中小水電站智能化調(diào)研報告

1、中小水電站智能化調(diào)研報告1、調(diào)研背景概述隨著技術進步和全球新能源、分布式能源的發(fā)展，智能電網(wǎng)已成為未來世界電力系統(tǒng) 發(fā)展的方向，為滿足未來能源發(fā)展的需要，2021 年國家電網(wǎng)公司專門制定了“統(tǒng)一堅強 智能電網(wǎng)關鍵設備（系統(tǒng)）研制規(guī)劃”，提出了智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、 調(diào)度環(huán)節(jié)及通信信息平臺的關鍵設備分階段研制目標， 南方電網(wǎng)也在制定有關智能電網(wǎng) 的研發(fā)計劃，研制智能電網(wǎng)關鍵設備已成為當前電力系統(tǒng)技術發(fā)展的熱點和新方向。結合所從事的水利水電自動化專業(yè)領域和當前水電廠智能化建設的實際需求，本項目 將水電廠智能化技術發(fā)展動態(tài)作為跟蹤調(diào)研的重點。根據(jù)電力系統(tǒng)智能化發(fā)展趨勢，目前 正在開展

2、智能化水電廠建設方面的研究工作，著重反映研究方向、研發(fā)內(nèi)容、主要觀點和 重點課題/項目的進展及成果等。以反映學科發(fā)展動向和新技術信息。通過調(diào)研分析，歸納總結智能化水電廠建設方面的主要進展和成果，指出當前國際具 有創(chuàng)新性、前沿性及前瞻性的成果和值得關注的新動向等，并分析在我國深入（推廣）研 究及應用的前景，同時對新技術要進行適當?shù)氖袌龇治觥?、調(diào)研的原因、必要性及意義水電廠智能化建設，代表了當前國際水利水電自動化技術的發(fā)展方向。由于國內(nèi)外在 智能化水電廠自動化技術方面的研究剛剛起步，智能水電廠的概念、目標、功能、系統(tǒng)配 置及系統(tǒng)間互動等方面均亟需進一步研究，目前開展水電廠智能化技術發(fā)展動態(tài)跟蹤調(diào)

3、研， 有利于推動水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)、機組狀態(tài)檢修、經(jīng)濟運行等方面智能化研究的展開。智能水電廠是智能電網(wǎng)的重要組成部分， 但又與智能電網(wǎng)關注的重點不同， 智能水 電廠的總體目標應該是通過智能化建設，進一步提高水電廠生產(chǎn)管理和設備的安全運行水 平，實現(xiàn)全廠各系統(tǒng)之間的無縫連接與互操作，進一步提高機組的可觀性、可控性和可調(diào) 性，提升電網(wǎng)與電廠之間的智能協(xié)調(diào)水平，提高全廠設備故障診斷與優(yōu)化運行的智能化水 平，并最終提高水電廠的經(jīng)濟效益。另外，隨著智能電網(wǎng)關鍵設備研制工作的展開，國內(nèi)部分研究機構、設計院和水電廠 已開始智能水電廠建設的前期規(guī)劃設計和研究工作，但在智能化水電站建設方面還缺乏共 識，因此有

4、必要開展智能水電廠自動化技術調(diào)研，選擇智能水電廠自動化技術作為重點專 題進行調(diào)研主要意義包括：（1）通過開展智能水電廠自動化技術發(fā)展中熱點和重點問題的專題調(diào)研， 可以跟蹤 并全面、系統(tǒng)了解和掌握相關學科技術的國際發(fā)展態(tài)勢，對我國水利水電行業(yè)未來的發(fā)展 和增長點進行分析，為各級領導和相關部門提供具有前瞻性的咨詢意見或技術支撐。（2）通過對新技術的調(diào)研和市場分析，為本專業(yè)應用技術的發(fā)展和實現(xiàn)科研成果產(chǎn) 業(yè)化和市場化提供技術參考。為我國水利水電行業(yè)的技術發(fā)展和建設提供技術信息和咨詢 意見。（3）通過本專題的調(diào)研分析，歸納匯總編寫成國際水利水電科技發(fā)展動態(tài)調(diào)研報 告（2021 年度）。為各學科的科學、

