吳　健，汪曉強，陳明凱

（1.福建省水利水電勘測設(shè)計研究院，福建 福州 350001；2.福建省力得自動化設(shè)備有限公司，福建 福州 350003）

0　引言

我國小水電資源十分豐富，小水電數(shù)量多，分布廣，技術(shù)可開發(fā)量為1.3億kW，全國已建成小水電4.7萬座，總裝機容量達7 322萬kW，年發(fā)電量2 281億kW·h。占全國水電發(fā)電總量的1/3。小水電廣泛分布在全國31個省市，對我國農(nóng)村尤其是老、少、邊、窮地區(qū)國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，促進各民族和諧共處，發(fā)揮了巨大作用。但小水電站運行的安全性卻不容樂觀，絕大多數(shù)小水電存在運行、維護人員水平不高，自動化程度低、設(shè)備隱患較多，故障處理不及時或不知道如何處理等諸多問題。因此，加快小水電智能化建設(shè)，提高電站本質(zhì)安全水平，具有十分重大的意義。

1　智能電站基本概念及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1　智能電站基本概念

智能水電站是指以水電站為基礎(chǔ)，將智能控制技術(shù)、現(xiàn)場總線控制技術(shù)，現(xiàn)代先進傳感測量技術(shù)，信息技術(shù)與水電站高度集成而形成的具有智能化、信息化、一體化、經(jīng)濟、環(huán)保等特征的新型電廠。

1.2　智能電站發(fā)展現(xiàn)狀

我國自2010年起就提出了“智能水電廠”的理念，2016年國家頒布了DL/T1547《智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則》，國家電網(wǎng)及5大發(fā)電集團正在積極開展大型智能化電站建設(shè)試點工作。一些智能技術(shù)或產(chǎn)品在電站得到應(yīng)用。但是，由于缺少統(tǒng)一的標準和規(guī)范，研究者對智能電站的理解各有不同，使得電站智能化發(fā)展進程緩慢，智能技術(shù)或產(chǎn)品很難靈活、方便地得到應(yīng)用，且常使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化，信息難于交互和共享。特別是小水電，由于資金、技術(shù)及管理水平限制，智能控制技術(shù)的發(fā)展更加緩慢。

2　基于數(shù)據(jù)及控制平臺共享的智能小水電控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)小水電特點和自動化及智能化技術(shù)要求，為保證機組保護、勵磁、同期、測速、交采、開關(guān)量、模擬量等組件設(shè)備的性能，提高各組件間的數(shù)據(jù)共享和處理能力，減少硬接線和維護工作量，保證電站安全可靠運行，研究提出基于數(shù)據(jù)及控制平臺共享的系統(tǒng)總體設(shè)計方案，如圖1所示。

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、控制輸出單元、數(shù)據(jù)共享平臺和控制共享平臺組成。其中，數(shù)據(jù)采集單元包括：電壓電流采集單元、水位采集單元、開關(guān)量采集單元、溫度量采集單元、外部設(shè)備通信單元；控制輸出單元包括：電參量計算單元、調(diào)速器處理單元、保護處理單元、準同期處理單元、勵磁處理單元、智能化控制處理單元。

2.2　數(shù)據(jù)共享平臺

數(shù)據(jù)共享平臺硬件采用32位DSP處理器，利用DSP強大的處理能力，大容量的RAM及FLASH存儲空間以及豐富的通訊接口，進行數(shù)據(jù)的采集，交換和處理。

各個功能模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，通過各自不同的通道方式匯集到一起，在數(shù)據(jù)共享平臺上進行整理和存儲。同時各個功能模塊也可以通過各自不同的通訊方式從平臺獲取所需的數(shù)據(jù)和信息。通過數(shù)據(jù)共享的方式可以消除數(shù)據(jù)重復(fù)采集的弊端（各個功能模塊不需要各自獨立去采集轉(zhuǎn)換各種數(shù)據(jù)），大大簡化了系統(tǒng)硬件的復(fù)雜性，同時也保證了數(shù)據(jù)的一致性。通過數(shù)據(jù)共享平臺，各個功能模塊可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)完全的快速共享，從而為各個模塊功能的實現(xiàn)，提供了可靠全面的信息基礎(chǔ)。

2.3　控制輸出共享平臺

控制輸出共享平臺，采用了獨立的CPU，CPU根據(jù)控制命令實現(xiàn)對外控制輸出。所有的邏輯功能模塊，通過向控制輸出共享平臺發(fā)送控制命令，實現(xiàn)對全部的對外控制輸出接口的控制。通過控制輸出共享平臺所有的邏輯功能模塊能夠?qū)崿F(xiàn)功能的交叉互補，如準同期處理單元可以實現(xiàn)部分的保護功能，勵磁處理單元可以實現(xiàn)部分調(diào)速器的功能等，并且可以不用增加額外重復(fù)的控制輸出接口。

