智能化水电站建设的探索

郑文　薛晔

摘 要：文章介绍了智能化水电站的特点；电站总体结构在逻辑上分为应用系统、应用支撑平台和基础设施等；计算机监控系统部分的设计思路。

关键词：智能化水电站；总体结构；计算机监控系统

国家电网公司于2009年提出“建设统一坚强电网”目标，并制定了“统一坚强智能电网关键设备（系统）研制规划”。随着智能电网的不断构建与完善，智能化水电站的研究与建设已经成为新建水电站的发展目标。

目前，我国大型水电站运行已步入智能化和信息化时代，水电站的安全稳定和高效运行越来越成为我国经济社会快速发展的重要支撑。智能化水电站以“无人值班（少人值守）”运行模式为基础，以“数据采集自动化、信息预测精确化、调度决策最优化、运行控制一体化”为特征，以电站设施可靠性和电网运行安全性为中心，准确地满足流域水情和电网负荷调度要求，实现电站社会效益与经济效益的最优。

1 智能化水电站的特点

智能化水电站是一种无逢连接的开放式结构，其特征是采用基于IEC61850 协议，通过设备的功能接口和通信的标准化，为自动化系统提供一个开放的统一平台，满足不同类型监测、保护、控制与调节设备的集成和交互。不同厂家的产品可以在本地交互或者与远方系统进行交互和信息共享，使水电站系统的功能易于扩展并可以兼容第三方产品等。随着电子式电流电压互感器、智能化开关、在线监测等技术的发展，所有数据均以数字量的形式按统一的通信协议传输，站内的各个智能设备之间具有良好的互操作性。智能化水电站中IEC61850重点关注的对象是水电站计算机监控系统等与发电生产有关的设备。智能电站的内涵首先表现出数字化的特点。主要包括：

（1）数据采集数字化

采用数字化电气量测系统（如光电式互感器或电子式互感器）采集电流、电压等电气量，实现一、二次系统在电气上的有效隔离，增大了电气量的动态测量范围并提高了测量精度，从而为实现信息集成化应用提供了基础。

（2）系统分层分布化

IEC61850协议提出了过程层、间隔层、站控层的三层结构模型，建议采用面向对象建模、软件复用、高速以太网、嵌入式实时操作系统，以便满足电力系统对实时性、可靠性的要求，同时有效地解决异构系统之间的信息互通、装置的自我描述和互操作以及系统的扩展性等问题，为实施水电站分层分布式方案提供了可靠的技术基础。

（3）系统建模标准化

IEC 61850 确立了电力系统的建模标准，为自动化系统定义了统一、标准的信息模型和信息交换模型，实现智能设备的互操作性及信息共享。

（4）信息交互网络化

数字化水电站采用低功率、数字化的新型互感器代替常规互感器，将高电压、大电流直接变换为数字信号。水电站内设备之间通过高速网络进行信息交互，二次设备不再出现功能重复的I/O接口，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块，即通过采用标准以太网技术真正实现了数据及资源共享。

（5）信息应用集成化

常规水电站的监视、控制、保护、故障录波、量测与计量等装置几乎都是功能单一、相互独立的系统，这些系统往往存在硬件配置重复、信息不共享及投资成本大等缺点。而数字化变电站则对原来分散的二次系统装置进行了信息集成及功能优化处理，因此有效地避免了上述问题的发生。IEC针对电力系统操作与运行制定了一整套标准，以逐步统一电力系统内各自动化系统的信息模型和信息交换模型，消除由于缺乏统一建模和系统异构而导致的各种“信息孤岛”。

2 智能化系统总体结构

智能水电站是由先进、可靠、节能、环保、集成的设备组合而成，以高速网络通信平台为信息传输基础，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和检测以及流域水文测报、大坝监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、水库经济运行、在线分析决策、协同互动等高级应用功能。包括标准化的信息采集系统；分层分布的信息网络系统；一体化的信息平台；智能化的高级应用技术等。从逻辑上分为应用系统、应用支撑平台和基础设施三层结构。

a.应用系统平台：是用户直接使用的与业务有关的各子系统集合，以计算机监控为主，包括实时生产各系统、非控制实时生产各系统、生产管理各系统、管理信息各系统等。高级应用则是在各应用系统的常规功能基础上进一步开发深层次的应用，根据不同用户的需要对数据调用处理进而完成各种高级功能。

b.应用支撑平台：以应用服务器、中间件技术为核心的基础软件技术支撑平台，其作用是实现资源的有效共享和各应用系统的互连互通，为应用系统的功能实现提供技术支持、多种服务及运行环境，是实现应用系统之间、应用系统与其他平台之间进行信息交换、传输、共享的核心。应用支撑平台主要包括：应用组件、公共服务、应用交互、基础支撑等4个部分。

c.基础设施平台：基础设施主要是完成各类信息从采集到数据的传输、加工处理、存储和展示等全过程的软硬件设备等，是智能化水电站建设的基础。包括智能数据采集系统、通信系统、计算机网络系统、数据存储与管理系统以及系统运行实体环境。

3 计算机监控系统的设计

智能水电站监控系统结构在逻辑功能上宜由站控层、间隔层和过程层三层设备组成，并采用分层、分布、开放式网络系统，由过程层及站控层两层网络实现连接，整个体系结构为“三层两网”结构，并通过站控层网络设备接入智能水电站集控层，如图1所示。

过程层由电子式互感器、合并单元、智能单元等构成，完成与机械、一次设备相关的功能，包括实时运行电气量的采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行等。

间隔层由保护、励磁、调速、测控、监测、安稳等若干个子系统组合而成，在站控层及站控层网络失效的情况下，仍能独立完成对本间隔设备的就地监控功能。

站控层由主机、操作员站、工程师站、远动通信装置、其它二次各种功能站构成，提供站内运行的人机联系界面，实现管理控制间隔层、过程层设备等功能，形成全站监控、管理中心，并与调度通信中心通信。

过程层网络主要实现过程层设备、间隔层设备间的连接；站控层网络主要实现间隔层设备、站控层设备间的连接，并经网络隔离后接入电站集控层。

4 结束语

智能水电站以提高系统的整体运行水平为目标，利用先进可靠的控制系统和安全高效的网络平台，以实时控制、经济运行、水库优化调度、设备在线状态监测诊断等数据为基础，根据电站的实际需求，插接各种不同的应用系统，通过信息的实时沟通及分析，使整个系统可以良性互动与高效协调。实现流域水资源利用最优化，达到电站整体经济运行的目标，使电站效益最大化。

第一作者简介：郑文（1972-），女，硕士，主要从事电力系统及其自动化方面的研究，副教授。