十 八 水 电 厂 智 能 化 技 术 1 调 研 背 景 概 述 随 着 技 术 进 步 和 全 球 新 能 源 分 布 式 能 源 的 发 展, 智 能 电 网 已 成 为 未 来 世 界 电 力 系 统 发 展 的 方 向, 为 满 足 未 来 能 源 发 展 的 需 要,2009 年 国 家 电 网 公 司 专 门 制 定 了 统 一 坚 强 智 能 电 网 关 键 设 备 ( 系 统 ) 研 制 规 划, 提 出 了 智 能 电 网 发 电 输 电 变 电 配 电 用 电 调 度 环 节 及 通 信 信 息 平 台 的 关 键 设 备 分 阶 段 研 制 目 标, 南 方 电 网 也 在 制 定 有 关 智 能 电 网 的 研 发 计 划, 研 制 智 能 电 网 关 键 设 备 已 成 为 当 前 电 力 系 统 技 术 发 展 的 热 点 和 新 方 向 结 合 所 从 事 的 水 利 水 电 自 动 化 专 业 领 域 和 当 前 水 电 厂 智 能 化 建 设 的 实 际 需 求, 本 报 告 将 水 电 厂 智 能 化 技 术 发 展 动 态 作 为 本 次 跟 踪 调 研 的 重 点 北 京 中 水 科 水 电 科 技 开 发 有 限 公 司 ( 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 自 动 化 所 ) 在 水 利 水 电 自 动 化 领 域 具 有 20 多 年 的 研 究 开 发 经 验, 是 国 内 水 电 站 计 算 机 监 控 系 统 的 主 要 研 制 厂 家, 在 水 电 厂 自 动 化 控 制 系 统 方 面, 技 术 居 国 内 领 先 水 平 根 据 电 力 系 统 智 能 化 发 展 趋 势, 目 前 正 在 开 展 智 能 化 水 电 厂 建 设 方 面 的 研 究 工 作, 为 本 次 国 际 水 利 水 电 自 动 化 学 科 的 发 展 跟 踪 调 研 工 作 提 供 了 良 好 基 础, 期 望 本 跟 踪 调 研 工 作 能 对 国 内 智 能 水 电 厂 建 设 有 所 裨 益 本 次 调 研 工 作 主 要 汇 集 水 利 水 电 自 动 化 学 科 近 期 在 主 要 学 术 刊 物 和 相 关 学 术 会 议 上 发 表 论 文, 结 合 国 际 组 织 和 学 术 团 体 著 名 大 学 研 究 机 构 ( 实 验 室 ) 等 的 最 新 研 究 报 告 和 成 果, 着 重 反 映 研 究 方 向 研 发 内 容 主 要 观 点 和 重 点 课 题 / 项 目 的 进 展 及 成 果 等 以 反 映 学 科 发 展 动 向 和 新 技 术 信 息 参 考 文 献 的 来 源 分 为 4 大 类 :(1) 学 术 论 文 ;(2) 会 议 论 文 ;(3) 研 究 报 告 类 ;(4) 网 络 上 查 询 的 文 章 通 过 调 研 分 析, 归 纳 总 结 智 能 化 水 电 厂 建 设 方 面 的 主 要 进 展 和 成 果, 指 出 当 前 国 际 具 有 创 新 性 前 沿 性 及 前 瞻 性 的 成 果 和 值 得 关 注 的 新 动 向 等, 并 分 析 在 我 国 深 入 ( 推 广 ) 研 究 及 应 用 的 前 景, 同 时 对 新 技 术 要 进 行 适 当 的 市 场 分 析 归 纳 汇 总 编 写 完 成 相 应 的 调 研 报 告 2 选 择 本 专 题 进 行 调 研 的 原 因 必 要 性 及 意 义 水 电 厂 智 能 化 建 设, 代 表 了 当 前 国 际 水 利 水 电 自 动 化 技 术 的 发 展 方 向 由 于 国 内 外 在 智 能 化 水 电 厂 自 动 化 技 术 方 面 的 研 究 刚 刚 起 步, 智 能 水 电 厂 的 概 念 目 标 功 能 系 统 配 置 及 系 统 间 互 473
动 等 方 面 均 亟 需 进 一 步 研 究, 目 前 开 展 水 电 厂 智 能 化 技 术 发 展 动 态 跟 踪 调 研, 有 利 于 推 动 水 电 厂 计 算 机 监 控 系 统 机 组 状 态 检 修 经 济 运 行 等 方 面 智 能 化 研 究 的 展 开 智 能 水 电 厂 是 智 能 电 网 的 重 要 组 成 部 分, 但 又 与 智 能 电 网 关 注 的 重 点 不 同, 智 能 水 电 厂 的 总 体 目 标 应 该 是 通 过 智 能 化 建 设, 进 一 步 提 高 水 电 厂 生 产 管 理 和 设 备 的 安 全 运 行 水 平, 实 现 全 厂 各 系 统 之 间 的 无 缝 连 接 与 互 操 作, 进 一 步 提 高 机 组 的 可 观 性 可 控 性 和 可 