沅水流域梯级集控及流域水电站智能化建设规划浅析

刘书玉，张维力，武　媛，卫　效

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京　100024）

沅水流域梯级集控及流域水电站智能化建设规划浅析

刘书玉，张维力，武媛，卫效

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024）

摘要：结合当前智能化技术的发展和沅水流域的特点，对沅水流域梯级集控和各水电站的智能化建设进行了规划，提出了智能化建设的总目标和总原则。着重对沅水流域集控中心的智能化建设和各流域水电站的智能化建设分别进行了规划和构想，同时对智能化建设的实施进行了规划。

关键词：沅水；流域；集控；智能化；IEC61850；一体化管控平台

1　沅水流域水电概况

沅水发源于贵州省东南部，是洞庭湖四水之一，全长1050 km，总落差1035m，流域面积90000 km2。河网呈羽毛状分布，较大支流舞水、辰水、武水、酉水均在左岸，较小支流渠水、巫水、溆水均在右岸。左岸支流面积约为右岸的2倍。

五凌公司先后在沅水流域建成五强溪、凌津滩、洪江、碗米坡、三板溪、挂治、白市、托口8座水电站。沅水流域已建在建电厂的总装机容量435万kW，湘江流域已建近尾洲水电厂6.3万kW，资江流域马迹塘、东坪、株溪口水电厂共20.15万kW。贵州黔东火电厂（2×60万kW）已于2008年投产发电。公司目前共有12座大坝，13个电厂，已投产容量459.46 万kW，在建装机容量245万kW。

目前经过对各流域电站特点进行分析比较，结合五凌公司智能化建设的需求，选取五凌公司集控中心以及洪江、碗米坡、三板溪及近尾洲4个电站（碗米坡、三板溪为混流式机组，洪江、近尾洲为贯流式机组）进行智能化改造规划。集控中心设置在长沙五凌公司办公大楼内。

2　国内外智能化水电站发展现状及趋势

经过多年的不懈努力，我国各流域水电公司已先后建立了梯级集控中心自动化系统，流域电站监控、水情水调、机组状态监测、继电保护、大坝监测、计量等自动化系统获得广泛应用，技术已趋于成熟，为智能化建设打下了良好的基础。为流域各电站实现“无人值班”(少人值守)，提高水利水电工程的安全运行和自动化管理水平发挥了重要作用。

由于各自动化、信息化应用系统间没有统一的接口标准和规范，导致系统接口种类繁多，数据共享、互动困难，距智能化水电厂信息化、自动化、互动化发展目标的要求有较大差距，严重制约了综合效益的有效发挥。开展智能化研究，建设信息统一数据平台，实现信息资源整合共享，集中管理并综合运用的需求越来越强烈。智能化已成为国际水电自动化技术发展的必然趋势。

目前，国内外较早开展智能化控制系统技术研究的是智能电网领域，智能电网基于标准IEC61850，是电力工业的未来发展方向，主要技术问题已基本解决，智能化数字化变电站已成为新建变电站的主流。而智能化建设在发电领域还处于刚刚起步阶段，主要是因为发电环节涉及的设备与系统更多更复杂，技术标准与规范还需完善，智能化建设遇到的问题技术难度较大。

随着技术的发展，电子式电流电压互感器、智能化开关等各种一次智能化设备的完善，最终将从技术层面实现全数字化的智能水电厂。在全数字化的智能化水电厂，各种智能设备均遵循IEC61850标准，所有数据均具有统一的数据结构并按标准的通信协议互联，保证了站内的各个智能设备之间具有良好的互操作性，同时因采用智能化的一次设备，网络化、数字化的二次设备，数据的采集、传输和设备控制均基于光纤，节约了大量二次电缆，并可彻底解决电站抗干扰问题，提高系统设计、施工效率，从而减少电站投资。

开展智能化系统规划设计，研制智能化建设关键设备和系统，重点放在提升安全稳定与经济运行水平，以水电工程信息化、自动化为基础，研究自动控制系统智能化关键技术，实现各系统之间的无缝连接，通过建立一体化系统信息平台，实现数据共享与互动，提高系统之间的智能协调与安全运行水平，并最终实现智能决策、优化运行，有效发挥流域电站经济效益的智能化应用目标。

在流域智能化水电厂建设方面，重点是进行水电机组状态检修、梯级水电站群经济运行与调度、梯级集控中心自动化系统、信息统一平台、大坝监测自动化、电站自动化等方面的智能化研究与建设，提升发电站的安全稳定经济运行水平、提高机组的可观可控可调性，实现并网接入快速化、安全化、标准化和智能化，以强化电厂对电网的支撑能力，提升电网与发电厂智能协调水平。

