōu)化調(diào)度、調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析、調(diào)度效益評(píng)價(jià)技術(shù)體系，形成完整的閉環(huán)調(diào)度系統(tǒng)。

（4）主設(shè)備狀態(tài)檢修決策支持。包括水電廠主設(shè)備統(tǒng)一建模、監(jiān)測(cè)預(yù)警、狀態(tài)分析、狀態(tài)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、故障診斷、檢修決策等相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于在線監(jiān)測(cè)、運(yùn)行巡檢、試驗(yàn)、缺陷、臺(tái)賬等多元信息耦合的設(shè)備狀態(tài)評(píng)估及檢修決策。

（5）防汛決策支持與指揮調(diào)度。實(shí)現(xiàn)防汛信息整合、處理、查詢、分析和防汛決策指揮調(diào)度管理，全面覆蓋汛前檢查、汛中指揮、汛后總結(jié)等防汛業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)基于GIS的防汛人員及物資調(diào)配方案及路徑優(yōu)化，以及基于工作流的可視化防汛指揮平臺(tái)。

（6）大壩安全分析評(píng)估與決策支持。對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判定監(jiān)測(cè)結(jié)果和巡視檢查結(jié)果，診斷所有監(jiān)測(cè)或檢查部位是否正常，綜合評(píng)價(jià)整個(gè)大壩的安全穩(wěn)定狀況，并通過(guò)智能分析評(píng)估給出決策建議。

（7）安全防護(hù)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)管理。合理規(guī)劃相關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)模式及聯(lián)動(dòng)策略，監(jiān)視安全防護(hù)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)，根據(jù)聯(lián)動(dòng)策略自動(dòng)觸發(fā)安全防護(hù)設(shè)備聯(lián)動(dòng)操作，為運(yùn)行人員快速事件處理和關(guān)聯(lián)設(shè)備操作提供支持的管理系統(tǒng)。

2 標(biāo)準(zhǔn)體系框架及主要內(nèi)容

2.1 研究原則和方法

智能水電廠綜合運(yùn)用了自動(dòng)測(cè)報(bào)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)值分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、專業(yè)模型、專家系統(tǒng)、人工智能等技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)監(jiān)控、繼電保護(hù)、穩(wěn)定控制、水情測(cè)報(bào)、工程安全監(jiān)測(cè)等具體專業(yè)領(lǐng)域，是覆蓋范圍廣、多學(xué)科交叉、技術(shù)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，由此決定了其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的復(fù)雜性。智能水電廠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究時(shí)，除了要遵循“科學(xué)性、完整性、系統(tǒng)性、先進(jìn)性、預(yù)見(jiàn)性和可擴(kuò)充性”等基本原則以外，還需要特別注意以下幾點(diǎn)：

（1）注重與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌。IEC TC 57針對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化出版了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電力自動(dòng)化系統(tǒng)建模與通信進(jìn)行了規(guī)定。尤其是針對(duì)水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)，專門出版了IEC 61850-7-410和IEC 61850-7-510兩個(gè)文件，詳細(xì)規(guī)定了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于水電廠時(shí)額外的公用數(shù)據(jù)類、邏輯節(jié)點(diǎn)以及數(shù)據(jù)對(duì)象以及應(yīng)用方法。應(yīng)該注重與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，有利于推進(jìn)我國(guó)水電工程國(guó)際化輸出。

（2）應(yīng)全面覆蓋技術(shù)內(nèi)容。智能水電廠涉及設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和軟件系統(tǒng)，且涵蓋業(yè)務(wù)領(lǐng)域眾多，因此標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)將智能水電廠相關(guān)的各類自動(dòng)化系統(tǒng)及決策支持系統(tǒng)均納入其中，全面反映智能水電廠的各項(xiàng)內(nèi)容及應(yīng)達(dá)到的功能、性能要求，并明確提出了各系統(tǒng)調(diào)試和驗(yàn)收環(huán)節(jié)的規(guī)范化要求。

