中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 第 12 届 青 年 学 术 交 流 会 论 文 文 章 编 号 : 浅 谈 水 电 厂 自 动 化 系 统 的 智 能 化 改 造 1 2 1 文 正 国, 姜 相 东, 张 毅 (1. 北 京 中 水 科 水 电 科 技 开 发 有 限 公 司, 北 京,100038; 2. 白 山 发 电 厂, 吉 林 省 吉 林 市,132400) 摘 要 : 针 对 当 前 水 电 厂 自 动 化 系 统 的 智 能 化 改 造 现 状, 分 析 了 主 要 的 改 造 模 式 及 存 在 的 问 题 本 文 从 水 电 厂 数 据 模 型 的 对 象 化 数 据 交 互 的 标 准 化 管 控 应 用 的 一 体 化 和 高 级 应 用 的 智 能 化 等 几 方 面 对 智 能 化 改 造 进 行 了 分 析 和 阐 述, 提 出 了 在 当 前 现 实 情 况 下 开 展 智 能 化 改 造 的 思 路 和 看 法 关 键 词 : 水 电 厂 自 动 化 ; 智 能 化 改 造 ;IEC61850 中 图 分 类 号 : 文 献 标 识 码 :A 0 引 言 当 前 我 国 的 电 网 智 能 化 战 略 已 全 面 启 动, 智 能 电 网 建 设 已 在 变 电 环 节 获 得 较 大 进 展, 智 能 化 变 电 站 建 设 已 进 入 推 广 应 用 阶 段 但 智 能 电 网 的 相 关 研 究 和 建 设 工 作 比 较 注 重 电 网 的 输 电 送 电 配 电 和 用 电 等 环 节, 在 发 电 环 节 尤 其 是 水 电 站 的 智 能 化 建 设 方 面 相 对 滞 后, 还 处 于 起 步 探 索 阶 段 对 于 什 么 是 智 能 化 水 电 站 如 何 建 设 智 能 化 水 电 站, 还 未 形 成 清 晰 的 共 识, 更 缺 乏 具 体 的 可 操 作 标 准 与 规 范 目 前 各 大 中 型 水 电 厂 大 多 具 有 较 为 完 备 的 生 产 自 动 化 系 统, 水 电 厂 的 智 能 化 建 设 不 可 能 完 全 脱 离 现 有 系 统 进 行, 而 更 可 能 是 在 现 有 系 统 格 局 的 基 础 上 对 其 进 行 改 造 优 化, 以 便 向 智 能 化 方 面 迈 进 因 此 本 文 仅 就 水 电 厂 自 动 化 系 统 的 智 能 化 改 造 谈 一 点 理 解 和 看 法 1 智 能 化 改 造 现 状 目 前 国 内 已 有 一 些 水 电 厂 在 建 设 智 能 化 水 电 厂 方 面 开 展 了 初 步 的 探 索 工 作, 取 得 了 一 定 的 成 果 和 有 益 的 经 验, 可 资 借 鉴 已 开 展 此 项 工 作 的 各 水 电 厂 大 都 根 据 各 自 的 实 际 情 况 制 定 智 能 化 改 造 规 划, 侧 重 点 各 有 不 同, 但 总 体 上 都 是 在 保 持 现 有 的 各 生 产 自 动 化 系 统 不 变 的 基 础 上 另 行 建 设 一 套 一 体 化 数 据 平 台, 实 现 全 厂 生 产 数 据 的 汇 集, 开 展 高 级 应 用 的 研 究 1) 站 控 层 原 有 各 生 产 自 动 化 系 统 的 站 控 层 设 备 保 持 不 变, 独 立 建 设 一 套 一 体 化 数 据 平 台, 采 用 IEC61850 通 信 协 议 将 各 自 动 化 系 统 的 数 据 引 入 一 体 化 平 台, 提 供 全 厂 生 产 数 据 的 集 中 存 储 和 展 示, 并 在 平 台 上 开 展 一 些 高 级 应 用, 如 综 合 报 表 系 统 联 动 防 汛 决 策 等 功 能 一 体 化 数 据 平 台 可 分 别 部 署 在 安 全 I 区 II 区 和 III 区, 其 中 安 全 I 区 的 系 统 具 备 了 监 控 系 统 和 保 护 管 理 信 息 系 统 的 功 能 部 分 电 厂 