流域型梯级智能水电站及其构架建设探讨

彭 放,邱 华

(国电大渡河流域水电开发有限公司,四川 成都 625409)

流域型梯级智能水电站及其构架建设探讨

彭 放,邱 华

(国电大渡河流域水电开发有限公司,四川 成都 625409)

针对现代化水电站自动监控技术的进步和生产管理的新需求提出了智能化水电站基本概念,并提出了流域型梯级智能化水电站系统结构设计思路、典型系统分区、支撑技术应用和发展思路,分析了流域型梯级智能化水电站的建设意义和行业应用前景,较为深入地对相关数字化通信标准等应用推广提出了不同的观点,初步梳理了流域型梯级水电站智能化可行的智能功能系统,有利于推动流域型梯级水电站加快智能化建设。

梯级水电站;智能化;构架;IEC61850;智慧应用

0 引言

目前我国水电站(新建或经改造)普遍实现了“无人值班(少人值守)”模式,流域性电站群正逐步实现了集中控制模式,电站设备基本实现数字化,高可靠性的计算机监控、视频监控、微机保护、辅机监控、状态监测等自动化技术得到广泛应用,数字通信技术逐步成为信息传递的主要手段,电站整体已初步具备“智能化”部分特征。但由于受到发展阶段和技术条件限制,水电站各系统的建设和管理相对独立,流域水电站间的运行和管理也相对独立,通信标准和协议不统一,水电站通信和管理缺乏顶层系统设计,导致电站各业务系统间信息交互复杂、硬件设备重复率高、软件接口一致性低,通信互动成本高。进一步打破数据壁垒、实现系统间、电站间数据的集中管理、深度挖掘和高级应用,已成为现代化流域型水电站生产管理的迫切需求,智能化水电站概念的提出和技术应用的逐步推广将成为必然趋势[1-4]。

1 智能电站概念

智能电站。以设备管理数字化为基础,以信息共享网络化为手段,以数据应用智能化为表征,使得电站电力生产更加安全可靠、经营管理更加经济高效,最终实现风险识别自动化、管理决策智慧化。

设备管理数字化。通过采用先进的传感技术,使用可靠的智能化电力设备、智能仪表和现场总线技术,将设备状态信息和控制信息数字化,以此作为智能电站的信息源,实现设备数字化管理。

信息共享网络化。建设标准统一的数据信息网络平台,实现各自动化系统之间、系统与数据采集之间的互联,实现全厂跨安全分区的生产自动化系统、管理信息化系统等应用系统之间的数据统一交换与存储共享,达到“系统分散,数据集中”的要求。

数据应用智能化。充分利用设备信息数据,辅助专家智能系统,通过在线仿真、智能趋势报警、远方监视管控等技术途径,实现对数据的智能应用,最终达到风险可预测、状态可控制。

智能电站建设是一个不断探索、创新的过程,需要建设管理、设计、生产制造、运行管理等各方紧密配合、通力合作。按照“安全可靠,经济实用,标准先行,稳步推进”的原则,逐步实现电站“智能化”。

2 流域型智能电站的系统结构设想

2.1 安全分区

电站业务系统的划分总体上遵循《电力监控系统安全防护规定》(国家发改委第14号令)、国家能源局《关于印发电力监控系统安全防护总体方案等安全防护方案和评估规范的通知》(国能安全〔2015〕36号)的规定,将所有业务系统划分为控制区(安全Ⅰ区)、非控制区(安全Ⅱ区)和管理信息大区。