调 性, 提 升 电 网 与 电 厂 之 间 的 智 能 协 调 水 平, 提 高 全 厂 设 备 故 障 诊 断 与 优 化 运 行 的 智 能 化 水 平, 并 最 终 提 高 水 电 厂 的 经 济 效 益 另 外, 随 着 智 能 电 网 关 键 设 备 研 制 工 作 的 展 开, 国 内 部 分 研 究 机 构 设 计 院 和 水 电 厂 已 开 始 智 能 水 电 厂 建 设 的 前 期 规 划 设 计 和 研 究 工 作, 但 在 智 能 化 水 电 站 建 设 方 面 还 缺 乏 共 识, 因 此 有 必 要 开 展 智 能 水 电 厂 自 动 化 技 术 调 研, 选 择 智 能 水 电 厂 自 动 化 技 术 作 为 本 年 度 重 点 专 题 进 行 调 研 主 要 意 义 包 括 : (1) 通 过 开 展 智 能 水 电 厂 自 动 化 技 术 发 展 中 热 点 和 重 点 问 题 的 专 题 调 研, 可 以 跟 踪 并 全 面 系 统 了 解 和 掌 握 相 关 学 科 技 术 的 国 际 发 展 态 势, 对 我 国 水 利 水 电 行 业 未 来 的 发 展 和 增 长 点 进 行 分 析, 为 各 级 领 导 和 相 关 部 门 提 供 具 有 前 瞻 性 的 咨 询 意 见 或 技 术 支 撑 (2) 通 过 对 新 技 术 的 调 研 和 市 场 分 析, 为 本 专 业 应 用 技 术 的 发 展 和 实 现 科 研 成 果 产 业 化 和 市 场 化 提 供 技 术 参 考 为 我 国 水 利 水 电 行 业 的 技 术 发 展 和 建 设 提 供 技 术 信 息 和 咨 询 意 见 (3) 通 过 本 年 度 学 科 专 题 的 调 研 分 析, 归 纳 汇 总 编 写 成 国 际 水 利 水 电 科 技 发 展 动 态 调 研 报 告 (2010 年 度 ) 为 我 院 各 学 科 的 科 学 健 康 及 可 持 续 发 展, 为 保 持 我 院 在 国 内 学 科 建 设 和 发 展 的 领 先 地 位, 并 为 我 院 在 2020 年 建 设 成 世 界 一 流 的 水 利 水 电 科 学 研 究 院 提 供 技 术 支 持 3 近 年 该 专 题 发 展 新 动 向 和 值 得 关 注 点 3.1 国 内 外 智 能 电 网 技 术 发 展 动 态 我 国 是 统 一 坚 强 智 能 电 网 建 设 的 倡 导 者, 近 年 来, 国 家 电 网 公 司 一 直 在 努 力 打 造 以 信 息 化 自 动 化 互 动 化 为 特 征 的 统 一 的 坚 强 智 能 电 网 我 国 坚 强 智 能 电 网 是 以 特 高 压 电 网 为 骨 干 网 架, 采 用 先 进 的 设 备 技 术 和 控 制 方 法, 研 制 坚 强 智 能 电 网 关 键 设 备 ( 系 统 ), 实 现 电 网 的 安 全 高 效 运 行, 以 解 决 我 国 能 源 主 要 分 布 地 与 主 要 消 费 地 不 一 致 和 可 再 生 能 源 发 展 的 问 题 在 智 能 电 网 建 设 初 期, 我 国 主 要 是 对 以 电 网 调 度 系 统 和 数 字 化 变 电 站 为 主 的 二 次 设 备 进 行 更 新 智 能 电 网 是 电 力 工 业 的 未 来 发 展 方 向, 已 在 国 内 外 形 成 共 识 目 前 智 能 电 网 建 设 已 在 变 电 环 474
节 获 得 较 大 进 展, 主 要 技 术 问 题 已 基 本 解 决, 智 能 化 数 字 化 变 电 站 将 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 从 2004 年 IEC 正 式 发 布 IEC61850 以 来,ABB SIEMENS AREVA GE 等 国 外 主 要 公 司 都 推 出 了 支 持 IEC61850 标 准 的 新 一 代 变 电 站 自 动 化 系 统 并 在 2006 年 8 月 就 组 织 了 13 个 厂 商 进 行 IEC61850 产 品 的 互 联 展 示 目 前 已 经 形 成 了 一 个 完 整 的 产 业 链 IEC61850 标 准 在 我 国 等 同 引 用 为 国 内 电 力 行 业 标 准 (DL/T860 系 列 ), 并 制 定 了 相 应 的 DL/T860 工 程 实 施 规 范, 中 国 电 力 科 学 研 究 院 国 网 电 力 科 学 研 究 院 许 继 国 电 南 自 北 京 四 方 等 均 较 早 开 展 了 智 能 电 网 技 术 的 研 究 和 设 备 研 制 工 作 从 2005 年 起, 国 调 中 