出 于 安 全 和 可 靠 性 的 考 虑, 只 在 安 全 II 区 和 III 区 进 行 了 部 署 一 体 化 数 据 平 台 的 数 据 接 入 方 式 通 常 分 为 两 种 : 一 种 是 各 自 动 化 系 统 作 为 一 个 整 体 接 入, 这 种 方 式 只 需 要 各 自 动 化 系 统 的 系 统 层 面 提 供 对 外 的 IEC61850 通 信 接 口 即 可, 现 地 层 无 需 改 动 ; 一 种 是 设 置 单 独 的 网 络, 与 各 自 动 化 系 统 的 现 地 单 元 或 子 收 稿 日 期 : 论 文 已 发 表 于 水 电 站 机 电 技 术 期 刊 37 卷 3 期 7~8 页 基 金 项 目 : 作 者 简 介 : 文 正 国 (1975-), 男, 湖 南 衡 东, 硕 士, 高 级 工 程 师, 主 要 从 事 水 利 水 电 自 动 化 工 作 E_mail:jkwenzg@iwhr.com
系 统 进 行 IEC61850 通 信, 实 现 数 据 上 传 和 命 令 的 下 发, 相 当 于 将 IEC61850 通 信 下 移 至 现 地 单 元 部 分, 这 种 方 式 需 要 对 现 地 单 元 进 行 改 造 2) 间 隔 层 在 第 二 种 接 入 方 式 下, 各 自 动 化 系 统 的 现 地 单 元 或 子 系 统 需 要 部 署 IEC61850 协 议 转 换 器 和 单 独 的 通 信 通 道, 将 现 地 单 元 汇 集 的 现 场 数 据 通 过 IEC61850 协 议 上 送 到 一 体 化 平 台, 也 将 平 台 下 发 的 控 制 命 令 转 发 至 现 地 单 元 原 有 的 现 地 单 元 与 厂 站 层 系 统 的 通 信 仍 保 持 不 变 3) 过 程 层 目 前 水 电 站 自 动 化 系 统 的 基 础 信 息 层 仍 是 大 量 通 过 电 缆 硬 节 点 和 采 用 传 统 通 信 方 式 进 行 数 据 采 集, 缺 少 适 合 水 电 站 的 监 控 励 磁 调 速 辅 控 状 态 监 测 水 情 安 防 等 系 统 的 一 次 智 能 设 备 和 满 足 标 准 规 范 的 智 能 化 仪 表 要 按 照 智 能 变 电 站 的 标 准 进 行 过 程 层 的 改 造, 难 度 和 成 本 非 常 大 目 前 尚 没 有 对 水 电 站 自 动 化 系 统 的 过 程 层 进 行 成 功 改 造 的 先 例, 只 有 个 别 水 电 厂 开 始 参 照 智 能 变 电 站 的 标 准 对 开 关 站 进 行 二 次 设 备 的 改 造 尽 管 全 国 已 有 一 些 水 电 厂 先 后 开 展 了 智 能 化 改 造 探 索 工 作, 并 在 实 施 智 能 化 改 造 的 道 路 上 取 得 了 不 同 程 度 的 进 展, 但 限 于 当 前 的 技 术 条 件 和 现 实 因 素, 均 存 在 不 足 之 处 : 1) 对 智 能 化 的 内 涵 缺 乏 深 入 的 理 解 和 消 化, 存 在 将 IEC61850 等 同 于 智 能 化 的 看 法, 容 易 使 智 能 化 建 设 流 于 表 面 形 式 ; 2) 目 前 应 用 的 智 能 化 系 统 基 本 上 只 是 一 个 数 据 集 中 平 台, 局 限 于 对 各 系 统 数 据 的 集 中 存 储 和 展 示, 在 对 大 生 产 数 据 进 行 深 度 分 析 和 挖 掘 为 生 产 运 行 提 供 有 力 的 指 导 等 高 级 应 用 支 持 方 面 明 显 不 足, 无 法 体 现 智 能 ; 3) 在 现 地 层 与 站 控 层 之 间 通 过 插 入 协 议 转 换 器 以 实 现 IEC61850 通 信, 增 加 了 系 统 复 杂 度 和 维 护 工 作 量, 降 低 了 系 统 的 实 时 性 和 可 靠 性 ; 4) 一 体 化 平 台 虽 然 实 现 了 安 全 I 区 的 监 控 功 能, 但 没 有 完 