5、健康及可持續(xù)發(fā)展，為保持在國內(nèi)學科建設和發(fā)展 的領先地位，并為在 2021 年建設成世界一流的水利水電科學研究提供技術支持。3、發(fā)展新動向和值得關注點 3.1 國內(nèi)外智能電網(wǎng)技術發(fā)展動態(tài)我國是統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)建設的倡導者，近年來，國家電網(wǎng)公司一直在努力打造以信 息化、自動化、互動化為特征的統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)。我國堅強智能電網(wǎng)是以特高壓電網(wǎng) 為骨干網(wǎng)架，采用先進的設備技術和控制方法，研制堅強智能電網(wǎng)關鍵設備（系統(tǒng)），實 現(xiàn)電網(wǎng)的安全、高效運行，以解決我國能源主要分布地與主要消費地不一致和可再生能源 發(fā)展的問題。在智能電網(wǎng)建設初期，我國主要是對以電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)字化變電站為主的二次設備 進行更新。

6、智能電網(wǎng)是電力工業(yè)的未來發(fā)展方向，已在國內(nèi)外形成共識。 目前智能電網(wǎng) 建設已在變電環(huán)節(jié)獲得較大進展，主要技術問題已基本解決，智能化數(shù)字化變電站將成為 新建變電站的主流。而智能化建設在發(fā)電領域還處于剛剛起步階段，主要是因為發(fā)電環(huán)節(jié) 涉及的設備與系統(tǒng)更多更復雜，技術標準與規(guī)范還需完善，智能化建設遇到的問題技術難 度較大。從 2021 年 IEC 正式發(fā)布 IEC61850 以來，ABB、SIEMENS、AREVA、GE 等國外主要公司 都推出了支持 IEC61850 標準的新一代變電站自動化系統(tǒng)。并在 2021 年 8 月就組織了 13 個廠商進行 IEC61850 產(chǎn)品的互聯(lián)展示。目前已經(jīng)形成了

7、一個完整的產(chǎn)業(yè)鏈。IEC61850 標準在我國等同引用為國內(nèi)電力行業(yè)標準（DL/T860 系列），并制定了相應 的DL/T860 工程實施規(guī)范，中國電力科學研究院、國網(wǎng)電力科學研究院、許繼、國電 南自、北京四方等均較早開展了智能電網(wǎng)技術的研究和設備研制工作。從 2021 年起，國 調(diào)中心組織國內(nèi) 10 個主要廠家和檢測單位成功進行了 6 次 IEC61850 互操作實驗，實現(xiàn)不 同廠家的 IED 之間的信息交換與功能互動。 在數(shù)字化變電站建設上，初步統(tǒng)計我國已有 70 余座數(shù)字化變電站投入運行， 并在間隔層、變電站層等二次設備和系統(tǒng)上取得了較大的技術進步，在電子式互感器與智 能化開關等需同時具

8、備一、 二次設備技術的過程層與國外仍有較大差距， 可靠性方面等 還有待進一步驗證與完善。在發(fā)電環(huán)節(jié)，隨著計算機監(jiān)控、保護測控、機組狀態(tài)監(jiān)測等自動化系統(tǒng)的廣泛應用， 為智能化建設打好了良好的基礎，但有關研究工作還處于剛剛起步階段。國內(nèi)水電站計算 機監(jiān)控系統(tǒng)的主要研發(fā)企業(yè)北京中水科水電科技開發(fā)有限公司和南京南瑞集團公司均開展 了相關的研究開發(fā)工作，另外成都勘測設計研究院、西北勘測設計研究院、東北勘測設計研究院等設計單位和白山電廠、葛洲壩電廠等發(fā)電企業(yè)均開展了智能化水電站的規(guī)劃設計 工作。 由于目前水電站智能化建設技術標準與規(guī)范還不夠完善，技術發(fā)展方向還缺乏共 識，同時缺少適合水電廠的大量一次智能設

9、備，這些都決定了開展發(fā)電環(huán)節(jié)智能化建設， 研制關鍵設備和系統(tǒng)將需要一個相當長的時期。綜合調(diào)研情況分析，在適合水電廠的一次智能設備難以獲得突破的情況下， 水電廠 智能化建設研究，研制發(fā)電環(huán)節(jié)智能化建設關鍵設備和系統(tǒng)，應將重點放在提升發(fā)電站的 安全穩(wěn)定與經(jīng)濟運行水平、提高機組的可觀可控可調(diào)性，實現(xiàn)并網(wǎng)接入快速化、安全化、 標準化和智能化方面，以強化電廠對電網(wǎng)的支撐能力， 提升電網(wǎng)與發(fā)電廠智能協(xié)調(diào)水平。 在智能化水電廠自動化系統(tǒng)建設方面，重點是進行水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)、水電機組狀態(tài) 檢修、梯級水電站群經(jīng)濟運行等二次 系統(tǒng)的智能化研究。3.2 本項目發(fā)展的新方向和值得關注點3.2.1 水電廠計算機監(jiān)控