心 组 织 国 内 10 个 主 要 厂 家 和 检 测 单 位 成 功 进 行 了 6 次 IEC61850 互 操 作 实 验, 实 现 不 同 厂 家 的 IED 之 间 的 信 息 交 换 与 功 能 互 动 在 数 字 化 变 电 站 建 设 上, 初 步 统 计 我 国 已 有 70 余 座 数 字 化 变 电 站 投 入 运 行, 并 在 间 隔 层 变 电 站 层 等 二 次 设 备 和 系 统 上 取 得 了 较 大 的 技 术 进 步, 在 电 子 式 互 感 器 与 智 能 化 开 关 等 需 同 时 具 备 一 二 次 设 备 技 术 的 过 程 层 与 国 外 仍 有 较 大 差 距, 可 靠 性 方 面 等 还 有 待 进 一 步 验 证 与 完 善 在 发 电 环 节, 随 着 计 算 机 监 控 保 护 测 控 机 组 状 态 监 测 等 自 动 化 系 统 的 广 泛 应 用, 为 智 能 化 建 设 打 好 了 良 好 的 基 础, 但 有 关 研 究 工 作 还 处 于 刚 刚 起 步 阶 段 根 据 调 研, 国 内 水 电 站 计 算 机 监 控 系 统 的 主 要 研 发 企 业 北 京 中 水 科 水 电 科 技 开 发 有 限 公 司 和 南 京 南 瑞 集 团 公 司 均 开 展 了 相 关 的 研 究 开 发 工 作, 另 外 成 都 勘 测 设 计 研 究 院 西 北 勘 测 设 计 研 究 院 东 北 勘 测 设 计 研 究 院 等 设 计 单 位 和 白 山 电 厂 葛 洲 坝 电 厂 等 发 电 企 业 均 开 展 了 智 能 化 水 电 站 的 规 划 设 计 工 作 由 于 目 前 水 电 站 智 能 化 建 设 技 术 标 准 与 规 范 还 不 够 完 善, 技 术 发 展 方 向 还 缺 乏 共 识, 同 时 缺 少 适 合 水 电 厂 的 大 量 一 次 智 能 设 备, 这 些 都 决 定 了 开 展 发 电 环 节 智 能 化 建 设, 研 制 关 键 设 备 和 系 统 将 需 要 一 个 相 当 长 的 时 期 综 合 调 研 情 况 分 析, 在 适 合 水 电 厂 的 一 次 智 能 设 备 难 以 获 得 突 破 的 情 况 下, 水 电 厂 智 能 化 建 设 研 究, 研 制 发 电 环 节 智 能 化 建 设 关 键 设 备 和 系 统, 应 将 重 点 放 在 提 升 发 电 站 的 安 全 稳 定 与 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 方 面, 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 在 智 能 化 水 电 厂 自 动 化 系 统 建 设 方 面, 重 点 是 进 行 水 电 厂 计 算 机 监 控 系 统 水 电 机 组 状 态 检 修 梯 级 水 电 站 群 经 济 运 行 等 二 次 系 统 的 智 能 化 研 究 475
3.2 本 专 题 发 展 的 新 方 向 和 值 得 关 注 点 3.2.1 水 电 厂 计 算 机 监 控 系 统 智 能 化 发 展 趋 势 及 研 究 内 容 经 过 20 多 年 的 发 展 和 技 术 进 步, 基 于 计 算 机 监 控 系 统 的 综 合 自 动 化 系 统 在 水 电 厂 获 得 了 广 泛 应 用, 显 著 提 高 了 水 电 厂 自 动 化 水 平 及 安 全 运 行 水 平 但 由 于 缺 少 统 一 的 接 口 标 准 和 数 据 结 构 模 型, 使 得 各 自 动 化 设 备 和 系 统 间 接 口 复 杂, 难 以 相 互 兼 容 与 互 操 作, 为 实 现 系 统 的 统 一 管 理 和 数 据 共 享 带 来 困 难 对 水 电 厂 生 产 管 理 和 自 动 化 系 统 技 术 发 展 产 生 了 不 利 的 影 响 国 际 电 工 委 员 会 第 57 技 术 委 员 会 (IECTC57) 制 定 了 有 关 自 动 化 系 统 通 信 的 国 际 标 准 IEC61850, 目 前 新 标 准 已 改 名 为 电 力 企 业 自 动 化 通 信 网 络 和 系 统, 并 将 IEC 61850 标 准 推 广 应 用 于 水 电 厂 自 动 化, 并 正 式 出 版 发 行 了 水 电 厂 监 控 通 信 标 准 IEC61850-7-410:Hydroelectric power plants -- Communication for monitoring and control 智 能 化 数 字 化 代 表 了 自 动 化 系 统 未 来 发 展 