水电厂智能化建设流程浅议

陈运华

(映秀湾水力发电总厂，四川成都 611830)

目前，随着新能源发电的比重增加，国内外电力系统提出了各种各样的智能电网概念，同时，国际能源形势的变化也促使各个国家对智能电网技术的研究应用进入了比较快的发展阶段。目前，包括发输供用电各个环节都在进行深入的智能化研究，已有很多的数字化变电站投入运行，这些都意味着作为智能电网的关键节点——智能变电站的进展迅速，为日后在发电环节智能水电厂的建设方面提供了很多参考经验。智能水电厂的标准以及相关建设标准目前正在制定中，国内各大水电科学研究院、水电厂、电网科研院所、自动化厂商等都在积极进行智能水电厂课题的相关研究。通过推进水电厂智能化的进程，能够推进水电厂状态检修的尽早实现，能够大大提高水电站的安全可靠性，降低水电站的运营检修成本，提高人员的工作效率，优化水能发电效率，降低非计划停机次数，具有良好的经济效益。

然而，智能化水电厂的建设如同智能电网的建设一样，不是一、两天就能够实现的。如何建设智能化水电厂，如何控制在其建设过程中带来的风险，如何能够合理利用已有的智能电网的技术，如何借鉴数字化变电站建设带来的经验，分步骤逐步实现水电厂智能化，都是我们目前需要考虑的问题。

1 水电厂和电网在实现智能化转变中的区别

目前，所有的新技术环节都是为了实现电网的智能化而产生的。由于电网企业和水电厂企业在经营理念上有一些区别，因此而决定了它们在实现智能化的过程中所注重的技术方面不同。

水电厂企业可以理解为一个电力生产性企业，其首要目的是在保证设备安全可靠的前提下尽可能多发电，尽可能减少设备检修的频率，提高设备的利用率，降低人员数量，提高人员工作效率，优化成本结构，从而获得最大的发电收益。

电网企业虽然是一个垄断企业，但是目前的电网企业可以理解为是一个服务性、运营性的企业，在尽可能地保证供电安全可靠性的前提下，更好地服务于国家，根据国家的能源结构调整运营策略，响应国家对于能源政策的需求，电网的服务性比其经营性的地位要求更高一些，而对于投资收益比的关注度要低一些，所以，电网会不计成本地投入一些建设及研发项目，一方面是为了国内的电力设备产业的发展要求，另一方面也是为了响应国家能源政策要求。

由于其本质上的不同，水电厂智能化和电网智能化在实现转变的过程中存在着较大的区别。笔者对此简要分析如下:

(1)共同点:都必须借助现在的新技术，实现电网和水电厂的设备技术升级;

(2)区别:电网更加强调其服务功能，对于前沿技术有探索性，对设备产业前瞻性有要求，而对于成本的考虑则相对较少;水电厂作为生产性企业，强调投资的回报率及带来的经济效益，所以，水电厂在技术风险和投资风险控制上要比电网企业严格的多，一般条件下，水电厂只考虑使用成熟技术。

2 传统水电厂向智能化水电厂转变的方案

2.1 智能化水电厂应具备的特点

在整个水电厂的发展历程中，技术的进步给水电厂带了很大的改变，从传统的百万千瓦级水电厂几千人的规模，到目前不到百人就可以完成整个百万千瓦级电站的生产运营，水电厂的发展也经历了很大的转变，对比传统水电厂、实现自动化后的水电厂及未来水电厂的特点，图1简要描述了各个阶段水电厂的特点。

图1 水电厂发展过程示意图

经过对比可知，水电站智能化改造以后，相比传统水电厂必须具备以下特点，才能保证其相比传统水电厂的优势，具体表现在以下几方面:

(1)较高的系统可靠性。

对于安全就是效益的电力行业而言，水电厂实现智能化后，可靠性必须优于传统水电厂，才能体现出智能化水电厂的优势，否则任何新技术导致的安全可靠性的降低都是对水电厂最直接的经济损失。

