智能化水电站设计思路浅析

智能化水电站设计思路浅析

王久明

贵州中水能源股份有限公司遵义分公司，贵州遵义， 563000

【摘要】随着科学技术信息技术的不断发展与进步，在我国水电工程设计建造中，也积极推行技术上的改造，实现推进水电站管理向着数字化、网络化、智能化、现代化方向发展。在水电站智能化设计中，充分的融入和应用物联网、云计算和大数据等技术，以此实现水电厂、水电站的数字流域和数字水电的有效研发和建造，全面提升水电站的智能化技术水平，提高管理和运行的效率和质量。基于此，本文利用现有成熟技术设备，提出了一种切实可行、安全可靠的智能化水电站设计思路，展开详细分析，将分析结果简述如下，以供参考。

【关键词】智能水电站; 数字化; 网络化；设计方案

随着科学技术的不断发展与进步，我国电力电网已经向着智能化、现代化调控方向发展，而智能化水电站的设计与构建，就是为了充分满足和适应职能电网网源协调要求，以智能化、信息化、数字化管理理念，充分的运用职能电子装置（IED），实现对水电站运行状况数据信息的自动化采集、测量、控制、保护等操作，通过通讯网络化、信息数字化、业务互动化、运营一体化手段。实现水电站运行管理的决策智能化和运行最优化。智能化水电站主要结构组成部分包含了一体化平台经济运行、在线分析决策支持、安全防护多系统联动等智能应用组件，构成了智能化水电厂体系架构，有效保障了水电站运行的安全可靠，经济高效、良好互动，构建出一个应用一体化、管理信息化、集成标准化、决策智能化的智能化水电站管理体系。

1. 智能化水电站的结构及功能设计

采用“分层分布式”架构是智能化水电站主要系统设计特点，其中系统主要由厂控层、单元层和过程层3部分层划分。同时，还需要依据水电站各系统功能的不同以及各区域管理控制项目的不同，分别进行分布式自动化子系统（或者IED）的合理化配置，并需要保障各子系统（或者IED）之间的信息数据必须要具备完全共享和深层次互操作能力。

1.1智能化水电站结构形式分析

《智能水电厂技术导则》文件中，已经对智能型水电站构建的基本体系结构进行了明确规定，并在电力行业中得到了一致认可。智能化水电厂结构体系的构建最为凸出特点是，系统扁平化、近过程化、横向集成、管控纵向贯通的特点，具体的结构系统图就见图1。

图1智能水电站体系结构图

智能型电站机组单元结构的智能化方案中，机组单元结构分布和组件构成主要为:以“智能IED装置”组建成过程层；以“智能测控 IED 装置”组建成单元层；该组建整体结构系统凸出了扁平化模式。过程层结构的构建充分的结合了智能自动化元件的模式开展了对智能 IED 装置的组建。单元层结构组网的构建主要包含了以下设备，机组顺控 IED、智能励磁、智能测控装置、调速装置等，具体的结构系统图就见图2。

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图 2 智能型电站机组单元结构图

智能型电站公用单元细部结构的智能化方案中，机组单元结构分布和组件构成主要为:以“现地控制智能 IED 装置”组建成过程层，同时，体系结构运行的系统模式为智能 IED 装置结合智能自动化元件的模式。以“智能测控 IED 等设备”组建成单元层的设备体系，具体的结构系统图就见图3。

图 3 智能型电站公用单元结构图

然而，就当前阶段，我国智能化电子过过程层以及单元层的智能硬件设备以及软件系统的研发和应用技术水平与发达国家还具有一定的差距性，技术上还在试运行阶段，并没有趋于成熟化，因此，还需要依据不同电站特点进一步研发和完善厂站层一体化平台的软件功能，从而实现技术的不断成熟化。因此，本研究中搜构建的智能化水电站设计，主要是依据现阶段我国电站各系统智能化硬件设备和软件发展的实际，充分的结合应用现阶段我国开发并应用的智能化系统软硬件设备，开展切实可行、安全可靠的智能化水电站的设计。

