劉 沛，汪 林，任 剛，李 輝，王杰飛

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，云南 昭通 657300）

近幾年，國(guó)家大力推進(jìn)智能電網(wǎng)的建設(shè)，在輸、變、配電等環(huán)節(jié)得到了快速發(fā)展。目前，我國(guó)水電企業(yè)大多采用了生產(chǎn)管理的自動(dòng)化，而對(duì)智能管理體系的構(gòu)建尚不夠完善[1]。水電智能化電站的施工，關(guān)系到水電廠的整體結(jié)構(gòu)和運(yùn)作，是一個(gè)綜合性的、全球性的、長(zhǎng)期的、系統(tǒng)的工程，因此，在水電廠的規(guī)劃中，要把效率與前瞻性、安全性、開(kāi)放性、新技術(shù)應(yīng)用與新的經(jīng)營(yíng)理念有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)，以改善水電廠的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、負(fù)載平衡性能和環(huán)保運(yùn)作的能力，以保證工程的長(zhǎng)期效益[2]。本文針對(duì)水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)的智能化問(wèn)題進(jìn)行深入的分析與探討，以推動(dòng)電力行業(yè)特別是水力發(fā)電行業(yè)的智能化發(fā)展。

1 水電站與智能化電站概述

近幾年，隨著智能化電站的發(fā)展，以及與之配套的智能化技術(shù)的不斷推廣，為電站的安全、可靠的運(yùn)營(yíng)提供了有力的保障。其中包含了許多與電站管理有關(guān)的智能化技術(shù)，從而大大提升了電站的管理水平。

1.1 水電站設(shè)備

將水能量轉(zhuǎn)換成電力的電力機(jī)械裝置稱(chēng)為水電站發(fā)電裝置。在普通水力發(fā)電廠中，以水輪發(fā)電機(jī)為主，配有調(diào)速器、油壓、勵(lì)磁設(shè)備等。水輪發(fā)電機(jī)是指以水輪機(jī)為原動(dòng)機(jī)將水能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)。水流經(jīng)過(guò)水輪機(jī)時(shí)，將水能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)軸又帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能而輸出，是水電站生產(chǎn)電能的主要?jiǎng)恿υO(shè)備。除了水輪機(jī)和輔助設(shè)備之外，水電站的電力設(shè)備還包含電壓配電設(shè)備、升壓變壓器、高壓配電設(shè)備、監(jiān)控、控制、測(cè)量、信號(hào)和保護(hù)性電力設(shè)備[3]。

1.2 智能化電站的要求及基本特征

智能電廠，簡(jiǎn)而言之，就是在水電廠中利用現(xiàn)代科技和精密的測(cè)控技術(shù)進(jìn)行運(yùn)作，比如自動(dòng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)、信息通信技術(shù)、模擬數(shù)據(jù)傳感器、紅外測(cè)量技術(shù)、工業(yè)監(jiān)控?cái)z像頭等[4]。智能化水力發(fā)電廠應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)科研和其他發(fā)電廠的具體情況，運(yùn)用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)軟件、現(xiàn)場(chǎng)總線等智能化信息處理技術(shù)，構(gòu)建覆蓋水電廠生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)以及管理等各個(gè)環(huán)節(jié)的系統(tǒng)平臺(tái)，以便對(duì)水電廠的經(jīng)營(yíng)維護(hù)和日常運(yùn)行管理的信息化數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理、分析控制和反饋決策，實(shí)現(xiàn)水電廠運(yùn)行管理的智能化和自動(dòng)化，并且通過(guò)數(shù)據(jù)智能計(jì)算和多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源在可控范圍內(nèi)的有效共享，不斷提升智能化管理水平。

智能化電站以計(jì)算機(jī)閉環(huán)、電站設(shè)備在線監(jiān)測(cè)分析、生產(chǎn)技術(shù)信息系統(tǒng)為骨干網(wǎng)格，以電站設(shè)備數(shù)字化、信息共享、數(shù)據(jù)應(yīng)用智能化為特點(diǎn)，使電站的本質(zhì)安全、效益最優(yōu)、環(huán)境和諧[5]。電廠設(shè)備的數(shù)字化，是利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化處理，從而達(dá)到設(shè)備的數(shù)字化。而智能化是指建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)、信息網(wǎng)絡(luò)，使各個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)、系統(tǒng)和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)之間的相互連接，并在不同的區(qū)域內(nèi)，將生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)和管理信息化系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合、存儲(chǔ)和共享，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化。

2 智能化電廠的體系構(gòu)架

智能化電廠的體系主要包括：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)層，實(shí)時(shí)控制與優(yōu)化層，生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理層以及遠(yuǎn)程管理和服務(wù)層。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)層

