水电厂自动化系统的智能化改造

刘 沛，汪 林，任 刚，李 辉，王杰飞

（中国长江电力股份有限公司，云南 昭通 657300）

近几年，国家大力推进智能电网的建设，在输、变、配电等环节得到了快速发展。目前，我国水电企业大多采用了生产管理的自动化，而对智能管理体系的构建尚不够完善[1]。水电智能化电站的施工，关系到水电厂的整体结构和运作，是一个综合性的、全球性的、长期的、系统的工程，因此，在水电厂的规划中，要把效率与前瞻性、安全性、开放性、新技术应用与新的经营理念有机地统一起来，以改善水电厂的可靠性、经济性、负载平衡性能和环保运作的能力，以保证工程的长期效益[2]。本文针对水电厂自动化系统的智能化问题进行深入的分析与探讨，以推动电力行业特别是水力发电行业的智能化发展。

1 水电站与智能化电站概述

近几年，随着智能化电站的发展，以及与之配套的智能化技术的不断推广，为电站的安全、可靠的运营提供了有力的保障。其中包含了许多与电站管理有关的智能化技术，从而大大提升了电站的管理水平。

1.1 水电站设备

将水能量转换成电力的电力机械装置称为水电站发电装置。在普通水力发电厂中，以水轮发电机为主，配有调速器、油压、励磁设备等。水轮发电机是指以水轮机为原动机将水能转化为电能的发电机。水流经过水轮机时，将水能转换成机械能，水轮机的转轴又带动发电机的转子，将机械能转换成电能而输出，是水电站生产电能的主要动力设备。除了水轮机和辅助设备之外，水电站的电力设备还包含电压配电设备、升压变压器、高压配电设备、监控、控制、测量、信号和保护性电力设备[3]。

1.2 智能化电站的要求及基本特征

智能电厂，简而言之，就是在水电厂中利用现代科技和精密的测控技术进行运作，比如自动控制技术、传感技术、信息通信技术、模拟数据传感器、红外测量技术、工业监控摄像头等[4]。智能化水力发电厂应根据基础科研和其他发电厂的具体情况，运用计算机、网络软件、现场总线等智能化信息处理技术，构建覆盖水电厂生产经营以及管理等各个环节的系统平台，以便对水电厂的经营维护和日常运行管理的信息化数据进行采集处理、分析控制和反馈决策，实现水电厂运行管理的智能化和自动化，并且通过数据智能计算和多媒体技术实现资源在可控范围内的有效共享，不断提升智能化管理水平。

智能化电站以计算机闭环、电站设备在线监测分析、生产技术信息系统为骨干网格，以电站设备数字化、信息共享、数据应用智能化为特点，使电站的本质安全、效益最优、环境和谐[5]。电厂设备的数字化，是利用现代传感器技术，对设备进行数字化处理，从而达到设备的数字化。而智能化是指建立一个标准化、统一的数据、信息网络，使各个自动化系统、系统和数据收集系统之间的相互连接，并在不同的区域内，将生产自动化系统和管理信息化系统之间进行数据的整合、存储和共享，从而实现系统的智能化。

2 智能化电厂的体系构架

智能化电厂的体系主要包括：现场设备监测层，实时控制与优化层，生产运营管理层以及远程管理和服务层。

2.1 现场设备监测层

该层采用现场总线技术、物联网技术和先进的测量技术，对实时数字信息中的水电厂设备、人员、环境状态和位置等信息进行采集，是智能控制和智能管理的基础。通过数据总线技术实现智能管理水电厂相关设备[6]。设备监测技术包括3D可视化、RFID等，运用Internet技术的集成应用实现对设备状态信息的实时监控。

2.2 实时控制与优化层

该层以 DCS/FCS 和 SIS 为分线，确保设备运行过程中的实时数据的集中处理、实时控制和在线优化数据[7]。数据传输和优化，可以通过现场自动数据设备先行逻辑运算，判断设备状态数据的有效性，在通过智能化控制元件对有效数据进行运算处理，达到控制和优化。通过定制预测和模糊控制等先进控制技术，提高控制目标的控制精度，确保水轮发电机功率等精确控制。自动优化技术同样可应用于工器具准备、设备材料调控等环节，从而自动响应外部环境、工作条件等的变化，确保设备经济运行，提供人性化智能化的良好操作环境。