3　系統(tǒng)工作原理

根據(jù)智能小水電控制系統(tǒng)要求，機組電氣量、開關(guān)量、溫度量等相關(guān)測量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集通道匯集到數(shù)據(jù)共享平臺；機組勵磁處理單元、調(diào)速處理單元、同期處理單元、保護處理單元、電參量處理單元所需數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)交換通道，共享數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)，同時，通過控制輸出命令通道將各控制單元處理結(jié)果匯集到控制輸出共享平臺，經(jīng)智能化處理單元處理后送到機組相關(guān)控制設(shè)備，從而完成數(shù)據(jù)和控制輸出的交互共享。

圖1　基于數(shù)據(jù)及控制平臺共享的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4　系統(tǒng)主要特點

4.1　集成化

系統(tǒng)運用全數(shù)字化技術(shù)，采用總線式板卡設(shè)計，高度集成水位監(jiān)測、調(diào)速器控制、微機勵磁、自動準同期、電量/非電量監(jiān)測、繼電保護等模塊，具有手動、自動、智能3種模式。得益于架構(gòu)優(yōu)勢，各板卡間同步共享電網(wǎng)電壓、機端電壓/電流、勵磁電流、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，實現(xiàn)無縫協(xié)同，進而完成智能診斷（綜合判斷與精準定位故障等）及其他復(fù)雜任務(wù)。

4.2　智能化

（1）智能控制

智能控制系統(tǒng)集成了電量及非電量數(shù)據(jù)采集，微機自動準同期，微機SCR勵磁控制，水輪機導(dǎo)葉開度控制，繼電保護及互聯(lián)網(wǎng)遠程接口等設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵自動開停機、遠程控制開停機等功能，還能根據(jù)前池水位完成自動開停機、經(jīng)濟發(fā)電等。

（2）智能學習

智能控制系統(tǒng)采用基于蜂群算法的高效運行策略（Al Schedule),引入多機組間的有序競爭機制，主/從機可適時切換，由主機實時調(diào)度剩余機組功率，實現(xiàn)智能調(diào)度。此外，系統(tǒng)通過收集、分析水電站歷史運行數(shù)據(jù)，能夠智能學習、識別每臺機組特定的水位與效能轉(zhuǎn)換關(guān)系，不斷優(yōu)化、調(diào)整參數(shù)，以確保每臺機組的效能最大、損耗最小。

（3）智能診斷

智能控制系統(tǒng)具備智能診斷能力，能夠完成自檢、巡檢及趨勢預(yù)警等復(fù)雜任務(wù)。系統(tǒng)對自身存儲模塊及各板卡進行自檢。還能自動實時監(jiān)測攔污柵堵塞、冷卻水堵塞、剎車漏水等安全風險，消除視覺盲區(qū)。根據(jù)水位、軸承等關(guān)鍵數(shù)據(jù)變化情況，進行趨勢分析，預(yù)判風險，防患于未然。

4.3　信息化

系統(tǒng)集成了以太網(wǎng)光纖接口或GPRS接口，搭載遠程管理平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測水電站信息，如水位、機組運行情況、機組出力大小、故障及預(yù)警信息等，對水電站進行遠程控制；系統(tǒng)具備手機APP監(jiān)控能力，通過安裝手機APP,實時提醒，智能掌控水電站運營信息，猶如貼身秘書。設(shè)備軟件版本的更新借助互聯(lián)網(wǎng)方式，能夠?qū)崿F(xiàn)云端推送、OTA遠程升級，提高效率，方便快捷。

5　結(jié)束語

本文提出了一種基于數(shù)據(jù)及控制輸出平臺共享智能控制系統(tǒng)，采用全數(shù)字化技術(shù)、全方位防護體系和高效運行策略，實現(xiàn)了電站智能開停機、智能調(diào)度、智能經(jīng)濟發(fā)電和智能化運行管理。較好地解決了小水電因所處位置偏遠，管理難度增大，人工成本增加，無法實時掌握電站關(guān)鍵信息和機組運行狀態(tài)等現(xiàn)實問題。

基于數(shù)據(jù)及控制輸出平臺共享的智能小水電控制系統(tǒng)由福建省力得自動化設(shè)備有限公司生產(chǎn)（型號：LD-HAS）。目前已有260多套在國內(nèi)小水電站投入使用，運行情況良好，獲得了業(yè)主一致好評。該智能控制系統(tǒng)技術(shù)先進、方案合理，對國內(nèi)小水電自動化、信息化及智能化建設(shè)起到借鑒作用，并具有廣泛的應(yīng)用前景。

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