1.2结构设计

1.2.1 过程层设计

智能化水电站系统方案设计中，过程层组组成系统设备主要包含了：①包含了传感器、智能终端等现地自动化元件；②现地油/水/气和闸门、通风等系统设备及其自动控制系统的机组辅助和全厂公用系统的现地设备；③新型互感器和电厂内其它不同型式的智能终端设备；④一次智能化设备。智能化水电站过程层设备主要是与水电站中的机组单元网络及公用单元网络进行组装搭建安装；其中，机组单元主要涵盖了：现地自动化元件、机组压油、技术供水、球阀等系统设备；公用单元主要涵盖了：通风系统、空压机系统、消防给水系统、检修和渗漏排水系统等系统设备。针对于开关站部分设计而言，与智能变电站基本相同，其相关智能技术方案的设计已经趋于成熟化，并在相关研究中已经有了大量的案例综述分析，在本文中，就不再进行详细论述。

（1）设备配置

智能化水电站过程层主要是通过将过程层每个机组单元设备与过程层网络交换机进行有效的链接搭建，从而形成了一个独立的机组单位过程层 goose 及 MMS 网络。机组单元的过程层网络交换机机组单元的单元层机组 LCU 智能型 PLC 网络模块（如施耐德的NOP 模件）实现有效搭建连接，从而从新构建组成机组智能控制单元。公用单元过程层网络交换机与公用单元机组 LCU 智能型 PLC网络模块连接，从而从新组建成机组智能控制单元。其中，机组技术供水系统、机组电量采集装置、机组压油装置系统、机组辅助控制设备( 如制动柜、仪表柜) 、机组进水口球阀系统、机组自动化元件信号采集装置、水机保护回路等设备系统是机组单元设备的主要构成内容。以“智能型 PLC ”作为各系统设备的核心控制元件，并采用智能型通信模块( 支持 IEC61850 协议) 与网络交换机连接，采用双星型或双环形网络结构作为网络结构。

（2）功能设计

智能化水电站智能运行管理系统，为有效实现各系统设备可以及时、准确的对出现故障的设备进行及时的预警、自动化逻辑分析判断，将故障精准的进行上报，就需要机组单元各系统智能 PLC 应具备一定的智能控制、分析、判断及学习等功能作为基础保障。例如：机组调速器压油装置控制系统在运行管理中，对于设备运行中故障的判断以及原因的分析，主要是通过应用如压力传感器之间或压力传感器与压力开关之间等冗余自动化元件进行分析的，在确保系统安全运行的基础上，实现了对设备系统运行故障性质的自动化分析判断，并精准的分析和判定设备是继续运作还是停止运行，实施自动确定和执行，从而可以有效降低因自动化元件故障造成系统退出运行导致机组停机等情况的发生。同时，对于电机特性和运行趋势的有效掌握和分析，主要是通过对压油泵电机电流的测量实现，从而对电机故障发生的趋势和概率进行精准的判定和预测，并可以及时的进行检修意见的提出和建议。此外，通过依据自主学习功能及经验参数，在确保部分自动化元件故障退出运行的状态下，实现对电机的运行时间的精准明确，在确保压油装置安全运行前提下，实现对故障信息的及时上报，并实现故障的及时修复处理。在现阶段中多数投运的水电站，机组辅助控制系统各现地控制装置仅具备基本的自动控制功能，在自动化电力设备发生故障时，控制装置一般只能报警并停机， 会对水电站系统正常运行造成一定影响。而在智能化水电站中，通过对过程层设备智能控制功能的设计，增加了过程层系统整体的安全性、可靠性和稳定性。

1.2.2 单元层设计

（1）结构设计

智能化水电站系统方案设计中，单元层组成系统设备主要包含了：各计算机监控系统的各 LCU、励磁、调速、继电保护、故录、安稳、电能计量、水情测报、枢纽建筑物观测、状态监测、安防等系统。

