水电站电气一次设备智能化技术研究

刘志欣 哈尔滨电机厂有限责任公司

一、前言

当前无论各行各业都普遍开始融入智能化技术手段，而所谓的智能化技术也就是将先进的计算机技术高度模拟人类行为的一种技术手段，这种智能化技术实现了将科学性和人类主观能动性的有效结合。我们传统的人工智能技术领域仅仅在文字、语言和图像识别、仿生机器等领域进行了推广，而到了今天，水电站领域也开始大量的推广应用智能化技术，采用先进的计算机数字化信息技术、网络技术来监测整个水电站的水轮机和其他设备的实时运行状态，确保自动完成信息监控、采集和计量调节等功能。一般水电站的规模和机电设备的性能也决定了智能化水电站的智能化程度，国内也对该技术进行了深入的研究，相继在一些大中型水电站投入智能化系统，为我国智能化电力系统的建设提供强有力的保障

二、智能化水电站的特点

（一）电气一次设备智能化

水电站系统中最重要的组成系统当属高压一次设备，如果我们能在水电站系统中引入智能化技术，就可以利用传感器实时监测关键设备的运行，然后通过微处理器监测和控制电气一次设备的信号回路，进而实现整个过程的自动化监控，进而与电气二次设备融合。这种技术的最大优势就是极大程度地简化了传统监控系统的连接结构，实现了变压器、断路器和互感器等一次设备的一体化结构。

（二）电气二次设备的信息共享化

一般水电站的电气二次设备就包括了防误闭锁装置、测量装置、远动装置、同期操作装置、继电保护装置、故障录波装置等。而随着行业技术尤其是智能化技术的逐渐发展和引入，这些电气二次装备也逐渐向模块化和标准化过渡，能方便有效的与智能水电站系统内的计算机之间建立高度通信连接，共享所有信息数据，将最大程度的缩减电气二次设备中所需的I/O现场接口用量。

（三）运行管理系统实现自动化

水电站的建立和运行一旦实现融入智能化技术，就可以对电力生产的实时运行数据进行监测和自动处理，有效记录水电站当前的运行状态数据。一旦水电站运行过程中的任何环节出现了故障，整套运行管理系统能及时监测和查找故障地点和导致故障的原因，并出具详细的故障分析报告，而且还能通过中央处理器快速制定解决故障措施。这套自动化程序有效保证了整个水电站系统的平稳运行，也极大程度地减少了检修人员的工作量，降低了水电站运行成本。

三、智能化水电站的结构组成

我们在物理结构上一般将智能化水电站分为智能化一次设备和网络信息共享化的二次设备，随着智能化技术的深入应用，基本上所有的高压一次设备都会采用一体化的结构设计，有些甚至能将部分二次设备的功能给融合进来。传统的设备体积偏大、功能又比较单一，使得布局看起来凌乱无章，而智能化技术能让一次设备逐渐向小型化、紧凑化和多功能化的方向发展，有利于施工人员的高效安装。

而从逻辑结构上我们又将智能化水电站的整套系统按照层次分为过程层、间隔层和站控层。

过程层：作为一次设备和二次设备的结合面，过程层主要发挥的作用一是对水电站电力系统设备的运行和自身管理系统进行检测，二是利用驱动执行来自站控层的指令。还有一个功能就是它配备了双供电源，当中间层和站控层出现问题需要退出运行系统的时候，过程层能作为独立个体来运行。

间隔层：如其字面含义一样，它主要是起到连接作用，将过程层和站控层的通信连接并控制好相应的数据统计、计算和发布命令。这就要求间隔层必须具备全双工通信能力，确保其通信信道的容量，才能高效完成过程层和站控层双向通信功能。

站控层：它主要是针对过程层发挥功效，通过建立起的实时数据库来协调管理过程层的工作，实时收集过程层传输来的数据信息然后将其自动保存到自身建立起的数据信息库，再将有用信息传至调控中心，操作员通过调控中心设置监控状态和故障处理等工作，调控中心紧接着发出控制命令再传输给间隔层和过程层来执行命令。这就要求站控层具备水电站内人机交互功能，在线监测和维护间隔层和过程层的功能。当站控层发生故障时还需要向过程层发出信号，使其开始独立运行，防止其他设备的监控中断。

四、水电站电气一次设备智能化策略

要让整个水电站实现智能化，关键还是在于让电气一次设备实现全面智能化，而为了让电气一次设备实现全面智能化，就必须落实到各种组件和融合工作的智能化。所以我们一般定义下的智能组件就是由智能终端、合并单元和状态监测三部分组成，它们三个实现了可靠性强、抗干扰能力强、使用寿命长和监测灵敏度高等优点。

智能终端：智能终端常常采用电缆或是光缆跟一次设备连接，这样能有效接收来自断路器、电压传感器等一次设备发出的位置状态和信息。当一次设备发出故障信息后，智能终端能够及时做出反应向电气一次设备传递跳闸指令，以避免因为故障而对其他设备进一步的损害，同时再进一步对一次设备进行调整维修。这一套程序需要智能终端支持三相跳闸、指令连锁、分项跳闸等GOOSE命令以及遥控分合命令，以达到对电气一次设备的保护目的。

合并单元：合并集成电路芯片和各种互感器组成了合并单元，它所发挥的作用就是利用互感器来实时接收水电站整个电力系统的电流电压瞬时值，通过分析和处理来保证所获得的电流电压值的有效性，再进一步转送到测控装置来监测和保护电力系统。此外合并单元还要保留足够的数据输出口，与其他智能组件建立通信通道，在必要的时候外接自动化装置来进一步催化其他功能。

状态监测：状态监测装置需要最基本的数据接收和发送功能，信息采集和处理功能以及控制发布指令的功能。它主要负责监测避雷器状态、机构状态和局部放电。在安装时可以将状态监测外置或内置在设备上。需要工作人员注意的是选择传感器时应该尽量选择体积小、寿命长、灵敏度等都高于设备的传感器。

五、结语

纵观当前智能化技术的发展趋势，我们不难判断出未来电力行业会积极将智能化技术融入到水电站的建设工程中，尤其随着相关技术的加强，水电站系统内各种组件都会越来越智能化，发挥的作用也越来越大，智能化程度也会越来越高。以现阶段来看，在改造水电站融入智能化技术时，应该根据水电站实际情况来配备功能匹配的电气一次设备，才能最大程度地减少信息传输错误率、故障发生率，有效提高经济性、可靠性和安全性，改善当前劳动力投入大、生产率低的现状，促使智能化技术在电力行业的应用前景越来越广阔。