方 向 虽 然 目 前 还 没 有 严 格 的 有 关 智 能 化 水 电 站 的 定 义, 但 已 有 基 本 共 识, 智 能 化 水 电 站 是 指 在 硬 件 上 由 智 能 化 一 次 设 备 ( 电 子 式 互 感 器 智 能 化 开 关 等 ) 和 网 络 化 数 字 化 的 二 次 设 备 组 成 ; 软 件 上 以 IEC61850 标 准 作 为 通 信 协 议, 实 现 设 备 间 充 分 的 信 息 共 享 和 互 操 作 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 从 技 术 层 面 实 现 全 数 字 化 的 智 能 水 电 厂 是 可 能 的 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 综 上, 当 前 条 件 智 能 化 水 电 厂 研 究 的 主 要 内 容 和 方 向 如 下 : (1) 深 入 研 究 和 分 析 IEC61850 标 准 体 系, 建 模 原 则, 以 及 完 全 的 智 能 化 水 电 厂 站 控 层 间 隔 (LCU) 层 过 程 层 3 层 结 构 ; (2) 新 型 一 次 设 备 使 用 了 电 子 电 路, 改 变 了 传 统 设 备 的 结 构, 有 必 要 对 一 次 设 备 的 可 靠 性 稳 定 性 以 及 使 用 寿 命 进 行 研 究 ; (3) 二 次 设 备 数 据 和 接 口 全 部 基 于 IEC61850 标 准 设 计 和 开 发, 不 再 出 现 常 规 功 能 装 置 重 复 的 I/O 现 场 接 口, 有 必 要 进 行 智 能 化 水 电 站 综 合 自 动 化 系 统 设 计 原 则 总 体 结 构 实 时 性 可 靠 性 稳 定 性 及 电 磁 兼 容 性 等 进 行 研 究 ; 476
(4) 智 能 化 水 电 站 智 能 设 备 组 网 原 则 网 络 结 构, 交 换 功 能 网 络 性 能 的 研 究, 推 动 一 次 设 备 智 能 化, 二 次 设 备 网 络 化 数 字 化, 实 现 水 电 厂 各 种 智 能 设 备 间 数 据 结 构 和 通 信 传 输 协 议 的 统 一, 保 证 站 内 的 各 个 智 能 设 备 之 间 具 有 良 好 的 互 操 作 性 ; (5) 智 能 化 水 电 站 虚 端 子 的 出 现 使 二 次 设 计 输 出 端 子 接 线 图 形 式 将 发 生 变 化, 有 必 要 开 展 设 计 规 程 的 研 究 ; (6) 智 能 化 水 电 站 设 备 之 间 的 连 接 全 部 采 用 高 速 的 网 络 通 信, 已 经 没 有 硬 连 线, 有 必 要 开 展 检 测 方 法 和 运 行 规 程 研 究, 并 开 发 相 应 的 检 测 维 护 工 具, 如 虚 端 子 探 测 器 等 ; (7) 开 展 符 合 IEC61850 标 准 的 监 控 保 护 等 系 统 及 测 控 二 次 设 备 的 研 制 开 发, 以 满 足 智 能 化 水 电 站 的 要 求 3.2.2 状 态 检 修 系 统 智 能 化 实 施 机 组 故 障 诊 断 状 态 检 修 决 策 自 动 化 系 统 是 建 设 智 能 水 电 厂 的 主 要 目 标 之 一 近 年 来, 状 态 监 测 与 故 障 诊 断 技 术 在 国 外 发 展 迅 速, 特 别 是 在 在 线 监 测 网 络 技 术 与 远 程 访 问 等 方 面 进 步 明 显 但 由 于 水 电 厂 现 场 设 备 众 多 各 类 故 障 原 因 复 杂, 故 障 诊 断 设 备 状 态 评 估 等 技 术 还 存 在 一 些 不 确 定 性, 需 要 在 实 践 中 不 断 完 善, 实 现 水 电 厂 设 备 的 故 障 诊 断 与 状 态 检 修 是 当 前 智 能 水 电 厂 建 设 的 主 要 研 究 内 容 从 水 电 行 业 发 展 来 看, 设 备 状 态 检 修 代 替 定 期 检 修 是 发 展 的 必 然 趋 势, 但 需 经 历 一 个 逐 步 发 展 完 善 的 过 程 在 这 个 过 程 中, 状 态 检 修 还 不 能 完 全 取 代 定 期 检 修 方 式, 而 是 形 成 一 套 融 故 障 检 修 定 期 检 修 和 状 态 检 修 为 一 体 的 优 化 检 修 方 式 同 时, 要 实 现 真 正 的 状 态 检 修, 仅 有 技 术 支 持 系 统 是 不 够 的, 还 需 要 水 电 厂 整 体 水 平 的 提 升, 包 括 高 素 质 的 管 理 人 员 健 全 的 设 备 管 理 体 