（2） 励磁、调试系统

当前阶段，已经开发出了智能化励磁控制系统，但是技术上尚且缺乏成熟性，没有获得广泛性应用。因此，在本智能化水电站构建中，仍然采用的是常规电缆形式来实现对现地信号开关量、模拟量及电信号量的采集及命令的下发。应用IEC61850 标准数字化、网络化形 式实现了对励磁系统信息的上传监 控 系 统。励 磁 控 制 系 统 充分的满足IEC61850 标准的通信接口，可以在运行中实现以 IEC61850 标准数字化、网络化形式上送监控系统。

1.2.3厂控层设计

智能化水电站系统方案设计中，厂控层组成系统设备主要包含了：①全厂综合数据信息共享平台；②各分站计算机监控系统的上位机③全厂综合分析处理系统平台；④保护信息子站等。同时，在电厂智能控制中心，针对水情测报、枢纽建筑物观测、状态监测、安防等系统，充分的考虑设置各自的中心分析系统。

对于不同智能应用组件形成的软件平台，可以通过厂站层搭建一体化平台，为高效应用各智能组件实现统一化管理。其中，一体化平台主要构成部分包含了数据中心、基础服务和应用三部分，主要是依据水电公共信息模型来构建并实现了对水电厂生产运行一体化的软件平台构建。以面向服务的软件架构作为一体化平台系统构成，该系统体系中具备了跨安全区的数据信息同步功能， 可以有效试下对不同安全区业务提供互动技术支持，通过以统一的数据访问接口，为外界提供实时数据和历史数据的通用访问功能。其中，智能化水电站为了可以有效实现电网实时智能调节、在线分析决策、协同互动等功能性技术的有效开展，通过配置依据水电站运行管理技术需求实际提出的如：布置智能运维、智能机器人巡检等智能应用组件以及经济运行、设备状态检修决策、大坝安全分析评估、安全防护协同管理等智能应用组件，为智能化水电站运行智能化管理提供技术保障。当前阶段，厂站层结构配置的硬件配置方案在技术的已经趋于成熟化，可以依据水电站规模大小的实际情况数据信息量的实际需求，做出相对应的配置。其中，厂站层一体化平台软件还需要进一步研发和完善，在保障设备状态检修决策、大坝安全分析评估、水情水调等方面在一体化信息平台系统高度融合基础上，注重对如何高效、充分利用各系统综合信息融合，结合人工智能等技术的进一步研发，实现智能水电站电站监控、运行管理能力的进一步提升。

1.3智能水电电站其他智能系统

随着当前科学技术的不断发展与进步，人工智能等技术的得以迅速发展，在智能化水电站建设中，水电站智能巡检机器人、智能安全帽等系统也得以研发应用，并在多个站点开展可试运行工作。随着我国相应技术的不断进步与完善，以及相关应用经验的累计，智能化技术已经逐渐区域成熟化，智能巡检机器人及智能安全帽等技术逐步走向实用化。

2、结 语

本文依据当前阶段现有水电站智能化设备的实际发展情况作为设计依据，提出了一套安全可靠、实用性较强的智能化水电站系统设计。在当前的水电站建设中，智能化建设已经成为了现代化标准，并在我国个水电站建设中如火如荼地开展着，相信，未来我国智能化水电站终将在硬件、软件技术不断发展完善的基础上，逐步实现并走向成熟。

【参考文献】

［1］ 国家能源局．智能水电厂技术导则: DL/T 1547－ 2016［S］． 北京: 中国电力出版社，2016．

［2］ 冯汉夫． 智能化水电站建设的思考［J］．水电厂自动化，2010( 04) : 1－5．

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［4］周远强，曹杰，李有峰，戚长军，张崇帅．高温过水隧洞围岩及衬砌结构稳定性研究进展。