2.2 系统分层

按照现有标准和行业实际,智能电站计算机监控系统可按照“三层”方式进行网络分区,分别为过程层、单元层和厂站层,各区设备采用分层分布式结构。单元层按照机组、间隔划分,各单元独立组网,如图1所示。其中,过程层包括智能测控单元、智能控制器、智能传感器、具备以太网功能的数字化工业电视镜头等传感、控制装置,负责数据采集和控制输出,并与单元层设备通信。单元层包括机组现地控制系统,如监控LCU、调速器以及励磁调节器等;单元层控制系统直接与现场设备连接,采集过程层的各种信号并向过程层发布控制命令,可与多种专用功能装置配套使用。厂站层主要包括中央控制主站、操作员工作站、控制数据库以及通信工作站等,厂站层系统承担了对全厂机组主设备、辅助设备、开关站设备、公用设备以及闸门设备的运行监控和操作控制任务,并具有对外信息发布功能。对于流域型水电站,厂站层部分业务系统和功能可纳入流域公司统一平台实现,各流域电站进行WEB访问即可。

图1 分层分布式结构实例

2.3 业务系统划分实例

按照电站实际,将电站全部业务系统划分为生产区和管理区,与电能生产、监测有关的业务系统分置于生产区,与电站经营和安全管理有关的业务系统分置于管理区。其中,视频监控、门禁、车禁、广播等系统也与电力生产密不可分,但考虑到其技术应用的广泛性,少有电力专业对口的生产厂商和设备系统,暂将其作为安全管理业务分置于管理区,待有电力专用相关业务系统时,可作为电力安全生产可控设备的重要组成部分挪至生产区中的控制区内。

考虑到依照低防区系统及设备可置于高防区、高防区系统及设备不可置于低防区的原则,智能水电站典型业务分区见表1。

表1 智能电站典型业务分区

3 流域型智能电站的支撑技术

3.1 终端设备智能化

过程层设备主要作用于一次、机械等设备信息采集和操控。其中,采集的信息主要包括电气量(如电压、电流、功率、频率、相位)、设备及环境参数(如温湿度、亮度、距离、位置或高程、压力、密度、绝缘、含量、流量、机械特性)、运行工作状态(如速度、分合、充放、启闭、启停、投切)、部分运行统计数据(如时间、频次)等;控制输出的信息主要包括来自厂站层、单元层的人工或自动命令,进行分合、启停、启闭、投切、调整等控制。这些信息的采集和命令输出,需要更加智能化的终端设备。

目前出现并在电力系统智能变电站中推广应用的智能终端、合并单元、控制器等均具有智能传感、现地AD转换、校正、双向通信连接甚至信息记忆、逻辑思维和判断等功能,相较于传统终端具有精度更高、性能更加可靠、功能更多样等特点,若配以标准化的通信接口,将同时具备更高的互换性和更优的性价比。

面对电力生产过程的智能化,更加迫切地需要更多具备标准网络接口的智能化终端设备的出现,而智能化终端的出现,需要依赖更先进的算法和设计、更先进的材料和材料技术、更先进的制造和安装技术、更全面和严格的系统测试等,并具有相应的标准进行规范和指引。

3.2 系统通信标准化

目前,水电站自动化系统通信介质、通信协议等均多种多样,甚至同样的介质有多种接口、同样的协议也有多种的版本,这种通信的差异现实导致各系统及设备之间难以建立互操作系统,进而使得自动化程度不够高。

随着能量管理系统应用程序接口(DL/T 890,即IEC61970)和系列标准的推广和应用,谐波测量系统、能量管理系统、电网动态测量系统、仿真培训系统、动态安全分析决策系统、电力市场运营系统、电力实时发布系统等与电力监控与调度系统间的通信更加标准和统一,并使得各EMS系统间实现了互操作和大发展。为顺应国家能源互联网发展、适应电网公司提出的智能电网下的网元协调控制要求、实现水电站和电网间的友好互动,建议水电站厂站层对外坚持采用DL/T890系列标准。同时可根据系统实际应用情况,在安全三区可适当采用WEB Service方式与云平台互联,进行一些数据挖掘后的发布、查询、管理功能应用;并根据调度远动需要,继续使用远动设备及系统(DL/T 634,即IEC60870)系列协议标准。