制 先 进 的 配 套 设 备 与 技 术 等 目 前 水 电 厂 状 态 监 测 与 故 障 诊 断 系 统 涉 及 的 设 备 及 子 系 统 众 多, 且 多 来 自 不 同 的 厂 家, 亟 需 通 过 智 能 化 建 设, 采 用 开 放 的 通 信 规 约 统 一 的 技 术 标 准 与 数 据 模 型, 使 系 统 各 个 部 分 之 间 能 够 实 现 网 络 化 的 无 缝 通 信, 最 终 实 现 即 插 即 用 的 环 境, 为 最 终 实 现 水 电 厂 设 备 的 故 障 诊 断 与 状 态 检 修 创 造 技 术 条 件 水 电 厂 状 态 监 测 与 故 障 诊 断 系 统 正 向 全 厂 联 网 与 建 立 远 方 诊 断 中 心 的 方 向 发 展, 智 能 水 电 厂 状 态 检 修 决 策 系 统 结 构 一 般 采 用 分 层 分 布 式 结 构, 系 统 由 电 站 监 测 层 - 中 心 诊 断 层 - 用 户 访 问 层 组 成 电 站 监 测 层 由 站 级 数 据 服 务 器 和 机 组 监 测 设 备 组 成 站 级 数 据 服 务 器 用 于 监 测 存 储 各 电 站 477
机 组 的 状 态 数 据, 并 向 中 心 诊 断 层 发 送 设 备 状 态 数 据 其 中 机 组 监 测 设 备 包 括 在 线 监 测 设 备 和 离 线 设 备 在 线 监 测 设 备 由 多 个 监 测 模 块 组 成, 其 监 测 范 围 涵 盖 机 组 振 动 与 摆 度 压 力 脉 动 噪 声 空 化 机 组 效 率 发 电 机 气 隙 发 电 机 局 部 放 电 变 压 器 油 色 谱 GIS 局 部 放 电 等 中 心 诊 断 层 是 系 统 的 核 心, 主 要 负 责 监 测 设 备 日 常 维 护 日 常 监 测 与 报 告, 简 单 故 障 分 析 等 ; 进 行 故 障 诊 断 机 组 维 修 建 议 组 织 各 个 领 域 专 家 会 诊 疑 难 故 障, 以 及 系 统 维 护 和 升 级 等 主 要 由 中 心 数 据 服 务 器 通 讯 服 务 器 WEB 服 务 器 故 障 诊 断 服 务 器 以 及 中 心 工 作 站 等 组 成 用 户 访 问 层 包 括 电 站 内 部 用 户 和 Internet 网 上 授 权 用 户 等, 如 电 网 内 部 用 户 经 过 授 权 的 高 等 院 校 科 研 院 所 的 诊 断 专 家 等 这 些 用 户 可 以 远 程 对 设 备 运 行 状 态 进 行 监 测 诊 断 和 维 护 对 于 设 备 疑 难 故 障, 可 组 织 不 同 专 业 的 专 家 进 行 网 上 会 诊 3.2.3 信 息 统 一 平 台 智 能 化 随 着 计 算 机 技 术 自 动 化 技 术 通 信 网 络 技 术 的 发 展, 在 水 电 站 获 得 了 广 泛 应 用 的 计 算 机 监 控 系 统 水 情 水 调 自 动 化 系 统 机 组 状 态 监 测 系 统 继 电 保 护 故 障 录 波 大 坝 监 测 自 动 化 系 统 计 量 自 动 装 置 等 二 次 系 统 和 设 备 技 术 日 趋 成 熟, 为 提 高 水 电 站 的 安 全 运 行 管 理 水 平 发 挥 了 重 要 作 用 但 当 前 各 个 应 用 系 统 存 在 相 互 接 口 繁 多 难 以 有 效 实 现 数 据 交 换 共 享 的 现 实 情 况, 严 重 制 约 了 系 统 综 合 应 用 效 益 的 发 挥, 随 着 智 能 化 水 电 站 的 建 设, 建 设 全 厂 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 应 用 需 求 越 来 越 强 烈 通 过 统 一 信 息 平 台 建 设, 建 立 全 厂 一 体 化 的 信 息 支 撑 平 台, 各 应 用 系 统 只 需 与 信 息 平 台 接 口 进 行 数 据 交 换 即 可 获 得 所 需 的 全 厂 所 有 数 据, 满 足 水 电 运 行 维 护 管 理 调 度 智 能 化 目 标 及 各 类 应 用 需 求 统 一 信 息 平 台 建 设 是 智 能 电 站 的 关 键, 涉 及 全 厂 各 应 用 系 统 间 的 数 据 交 换 共 享 和 统 一 管 理, 应 针 对 按 照 IEC61850 标 准 统 一 规 范 通 信 接 口 与 数 据 模 型, 根 据 各 应 用 系 统 的 业 务 特 点 及 其 相 互 关 系, 统 一 规 划 设 计 研 发 建 立 全 厂 一 体 化 信 息 支 撑 平 台, 提 升 电 厂 的 智 能 化 水 