抽水蓄能電站控制智能化發展的探討

周佩鋒?朱冬?姜澤界?朱中山?葉林

摘? 要：依托現代抽水蓄能電站控制智能化技術發展的趨勢，對以工業4.0為基礎的采集前端智能化、數據傳送和處理方式、統一的硬件平臺、電站設備集中監控及大數據應用等方向進行可行性的研究與探討，通過對比目前應用范圍與方式較為廣泛的控制系統應用環境和結構框架，提出差異化及其優劣勢，展示更高水準的技術理念，為未來發展方向提供合理化建議。

關鍵詞：抽水蓄能;前端智能化;數據傳輸方法;統一硬件平臺;集中監控;大數據應用

中圖分類號：TP39 ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）06-0151-04

Discussion on Control Intelligent Development of Pumped Storage Power Station

ZHOU Peifeng1， ZHU Dong2， JIANG Zejie1， ZHU Zhongshan1， YE Lin1

（1.East China Tianhuangping Pumped Storage Co.， Ltd.， Huzhou? 313302， China; 2.Shanghai Minghua Electric Power Technology Co.， Ltd.， Shanghai? 200090， China）

Abstract： Relying on the development trend of modern pump storage power station control intelligent technology， based on industrial 4.0， this paper researches and discusses the feasibility of collection front-end intelligent， data transmission and processing mode， unified hardware platform， power station equipment centralized monitoring and big data application direction. By comparing the current More extensive application scope and mode of control system application environment and structure framework， it puts forward differentiation and its advantages and disadvantages， and shows the technical concept of higher level， provides reasonable suggestions for the future development direction.

Keywords： pumped storage; front-end intelligence; data transmission method; unified hardware platform; centralized monitoring; big data application

0? 引? 言

華東天荒坪抽水蓄能電站自1997年首臺機組投產以來對于華東電網的安全、穩定運行做出了不凡的貢獻，也創造了可觀的經濟效益。全站采用計算機全監控方式，由多功能處理器集成的現地控制單元LCU組成，主要功能包括過程數據采集處理、邏輯處理、順序控制等，是整個監控系統的核心單元，也是電站設備正常運行的中樞神經。

然而隨著時間推移，電子模件、器件及連接件逐漸暴露出的隨機故障事件時有發生，系統運行不穩定，軟、硬件設備的老化等諸多問題頻繁出現。電站寄希望于通過升級改造的方式，在工業4.0和互聯網技術的相互推動下，實現電站全智能化水平的進一步提高。為實現智能化目標，需在以工業4.0信息系統和物理系統深度融合這一核心理念的基礎上，依托人工智能、物聯網、大數據、云計算等一系列技術手段，形成一套完整的包含了采集、傳輸、整合處理、計算判斷、存儲等環節的閉環控制流程[1-6]。本文將以此為方向，展開相關內容的可行性研究與設計。

1? 以工業4.0為基礎的采集前端智能化

毫無疑問，工業4.0和互聯網技術將在產業轉型，能源結構調整中發揮作用、影響電站生產過程，促進了大數據分析應用發展以及與管理精準化，而實現智能化首先應解決的工業4.0中的最前端的技術-信息物理系統（cyber physical system， CPS）。

所謂物理信息系統是計算進程和物理進程的整合集成，采用嵌入式計算和通信設備對過程進行監測和控制。從自動化技術的角度看，信息物理系統是通過嵌入智能元件，集感知、采集、計算、通信和控制于一體的監控前端設備或元件組成的系統。

對智能電站而言，對這類智能前端設備，除了常規的監控要求外，或許還希望擁有與產品全生命周期有關的出廠信息（包括圖紙和資料）、運行過程設備的健康信息，維修信息和壽命以及與運行環境相關的信息，這可能要求前端設備的具備數據存儲、處理和通信（傳輸）包括實時的、圖像（視頻）的、文字及圖表等結構型和非結構型數據。大體如圖1所示。

前端設備的數據傳輸可包括了結構型實時數據和非結構型實時或非實時數據，采用插件方式，用不同通信技術，可分別處理和傳輸前端設備所采集的不同類型的數據。

在目前抽水蓄能實時監控方面，前端數據采集還是停留在常規過程參數的實時采集，而對智能化安全運行而言，除了這些參數本身外，其動態變化是設備運行過程中值得關注的，它反映了設備安全運行的狀況和變化趨勢，預示可能發生的事件，如：