3　设计依据与规程规范

智能化水电厂设计应遵循IEC61850、IEC61970、IEC60870以及国家、行业和企业的相关标准。

4　流域智能化建设总目标与原则

通过采用先进的传感器、电子、信息、通信、控制、智能分析软件等技术，建立全流域各电厂所有信息采集、传输、分析、处理的数字化统一信息平台，实现水电厂的自动运行和远方控制、设备状态检修、经济运行与优化调度、智能分析决策等高级应用功能，通过系统功能整合，简化现有的水电厂监测设备，系统更为经济、可靠。仅用一套间隔层测控装置实现保护、测控、录波、测距、选线等自动化功能，使现场设备大大减少和简化，显著降低一次性设备成本和运行维护成本；充分发挥智能水电厂的技术优势，提高系统的经济效益和自动化水平，提高整个系统的可靠性。

4.1流域智能化建设总目标

沅水流域梯级集控智能化及智能化水电厂建设的总体目标是进一步提高发电生产及管理的智能化程度，提高设备的安全稳定运行水平，提高全厂经济效益，为实现状态检修、智能分析决策等高级应用功能创造条件。具体目标如下：

（1）生产过程控制的智能化：完成梯级电站自动化系统智能化改造与建设，通过通信传输和计算机网络系统，实现流域梯级各电站远方智能集中控制。

（2）运行调度决策的智能化：完成水情、气象、水调和防汛决策指挥等系统的智能化建设，实现梯级水库智能化联合调度，提高流域梯级经济运行水平。

（3）设备检修决策、大坝安全监测、设备运行管理的智能化：完成状态检修系统的智能化建设，实现对水轮发电机组、变压器、断路器等主要发电设备及水工建筑物的在线状态监测和故障智能诊断，提高设备故障诊断水平，减少运行维护及检修成本。

（4）数据信息平台的一体化：完成数据信息统一平台建设，逐步实现各自动化系统之间、系统与数据采集之间的IEC61850互联，实现各生产自动化系统、管理信息化系统数据的共享与综合应用。

（5）经济效益的最大化：提高设备安全运行水平，全面提升经济效益，提高全员劳动生产率，降低劳动强度。

4.2智能化建设总原则

（1）安全可靠性：智能化建设首先必须遵守安全、可靠性的原则。应采用成熟可靠的技术和产品，确保智能化系统能安全、稳定、可靠地运行。

（2）开放性：广泛采用国际、国家或行业标准和规范，如IEC61850，提高系统开放性。应选用国际知名厂商的标准化产品，以方便备品备件及后续升级。

（3）先进性：追求技术先进和一定的超前性，但不盲目追求先进而损害安全可靠性。逐步实施由电子式互感器、智能开关等智能化设备进行一次设备智能化改造建设，在二次设备、故障诊断与状态检修、水库优化调度和水能最佳利用等方面充分考虑技术的先进性与生产的安全性的合理平衡。

（4）经济性：在确保智能化目标完成的前提下，优先进行基础条件好、技术相对成熟部分设备和系统的智能化建设，避免投资浪费。在确保电力系统安全的前提下，重点关注电厂的安全性和经济性。

（5）实效性：流域梯级集控智能化及智能化水电厂均是新生事物，在国际上没有标准，没有先例可借鉴，工作量大，涉及面广，应以提高决策智能化、安全性、可靠性及经济性等为重点，以影响上述因素最突出的设备和系统为突破口，积极稳妥，逐步展开，取得实效。

5　智能化建设规划范围

沅水流域规划范围主要包括集控中心和流域各电站。集控中心在建立统一管控平台的基础上，研究各系统高级应用分析功能，实现各系统之间的无缝连接，数据共享与互动，提高系统之间的智能协调与安全运行水平，并最终实现智能决策、优化运行，有效发挥流域电站经济效益的智能化应用目标。

而各流域水电厂则在构建智能化体系结构的基础上，进行设备的数据采集及共享、水电机组等主要设备的状态检修及运行监视、信息统一平台建设等，实现生产运行安全可靠、经济高效、友好互动目标的智能化水电厂。

5.1集控中心智能化建设规划

集控中心智能化建设主要包括：一体化管控平台的智能化建设；状态检修智能化建设；沅水流域梯级水电站群经济运行与调度、大坝安全监测智能化建设；流域梯级集控中心自动化系统智能化建设；应急调度指挥系统智能化建设以及基础支撑智能化建设等。

（1）一体化管控平台的智能化建设

通过统一规范的传输规约和网络接口，进行各应用系统的智能化建设，整合离散的各个子系统，建立满足二次安全防护要求的流域各梯级水电厂信息统一平台，形成流域各梯级电厂数据信息中心，实现流域各梯级水电厂监控、信息、通信、水情、监测等跨安全分区的各应用系统之间的数据的统一交换与存储共享，消灭信息孤岛，为智能化水电厂提供统一的信息支撑管理应用环境，满足流域梯级电站远方集控、水库联合优化调度、经济运行、设备状态在线监测与诊断等系统的应用需求，全面提升流域各梯级水电厂自动化运行管理水平和综合经济效益。