2.3 生产运营管理层

该层以SIS、ERP、MIS等作为主要依托，汇集、融合水电厂的生产与管理数据，以安全生产、水能高效利用为目标，通过采用数据分析处理、流程优化等技术对全厂生产和经营进行智能管理[8]。在现有技术条件下，主要指通过KKS码的深化应用和三维可视技术的实践，建立设备三维综合管理系统；通过工业Wi-Fi、RFDI、手持设备、可穿戴设备等物联网技术与监控、门禁、管理HPMS系统等应用，建立智能安全防护系统，从而实现实时员工地图、任务地图、智能工作票、电气防误等功能；通过对SIS、MIS、EPR等各信息系统整合融合和移动终端的结合，建立员工管理网络一体化工作平台，消除信息隔离，优化工作组织、强化安全管控，实现管理的便捷高效；通过数据仓库技术和生产经营指标的梳理，建立基于多源数据库的自动报表系统，便于设备维护和检修的备品备件数据化管理，减轻人员工作量，提高工作效率，提高管理层对水电厂设备运行管理可控、能控。

2.4 远程管理和服务层

该层使用 Internet 并操作大型数据分析技术来打破地理界限，为集团或企业构建远程数据中心，利用单元群集分析和专家技能的优势，并执行数据深度挖掘实现价值创造，主要实现设备预警报警、设备事故自动处理、设备远方(自动)控制、电厂水库调度分析、远程监测分析、机组水耗分析等功能。其中还包括执行远程效率测试、模拟控制质量测试、教育模拟训练任务等。这些需要进行大量的信息系统建设，是一个长期而艰巨的任务。

3 智慧电厂与智能发电的关键技术

3.1 智能预警与诊断

在智能化技术飞速发展的今天，水力发电装置的运行速度也越来越快，因此，要保证电厂的稳定运行，就需要将智能化技术和相应的智能化预警与诊断技术结合起来，以保证电站的安全可靠运行、集中控制和远方控制[9]。在智能化技术实施后，当出现紧急事件或危险时，可以采用智能化的防护手段，将造成的破坏降到最低，保证电站的安全、稳定。比如，当使用了装置报警和智能化技术，你就可以对装置的运行状况进行智能化的监测，并能够及时地识别出存在的隐患，并对隐患进行分析，以便能够及时、方便地应对。利用智能化技术，可以对电站的设备稳定、功耗、负荷、水量使用状况进行综合的分析，并能够及时地检测出设备的故障和安全问题，并在必要的时候进行维修。

3.2 数据挖掘与远程专家诊断技术

发电厂的各种设备信息、运行状态信息、应用系统数据等是一项非常有用的数据资源，通过对这些数据的存储和特征分析，可以实现发电厂级别的智能自我管理和趋势预警。还可引入云平台数据挖掘资源，使所有区域的专家都可以方便的分享数据[10]。以水利企业知识信息管理系统、远程监督数据平台、专家网络移动数据平台等技术载体为支撑，运用数据挖掘、风险预测、实时风险预警设置、自动判断智能处理等技术手段，实现省调级、市局级、县厂级设备状态的智能控制和自动控制。

3.3 智能巡检技术

随着智能技术的飞速发展，电力系统的智能故障诊断技术也得到了越来越多的运用，例如机组温度、电量、振动信号的分析等，能够对电站的设备状态进行正确的分析，对电站的机械设备进行综合评价。并通过专家图书馆、故障预测分析等手段保证电站的安全生产。通过智能系统可以实时地对电站的各类装置和系统进行监测，并对各类数据进行收集、分类、处理，并通过与数据库的联结，对生产数据进行实时对比和分析，发现电站的操作中存在的问题。作为智能化检测技术中的一个关键环节，通信技术在收集、整理和传输各类数据时显得格外的关键。

4 水电厂智能化建设应考虑的问题

设备要标准化，在智能电站的建造中，需要用到许多的自动化设备（部件）。在设备购置时，要兼顾设备型号、技术的一致性，通用性。要避免因设备的性能、标准、型号、尺寸等方面不符合系统要求，导致设备无法正常工作。或者因设备不通用使安装、维护成本大幅提高。