全 替 代 原 有 系 统, 其 监 控 功 能 有 待 长 期 运 行 的 验 证 ; 5) IEC61850 在 对 数 据 进 行 处 理 时 所 消 耗 的 CPU 资 源 和 传 输 时 所 消 耗 的 网 络 带 宽 高 于 传 统 的 自 动 化 系 统, 目 前 的 硬 件 资 源 条 件 能 否 满 足 大 中 型 机 组 的 实 际 需 要 还 有 待 验 证 ; 6) 由 于 缺 少 满 足 水 电 厂 需 要 的 关 键 智 能 设 备, 过 程 层 的 缺 失 使 得 IEC61850 标 准 的 技 术 优 势 无 法 全 面 发 挥, 智 能 化 改 造 实 施 难 以 达 到 预 期 效 果 2 智 能 化 改 造 要 点 2.1 数 据 描 述 对 象 化 水 电 厂 的 一 次 生 产 设 备 种 类 繁 多, 各 自 动 化 系 统 对 于 数 据 的 表 述 和 使 用 方 式 千 差 万 别, 在 没 有 统 一 的 数 据 模 型 情 况 下, 每 个 系 统 无 法 理 解 其 它 系 统 的 数 据, 必 须 要 进 行 专 门 的 约 定 和 相 应 的 转 换, 大 大 增 加 了 通 信 交 互 的 复 杂 程 度 采 用 面 向 对 象 的 建 模 技 术, 以 对 象 化 的 形 式 实 现 对 数 据 的 描 述, 就 可 以 使 数 据 本 身 具 有 自 我 描 述 性 其 它 系 统 接 收 到 数 据 后 不 需 要 再 对 数 据 进 行 工 程 物 理 量 对 应 标 度 转 换 等 工 作, 简 化 了 对 数 据 的 管 理 和 维 护 工 作, 可 以 有 效 地 解 决 异 构 系 统 之 间 的 信 息 互 通 和 互 操 作 问 题
水 电 厂 自 动 化 系 统 的 数 据 建 模 应 以 IEC61850 标 准 为 基 础, 采 用 统 一 的 信 息 模 型 和 建 模 方 法, 根 据 水 电 厂 的 实 际 需 要, 按 照 特 定 的 和 灵 活 的 规 则 定 义 新 的 逻 辑 节 点 和 数 据, 对 信 息 模 型 进 行 扩 充 完 善, 建 立 统 一 规 范 的 水 电 厂 信 息 模 型 同 时 实 现 对 电 力 系 统 使 用 广 泛 的 IEC61970 标 准 的 支 持, 以 满 足 水 电 厂 不 同 应 用 的 需 要 2.2 数 据 交 互 标 准 化 数 据 在 各 个 自 动 化 系 统 的 内 部 和 系 统 之 间 的 交 互 传 输, 应 该 采 用 标 准 化 的 通 信 协 议 标 准 化 的 通 信 协 议 首 推 IEC61850, 能 最 大 程 度 地 提 高 系 统 之 间 的 互 操 作 性, 发 挥 统 一 数 据 模 型 的 优 势 但 鉴 于 水 电 厂 缺 乏 支 持 IEC61850 的 IED 设 备 的 现 状, 应 允 许 采 用 其 它 标 准 化 的 广 泛 使 用 的 通 信 协 议, 以 作 为 必 要 的 补 充 和 过 渡 现 地 层 设 备 的 标 准 化 改 造 首 先 应 该 立 足 于 实 现 设 备 输 入 输 出 的 数 字 化 网 络 化, 逐 步 将 用 于 测 量 和 控 制 的 硬 接 线 连 接 改 造 为 网 络 或 总 线 通 讯 方 式, 推 广 采 用 具 备 对 外 网 络 通 信 接 口 的 智 能 设 备, 将 数 字 化 扩 展 到 现 场 设 备, 实 现 采 集 与 控 制 的 数 字 化 和 网 络 化, 进 而 实 现 通 信 的 标 准 化 2.3 管 控 应 用 一 体 化 在 站 控 层 面, 应 在 对 象 化 的 统 一 信 息 模 型 和 标 准 化 的 数 据 通 信 交 互 的 基 础 上 实 现 监 控 水 调 监 测 安 防 等 各 个 自 动 化 系 统 的 融 合 与 互 动, 逐 步 接 管 并 取 代 各 个 自 动 化 系 统, 最 终 形 成 一 个 高 度 集 中 的 统 