一体化管控平台是智能化水电厂控制模式的支撑系统，也是调度和管理、优化效率、经济运行等高级应用功能的基础系统，它将是电厂与电网形成互动关系的接口和执行者，也是融入智能化电网体系的基础。分布式一体化管控平台横跨安全I区、安全II区和管理信息大区，并实现不同安全区之间的数据信息同步。

（2）状态检修系统智能化建设规划

以沅水流域梯级电厂机电主设备为实施对象，建立沅水流域发电厂设备远程故障诊断中心，实现状态监测、故障诊断与状态检修智能化决策系统。根据沅水流域发电厂的设备配置、机型特点、机组参数、厂站间通信状况及在电网中的地位等因素，以及国内外设备状态监测技术发展水平，确定系统的结构体系、网络结构体系以及监测对象、监测手段，选择具有国内或国际先进技术水平的硬件、软件系统平台，通过在线监测与离线监测(或巡检)以及测试数据的有机结合，实现对设备运行状态的远程实时在线监测与分析。

（3）沅水梯级经济运行与智能化调度规划

根据沅水流域的水情自动测报的数据与智能化调度规划，对来水情况进行分析，结合电网的要求，在建立梯级水电站经济运行和智能化调度的基础上，实现长期、中期和短期水电调度以及智能在线调度等功能。实现智能监测，智能预报，智能调度，智能管理的梯级经济运行目标。

（4）大坝安全监测智能化建设

大坝安全稳定运行是电厂智能化的基础，通过对大坝等枢纽建筑物安全监测数据的大规模自动化采集、处理、分析、统计、比较、判断，进而对大坝等建筑物安全状况进行综合评价，使安全监测成果及时发挥应有的作用，为大坝的工程运行管理提供专家决策支持，形成大坝及工程运行安全评估专家系统，实现分布式数据采集、集中统一管理和安全评估。

（5）流域集控中心自动化系统智能化建设规划

随着流域梯级水电厂计算机监控系统、水情自动测报系统和水调自动化系统的实施和技术发展，梯级集控中心在提高流域水电公司管理水平方面已显现出强大的优势，建设流域梯级集控中心，实现流域梯级水电资源的优化控制管理，已成为各流域水电公司的发展趋势和方向。

在实现流域电厂智能化的基础上，改造建设流域梯级集控中心自动化系统，实现水库群联合调度、流域梯级水电厂远方集中控制、机组优化运行，可以提高流域梯级电厂运行管理的智能化决策水平，减轻运行人员劳动强度，提高经济效益。

（6）应急调度指挥系统智能化建设规划

建设沅水流域应急调度指挥系统，配套相应的指挥调度场所，包括：指挥调度大厅、会商室、机房和值班室，提供实体运行环境，安装部署基础软件、数据库软件，并根据应急调度指挥需求开发应用软件，通过应急通信系统、计算机网络系统、图像监控系统、视频会议系统等硬件基础支撑系统的建设，实现应急系统与信息统一平台和其他系统的无缝连接，为全面提升沅水流域预防和处理突发事件能力提供完善的技术保障和工具。

（7）流域集控中心基础支撑建设规划

为保证集控中心正常稳定运转，在集控中心和电厂建立统一的电源系统、卫星时钟系统、防雷系统以及动力环境监测系统。

5.2各流域水电站的智能化建设规划

各流域水电站的智能化建设主要包括：电站一体化平台的智能化建设；计算机监控系统智能化改造建设；电站一次设备智能化改造建设；继电保护系统的智能化建设；电站辅助控制系统智能化改造建设以及安全防护等系统联动智能化建设等。

（1）电站一体化平台的智能化建设

电站级一体化平台，通过高速网络汇总全站的实时数据信息，刷新实时数据库，实现全厂集中监控及人机联系功能。以标准IEC61850规约为基础，将有关数据信息送往调度或集控中心，并接收调度或集控中心有关控制命令，转间隔层、过程层执行；具有对间隔层、过程层诸设备的实时监控功能。一体化平台主要以生产（安全一区）为主，在电站计算机监控系统的基础上，实现电站的经济运行。同时建立安全三区，实现主要设备状态监测等高级应用功能。

（2）计算机监控系统的智能化改造建设规划

流域梯级电厂计算机监控系统的智能化建设规划主要包括：基于IEC61850标准体系和建模原则，完成智能化水利水电工程自动控制系统总体改造，根据水电厂内各种设备和系统的物理特性抽象出物理和信息模型，建立智能化水电厂信息模型，通过采用先进的传感器、电子、信息、通信、控制、智能分析软件等技术，改造建设新一代水电厂自动控制系统平台。

