中小水电站智能化调研报告.

中小水电站智能化调研报告

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，本项目将水电厂智能化技术发展动态作为跟踪调研的重点。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，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。

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。

2、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（2015年度）》。为各学科的科学、健康及可持续发展，为保持在国内学科建设和发展的领先地位，并为在2020年建设成世界一流的水利水电科学研究提供技术支持。

3、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。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。

3.2 本项目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；

(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。

3.2.5 水电厂智能化关键技术研究

南瑞集团水利水电技术分公司承担的“水电厂智能化关键技术研究与应用”项目通过中国电机工程学会科技鉴定。专家组一致认为该项研究成果创新显著，实现了标准化设计与研发、系统的集成创新和商业化应用，总体技术达到国际领先水平。

水电厂智能化关键技术研究应用以一体化管控平台为核心，以智能设备为基础，以厂网协调发展的“无人值班”（少人值守）模式为基本要求，可自动完成信息采集、测量、控制等基本功能，实现水电厂各自动化或信息化系统的整合，支持经济运行、水坝安全监测与评估、防汛决策支持等高级应用。

截止目前，项目成果已在白山、松江河水电厂成功应用。通过该项目的研究，完善了传统水电厂业务系统，进一步提升了水电厂运行水平，改善了管控模式，提高了运营效率，同时还将统筹水电联调、加强厂网协调，进一步促进电网安全，提高水电厂综合效益。蓄电池测试仪武汉中试高测电气有限公司，国家电网指定品牌。

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。

参考文献

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