一 的 综 合 管 控 平 台, 即 自 动 化 控 制 中 心 该 平 台 应 提 供 标 准 统 一 的 数 据 总 线 消 息 总 线 和 服 务 总 线, 满 足 不 同 应 用 系 统 的 运 行 管 理 需 要 综 合 管 控 平 台 包 含 全 厂 生 产 自 动 化 系 统 的 完 整 数 据, 并 为 智 能 化 应 用 提 供 支 撑 服 务 环 境 综 合 管 控 平 台 同 时 部 署 在 安 全 Ⅰ 区 Ⅱ 区 和 Ⅲ 区, 各 区 之 间 采 用 防 火 墙 或 物 理 隔 离 装 置 进 行 安 全 防 护 Ⅰ 区 的 系 统 主 要 包 含 原 监 控 保 护 测 控 闸 门 辅 机 等 控 制 型 自 动 化 子 系 统 的 数 据, 主 要 负 责 完 成 常 规 的 生 产 监 视 和 优 化 控 制 任 务 ;Ⅱ 区 的 系 统 主 要 在 包 含 Ⅰ 区 数 据 的 基 础 上 还 接 入 水 情 水 调 在 线 监 测 等 自 动 化 子 系 统, 可 为 全 厂 大 部 分 生 产 运 行 管 理 高 级 应 用 提 供 支 撑 服 务 环 境 ;Ⅲ 区 的 系 统 包 含 完 整 的 全 厂 数 据, 为 全 厂 分 析 决 策 等 智 能 化 高 级 应 用 提 供 支 撑 服 务, 并 负 责 提 供 对 外 的 WEB 服 务 与 大 坝 安 防 MIS 等 厂 内 系 统 和 水 文 气 象 等 厂 外 系 统 的 数 据 交 互 和 工 作 协 同 2.4 高 级 应 用 智 能 化 在 综 合 管 控 平 台 的 基 础 上, 开 发 针 对 水 电 厂 生 产 运 行 的 智 能 化 高 级 应 用 功 能, 形 成 智 能 应 用 系 统 智 能 应 用 系 统 在 综 合 管 控 平 台 上 运 行, 依 赖 于 综 合 管 控 平 台 的 海 量 数 据 和 支 撑 服 务, 通 过 对 数 据 的 综 合 分 析 挖 掘 提 炼, 建 立 专 家 系 统 库, 实 现 水 电 厂 生 产 过 程 的 分 析 预 警 智 能 化 智 能 应 用 系 统 的 结 果 又 可 以 反 馈 给 综 合 管 控 平 台, 以 便 产 生 相 应 的 动 作 采 取 预 防 措 施 或 提 供 运 行 指 导 通 过 建 立 设 备 状 态 数 据 分 析 模 型, 应 用 数 据 挖 掘 技 术 关 联 分 析 技 术 集 成 分 析 方 法 等 多 策 略, 抽 象 出 水 电 厂 各 生 产 设 备 不 同 运 动 状 态 之 间 最 本 质 的 耦 联 关 系, 构 建 关 联 诊 断 知 识 库, 应 用 多 种 智 能 推 理 机 制, 实 现 对 水 电 设 备 健 康 状 态 的 实 时 评 价 与 故 障 诊 断, 达 到 智 能 化 的 在 线 监 测 故 障 预 警 和 状 态 检 修 研 究 开 发 流 域 梯 级 EDC 水 库 优 化 调 度 泄 洪 闸 门 联 动 防 汛 决 策 视 频 联 动 以 及 设 备 物 资 与 检 修 管 理 等 方 面 的 高 级 应 用, 以 提 高 生 产 管 理 自 动 化 水 平, 降 低 运 行 维 护 难 度 和 和 减 少 维 护 工 作 量, 提 高 设 备 的 可 靠 性, 减 少 机 组 非 计 划 性 停 机, 优 化 检 修 计 划, 增 加 发 电 经 济 效 益, 从 而 实 现 建 设 智 能 化 水 电 厂 的 根 本 目 的 3 智 能 化 改 造 步 骤 基 于 当 前 水 电 厂 自 动 化 设 备 元 器 件 和 自 动 化 系 统 的 现 状, 我 们 认 为 水 电 厂 自 动 化 系 统 的 智 能 化 改