該層采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)字信息中的水電廠設(shè)備、人員、環(huán)境狀態(tài)和位置等信息進(jìn)行采集，是智能控制和智能管理的基礎(chǔ)。通過(guò)數(shù)據(jù)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能管理水電廠相關(guān)設(shè)備[6]。設(shè)備監(jiān)測(cè)技術(shù)包括3D可視化、RFID等，運(yùn)用Internet技術(shù)的集成應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 實(shí)時(shí)控制與優(yōu)化層

該層以 DCS/FCS 和 SIS 為分線，確保設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的集中處理、實(shí)時(shí)控制和在線優(yōu)化數(shù)據(jù)[7]。數(shù)據(jù)傳輸和優(yōu)化，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)數(shù)據(jù)設(shè)備先行邏輯運(yùn)算，判斷設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的有效性，在通過(guò)智能化控制元件對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，達(dá)到控制和優(yōu)化。通過(guò)定制預(yù)測(cè)和模糊控制等先進(jìn)控制技術(shù)，提高控制目標(biāo)的控制精度，確保水輪發(fā)電機(jī)功率等精確控制。自動(dòng)優(yōu)化技術(shù)同樣可應(yīng)用于工器具準(zhǔn)備、設(shè)備材料調(diào)控等環(huán)節(jié)，從而自動(dòng)響應(yīng)外部環(huán)境、工作條件等的變化，確保設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提供人性化智能化的良好操作環(huán)境。

2.3 生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理層

該層以SIS、ERP、MIS等作為主要依托，匯集、融合水電廠的生產(chǎn)與管理數(shù)據(jù)，以安全生產(chǎn)、水能高效利用為目標(biāo)，通過(guò)采用數(shù)據(jù)分析處理、流程優(yōu)化等技術(shù)對(duì)全廠生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)進(jìn)行智能管理[8]。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，主要指通過(guò)KKS碼的深化應(yīng)用和三維可視技術(shù)的實(shí)踐，建立設(shè)備三維綜合管理系統(tǒng)；通過(guò)工業(yè)Wi-Fi、RFDI、手持設(shè)備、可穿戴設(shè)備等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與監(jiān)控、門(mén)禁、管理HPMS系統(tǒng)等應(yīng)用，建立智能安全防護(hù)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)員工地圖、任務(wù)地圖、智能工作票、電氣防誤等功能；通過(guò)對(duì)SIS、MIS、EPR等各信息系統(tǒng)整合融合和移動(dòng)終端的結(jié)合，建立員工管理網(wǎng)絡(luò)一體化工作平臺(tái)，消除信息隔離，優(yōu)化工作組織、強(qiáng)化安全管控，實(shí)現(xiàn)管理的便捷高效；通過(guò)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)指標(biāo)的梳理，建立基于多源數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)報(bào)表系統(tǒng)，便于設(shè)備維護(hù)和檢修的備品備件數(shù)據(jù)化管理，減輕人員工作量，提高工作效率，提高管理層對(duì)水電廠設(shè)備運(yùn)行管理可控、能控。

2.4 遠(yuǎn)程管理和服務(wù)層

該層使用 Internet 并操作大型數(shù)據(jù)分析技術(shù)來(lái)打破地理界限，為集團(tuán)或企業(yè)構(gòu)建遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，利用單元群集分析和專(zhuān)家技能的優(yōu)勢(shì)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)深度挖掘?qū)崿F(xiàn)價(jià)值創(chuàng)造，主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)警報(bào)警、設(shè)備事故自動(dòng)處理、設(shè)備遠(yuǎn)方(自動(dòng))控制、電廠水庫(kù)調(diào)度分析、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析、機(jī)組水耗分析等功能。其中還包括執(zhí)行遠(yuǎn)程效率測(cè)試、模擬控制質(zhì)量測(cè)試、教育模擬訓(xùn)練任務(wù)等。這些需要進(jìn)行大量的信息系統(tǒng)建設(shè)，是一個(gè)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)。

3 智慧電廠與智能發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 智能預(yù)警與診斷

在智能化技術(shù)飛速發(fā)展的今天，水力發(fā)電裝置的運(yùn)行速度也越來(lái)越快，因此，要保證電廠的穩(wěn)定運(yùn)行，就需要將智能化技術(shù)和相應(yīng)的智能化預(yù)警與診斷技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以保證電站的安全可靠運(yùn)行、集中控制和遠(yuǎn)方控制[9]。在智能化技術(shù)實(shí)施后，當(dāng)出現(xiàn)緊急事件或危險(xiǎn)時(shí)，可以采用智能化的防護(hù)手段，將造成的破壞降到最低，保證電站的安全、穩(wěn)定。比如，當(dāng)使用了裝置報(bào)警和智能化技術(shù)，你就可以對(duì)裝置的運(yùn)行狀況進(jìn)行智能化的監(jiān)測(cè)，并能夠及時(shí)地識(shí)別出存在的隱患，并對(duì)隱患進(jìn)行分析，以便能夠及時(shí)、方便地應(yīng)對(duì)。利用智能化技術(shù)，可以對(duì)電站的設(shè)備穩(wěn)定、功耗、負(fù)荷、水量使用狀況進(jìn)行綜合的分析，并能夠及時(shí)地檢測(cè)出設(shè)備的故障和安全問(wèn)題，并在必要的時(shí)候進(jìn)行維修。

