水电厂智能化技术发展动态调研

张毅

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

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，南方电网制定了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，我们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30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，目前我们正在开展智能化水电厂建设方面的研究工作，为本次调研工作提供了良好基础，希望我们的跟踪调研工作能对国内智能水电厂建设有所裨益。

2 水电厂智能化技术调研的意义

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、数据模型及系统间互动等方面均亟需进一步研究明确，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、保护测控、状态检修、水情水调及优化调度经济运行等自动化系统智能化研究的展开。

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，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，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，同时通过对新技术的调研和分析，为本专业技术研究和系统开发提供技术参考。

3 近年水电厂智能化自动化技术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规约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》，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，初步统计我国已有近百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，国内水电厂计算机监控系统的主要研发企业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，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稳定与经济运行水平，研究自动控制系统智能化关键技术，实现各系统之间的无缝连接，通过建立一体化系统信息平台，实现数据共享与互动，提高系统之间的智能协调与安全运行水平，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，并最终实现智能决策、优化运行，有效发挥水利水电工程经济效益的智能化应用目标。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、保护测控、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。

3.2 发展的新方向和值得关注点

经过三十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 monitoringand control。智能化、数字化代表了自动化系统未来发展方向。

智能水电厂通过采用先进的传感器、电子、信息、通信、控制、智能分析决策等技术，建立全厂统一的信息采集、传输、分析、处理的一体化数据平台，实现自动化功能的整合，简化现有的水电厂监测设备，系统更为经济、可靠。保护、监控、监测、录波、计量等自动化装置或功能可通过过程层网络实现与同一套合并单元和智能化的一次设备接口，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。

目前还没有严格的有关智能化水电厂的定义，但已有基本共识，智能化水电厂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，通过建立全厂统一的一体化系统信息平台，实现设备间充分的信息共享和互操作。

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较多且较为复杂，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、统一的数据模型和服务模型，代表了当今这个领域技术发展的方向，值得深入研究。

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，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的全厂统一数据平台，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。

在当前条件下，我们认为智能化水电厂研究的主要内容和方向如下：

（1）在深入研究和分析IEC61850、IEC61970等标准体系、建模原则以及智能化水电厂站控层、间隔（LCU）层、过程层三层结构的基础上，开展智能化自动控制系统总体设计研究工作；

（2）智能化水电厂系统数据模型和接口全部基于IEC61850标准设计和开发，常规功能装置重复的I/O现场接口和硬连线将逐步减少，有必要进行智能化水电厂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研究；

（3）遵循IEC61850、IEC61970等开放协议标准，开展智能化自动控制系统的统一数据模型的设计与开发，组建水电厂全厂统一数据平台，实现各个智能设备无缝接入与互动；

（4）通过统一数据模型、数模一体化、标准化、即插即用通信接口、开放高级应用、互插式图形与人机联系、GIS技术融合等关键技术研究，开发完成新一代水电厂自动控制系统平台；

（5）开展符合IEC61850标准的监控、保护等系统及测控二次智能设备仪表研制（智能SOE装置，交流采样装置、智能温度巡检仪等），以满足水电站智能化建设的要求。

4 水电厂智能化建设的建议

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，且各自动化设备和系统间接口复杂，数据结构模型难以相互兼容，不同厂家设备或系统间的互操作性更难以实现，同时由于缺少统一的接口标准和数据结构模型，无法从根本上解决信息化孤岛问题，对水电厂生产管理和自动化水平的进一步提高形成制约。开展智能化研究，建设信息统一数据平台，实现信息资源整合共享，集中管理并综合运用的需求越来越强烈，智能化已成为今后水电厂自动化技术发展的必然趋势。

水电厂智能化建设，涉及生产、运行、维护管理等，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，这些系统通过全厂一体化的数据平台有机互联，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。

智能水电厂自动化系统应实现计算机监控系统对IEC61850标准的全面支持，站控层和间隔层采用IEC61850-8-1通信。PLC采用支持IEC61850的PLC，除采集常规信号外，还应具备接入电子式PT/CT和智能开关控制器的能力。

鉴于目前数字化传感器和智能开关组件尚不成熟和稳定，技术尚待完善，目前智能水电厂一次设备一般不进行更换，仍采用传统一次设备和常规的PT/CT，为与未来技术水平的发展相适应，当需接入电子式互感器、合并单元时，系统应采用三层结构，在站控层和间隔层之外，增加过程层设备，站控层和间隔层采用IEC61850-8-1通信，间隔层设备（包括机组LCU、开关站LCU、公用LCU）可接收来自合并单元的数据，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。并根据实际需要配置过程层设备，包括支持IEC61850的光纤以太网交换机。

因站控层网络全面支持IEC61850-8-1通信规约，此时，除可采用IEC61850网关的方式外，站控层网络还将提供支持IEC61850的IED设备和系统的直接接入。与支持IEC61850的IED设备通过IEC61850-8-1进行通信，实现对数字化保护和测控装置的数据采集和控制。系统结构图如图1所示。

图1 水电厂智能化系统结构图

综上所述，智能水电厂以信息化、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，并满足智能电网的发展需要。

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