造 应 分 步 实 施 逐 步 推 进, 可 从 以 下 几 方 面 着 手 : 1) 取 消 常 规 监 控 系 统 的 站 控 层 部 分, 代 之 以 具 备 监 控 功 能 的 综 合 管 控 平 台 ; 综 合 管 控 平 台 须 支 持 混 合 型 通 信 接 入, 既 支 持 IEC61850 协 议 的 通 信, 同 时 也 支 持 常 规 协 议 的 通 信 ; 2) 借 鉴 智 能 化 变 电 站 的 模 式 改 造 开 关 站 的 二 次 部 分, 实 现 对 IEC61850 的 支 持 ; 取 消 常 规 的 开 关 站 LCU, 由 综 合 管 控 平 台 实 现 对 开 关 站 的 直 接 监 控 ; 3) 选 择 公 用 LCU 或 其 它 LCU 作 为 试 点, 改 用 CPU 直 接 支 持 IEC61850 协 议 的 PLC 或 可 在 底 板 上 插 入 支 持 61850 协 议 的 通 讯 模 块 的 PLC, 实 现 与 综 合 管 控 平 台 的 61850 通 信, 避 免 使 用 额 外 的 协 议 转 换 器 产 生 中 间 环 节 增 加 故 障 点, 并 导 致 系 统 性 能 降 低 ; 4) 根 据 各 水 电 厂 设 备 的 实 际 和 具 体 需 求, 逐 步 进 行 辅 助 设 备 和 公 用 系 统 的 改 造, 采 用 标 准 网 络 通 信 和 现 场 总 线 取 代 硬 接 线 连 接, 在 实 现 网 络 化 减 少 大 量 电 缆 的 同 时, 可 全 面 提 高 采 集 数 据 的 完 整 性, 增 强 系 统 功 能 ; 5) 挖 掘 水 电 厂 的 生 产 运 行 实 际 需 求, 开 发 智 能 化 的 高 级 应 用 功 能, 逐 步 建 立 各 类 智 能 化 应 用 系 统 ; 6) 在 具 有 成 熟 产 品 或 成 熟 方 案 的 情 况 下, 逐 步 改 造 现 地 自 动 化 元 器 件 和 测 控 设 备, 实 现 现 场 设 备 的 智 能 化 4 结 语 智 能 化 是 水 电 厂 自 动 化 系 统 的 必 然 发 展 方 向, 但 智 能 化 改 造 如 何 进 行 如 何 实 现 智 能 化, 仍 需 要 继 续 进 行 探 索 和 研 究 IEC61850 标 准 在 水 电 厂 智 能 化 改 造 建 设 中 起 着 规 范 性 和 指 导 性 的 作 用, 但 只 是 实 现 智 能 化 的 基 础 和 手 段, 不 是 智 能 化 的 目 标 随 着 相 关 技 术 的 逐 渐 成 熟 和 实 用 化, 水 电 厂 自 动 化 系 统 的 智 能 化 改 造 也 将 逐 步 推 进 和 完 善, 并 取 得 较 好 的 效 果 参 考 文 献 : [1] 王 德 宽, 张 毅, 刘 晓 波, 等. 智 能 水 电 厂 自 动 化 系 统 总 体 构 想 [J]. 水 电 自 动 化 与 大 坝 监 测,2011,35(1):5-9. [2] 王 德 宽.IEC61850 及 数 字 化 水 电 厂 的 概 念 与 前 景 [C]. 中 国 水 力 发 电 工 程 学 会 信 息 化 专 委 会 2009 年 学 术 交 流 会 论 文 集,2009:1-8. [3] 冯 汉 夫, 石 爽, 马 琴, 等. 智 能 化 水 电 站 建 设 的 思 考 [J]. 水 电 自 动 化 与 大 坝 监 测,2010,34(6):1-5. [4] 王 德 宽, 王 桂 平, 张 毅, 等. 水 电 厂 计 算 机 监 控 技 术 三 十 年 回 顾 与 展 望 [J]. 水 电 站 机 电 技 术,2008,31(3):1-9. [5] 刘 观 标, 李 晓 斌, 李 永 红, 等. 智 能 水 电 厂 的 体 系 结 构 [J]. 水 电 自 动 化 与 大 坝 监 测,2011,35(1):1-4. [6] 张 红 芳, 彭 文 才, 闽 峥. 智 能 水 电 厂 现 地 自 动 化 系 统 技 术 分 析 [J]. 水 电 自 动 化 与 大 坝 监 测,2012,36(2):9-13. [7] 武 晋 辉, 刘 刚, 焦 邵 华. 基 于 CSPA-2000 的 智 能 水 电 厂 解 决 方 案 [J]. 水 电 自 动 化 与 大 坝 监 测,2012,36(1):5-10.