反映參數在一定時間內的平均變化率：

dp/dt=p2-p1 （1）

反映參數在一定時間內變化的快慢程度：

d2p/dt2= dp2/dt2-dp1/dt1（2）

其中“p2”為“t2”時刻的數據，“p1”為“t1”時刻的數據;且t2≥t1。

假設在采集端增加智能化芯片進行數據的數學計算和處理功能，對采集數據進行初步運算直接獲取參數的變化率和變化的速度，就目前的技術而言是不難實現的，唯一的要求是必須根據參數的物理特征確定p2和p1采樣點間的時間間隔，對不同的參數允許設置可調整的采樣間隔。按照機組或設備的穩態或暫態過程和不同工況，自動選擇采樣間隔，并可根據制造廠商要求或運行經驗允許在線調整，設定告警值，計算數據超限的次數。

同樣，對于電動或氣動設備，在原有設備內以嵌入智能模塊方式，除常規的數據采集外，采集端的智能化可以記錄閥門開啟和關閉所需的時間，開啟/關閉次數、閥門開啟關閉時電氣或液壓參數，通過與正常運行（設計）的參數比較，對設備故障類型、進行預警、預判和定位。

采集前端智能化能擴大并補充了設備監控的基礎數據，數據的積累和提煉可用于機組或設備在不同工況、穩態和暫態運行條件下安全邊界的設置，為真正實現無人值班、為未來大數據處理和分析和加工、為電站管理的精準化奠定基礎。

2? 數據傳送方式和數據處理

目前各電站大都采用傳統的通信規約進行數據傳輸，而國外推出的面向對象技術手段（如IEC61850），采用了面向對象建模、可擴展的架構，將通信傳輸方式從原來的面向數據轉變到面向對象[7]。

對于IEC61850，目前國內變電站和水電站都有應用實例，單純從對象建模概念發散性進行理解，電站的監控對象除溫度、壓力、流量、液位、電流、電壓等二次監測元件外，機械類主要有泵、閥門（擋板）、壓縮機、馬達等。電氣類主要有斷路器、閘刀、變壓器、避雷器等，系統則包括了LCU、勵磁、調速器、同期裝置、繼電保護及輔助控制系統等。在IEC61850標準的框架下，如何細分、歸納、定義和規范公共數據類CDC（Common Data Class）、邏輯節點類LN（Logical Node、數據對象DO（Data Object）以及智能電子設備IED（Intelligent Electric Device）是應用好IEC61850面向對象建模的關鍵[8]。

若采用面向對象的建模方式，規范系統/設備/元件的傳送信息表，一旦監測內容和要求發生變化，可采用改變設備/元件建模模型改變該設備/元件的傳輸信息。設想若LCU層與操作監視層的網絡也采用類似面向對象的數據傳輸方式，以類似電視機掃描頻道的方式，將每個對象的變化同步傳輸映射到數據庫和畫面，可減少前端采集設備變化對數據庫和畫面修改的工作量，簡化電站監控系統維護工作。

面向對象通信設計為智能化前端技術的發展提供了思路，在設備建模合理、網絡傳輸規范、系統可擴的前提下，隨著應用的增加，這種技術將逐步地被用戶接納，提升其通用性。

3? 統一硬件平臺

目前工業應用的計算機微處理監控設備/裝置一般都由以下部分組成：（1）控制處理單元;（2）通信單元;（3）操作監視單元;（4）I/O接口單元;（5）電源單元。

除各系統電源單元容量（可采用疊加方式增加容量）不同外，各種類型的微機裝置主要差別在于I/O接口單元，其按被控對象監控分快速和一般數據采集處理，如勵磁、SFC、繼電保護、設備狀態監測和故障錄波等大致應采用快速采集處理方式、其他均可歸類到一般處方式。目前國外一些知名控制設備廠家相繼推出了基于統一硬件平臺的系列產品，采用同一設計、同一配置、同一規格尺寸的硬件平臺，根據不同被控對象，調整采樣速率，配置和下裝不同的軟件滿足設備監控的要求。統一硬件平臺的最大好處在于硬件設計制造和軟件開發的分離，通過這種方式可以實現硬件設計制造的標準化、精細化，而硬件平臺的規范也有利于軟件的開發和升級，同時對用戶而言統一硬件平臺的應用可以大大減少電站模塊備品的種類，便于維護和管理。在硬件性能逐步改善、價格逐步下降的今天，是否可按照應用要求，配置快速和一般采集處理這兩類模塊，統一硬件平臺，通過軟件配置和下裝不同的軟件，來滿足不同系統、設備的監控應用的數據采集處理要求。