平 目 前 水 电 厂 统 一 信 息 平 台 建 设 一 般 与 全 厂 三 级 安 全 区 域 内 各 应 用 系 统 的 智 能 化 建 设 协 调 进 行, 结 合 计 算 机 监 控 系 统 的 智 能 化 升 级 改 造, 建 设 安 全 I 区 的 数 据 平 台 ; 结 合 水 情 水 调 系 统 的 智 能 化 升 级 改 造, 建 设 安 全 II 区 的 数 据 平 台 ; 结 合 WEB 发 布 功 能 和 门 户 网 站 的 建 设, 建 设 安 全 III 区 的 数 据 平 台 并 通 过 网 络 安 全 防 护 设 备, 实 现 全 厂 三 级 安 全 区 域 数 据 平 台 的 数 据 交 换 和 共 享 根 据 各 业 务 系 统 的 建 设 情 况, 水 电 厂 统 一 信 息 平 台 建 设 也 采 用 分 步 实 施 的 方 式, 在 完 成 计 算 机 通 信 网 络 系 统 统 一 信 息 平 台 运 行 实 体 环 境 等 基 础 支 撑 系 统 的 建 设 和 升 级 改 造 的 基 础 上, 通 过 配 置 全 厂 数 据 交 换 和 中 心 存 储 设 备, 采 用 统 一 规 范 的 传 输 规 约 和 网 络 接 口, 进 行 全 厂 各 应 用 系 统 478
智 能 化 升 级 改 造, 整 合 离 散 的 各 业 务 子 系 统, 建 立 满 足 全 厂 二 次 安 全 防 护 要 求 的 信 息 统 一 平 台 通 过 全 厂 通 信 网 络 监 控 水 情 水 调 信 息 监 测 等 跨 安 全 分 区 的 各 应 用 系 统 间 数 据 的 统 一 交 换 与 存 储 共 享, 消 灭 信 息 孤 岛, 实 现 信 息 资 源 整 合 互 动, 形 成 全 厂 数 据 信 息 中 心, 在 此 基 础 上 开 展 数 据 挖 掘 优 化 调 度 故 障 诊 断 状 态 检 修 等 智 能 化 应 用 技 术 的 研 究, 为 智 能 化 水 电 厂 提 供 统 一 的 数 据 支 撑 管 理 开 发 应 用 环 境, 逐 步 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 故 障 诊 断 调 度 决 策 等 智 能 应 用 需 求, 全 面 提 升 电 站 自 动 化 运 行 管 理 水 平 和 综 合 经 济 效 益 3.2.4 经 济 运 行 与 智 能 调 度 智 能 水 电 厂 建 设 的 一 个 主 要 目 标 是 有 效 实 现 全 厂 经 济 运 行 与 智 能 调 度, 通 过 智 能 水 电 厂 建 设, 实 现 水 电 厂 机 组 之 间 的 优 化 运 行, 提 升 电 网 与 电 厂 智 能 协 调 控 制 及 电 站 优 化 运 行 的 智 能 化 决 策 水 平 根 据 智 能 化 水 电 厂 的 特 点, 目 前 主 要 开 展 以 下 几 方 面 的 实 用 化 研 究 : (1) 智 能 调 度 实 用 化 数 学 模 型 及 求 解 算 法 (2) 综 合 考 虑 水 轮 发 电 机 组 工 况, 水 库 入 库 流 量 与 水 量 情 况, 电 站 运 行 约 束, 以 及 智 能 电 网 运 行 的 要 求, 实 现 水 电 厂 智 能 化 最 佳 运 行 (3) 研 究 水 电 厂 优 化 调 度 与 电 网 联 合 智 能 协 调 控 制 技 术, 水 电 厂 自 动 发 电 控 制 (AGC) 与 电 网 调 度 EMS 系 统 的 自 动 发 电 控 制 (AGC) 功 能 实 施 合 理 信 息 交 互, 提 高 远 方 负 荷 控 制 精 度 和 自 动 化 程 度, 实 现 更 智 能 化 的 协 调 互 动 调 度 控 制 3.3 专 家 点 评 和 对 水 平 的 分 析 目 前 水 电 厂 自 动 化 系 统 越 来 越 多, 变 送 器 重 复 设 置, 信 号 重 复 采 集, 结 构 繁 杂, 信 息 源 多, 易 受 到 电 磁 干 扰, 同 时 由 于 缺 少 统 一 的 接 口 标 准 和 数 据 结 构 模 型, 没 有 从 根 本 上 解 决 信 息 化 孤 岛 问 题, 且 各 自 动 化 设 备 和 系 统 间 接 口 复 杂, 难 以 相 互 兼 容 与 互 操 作, 不 同 厂 家 设 备 或 系 统 间 的 互 操 作 性 更 难 以 实 现, 对 水 电 厂 生 产 管 理 和 自 动 化 技 术 的 进 一 步 提 高 形 成 制 约 智 能 水 电 厂 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 站 所 有 信 息 采 集 传 输 分 析 处 理 的 数 字 化 统 一 应 用 平 台, 实 现 了 自 动 化 功 能 的 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 了 一 次 性 设 备 成 本 和 运 行 维 护 成 本 ; 同 时 由 于 装 置 减 少 和 消 除 了 复 杂 的 电 缆 接 线, 大 大 提 高 整 个 系 统 的 可 靠 性 智 能 水 电 厂 自 动 化 系 统 的 结 构, 在 物 理 上 可 分 为 两 类, 即 智 能 化 的 一 次 设 备 和 网 络 化 的 二 次 479