(2)良好的经济性。

作为生产性企业，经济性是评价新技术在水电厂应用的直接评价指标，在水电站的智能化转变过程中，必然会带来很多设备的投入，如果不能带来实际的安全及经济效益，则这些设备的投入就没有大的意义。

(3)人员数量减少，人员效率提高。

改善人员工作环境，提高人员工作效率是水电厂智能化的基本目标，也是水电厂技术发展的基础目标。通过水电厂智能化，能够将人员从许多现场简单的重复劳动中脱离出来，让技术人员从事更加复杂的分析工作，提高工作效率;另外，运行值守人员也没有必要一直留在现场，可以实现电站远程监控的目标，改善水电厂工作人员的生活状态。

2.2 智能电网关键技术在水电厂中的应用

(1)在线监测技术。

目前各种在线监测技术在电网企业内都有很广泛和成熟的应用，如变压器油色谱在线监测系统。还有其他一些主设备也都实现了在线监测，比如断路器、输电线路等。由于电网企业在线监测技术的发展，也带来了传感器技术的发展，许多新技术传感器也在电力行业中取得了长足的使用，开始应用于在线监测，比如红外测温目前成本变低，也开始进入在线监测的范畴。

由于涉及的监测范围较小，未涉及到远距离通信，水电厂实现在线监测比电网实现在线监测的难度相对而言小的多，这也让在线监测成为水电厂智能化最容易、也是最应该实施的技术。

(2)通讯技术。

要实现智能电网，首要的目标是实现全电网数据的采集。通讯技术在这个过程中发挥了巨大的作用，如目前智能配电网的发展就需要将广泛区域的数据进行采集、分析、处理，这就必须依赖于现代通信技术的发展。目前各种各样的通讯方式都开始应用到电力行业的各个不同场景中，如正在运用的中低压载波通讯、无线专网通讯、无线公网(GPRS/CDMA)通讯、光纤通讯、电信公网通讯等。

同样，如果要实现智能化水电厂，首要的目标便是实现整个水电厂全站数据的采集。由于数据的采集方式和采集地点的多种多样，必须借鉴在电网中使用的通信技术，如水电厂关口电度表电量的采集便可以考虑借鉴使用目前电网中成熟的电力线载波通讯技术，而还有一些传感器放在比较偏远的地方，尤其是一些水情信息及水库山体的状态信息等，这些数据的采集便可以采用无线技术，在有手机信号的区域也可以考虑采用GPRS/CDMA 技术进行远方采集及传输等。由于水电厂的监测范围比变电站大，但相对于输电线而言又比较分散，因此，对于无线通讯技术在电力行业的应用有较大的期待。

(3)软件技术。

各种各样的管理软件可以简化生产流程，优化物料、检修管理，从而提高了我们的生产管理效率，另外，也大大方便了我们的办公及生产。

对于水电厂这种重经验的生产型企业，专家系统有助于整个水电厂设备安全可靠性的提高。投入使用专家系统具有深远的意义，不仅为检修提供了判断依据，而且专家系统所提供的数据也有助于现场的运行维护人员进行决策及故障分析，是实现状态检修的必要条件。

生产信息系统和办公系统在电网企业里已基本普及，目前，将生产管理系统、开票系统、资产管理系统、检修物料系统等整合起来，相互配合使用，不仅提高了生产工作的效率，同时也降低了管理成本。

(4)应用于数字化变电站的关键技术。

IEC61850协议及电子式互感器技术是数字化变电站的关键技术，也是我国推广智能电网的关键技术之一。随着IEC61850针对水电厂提出了对应的通信模型，使建设数据对象模型有了标准支撑。

但是，对于智能化水电厂而言，由于互感器和通信协议的改变，将会导致整个水电厂二次设备体系的改变，需要投入大量的金钱和精力来更新现有设备，而且设备更换的周期长、检修风险大，对水电站运行的安全可靠性提出了挑战。尽管该项技术肯定是未来的大势所趋，但是笔者认为这并不是最急切的技术。因为传统互感器及协议已能够保证电厂的安全可靠运行，现在的电子式互感器在变电站的应用中出现了一些问题，但不能将其全部归结为成熟技术和成熟产品。因此，水电厂在考虑采用该项技术时必须谨慎。