设备维护，在建立智能水力发电厂时，将会采用许多新技术与新的装置，因为电站通常位于偏僻地区，造成设备维护困难。因此，发电厂要聘用有专业技术的人才，同时，施工管理方要加强对工程项目质量的监督，要求工程建设方和设备供应方加强技术的支持和培训，以便设备出故障时，电厂的工作人员能及时排除故障。

成本节约，智能化水电站的造价通常不菲。在智能化的建筑中，必须要有更多的精密测量设备、电子控制系统和软件，而在实际操作中，这些精密测量设备、电子控制系统等设备难免会出现问题，而精密测量设备的造价和维护成本也会随之提高，从而增加水电厂运行成本，所以智能化电厂还应综合考虑运行成本等问题。

5 水电厂智能化改造方案

5.1 设计数据对象

由于没有统一的通信协议，水电站不同的自动控制系统无法与其它的系统进行数据的交流，因此需要专门的通信协议。采用数据模型技术，将数据以各种模型的方式进行分享，各子系统可以方便的进行数据共享，便于数据分析和运算。

针对电厂的实际情况，建立以IEC 61850为基础的电力工业自动化系统的数据模型，并结合实际的逻辑结点，建立一个完整的信息模型。为了适应不同的水利行业需求，可以实现逻辑模型的通用化。

5.2 加强自动控制应用的管理

在管理方面，水情、监控、安全等自动化体系的整合与互动应该建立在统一的数据通信互动机制之上，新增加的自动化子系统要很方便的加入其中，最后形成一个高智能的一体化管理与控制平台。为了适应不同的应用需求，该平台必须配备标准的内部数据总线、消息总线和业务总线。集成的管理平台为企业的自动化系统提供了全面的信息，并为智能化的应用提供了支撑。

集成的监控与控制系统采用了防火墙，或者是实体的隔离，以保证 Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ的网络的安全性。Ⅰ区主要由各种自动化控制设备构成，主要完成电厂日常的生产控制和运行。Ⅱ区主要是对自动化控制设备信息进行收集，为大部分的工业应用以及全厂的先进操作管理提供数据支撑。Ⅲ区由电厂的各个应用系统组成，可以完成各种数据分析，为电厂运行提供更好的决策。

5.3 高级智能应用

以电厂集成的管理和控制平台为基础，构建一个适合电厂高效运行的智能应用系统。该智能应用程序具有集成的管理与监控体系。在对数据进行综合分析、挖掘与优化的基础上，构建一个专门的水利水电企业的智能化分析与预警体系。该智能应用程序可以将其智能分析成果转化为通用的数据模型，并将此模型用于日常设备故障处理中，通过对故障的分析提供预防措施和作业指南。建立水电站工程数据分析模型、数据分析方法、形成了以相关故障为基础的智能逻辑机构，能够对水电设施的运行情况进行在线监测、故障报警、水库规划优化、阀门联动、防洪决策等。从而提高生产管理自动化、减少维护负担。通过对智能水力发电厂的实际运行情况进行分析，确定其运行的可靠度，并对其进行合理的维修规划，以提高其运行的经济性。

5.4 数据交互标准化

在不同的自动化系统中，以及在不同的系统中进行数据交互，必须使用标准化的通信协议。采用标准的IEC 61850通信协议，可使系统间的互用性最大化，并充分利用统一的数据模型。如果由于特殊原因无法实现的，可以用其他标准化的、广泛使用的通信协议作为必要的补充和过渡。现地层设备的规范化改造，应以设备的输入、输出数字化、网络化为基础，由“硬接线”逐渐转变为网络或总线，并推广具有外部网络的智能设备，把数字化的范围扩大到现场设备。优化数据采集，设备控制数字化、网络化，从而达到数据交互标准化。

6 结语

水力发电企业的智能化已成为电力工业的一个发展趋势，但是要使其成为智能化，还需要不断地进行深入的探索。IEC 61850对规范水电系统进行优化设计具有十分重要的意义，但它只是一个基本方法。随着水电机组技术的成熟和有关技术的运用，电厂的智能化将会逐渐地得到进一步的发展和改进，从而达到更好的效果。在智能化电力系统中，水力发电厂所关心的重点是如何提升电厂的整体效益，因此必须重视其运行的安全性和经济性。智能水力发电厂的整体目的是：以智能化为基础，进一步提升电厂的生产和经营自动化程度，从而为电厂的正常运转提供有利的环境，达到改善电厂整体效益的目的。