智能化水電站技術應用

國網甘肅省電力公司劉家峽水電廠 崇育斌 王小星

1 智能化水電站改造技術應用

1.1 一次設備智能化技術運用改造

1.1.1 整體改造技術運用

水電站是我國水力發電的重要領域，是強化電力供應的重要形式，目前水電站通常分為巨大、大型、中型以及小型幾種，具體等級分配是按照容量確認。在實現水電站智能化優化的過程中，須針對不同的結構開展升級，借助智能化技術的使用，提高系統運行的質量和效率。本文研究的水電站結構見表1，在技術改造過程中為解決智能效果不足問題，采用結構優化方案全方位增強智能效果。

表1 水電站結構示意

通常情況下，在水電站日常運行的過程中，技術人員需要按照以下公式完成處理以及水能計算：N=9.81ηQ電H凈（kW），其中：Q電是指流量，單位為m3/s；H凈是指水頭，單位為m；η是指水電站發電機的效率系數。而在智能技術運用下，此項數據計算可借助大數據等技術完成高效運算，減少技術人員人工數據處理的難度以及工作量。

為有效提高水電站運行效率，智能化優化的過程中需要針對多個系統完成可視化、智能化升級。在智能化改造升級過程中，本案例借助計算機設備完成智能化水電站系統搭設，以此形成智能監測體系，全方位地監測水電站運行數據與信息，幫助技術人員判斷系統運行狀態，并完成信息數據以及控制指令的傳達[1]。

本案例設計和應用的智能化水電站監測系統，具備自動監測、自動識別、自動分析功能。站內每個技術人員均下載手機App，之后便可以借助系統軟件完成視頻監控。在水電站運行期間，技術人員借助多種傳感器以及智能終端的運用幫助工作人員隨時隨地掌握水電站的運行狀況。在水電站運營調控期間，技術人員借助手機終端與外部智能傳感器相關聯，之后接收信息并下達管控指令，這便是本案例智能化水電站技術應用的主要方案構想。

此外，本項目改造應用自適應優化調度模型，將其作為強化水電站運行經濟效益的重要形式。在智能化技術運用中，水電站根據現場任務狀況以及約束條件的設置完成算法計算，并結合最終的數據狀況開展自動化適應調整，為后續的智能化決策奠定基礎，保障水電站經濟效益。在系統運行的過程中，技術人員借助智能化系統完成模型參數的設定之后通過系統形成調度方案。

本項目的主變改造是指，對原有系統中能夠繼續運用的主變系統借助外置傳感器，以及智能設備的安裝實現智能化升級。一般來講，此過程需要增設IED監測裝置以及智能化終端等零件。在本項目改造的過程中，技術人員將以上零件裝置配置在智能化組件區域，之后運用智能單元強化系統運行。水電站運行期間，信息數據可直接上傳至GOOSE網絡中，之后借助網絡監測系統傳遞至控制層的MMS網絡。在信息數據傳遞的過程中狀態監測傳感器會結合數據狀況完成參量配置。

與此同時，智能設備運用下，通信過程主要是運用光纖與以太網開展，而非電量保護則是按照DL/T500完成信號監測，以此強化水電站智能化水準。在改造內容上，主要針對套管等完成監測，借助傳感器等展開在線繼電器壓力檢測以及油質分析等內容[2]。

1.1.2 升壓站斷路器、隔離開關技術運用

傳統的水電站內部含有大量的開關裝置設備，雖然使用壽命較長但是若是不能夠實現智能化改造，則也會制約水電站的長遠建設。本案例在智能化水電站建設中，設計方案包括兩種形式，即“智能化設備+GOOSE網絡”與“GIS裝置+GOOSE網絡”。其中，前者是指通過就地增設智能終端的形式，完成GOOSE光纖網絡運行。與此同時，在智能化裝置運用下，閉鎖告警功能可實時掌握濕度、溫度等信息，以此滿足自動化管控。GIS模式的運用則是指在原有結構上增設智能設備以及智能傳感器，以此實現系統可視化管控。本案例涉及的智能組件涵蓋智能管控設備以及合并單元等，其中前者與GIS智能管控柜相連接，后者則是可以單獨設置，以此接收數據，并完成加工分析，確保其符合標準。