2.3 智能化水电厂实现流程设计

目前智能电网技术的发展逐渐趋于成熟，给传统水电厂向智能化水电厂转变带来了发展契机。然而，电网企业和水电厂企业毕竟存在一些差异。笔者认为水电厂企业不应该盲目跟风，认为智能电网的技术即智能化水电厂的技术，按照电网做法开始进行设备更新改造。完全抄袭电网企业的做法不仅达不到预期目标，还会给电厂带来投资浪费，更为严重的还会给电厂的安全运行带来风险。水电厂的智能化改造有自己的特点，必须结合自身特点进行智能化改造，才是符合水电发展规律的正确之举。

尽管目前新开工的水电厂在主机和辅机的自动化水平上都达到了较高的要求，但是目前一些传统水电厂还没有实现自动化，这些水电厂基本上都在积极地进行自动化改造。我们设计了一套转变流程，结合水电厂的生产特点及运行特点，可以逐步实现传统水电厂到智能化水电厂的过渡。实际上，水电厂实现自动化给大家带来的好处是显而易见的，然而，在其向智能化转变进程中，大家迷惑了，每一个厂家对于智能化的认识也不一样，每个电厂的技术人员也都有自己的看法，市场上的设备、监测技术、分析方法各式各样，导致我们的过渡过程比较缓慢。在这个发展过程中，会涉及各种各样的系统:哪套系统为主要，哪套系统为次要，每套系统应用何种智能电网的技术，应该在什么时候投入，都是我们必须要考虑的。

图2为传统水电厂逐步过渡到智能化水电厂的转变实现简约过程。笔者对其转变的具体步骤进行了具体分析。

第一步。实现水电厂主要设备自动化。

传统水电厂要向智能化水电厂进行过渡，水电站自动化是必须实现的阶段。在传统水电厂的基础上投入监控系统，能够达到减人增效的效果;辅机系统实现自动化，能够大大减少辅机故障发生的概率，降低巡检人员的巡检次数，提高整套系统的工作效率。

图2 传统水电厂到智能化水电厂的转变流程图

通过水电厂自动化的实现，能够将水电厂所有的开关量全部采集并实时显示，实现对所有开关量状态的实时监控。

第二步。实现水电厂的全面状态数据采集。

目前大部分水电厂已经实现了自动化，但是对于在线监测系统的投入则没有计划性。由于在线监测系统不会直接影响主设备的运行，所以其并没有引起目前水电厂技术人员及管理人员足够的重视。每个水电站都会根据电站人员的技术情况及电厂的资金情况投入一些在线监测系统。由于目前监测系统监测的内容及数据较少，还无法对主设备的检修和运行起到指导作用。

按照目前水电厂的主设备情况，根据目前水电厂设备的运行特点，综合考虑水电厂运行的安全性和经济性，针对目前水电厂的实际情况，我们考虑按以下步骤逐步实现全站设备的状态监测。

(1)对于目前已大量投入使用且技术实现已经成熟的在线监测系统，我们要加强对其历史数据进行分析，努力利用这些数据对运行人员的决策起到辅助作用。这些设备主要包括:主变压器油色谱分析在线监测系统、水轮发电机振动摆度监测系统等。但是，所有这些在线监测系统也都只是起到了停留在收集历史数据以及故障后诊断的作用，而并未作为状态评估的依据。

(2)针对目前一些技术上虽然尚处在探索阶段，但是却监测着主要设备，对电厂的安全运行起重要作用的系统应采用逐步完善的机制。如增加对水轮机、发电机、主变压器的监测手段，逐步加入变压器局放监测系统、变压器介损监测系统、变压器铁心接地系统、发电机局放监测、水轮机振动在线监测系统等各种监测手段，收集各类监测数据，使其起到对主设备进行全面评估的作用。