4? 電站設備集中監控

與火電不同的是，目前抽水蓄能電站實時監控仍以LCU為主，PLC為輔的方式，一些重要設備或子系統往往采用廠家配備的PLC，盡管有許多子系統與監控系統采用通信方式及硬布線互補方式進行數據交換，由于這些獨立系統與LCU在采集周期、數據處理、通信時間以及時標處理上的差異，因此在機組或電站層面的數據分析，往往需要借助其他高速數據采集裝置和平臺[9]。

就目前監控手段和技術而言，扁平化的統一監控平臺是完全可行的，如火電已將汽機控制系統等一些重要輔機控制系統移植到機組或電站DCS監控平臺，對一些具備知識產權保護的應用，可采用廠家提供軟件包的方式，統一在一個平臺運行，達到集中監控的目的。

統一集中監控是開展大數據應用的基礎，有了統一監控，集團公司可以整合利用各電站的平臺數據，研究和了解數據間的相關特性，開展數據高級的分析和應用工作。

5? 大數據應用

目前國內抽水蓄能無論是規模還是技術經驗上都在世界領先地位，不同類型，不同轉速，不同水頭運行數據的積累將給設計制造及學術研究提供了基礎數據平臺，隨著不斷的積累，在數據收集、處理，研究、提煉的基礎上，將其轉化為圖表參數、數據，經驗公式，形成技術專利，為未來設計、制造、研發提供參考，對國內乃至世界抽水蓄能行業的技術發展至關重要。

同時將設計、運行、檢修參數結合時間參數引入大數據應用，對機組設備誕生起引入資產全壽命周期管理理念，通過與設計、制造、安裝及試驗等參數的比較，改變電站資產管理的方式，提升管理效能，同時驗證設計等參數的合理性。

6? 智能化電站與電站監控技術指標的對比優勢

電站的智能化相較于傳統電站監控系統而言，在數據監控的各個環節各個方面均需要有著定性與定量的顯著優勢。以下表1根據幾個主要考量的技術性指標，對比其在應用層面的差異性。

7? 電站智能化發展的建議

智能電站的建立需要依托于先進的傳感和測量技術、高度化集成、可靠的軟硬件平臺以及高速、穩定的網絡技術，同時又需要配備具有強大分析處理能力的后臺數據庫。抽水蓄能電站從工藝流程上看需作為一個整體系統進行考慮，因此上述軟、硬件技術指標的性能要求作為智能化電站強有力的技術支撐其實是缺一不可的，否則極有可能會因為產生短板效應而無法達到理想的效果。

同時針對新建電站或技改原有電站需區別對待。新建電站可通過初期統一規劃設計，將智能化設備、智能化儀表、智能化平臺在可研初期就行整體考慮，較為容易實現。而已經投產的電站則需考慮相應的整改難度，利舊與否、升級與否，是整體優化還是局部更新，都必須根據電站本身的實際情況進行深入細致的可行性分析和研究。

目前國內部分企業已對IEC61850及統一硬件平臺等課題開展了研究和應用。面臨國內能源戰略的變化，能否針對抽水蓄能用戶，打破行業壁壘，在原有研究和應用的基礎上，順應智能化的發展，整合各方優勢，在廣泛探討和研究的基礎上，提出總體解決方案，為應對和挑戰未來智能化抽水蓄能產業未雨綢繆。

8? 結? 論

服務于電網的抽水蓄能要求以安全、可靠、靈活的方式來應對電網需求的變化，可以想象，智能前端的開發，將從數據源頭增加未來智能開發的可能;面向對象通信方式的變革，對未來智能化前端技術持續發展，對監控系統服務和維護意義重大，而統一平臺，將為電站的集中監控，為大數據應用提供統一平臺。然而電站監控是智能化是一個復雜而又龐大的系統工程，除了需要技術創新外，更重要的是需要統一的規劃設計及強大的決策和執行力。

參考文獻：

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[9] 繆學勤.工業4.0推動機電一體化走向智能技術系統 [J].自動化儀表，2016，37（1）：1-5+8.

作者簡介：周佩鋒（1980—），男，漢族，浙江青田人，電站專工，工程師，本科，主要研究方向：電氣自動化;朱冬（1985—），男，漢族，江蘇江陰人，項目經理，工程師，碩士，主要研究方向：電力系統及其自動化;姜澤界（1981—），男，漢族，甘肅會寧人，電站專工，高級工程師，本科，主要研究方向：水動;朱中山（1972—），男，漢族，湖南汝城人，電站專工，高級工程師，本科，主要研究方向：電氣自動化;葉林（1979—），男，漢族，浙江杭州人，電站專工，工程師，本科，主要研究方向：電氣自動化。

收稿日期：2022-02-11