设 备 在 逻 辑 结 构 上 可 分 为 3 个 层 次, 根 据 IEC61850 通 信 协 议 定 义, 这 3 个 层 次 分 别 称 为 过 程 层 间 隔 层 站 控 层 各 层 次 内 部 及 层 次 之 间 采 用 高 速 网 络 通 信 其 中, 站 控 层 与 间 隔 层 网 络 采 用 交 换 式 以 太 网, 介 质 可 选 双 绞 线 间 隔 层 与 过 程 层 的 网 络 也 采 用 交 换 式 以 太 网, 介 质 应 采 用 光 纤 其 系 统 结 构 如 图 所 示 智 能 水 电 厂 结 构 图 目 前 在 IEC61850 的 应 用 上 二 次 厂 家 进 展 较 快, 一 次 厂 家 的 技 术 水 平 落 后 于 二 次 厂 家, 而 智 能 化 水 电 厂 涉 及 的 自 动 化 系 统 和 设 备 更 多 更 复 杂, 因 此 实 现 真 正 的 智 能 化 水 电 厂 将 是 一 个 长 期 复 杂 和 困 难 的 过 程, 需 要 研 究 和 解 决 的 问 题 很 多,IEC61850 标 准 作 为 一 个 先 进 庞 大 的 体 系, 提 供 了 开 放 的 通 信 协 议 统 一 的 数 据 模 型, 信 息 的 集 成 化 应 用, 代 表 了 当 今 这 个 领 域 技 术 发 展 的 方 向, 值 得 深 入 研 究 3.4 对 本 专 题 发 展 的 若 干 建 议 水 电 厂 智 能 化 建 设, 涉 及 生 产 运 行 维 护 管 理 的 方 方 面 面, 通 过 实 现 全 厂 一 次 设 备 智 能 化, 二 次 设 备 网 络 化 与 数 字 化, 数 据 的 采 集 和 传 输 光 纤 化, 全 厂 各 系 统 数 据 共 享 互 动 化, 减 少 设 备 重 复 建 设, 全 面 提 升 水 电 厂 的 安 全 和 经 济 运 行 水 平 具 体 体 现 在 一 系 列 高 度 智 能 化 的 生 产 过 程 控 制 运 行 决 策 和 生 产 辅 助 管 理 自 动 化 系 统, 这 些 系 统 有 机 互 联, 实 现 数 据 共 享 互 动 配 合, 完 成 全 厂 智 能 化 的 目 标 具 有 系 统 规 模 大, 技 术 难 度 高, 需 研 究 开 发 的 内 容 众 多, 涉 及 学 科 范 围 广 的 特 点, 是 一 项 需 经 过 长 期 研 究 开 发 与 建 设 完 善 的 系 统 工 程 鉴 于 目 前 数 字 化 传 感 器 和 智 能 开 关 组 件 尚 不 成 熟 和 稳 定, 水 电 厂 智 能 化 改 造 并 不 意 味 着 更 换 480
一 次 设 备, 仍 可 采 用 传 统 开 关 和 传 统 PT/CT, 但 智 能 水 电 厂 计 算 机 监 控 系 统 应 具 备 接 入 合 并 单 元 开 关 控 制 器 等 IEC61850 智 能 设 备 的 能 力, 实 现 IEC61850-9-1 或 者 IEC61850-9-2 采 样 值 接 收 以 及 GOOSE 跳 闸 报 文 的 发 送 由 于 相 关 技 术 尚 待 完 善, 目 前 智 能 水 电 厂 一 次 设 备 一 般 不 进 行 更 换, 仍 采 用 传 统 PT/CT, 因 此 智 能 水 电 厂 建 设 也 应 分 阶 段 进 行, 并 与 未 来 技 术 水 平 的 发 展 相 适 用 以 水 电 厂 计 算 机 监 控 系 统 智 能 化 改 造 为 例, 智 能 水 电 厂 监 控 系 统 改 造 目 前 可 按 以 下 两 个 阶 段 进 行 (1) 监 控 智 能 化 改 造 阶 段 一 对 现 有 电 厂 计 算 机 监 控 系 统 进 行 软 件 升 级 改 造, 在 站 控 层 和 间 隔 层 增 加 IEC61850 通 信 接 口, 实 现 IEC61850 的 IED 设 备 接 入, 同 时 保 留 各 种 常 规 通 讯 接 口, 保 留 主 要 计 算 机 