（3）應(yīng)注意我國(guó)的適用性。我國(guó)水電自動(dòng)化、信息化技術(shù)與國(guó)外存在一定的差異性，且相關(guān)的技術(shù)發(fā)展十分快，應(yīng)在確保與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)兼容的前提下，針對(duì)我國(guó)主流自動(dòng)化系統(tǒng)及決策支持系統(tǒng)技術(shù)水平、相關(guān)電力調(diào)度機(jī)構(gòu)及智能電網(wǎng)對(duì)水電廠的技術(shù)要求進(jìn)行完善，確保標(biāo)準(zhǔn)體系在我國(guó)現(xiàn)階段的適用性。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)體系框架

圖1 智能水電廠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系Fig. 1 Standard system of smart hydroelectric power plants

智能水電廠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系共分為基礎(chǔ)類、設(shè)備類、平臺(tái)類、應(yīng)用類和試驗(yàn)類五部分，見(jiàn)圖1。其中，基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)包括智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則、智能水電廠公共信息模型技術(shù)規(guī)范、智能水電廠設(shè)備編碼體系應(yīng)用技術(shù)規(guī)范、智能水電廠設(shè)備缺陷分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)備類包括智能水電廠智能測(cè)控裝置技術(shù)規(guī)范、智能水電廠智能調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、智能水電廠智能勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范；平臺(tái)類包括智能水電廠一體化管控平臺(tái)技術(shù)規(guī)范，應(yīng)用類包括智能水電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)技術(shù)條件、智能水電廠設(shè)備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則、智能水電廠防汛應(yīng)急指揮系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、智能水電廠大壩安全分析評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、智能水電廠安全防護(hù)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)技術(shù)規(guī)范、智能水電廠運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與應(yīng)用技術(shù)規(guī)范、智能水電廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、智能水電廠報(bào)價(jià)決策支持系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、智能水電廠培訓(xùn)仿真系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、智能水電廠運(yùn)維綜合監(jiān)管技術(shù)規(guī)范、智能水電廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)綜合分析技術(shù)規(guī)范；試驗(yàn)類包括智能水電廠遠(yuǎn)程集控接入驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范。

2.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

目前，我國(guó)已經(jīng)于2016年發(fā)布了DL/T 1547《智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則》、DL/T 860.7410《電力自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng) 第7-410部分：基本通信結(jié)構(gòu) 水力發(fā)電廠 監(jiān)視與控制用通信》和DL/T 860.7510《電力自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng) 第7-510部分：基本通信結(jié)構(gòu)水力發(fā)電廠 建模原理與應(yīng)用指南》共三項(xiàng)電力行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其中，DL/T 860.7410標(biāo)準(zhǔn)等同采用了IEC 61850-7-410標(biāo)準(zhǔn)，DL/T 860.7510標(biāo)準(zhǔn)等同采用了IEC 61850-7-510標(biāo)準(zhǔn)。此外，我國(guó)正組織編寫《智能水電廠公共信息模型技術(shù)規(guī)范》《智能水電廠一體化管控平臺(tái)技術(shù)規(guī)范》《智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》等六項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2014年，南瑞集團(tuán)公司向IEEE（美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織提交了“Technical Guide for Smart Hydroelectric Power Plant” PAR（項(xiàng)目授權(quán)請(qǐng)求）。此后，南瑞集團(tuán)公司與IEEE進(jìn)行了多次深入交流討論。206年底，IEEE正式同意了該國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)，成立了智能水電工作組（P2775）。目前，來(lái)自中國(guó)的多家IEEE會(huì)員單位，以及美國(guó)GE、法國(guó)施耐德等單位均參加了該國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)編寫。