(3)针对其他一些关键主设备，虽然是免维护状态，但是每年需要定期进行检查。随着传感器技术的发展，传感器成本的降低，也可以进行在线监测，如断路器、GIS 设备等，包括GIS 的局部放电情况、微水情况等。

(4)针对一些关键辅机设备(如调速器油泵轴温、大型水泵轴温、厂用电气开关柜电气节点温度等)，这些设备本身的价格较高，一旦出现故障后如果不及时发现，对整个水轮发电机系统也会产生较大影响，严重时甚至可能导致机组停机。对这些设备的监测，可以考虑加入其它简单的在线监测系统，用来对整个电站辅机系统的状态及整个水电厂的综合安全性进行评估。

(5)另外，对于水电厂而言还有一些其他的基本状态量(如压力，温度等)，通过对这些状态量的长期监测，也可以从侧面反映设备的状态。对于电力设备，几乎所有有绝缘要求的电气设备都应该有温升的需求，温度是反应一个设备运行状态最好、同时也是最容易监测的量。

(6)针对一些以前属于离线监测、需要运行人员定期巡检的物理量(如水流量、压力等)，也可以考虑采用各种通讯技术将其全部采集回来，从而可以对整个管路的状态进行监测，进而实现设备的全站状态监视。还有一些特殊量，如电度表的电量，可以借鉴目前智能电网中的载波超标技术，实现整个电站关口数据的无人管理，从而提高抄表的可靠性，同时亦可提高人员的工作效率。

实现全站设备的状态检修是一个漫长而见效较慢的过程，在实现全站设备状态检修的过程中，能够稳步提高电站的安全运行水平。

第三步。实现专家系统指导状态检修。

将所有的数据都采集并成为保存一段时间的历史记录后，我们可以对当前的设备进行简单的人工评估。

通过相应的软件技术和经验数据构成专家系统，对于设备的所有数据进行综合分析，进而对设备的整个状态能够有一个更直观的评估。通过对设备进行状态评估，结合对应技术体系的要求，可以制定出合适的检修计划，从而将设备从定期计划检修逐步转向状态检修。所有的关于智能化水电厂的投入，在这个基础上才会出现实际的经济效益。状态检修带来的检修费用的节省会大大降低整个水电站的运营成本。

第四步。实现数字化水电厂的全部要求。

为满足IEC61850协议的要求，现场必须更换所有的互感器，这将会使整个水电厂二次系统的体系发生变化，相比以前运行稳定的设备和检修运行习惯，这一步的跨度比较大。整个过程的实施会影响整个水电厂的二次系统，如调速系统、发电机保护系统、励磁系统等都需要整体升级。

另外，IEC61850协议的使用也会使整个系统的后台监控系统需要进一步升级，针对这一步，各个水电厂可以视时间和设备的运行老化情况来定。只有在最合适、最经济的时候实施这一步计划，才能确保整个过程转变成功。

鉴于目前电子式互感器还没有在电网内完全无缺陷、无障碍的使用，可以考虑暂时不必着急更换互感器和对IEC61850协议的支持。应根据水电厂自身的情况来定，在最经济的原则下进行。

第五步。实现智能化水电厂的全部要求。

水电厂的硬件体系完全构建完成后，各个管理系统的协调运行就是水电厂最大的问题，优化各个系统的运行流程，整合所有软件系统，将专家系统和生产管理系统、检修系统、物资系统等全面结合起来，在整个整合过程中，必须以专家系统为核心，用专家系统的辅助功能来支持全站的生产、检修及物资管理。同时，将专家系统的实时信息与现场的运行人员分享，从而指导运行人员实现辅助决策、故障预判、事故预演等功能。

3 结语

根据水电厂生产方式的特点，我们认为:安全经济是水电厂改造的基本原则，结合目前水电厂的现状，为了让水电厂从传统方式逐步实现水电厂自动化，进而过渡到完成全站状态监测系统，然后逐步完成整个水电厂的智能化转变。这个转变过程是对水电厂生产影响最小，也最符合整个水电厂的改造顺序，是目前实现水电厂智能化最简单、也是最合理的实施步骤。

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