3.2 數(shù)據(jù)挖掘與遠(yuǎn)程專(zhuān)家診斷技術(shù)

發(fā)電廠的各種設(shè)備信息、運(yùn)行狀態(tài)信息、應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)等是一項(xiàng)非常有用的數(shù)據(jù)資源，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和特征分析，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠級(jí)別的智能自我管理和趨勢(shì)預(yù)警。還可引入云平臺(tái)數(shù)據(jù)挖掘資源，使所有區(qū)域的專(zhuān)家都可以方便的分享數(shù)據(jù)[10]。以水利企業(yè)知識(shí)信息管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)督數(shù)據(jù)平臺(tái)、專(zhuān)家網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)數(shù)據(jù)平臺(tái)等技術(shù)載體為支撐，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警設(shè)置、自動(dòng)判斷智能處理等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)省調(diào)級(jí)、市局級(jí)、縣廠級(jí)設(shè)備狀態(tài)的智能控制和自動(dòng)控制。

3.3 智能巡檢技術(shù)

隨著智能技術(shù)的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)的智能故障診斷技術(shù)也得到了越來(lái)越多的運(yùn)用，例如機(jī)組溫度、電量、振動(dòng)信號(hào)的分析等，能夠?qū)﹄娬镜脑O(shè)備狀態(tài)進(jìn)行正確的分析，對(duì)電站的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。并通過(guò)專(zhuān)家圖書(shū)館、故障預(yù)測(cè)分析等手段保證電站的安全生產(chǎn)。通過(guò)智能系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地對(duì)電站的各類(lèi)裝置和系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分類(lèi)、處理，并通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)的聯(lián)結(jié)，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比和分析，發(fā)現(xiàn)電站的操作中存在的問(wèn)題。作為智能化檢測(cè)技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通信技術(shù)在收集、整理和傳輸各類(lèi)數(shù)據(jù)時(shí)顯得格外的關(guān)鍵。

4 水電廠智能化建設(shè)應(yīng)考慮的問(wèn)題

設(shè)備要標(biāo)準(zhǔn)化，在智能電站的建造中，需要用到許多的自動(dòng)化設(shè)備（部件）。在設(shè)備購(gòu)置時(shí)，要兼顧設(shè)備型號(hào)、技術(shù)的一致性，通用性。要避免因設(shè)備的性能、標(biāo)準(zhǔn)、型號(hào)、尺寸等方面不符合系統(tǒng)要求，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作。或者因設(shè)備不通用使安裝、維護(hù)成本大幅提高。

設(shè)備維護(hù)，在建立智能水力發(fā)電廠時(shí)，將會(huì)采用許多新技術(shù)與新的裝置，因?yàn)殡娬就ǔＮ挥谄У貐^(qū)，造成設(shè)備維護(hù)困難。因此，發(fā)電廠要聘用有專(zhuān)業(yè)技術(shù)的人才，同時(shí)，施工管理方要加強(qiáng)對(duì)工程項(xiàng)目質(zhì)量的監(jiān)督，要求工程建設(shè)方和設(shè)備供應(yīng)方加強(qiáng)技術(shù)的支持和培訓(xùn)，以便設(shè)備出故障時(shí)，電廠的工作人員能及時(shí)排除故障。

成本節(jié)約，智能化水電站的造價(jià)通常不菲。在智能化的建筑中，必須要有更多的精密測(cè)量設(shè)備、電子控制系統(tǒng)和軟件，而在實(shí)際操作中，這些精密測(cè)量設(shè)備、電子控制系統(tǒng)等設(shè)備難免會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，而精密測(cè)量設(shè)備的造價(jià)和維護(hù)成本也會(huì)隨之提高，從而增加水電廠運(yùn)行成本，所以智能化電廠還應(yīng)綜合考慮運(yùn)行成本等問(wèn)題。

5 水電廠智能化改造方案

5.1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)象

由于沒(méi)有統(tǒng)一的通信協(xié)議，水電站不同的自動(dòng)控制系統(tǒng)無(wú)法與其它的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交流，因此需要專(zhuān)門(mén)的通信協(xié)議。采用數(shù)據(jù)模型技術(shù)，將數(shù)據(jù)以各種模型的方式進(jìn)行分享，各子系統(tǒng)可以方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，便于數(shù)據(jù)分析和運(yùn)算。