目前基于通用网络通信平台的变电站自动化国际标准IEC61850已在变电站领域成功应用,取得良好效果,并逐渐超出变电站自动化系统的范围[5],其第2版也已增加了水电厂的模型定义。国内已引入并发布等同系列标准DL/T860,相关水电站自动系统设备供应商已正在大力开发适合该系列标准的智能化产品,并不断完善该系列标准对水电厂模型的定义。虽然暂时在水电站应用较少,但已基本确定了目前智能水电站通信发展的方向。建议随着过程层满足DL/T860系列标准要求的设备直接接入、不满足DL/T 860系列标准要求系统也通过协议转换器逐步接入并在条件具备后进行改造,在接入时对单元层主干网进行适当分段,避免出现主干网节点过多影响网络效率或主干网故障导致关键节点功能失效等问题发生。

因此,需要更加规范化使用DL/T 634和DL/T 890系列标准,并不断完善和改进DL/T860系列标准,尤其增进适用DL/T 860和相关支持产品的发展应用,实现水电站自动化系统通信标准化,为水电站进一步的数据汇集和应用奠定基础。

3.3 数据存储云端化

数据云平台是在电站侧或电站群集中控制侧建立一个数据平台。

随着“云计算”、“大数据”等一系列新概念、新技术的发展和应用,流域电站建设一个统一的数据云平台的条件已基本成熟。从流域性电站企业管理角度看,流域各电站技术和经验数据共享、设备项目和资产运营管理结合、人力资源和办公自动化统一等应用需求日益增加,表明流域各电站间相对封闭的信息状态已不能满足流域性电站管理的数据需求,需要建设一个充分、敏捷、高效整合各电站信息的数据平台。

建立数据云平台的目的就是要规范数据格式和接口标准,打破信息壁垒,以便利于多系统联动、深度数据挖掘、智能设备诊断和高级站企管理。通过云平台建设,促进通信接口标准规范,实现电站数据的集中汇聚,信息采集覆盖电站所有控制区、非控制区和管理信息大区的各个设备系统;对采集的生产设备实时数据、生产设备历史数据、设备安全监测数据、环境安全监测数据、生产管理过程数据、生产管理视频数据进行集中、分类管理;实现对采集数据的系统性分类管理,便于数据的查询分析和提取;实现历史数据的存储,并能方便的在管理信息大区的应用终端进行查询、分析;通过云平台数据挖掘后对外发布,避免流域梯级型电站各数据分析和挖掘系统重复建设。

图2 数据中心数据类别划分

3.4 高级应用智慧化

流域各电站及其相关的上级管理、配套检修等单位通过云平台查看、分析、深度挖掘电力生产相关数据,开发高级应用模块,为设备技术攻关、管理策略调整、应急指挥决策等提供更加全面的支撑,进而以流域整体的形象为能源互联网提供重要的数据基站;流域各电站可通过充分应用建立在云平台上的各种功能模块的总服务,以客户端的形式进行数据访问。表2为部分高级应用举例。

表2

4 结束语

本文在分析了水电站设备、管理发展与现状的基础上,分析了开展智能电站建设工作的必要性,提出了水电站智能化概念,并对现代流域型智能水电站的网络结构和数据体系进行了系统性设计。为流域型水电站智能化建设工作提供参考。

[1]陈世和.智能电站发展现状及展望[C]//智能化电站技术发展研讨暨电站自动化2013年会论文集,2013.

[2]倪益民,杨 宇,樊 陈,等.智能变电站二次设备集成方案讨论[J].电力系统自动化,2014,38(3):194-199.

[3]李瑞生,李燕斌,周逢权.智能变电站功能架构及设计原则[J].电力系统保护与控制,2010,38(21):24-27.

[4]王德宽,张 毅,刘晓波,等.智能水电厂自动化系统总体构想初探[J].水电自动化与大坝监测,2011,35(1):4-8.

[5]彭志强,朱 辰.IEC61850在智能水电厂应用的相关技术[J].水电自动化与大坝监测,2011,35(4):6-9.

TV736

B

1672-5387(2017)07-0005-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.002

2017-04-27

彭 放(1981-),男,高级工程师,从事水电厂自动化设备维护检修管理工作。