[8] 严 杰, 蔡 守 辉. 智 能 水 电 厂 现 地 控 制 单 元 发 展 趋 势 [J]. 水 电 自 动 化 与 大 坝 监 测,2011,35(2):1-4. [9] 李 忠 明, 庞 敏, 袁 珂 俊, 等. 基 于 IEC61850 标 准 的 传 统 水 电 站 智 能 化 改 造 关 键 技 术 研 究 [J]. 华 电 技 术,2012,34(12):21-24. [10] 韩 桂 芬, 袁 宁 平.IEC61850 与 智 能 化 水 电 站 [J]. 水 电 厂 自 动 化,2011,32(1):9-13. Intelligent reformation of automation system of hydropower plant Wen Zhengguo 1,Jiang Xiangdong 2,Zhang Yi 1 (1. Beijing IWHR Technology C0.,Ltd.,Beijing 100038,China; 2. Baishan hydropower plant,jilin Province 132400,China) Abstract: Based on the current status of intelligent reformation of hydropower plant automation system, this paper analyzes the main reformation patterns and problems. From several aspects, such as data model objectification, data exchange standardization, control application integration and advanced applications intelligentization, this paper gives the analysis about intelligent reformation of automation system, puts forward to carry out the ideas and opinions about intelligent reformation in the current reality. Key words: Automation of hydropower plant; intelligent reformation; IEC61850
中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 第 十 二 届 青 年 学 术 交 流 会 浅 谈 水 电 厂 自 动 化 系 统 的 智 能 化 改 造 文 正 国 1, 姜 相 东 2, 张 毅 1. 北 京 中 水 科 水 电 科 技 开 发 有 限 公 司, 北 京,100038 2. 白 山 发 电 厂, 吉 林 省 吉 林 市,132400 1 摘 要 针 对 当 前 水 电 厂 自 动 化 系 统 的 智 能 化 改 造 现 状, 分 析 了 主 要 的 改 造 模 式 及 存 在 的 问 题 本 文 从 水 电 厂 数 据 模 型 的 对 象 化 数 据 交 互 的 标 准 化 管 控 应 用 的 一 体 化 和 高 级 应 用 的 智 能 化 等 几 方 面 对 智 能 化 改 造 进 行 了 分 析 和 阐 述, 提 出 了 在 当 前 现 实 情 况 下 开 展 智 能 化 改 造 的 思 路 和 看 法 关 键 词 水 电 厂 自 动 化 ; 智 能 化 改 造 ;IEC61850 文 正 国 文 正 国 (1975-), 男, 高 级 工 程 师, 主 要 从 事 水 电 厂 计 算 机 监 控 系 统 技 术 的 研 究 与 开 发 Email: jkwenzg@iwhr.com 注 : 论 文 已 发 表 于 水 电 站 机 电 技 术 期 刊 37 卷 3 期 (7 ~ 8 页 )