设 备 和 PLC, 进 行 软 件 和 少 量 硬 件 升 级, 可 显 著 提 升 系 统 的 智 能 化 水 平, 优 化 系 统 性 能 对 于 现 地 层 智 能 设 备 数 据 通 讯, 优 先 采 用 IEC61850 通 信 规 约 和 现 场 总 线 方 式 实 现 设 备 间 数 据 交 换, 其 他 数 据 可 通 过 常 规 方 式 实 现 接 入 在 这 个 阶 段, 系 统 采 用 两 层 结 构 设 计, 即 一 次 设 备 仍 采 用 传 统 的 PT/CT, 机 组 LCU 开 关 站 LCU 公 用 LCU 的 PLC 不 更 换, 数 据 采 集 及 控 制 以 硬 接 线 为 主 的 形 式 实 现 站 控 层 和 LCU 通 信 仍 采 用 PLC 厂 家 的 网 络 规 约 在 LCU 的 PLC 中 配 置 相 应 的 IEC61850 通 信 接 口 模 块, 实 现 间 隔 层 IEC61850-8-1 通 信 的 IED 设 备 接 入 在 监 控 系 统 站 控 层 增 加 IEC61850 网 关, 完 成 IEC61850 标 准 接 口 开 发, 支 持 IEC61850 的 有 关 系 统 和 IED 设 备 接 入, 网 关 将 从 IED 设 备 接 收 的 实 时 数 据 放 入 监 控 系 统 实 时 库, 监 控 系 统 通 过 网 关 实 现 对 IEC61850 有 关 设 备 的 控 制 (2) 监 控 智 能 化 改 造 阶 段 二 实 现 计 算 机 监 控 系 统 对 IEC61850 标 准 的 全 面 支 持, 系 统 采 用 两 层 结 构, 站 控 层 和 间 隔 层 采 用 IEC61850-8-1 通 信 一 次 设 备 仍 可 采 用 传 统 的 PT/CT PLC 更 换 为 支 持 IEC61850 的 PLC, 具 有 接 入 非 常 规 PT/CT 和 开 关 控 制 器 的 能 力,LCU 与 站 控 层 通 信 采 用 IEC61850-8-1 通 信 规 约 间 隔 层 设 备 ( 包 括 机 组 LCU 开 关 站 LCU 公 用 LCU) 的 数 据 来 自 合 并 单 元, 合 并 单 元 可 以 IEC61850-9-1,IEC61850-9-2 发 送 采 样 值 间 隔 层 设 备 对 开 关 量 的 控 制 可 通 过 向 开 关 控 制 器 发 送 GOOSE 报 文 实 现 综 上 所 述, 智 能 水 电 厂 建 设 以 信 息 化 自 动 化 互 动 化 为 特 征, 其 建 设 目 标 是 实 现 我 国 水 电 厂 向 安 全 高 效 经 济 互 动 的 现 代 智 能 电 厂 方 向 发 展, 满 足 智 能 电 网 的 发 展 需 要 481
参 考 文 献 1 国 家 电 网 公 司 智 能 电 网 部. 统 一 坚 强 智 能 电 网 关 键 设 备 ( 系 统 ) 研 制 规 划. 2009 年 11 月 2 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 [C]. 中 国 水 力 发 电 工 程 学 会 信 息 化 专 委 会 2010 年 学 术 交 流 会 论 文 集 [C]: 1-7. 丽 江, 2010.7. 3 王 德 宽, 张 毅, 刘 晓 波, 余 江 城, 张 建 明, 何 飞 跃, 等. 白 山 发 电 厂 智 能 化 水 电 厂 建 设 规 划 设 计 方 案 北 京 中 水 科 水 电 科 技 开 发 有 限 公 司 研 究 报 告,2010. 4 陈 树 勇, 宋 书 芳, 李 兰 欣, 等. 智 能 电 网 技 术 综 述 [J]. 电 网 技 术,2009,33(8}:1 7. 5 Goran N. Ericsson. Cyber security and power system communication - Essential parts of a smart grid infrastructure. IEEE Transactions on power delivery, Vol. 25. NO.3, July 2010. 6 李 兴 源, 魏 巍, 王 渝 红, 等. 坚 强 智 能 电 网 发 展 技 术 的 研 究 [J]. 电 力 系 统 保 护 与 控 制,2009, 37(17),1 7. 7 王 峰, 黄 春 雷. 电 网 水 电 智 能 调 度 系 统 的 研 究 与 设 计 [J]. 水 电 能 源 科 学,2010,28(1}:133 136. 负 责 人 : 张 毅 参 加 人 : 刘 晓 波 何 飞 跃 482