1.1.3 一次設備狀態監測智能化系統運用

一次設備屬于系統重要結構，在智能化技術運用的過程中，主要是為了確保數據信息能夠滿足智能化采集。本案例建設使用的智能設備包括IED裝置，該裝置可以在互聯網技術的運用下，實現智能化數據收集以及分析處理，實時分析油中氣的成分以及油位等數據參數，并在光纖的使用下完成IED系統信息互通，為技術人員掌握設備運行參數創造良好的條件。

1.1.4 主變壓器智能技術優化

本改造項目水電站內部的每一臺變壓器裝置內部均設有非電量保護裝置，可實現系統的自動保護。此功能主要借助智能單元實現，智能單元內部包含完整的智能交互信息程序，可隨時為技術人員提供數據信息，并結合實際完成非電量保護。與此同時，本系統借助GOOSE網絡完成非電量保護跳閘操作，以此強化系統智能化管控的整體水平。總而言之，項目改造完成之后，水電站的智能管控水平進一步提升，可滿足數據廣泛收集、分析、處理、傳遞的需求，為水電站長遠發展奠定基礎。

1.2 微機保護智能化技術運用

1.2.1 設備智能化

傳統水電站中，主要是運用LCU以及PLC智能設備完成數據采集與傳遞，而本項目基于智能化升級背景完成改造，則可以實現多區域的智能管控。這是因為在互聯網技術運用下，不同的廠家均使用統一的開放協議內容，因此單元層設備裝置可直接將信息傳遞至主控層的設備中，以此降低傳統LCU裝置數據收集的難度和壓力。在原有裝置機組中，PLC種類運用形式較多，可滿足水位、壓力監測系統裝置啟停控制需求，因此在后續智能化過程中，可在其基礎上加大智能裝置運用，例如新型傳感器等，在實現系統運用目標的同時減少此過程的能源損耗。

1.2.2 開關站220kV系統過程層智能化改造

為有效強化系統保護水準，技術人員對220kV的系統過程層完成智能化優化。一般來講，220kV為常規互感器，內部設有合并單元，線路高抗性能較好。在智能優化過程中，技術人員對線路保護設備以及測量裝置、濾波裝置等開展了交流采樣工作，并運用現場布置等形式，開展合并單元優化。在實際工作中，技術人員在220kV斷路器中增設了跳閘線圈，因此斷路器設備內部還可以直接與智能終端完成連接，以此強化智能跳閘。其中，智能終端的安裝主要是就地處理，在接口設計方面包括點對點以及智能化GOOSE兩種形式，在裝置安裝的過程中滿足母線保護等實際需要。

1.2.3 調速系統智能化技術運用

調速系統主要是在主控層與過程層之間，按照DL/T860標準完成模型搭建，之后技術人員通過機組連接完成通信。在本案例中，工作人員主要使用電壓電流冗余型水輪機調節器，其內部含有兩套控制器，可直接與壓油智能化接口以及其他A/B液接口相關聯，實現系統運行自動化監測需要[3]。

1.2.4 勵磁系統智能化技術應用

勵磁系統是在主控層與過程層之間，要求在智能化的過程中必須滿足網絡系統設計標準。因此，在智能化設計中運用冗余型調節器裝置，將其與過程層的智能斷路器相連接，以此管控溫度以及反饋量等數據信息。在調節器運行的過程中，智能接口與GOOSE相連接直接完成信息數據的接收，幫助技術人員掌握發電機等運行狀況。