3 存在的問(wèn)題及技術(shù)措施

3.1 存在的問(wèn)題

智能水電廠是隨著IEC 61850、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的，各項(xiàng)技術(shù)本身處于快速發(fā)展過(guò)程中，還需要不斷持續(xù)探索各項(xiàng)新技術(shù)在水電自動(dòng)化、信息化中的應(yīng)用領(lǐng)域及業(yè)務(wù)結(jié)合點(diǎn)，已發(fā)布的和在編的標(biāo)準(zhǔn)較少，具體問(wèn)題包括：

（1）在水電國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方面話語(yǔ)權(quán)較弱。目前我國(guó)水電自動(dòng)化領(lǐng)域普遍對(duì)IEC 61850的掌握程度不足，在IEC、IEEE水電自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)編制方面參與較少，與我國(guó)水電產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)水平和國(guó)際地位嚴(yán)重不符，制約了我國(guó)水電“走出去”的步伐。

（2）基礎(chǔ)技術(shù)研究及應(yīng)用不足。隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、等各類新興技術(shù)快速發(fā)展及人工智能的廣泛應(yīng)用，給傳統(tǒng)的水電自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。但目前在各類技術(shù)的基礎(chǔ)研究及在水電廠中的應(yīng)用研究不足，制約了水電自動(dòng)化技術(shù)快速發(fā)展。

3.2 主要技術(shù)措施

（1）積極參與水電自動(dòng)化國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)編制工作。應(yīng)積極采用IEC 61850等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)工程應(yīng)用持續(xù)改進(jìn)相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。依托正在編制的IEEE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)與IEC組織的技術(shù)交流，與IEC、IEEE等國(guó)際組織建立起常態(tài)的技術(shù)交流機(jī)制。積極參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織活動(dòng)，申請(qǐng)智能水電廠相關(guān)的其他國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案，爭(zhēng)取在3～5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)水電自動(dòng)化國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)突破。

（2）進(jìn)一步加大新興信息技術(shù)、人工智能的研究和應(yīng)用。智能水電廠專業(yè)面廣、技術(shù)領(lǐng)域多，需要大量運(yùn)行專業(yè)數(shù)學(xué)模型、數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法、數(shù)值分析方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家知識(shí)庫(kù)，并且與具體業(yè)務(wù)有效結(jié)合，才能真正實(shí)現(xiàn)智能化。需要我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化部門、科研機(jī)構(gòu)、高等院校、發(fā)電企業(yè)以及系統(tǒng)集成商之間緊密合作，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，共同完善標(biāo)準(zhǔn)體系框架。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，智能水電廠理念已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)同，國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)以及五大發(fā)電集團(tuán)均積極參與了智能水電廠試點(diǎn)工程建設(shè)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制工作。由于水電工程相互之間差異比較大，需要結(jié)合工程特點(diǎn)針對(duì)性完善。因此，急需編制完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，進(jìn)一步統(tǒng)一國(guó)內(nèi)對(duì)智能水電廠的共識(shí)，推動(dòng)我國(guó)水電產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)改造，提高我國(guó)水電國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)話語(yǔ)權(quán)。

[1] 王益民. 堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究框架. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（22）：1-5.WANG Yimin. Research Framework of Technical Standard System of Strong & Smart Grid[J]. Automation of Electric Power Systems，2010，34（22）：1-5.

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2016-06-12

2017-05-24

芮 鈞（1978—），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：水庫(kù)調(diào)度及自動(dòng)發(fā)電控制。E-mail：ruijun@sgepri.sgcc.com.cn

Research on Technical Standard System of Smart Hydropower Plants

RUI Jun，XU Jie，WANG Meizhi，MA Junjian，ZHENG Jianbing，LIU Chengjun
（NARI Group Corporation/State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 211106，China）

Smart hydropower plant has started large-scale industrialization in China. Because of no appropriate technical standards system，the industrialization speed and results are affected. Based on the content of smart hydropower plant technology，the framework of technical standard system has been proposed. Also，the problems of technical standard system have been analyzed and suggestions have been supposed.

hydropower engineering； smart hydropower plant；automation system； technical standard

TK71

A學(xué)科代碼：480.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.004