水電廠自動化系統的智能化改造研究

邱小波，于亞雄，嚴漢秋

（廣東蓄能發電有限公司，廣東 廣州 510950）

1 智能水電廠的系統結構

目前，我國一些水電廠對智能水電站的建設進行了初步研究，取得了一些有益的成果和經驗[1]。多數水電站根據實際情況進行智能化改造，重點不同，但一般情況下，它們將在現有生產自動化系統的支持下建立一個獨立的模塊。集成的數據平臺將水電廠范圍內的生產數據結合，并應用先進的應用程序加以控制。智能水電廠的系統分為三部分，分別為系統層，控制層及過程層，如圖1所示。

圖1 智能水電廠系統結構

（1）系統層

原有生產自動化系統中的終端管理工具保持不變，獨立創建集成數據平臺。每個自動化系統的數據在集成平臺上顯示，使用IEC61850通信協議集中存儲和顯示所有生產數據以及平臺上的一些高級應用，如報文管理、系統綁定及防洪解決方案等業務。智能化系統具有控制系統和信息管理系統的功能。緊湊型數據平臺的數據訪問方法通常分為兩類，第一類是每個自動化系統都是完全連接的，形成一個整體；第二類是對于每個IEC61850自動化系統，與從本地單元部分傳輸IEC61850連接的本地單元或子系統通信[2]。

（2）現地控制層

在第二種接入方式下，各自動化系統的本地單元或子系統需要配置一個IEC61850協議適配器和一個單獨的通信通道，本地單元采集的現場數據通過IEC61850協議將平臺發出的控制命令轉發到本地控制臺，本地設備和站系統之間的連接保持不變。

（3）過程層

目前，水電自動化系統的主要信息層次仍大量使用電纜組件和傳統通信方法獲得數據，其中勵磁監測、狀態監測及水電管理缺乏適合于智能系統的控制設備。目前，水電站自動化系統的過程層改造實例仍然較為缺乏，對原有非智能設備的依賴程度較高。

盡管我國一些水電站已經進行了合理地改造和探索，在智能化方面取得了不同程度的進步，但仍受到現有技術條件和現實因素的限制[3]。

（1）智能化改造后，對IEC61850的維護和構建智能化水電廠的建設流程缺乏經驗。

（2）目前，智能系統主要是面向數據的平臺，僅限于集中存儲和執行各種系統數據，對大型生產數據進行先進的分析，對生產功能有較強的指導作用，但后臺支持方面明顯不足，不能反映“智能化”的優勢。

（3）對通信的實施，IEC61850通過在當前系統層和現地控制層之間引入協議切換，將增加系統的復雜性和服務的工作量，降低系統的實時性和可靠性。

（4）綜合平臺雖然是對自動控制部分的改造，但并沒有完全取代原有系統，其監測功能應進行長期運行測試。

（5）與傳統自動化系統相比，IEC61850在使用數據時消耗更多的計算資源和網絡帶寬，硬件處理難以滿足大中型機組的實際需要。

（6）由于缺乏滿足水電廠需要的基礎支持設備，且相關技術缺乏，目前IEC61850的技術優勢無法充分發揮，無法達到預期的效果。

2 水電廠智能化改造方案

2.1 設計數據對象

在沒有集成數據模型的情況下，水力發電廠各種自動化系統不能共享其他系統的數據，必須設計特殊傳輸協議。使用面向對象的建模技術以對象的形式實現數據共享時，接收數據后，其他系統不需要匹配物理大小和數據范圍轉換，從而更容易管理和維護數據，并在不同智能或半智能設備之間進行有效通信，從而解決了數據問題。

水電站自動化系統的數據建模應基于IEC 61850標準，根據邏輯節點和新數據的具體規則，采用基于集成信息模型的綜合信息建模方法。在擴展和完善水電站綜合信息模型的同時，采用了廣泛應用于電力系統的IEC61970標準，以滿足各種水電應用的要求。