與此同時，智能化勵磁系統運行具備自我判斷等功能，可系統化地監測某一時期系統狀態，并針對性地完成啟動操作。為確保監控系統能夠實時完成數據收集，調節器在使用的過程中還會借助網絡信號將信息傳遞至智能控制單元中的設備，之后同時接收上級控制指令，進而強化系統智能管控。結合目前情況來看，本案例中的智能化勵磁系統在運用的過程中，可借助智能終端強化機組啟動管控以及無功調節，幫助各單元層完成信息數據的互通。

1.2.5 故障錄波智能化改造

結合現階段的IES61850水電站管控標準，要求應將錄波設備安裝在單元層中，以此實現機組運行交直流電壓量、電流數據等信息的監管。一般來講，智能化技術運用中可使用裝置觸電智能監測等形式完成數據分析，且故障錄波系統通常是以直接接入的形式完成處理。從整體來看，本案例中水電站設備運行的交流電壓量，被運用在記錄中性點電壓中；開關量則是記錄繼電保護設備的跳閘觸點以及其他裝置的觸點。

2 水電站通信系統智能化改造技術應用

2.1 主控層智能化

主控層網絡是指主機設備與IED之間的以太網形式。在本案例中，以太網運用ACSI以及SCSM技術形式處理原有水電站運行過程中穩定性與網絡技術運用之間的問題。在傳統水電站運行過程中，一旦對SCSM技術加以優化，則必須同時優化ACSI才能夠滿足使用需求，而本項目智能化改造建設使用MMS協議，其支持的通信網絡種類較多，可同時滿足以太網以及TCP/IP等運用需求，因此主控層使用更加具備靈活性。

2.2 過程層智能化

過程層網絡是指單元層與過程層之間實現數據通信的以太網形式，內部通信種類較多，其中最為關鍵的便是SMN以及GOOSE網絡形式，目前SNTP等網絡形式也可以輔助系統完成信息數據傳遞。

相比于其他網絡，過程層對數據信息傳遞的時效性標準要求更高，因此在智能化技術運用的過程中，技術人員開始大量使用SMV以及GOOSE網絡。在技術運用下，信息數據傳遞的通信協議只運用了國際標準ISO中的4層，直接實現數據鏈路層的傳遞，降低了此過程中數據打包以及傳遞運輸的時間成本，能夠有效提升信息傳遞的時效性。

結合目前情況來看，網絡結構主要包括總線、星形以及環形幾種，其中后者冗余性較高，具備較強的安全性，然而在使用的過程中一旦出現故障，或者連線終端便需要重新生成RSTP協議并進行信息修復，此過程時間成本較高，難以滿足延時在4ms以內的標準要求，因此在后續智能化技術運用的過程中，應該升級結構內容，運用雙星型冗余結構應對以上問題。

在本案例中，為保障數據傳遞的精準度，使數據傳遞信息能夠滿足配置需求，技術人員在開展過程控制層智能化的過程中按照以下要求開展：合并單元運用點對點的方式完成采樣值確認，之后按照標準要求提供通信協議；智能重點設備運用點對點的方式接受LCU設備的開關跳閘指令要求，并提供光纖接口，使其能夠與過程層網絡相關聯，為后續提供I/O信息奠定基礎；合并單元應單獨處理，需結合采樣信息完成單元設置，若是重要I/O信息則要設有雙重化的智能設備終端。在設備安裝的過程中，應確保冗余設備的獨立性。從安裝的角度來看，智能優化的過程中合并單元以及終端設備就地處理，開關站的終端設備也是直接安裝[4]。

綜上所述，傳統水電站在運行的過程中經常會受到外在因素的影響出現諸多不足，而在智能化改造的背景下，則可強化電能質量，優化輸電的穩定與安全，為水電站創元可持續建設奠定基礎。在具體工作中，要求技術人員須針對一次設備，以及微機系統裝置開展智能化優化與升級，并借助互聯網開展主控層與過程層智能完善，以此確保水電站建設能夠滿足智能化時代發展需要，為社會進步與經濟發展提供能源支持。