通过流域梯级电厂计算机监控系统的智能化改造建设，可全面提升智能化水平，提升发电站的安全稳定经济运行水平、提高机组的可观可控可调性，实现并网接入快速化、安全化、标准化和智能化，强化电厂对电网的支撑能力，提升网厂智能协调水平。

（3）流域梯级电站一次设备智能化改造建设规划一次设备智能化是智能水电站的重要标志之一。根据沅水流域梯级各水电站的设备特点进行各电站的一次设备智能化改造建设。主要包括：

1）变压器智能化；

2）开关设备智能化；

3）避雷器设备智能化；

4）电容性设备智能化；

5）电子式互感器。

（4）继电保护系统智能化改造建设规划

根据沅水流域电站设备现状，配套完成继电保护系统智能化改造。实现保护装置数字化接口(包括测量回路即电流、电压互感器采用光电互感器)，保护压板可远方投退，测量回路、跳闸回路、信号回路实现数字化通信(连接)。进行线路、发变组故障录波器智能化改造建设，采用微机型综合自动化装置，实现保护、控制、测量、信号监测功能的智能化。

（5）辅机系统的智能化改造建设规划

通过辅机系统的智能化改造建设，完善包括机组调速、励磁、辅助设备监测与控制种类和范围，满足智能化水电厂高速实时通信、数字化、智能化的基本要求。建立智能化辅机监控系统，使辅助设备控制系统与主机控制系统数字化连接，实现辅助设备的远程监控功能，满足智能化水电厂的基本要求。

（6）安全防护多系统联动

突破传统的水电厂生产运行控制与管理的思路，合理规划联动模式和联动策略，由一体化管控平台以及各需要联动的子系统间通过联动信息的交互解析实现生产实时监控、工业电视、门禁、五防、消防及通风等系统的联动，充分利用大量有效信息，辅助决策，提高操作的可靠性、安全性以及工作效率。

6　智能化系统总体规划及建设步骤

沅水流域智能化建设必须根据沅水流域实际需求，进行整体规划设计，分阶段、分层次开发建设，逐步建成具有国际先进水平和可持续发展能力的智能化水电厂。

（1）总体规划：对沅水流域智能化建设进行全面规划，确定建设目标和范围，明确各系统间的关系。总体规划是否科学合理关系到最终总体目标的实现，关系到总的成果水平。

根据目前现有的流域水电厂运行方式，沅水流域水电厂智能化系统采用分层、分区的模块化总体架构，由一系列具有特定功能的智能化应用系统的有机集成构成全流域分层分区的系统总体结构，其中分层是从系统总体架构上进行划分，分区则是根据系统安全防护的等级进行划分。

沅水流域智能化系统总体结构上可分为3个层次，即：流域集控中心层、厂站层和设备现地层。在控制层面上可分为：上级调度部门控制、集控中心控制、水电站监控系统控制和设备现地控制4个层次。

流域梯级集控中心层与所属各梯级电站厂站层通过梯级电站专用光纤通信网进行连接；同时通过电力调度数据网与上级网/省调中心互连。

（2）详细设计：在总体规划的基础上，针对智能化建设的每个细节，进行沅水流域智能化建设的详细设计，包括系统总体结构、功能、设备配置、性能指标和实施进度、资源配置等方面。详细设计应进行全面论证和评审，以确保方案切实完整可行，为智能化建设的顺利进行打好基础。

（3）研究开发：沅水流域智能化建设是一个全新的复杂系统工程，除承建厂家外，公司应组织强有力的工程技术队伍参与联合设计与研究开发，以便紧密结合电厂实际，解决智能化建设中的技术难题，满足实用化要求。各系统均应首先通过实验室联调测试验证。

（4）分步实施：根据各个系统及产品的情况，结合沅水流域的实际情况，分步实施。按照先主要系统，后子系统、辅助系统的顺序进行建设，实现各系统的无缝衔接。

首先建立沅水流域梯级智能化集控中心，结合流域各水电站的接入要求以及各电站的实际情况，对碗米坡、洪江、三板溪和近尾洲电站进行升级改造，包括以下内容：

建立电站级一体化平台，升级改造可兼容IEC61850的计算机监控系统；补充完善机组、主变以及GIS的在线监测系统；补充完善各系统的运行状态及故障信息。实现工业电视及门禁、火灾报警系统联动。完善电站动力、环境等参数和信息。完善水情测报和大坝监测系统等。

（5）持续改进：在每一个系统的建设过程中，要及时发现问题，认真总结经验，提出改进措施，不断提高完善各个系统功能和性能。

（6）经验总结：在系统完成建设后，要认真组织项目验收、专家鉴定和后评估，以利于进一步推广应用和借鉴。

中图分类号：TV736

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）07-0014-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.004

收稿日期：2015-04-30

作者简介：刘书玉（1973-），男，教授级高级工程师，从事电气二次设计和技术管理工作。