2.2 數據交換接口的整合

不同操作系統之間的交互數據傳輸應作為一種統一的通信協議。統一通信協議是基于IEC61850的協議，可以統合系統間的差異，并從集成數據模型的優點中獲益。然而，鑒于設備的當前狀態，對不支持IEC 61850的設備應允許使用其他的標準通信協議，以增加必要傳輸形式。現有地面設備的標準化和調整應以第一臺設備的輸入輸出數據的數字化、網絡數據的接收、測量和控制網絡和總線連接的逐步轉換以及智能網絡接口的推廣為基礎。為實現采集和控制網絡的數字化，需要將數字化擴展到水電廠智能化系統的所有設備，有助于通信的標準化。

2.3 加強自動控制應用的管理

對于管理層面，水情、監控及安全等自動化系統之間的集成與交互應以集成的目標信息模型和標準的數據通信交互為基礎，逐步實現各自動化系統的集成與交互，并最終形成一個高度綜合的管理控制平臺。平臺應提供標準的內置數據總線、消息總線及服務總線，以滿足各種應用系統的運行要求。綜合管理平臺為整個企業自動化系統提供完整的數據，為智能應用提供支持環境。

綜合管理和控制平臺使用防火墻或物理隔離來保護Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ區域之間的安全。Ⅰ區系統主要由監控、安全測控、閘門及輔機等自動化控制子系統的數據組成，負責正常生產控制功能的執行和改進管理。Ⅱ區主要依賴Ⅰ區數據，提供對自動化子系統的訪問，如水調、在線監測等，可以為多數生產應用和整個廠的高級運行管理提供支持服務環境。Ⅲ區對整個廠的分析和決策起作用。高級應用程序提供支持服務，并負責與外部系統進行協調。

2.4 高級智能應用

基于綜合管理與控制平臺，為水電站的應用與生產建立了智能化的應用系統。智能應用系統運行一個綜合的管理和控制系統。這是基于集成管理和控制平臺的廣泛數據服務和支持服務。通過全面的數據分析、挖掘和優化，建立了水電廠生產過程智能分析和預警的專業系統庫。智能應用系統的結果可以傳輸到集成的管理和控制平臺，以創建相關任務、采取預防措施或提供操作指導。

水電站實例數據分析模型的建立、數據分析方法的引入、相關分析方法、綜合分析方法以及不同的速度是最重要的狀態間關系，構成了基于相關診斷的知識庫，具有智能的邏輯機制，可實時評估水電設備的健康狀況和故障診斷，并提供智能在線監測、故障報警和維護、優化水庫規劃、閥門聯動、防洪決策及視頻通信，對提高生產管理自動化、減少操作和維護困難、減少維護負擔及改進維護設備起到重要作用，以減少意外停機。研究開發智能化水電廠控制系統在應用中的可靠性，優化發電維護計劃，提高生產的經濟效益，從而達到建設智能水電站的主要目標。

3 水電廠智能化改造的步驟

根據目前水電站自動化設備及部件的現狀，本文認為水電站自動化系統的智能化變革應該漸進地進行。

（1）為消除傳統控制系統中的部分站控層，用綜合管理控制平臺取代傳統控制系統中的部分站控層，綜合管理控制平臺必須支持對能夠傳輸支持和維護傳統IEC61850協議的通信的混合訪問。

（2）為支持IEC61850協議，依靠智能子終端轉換的二次部分，取消傳統的LCU轉換站，直接利用集成控制平臺對交換站進行控制。

（3）選擇通用LCU或其他LCU作為試點，并使用直接支持IEC 61850協議的PLC連接IEC 61850的附加協議。

（4）根據各水電站設備的實際和具體要求，除大量電纜外，還應更換一般可用的附件，用標準網絡和電線進行現場替換。

（5）開發先進的應用功能，以滿足水電站生產經營的實際需要，建立智能化應用系統。

（6）在產品成熟或解決方案成熟的情況下，逐漸替換現有的自動化元件、測控工具，實現現場設備智能化。

4 結 論

水電廠智能化是自動化系統發展的必然方向，但要實現智能化的變革仍需繼續研究。IEC 61850在標準水電站的合理改造中發揮著理想而直接的作用，但這是實現智能化的基礎和手段，而不是其目標。隨著系列成熟度和相關技術的實際應用，水電站自動化系統的智能化改造將逐步向前推進和完善，并取得更好的效果。