針對(duì)電廠的實(shí)際情況，建立以IEC 61850為基礎(chǔ)的電力工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，并結(jié)合實(shí)際的邏輯結(jié)點(diǎn)，建立一個(gè)完整的信息模型。為了適應(yīng)不同的水利行業(yè)需求，可以實(shí)現(xiàn)邏輯模型的通用化。

5.2 加強(qiáng)自動(dòng)控制應(yīng)用的管理

在管理方面，水情、監(jiān)控、安全等自動(dòng)化體系的整合與互動(dòng)應(yīng)該建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信互動(dòng)機(jī)制之上，新增加的自動(dòng)化子系統(tǒng)要很方便的加入其中，最后形成一個(gè)高智能的一體化管理與控制平臺(tái)。為了適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，該平臺(tái)必須配備標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線、消息總線和業(yè)務(wù)總線。集成的管理平臺(tái)為企業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)提供了全面的信息，并為智能化的應(yīng)用提供了支撐。

集成的監(jiān)控與控制系統(tǒng)采用了防火墻，或者是實(shí)體的隔離，以保證 Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ的網(wǎng)絡(luò)的安全性。Ⅰ區(qū)主要由各種自動(dòng)化控制設(shè)備構(gòu)成，主要完成電廠日常的生產(chǎn)控制和運(yùn)行。Ⅱ區(qū)主要是對(duì)自動(dòng)化控制設(shè)備信息進(jìn)行收集，為大部分的工業(yè)應(yīng)用以及全廠的先進(jìn)操作管理提供數(shù)據(jù)支撐。Ⅲ區(qū)由電廠的各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)組成，可以完成各種數(shù)據(jù)分析，為電廠運(yùn)行提供更好的決策。

5.3 高級(jí)智能應(yīng)用

以電廠集成的管理和控制平臺(tái)為基礎(chǔ)，構(gòu)建一個(gè)適合電廠高效運(yùn)行的智能應(yīng)用系統(tǒng)。該智能應(yīng)用程序具有集成的管理與監(jiān)控體系。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、挖掘與優(yōu)化的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)專(zhuān)門(mén)的水利水電企業(yè)的智能化分析與預(yù)警體系。該智能應(yīng)用程序可以將其智能分析成果轉(zhuǎn)化為通用的數(shù)據(jù)模型，并將此模型用于日常設(shè)備故障處理中，通過(guò)對(duì)故障的分析提供預(yù)防措施和作業(yè)指南。建立水電站工程數(shù)據(jù)分析模型、數(shù)據(jù)分析方法、形成了以相關(guān)故障為基礎(chǔ)的智能邏輯機(jī)構(gòu)，能夠?qū)λ娫O(shè)施的運(yùn)行情況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、水庫(kù)規(guī)劃優(yōu)化、閥門(mén)聯(lián)動(dòng)、防洪決策等。從而提高生產(chǎn)管理自動(dòng)化、減少維護(hù)負(fù)擔(dān)。通過(guò)對(duì)智能水力發(fā)電廠的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行分析，確定其運(yùn)行的可靠度，并對(duì)其進(jìn)行合理的維修規(guī)劃，以提高其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

5.4 數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)化

在不同的自動(dòng)化系統(tǒng)中，以及在不同的系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，必須使用標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議。采用標(biāo)準(zhǔn)的IEC 61850通信協(xié)議，可使系統(tǒng)間的互用性最大化，并充分利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型。如果由于特殊原因無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，可以用其他標(biāo)準(zhǔn)化的、廣泛使用的通信協(xié)議作為必要的補(bǔ)充和過(guò)渡?，F(xiàn)地層設(shè)備的規(guī)范化改造，應(yīng)以設(shè)備的輸入、輸出數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)，由“硬接線”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)或總線，并推廣具有外部網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)備，把數(shù)字化的范圍擴(kuò)大到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。優(yōu)化數(shù)據(jù)采集，設(shè)備控制數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，從而達(dá)到數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)化。

6 結(jié)語(yǔ)

水力發(fā)電企業(yè)的智能化已成為電力工業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，但是要使其成為智能化，還需要不斷地進(jìn)行深入的探索。IEC 61850對(duì)規(guī)范水電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的意義，但它只是一個(gè)基本方法。隨著水電機(jī)組技術(shù)的成熟和有關(guān)技術(shù)的運(yùn)用，電廠的智能化將會(huì)逐漸地得到進(jìn)一步的發(fā)展和改進(jìn)，從而達(dá)到更好的效果。在智能化電力系統(tǒng)中，水力發(fā)電廠所關(guān)心的重點(diǎn)是如何提升電廠的整體效益，因此必須重視其運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。智能水力發(fā)電廠的整體目的是：以智能化為基礎(chǔ)，進(jìn)一步提升電廠的生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)自動(dòng)化程度，從而為電廠的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供有利的環(huán)境，達(dá)到改善電廠整體效益的目的。