10、系統(tǒng)智能化發(fā)展趨勢及研究內(nèi)容經(jīng)過 20 多年的發(fā)展和技術進步，基于計算機監(jiān)控系統(tǒng)的綜合自動化系統(tǒng)在水電廠獲 得了廣泛應用，顯著提高了水電廠自動化水平及安全運行水平。但由于缺少統(tǒng)一的接口標 準和數(shù)據(jù)結構模型，使得各自動化設備和系統(tǒng)間接口復雜，難以相互兼容與互操作，為實 現(xiàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享帶來困難。對水電廠生產(chǎn)管理和自動化系統(tǒng)技術發(fā)展產(chǎn)生了 不利的影響。國際電工委員會第 57 技術委員會 (IECTC57) 制定了有關自動化系統(tǒng)通信的國際標準 IEC61850，目前新標準已改名為電力企業(yè)自動化通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)，并將 IEC 61850 標 準推廣 應用于水電廠自動化，并正式出版發(fā)行了水電廠監(jiān)

11、控通信標準 IEC61850-7-410 ： Hydroelectric power plants - Communication for monitoring and control 。智能化、 數(shù)字化代表了自動化系統(tǒng)未來發(fā)展方向。雖然目前還沒有嚴格的有關智能化水電站的定義， 但已有基本共識，智能化水電站 是指在硬 件上由智能化一次設備（電子式互感器、智能化開關等）和網(wǎng)絡化、數(shù)字化的 二次設備組成；軟件上以 IEC61850 標準作為通信協(xié)議，實現(xiàn)設備間充分的信息共享和互 操作。隨著技術的發(fā)展，電子式電流電壓互感器、智能化開關等各種一次智能化設備的完善， 最終 從技術層面實現(xiàn)全數(shù)字化的智能水

12、電廠是可能的。在全數(shù)字化的智能化水電廠，各 種智能設備均遵循 IEC61850 標準，所有數(shù)據(jù)均具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結構并按標準的通信協(xié)議 互聯(lián)，保證了站內(nèi)的各個智能設備之間具有良好的互操作性，同時因采用智能化的一次設 備，網(wǎng)絡化、數(shù)字化的二次設備，數(shù)據(jù)的采集、傳輸和設備控制均基于光纖，節(jié)約了大量 二次電纜，并可徹底解決電站抗干 擾問題，提高系統(tǒng)設計、施工效率，從而減少電站投 資。綜上，當前條件智能化水電廠研究的主要內(nèi)容和方向如下：(1) 深入研究和分析 IEC61850 標準體系，建模原則，以及完全的智能化水電廠站控 層、間 隔(LCU)層、過程層 3 層結構；(2) 新型一次設備使用了電子電路，

13、改變了傳統(tǒng)設備的結構，有必要對一次設備的可 靠性、 穩(wěn)定性以及使用壽命進行研究；(3) 二次設備數(shù)據(jù)和接口全部基于 IEC61850 標準設計和開發(fā)，不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝 置重復 的 I/O 現(xiàn)場接口，有必要進行智能化水電站綜合自動化系統(tǒng)設計原則、總體結構、 實時性、可 靠性、穩(wěn)定性及電磁兼容性等進行研究；(4) 智能化水電站智能設備組網(wǎng)原則、網(wǎng)絡結構，交換功能、網(wǎng)絡性能的研究，推動 一次設 備智能化，二次設備網(wǎng)絡化、數(shù)字化，實現(xiàn)水電廠各種智能設備間數(shù)據(jù)結構和通 信傳輸協(xié)議的統(tǒng) 一，保證站內(nèi)的各個智能設備之間具有良好的互操作性；(5) 智能化水電站虛端子的出現(xiàn)使二次設計輸出端子接線圖形式將發(fā)生變

14、化，有必要 開展設 計規(guī)程的研究；(6) 智能化水電站設備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡通信，已經(jīng)沒有硬連線，有必 要開展 檢測方法和運行規(guī)程研究，并開發(fā)相應的檢測維護工具，如虛端子探測器等；(7) 開展符合 IEC61850 標準的監(jiān)控、保護等系統(tǒng)及測控二次設備的研制開發(fā)，以滿 足智能 化水電站的要求。3.2.2 狀態(tài)檢修系統(tǒng)智能化實施機組故障診斷狀態(tài)檢修決策自動化系統(tǒng)是建設智能水電廠的主要目標之一。近年來，狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術在國外發(fā)展迅速，特別是在在線監(jiān)測、網(wǎng)絡技術與 遠程訪問等方面進步明顯。但由于水電廠現(xiàn)場設備眾多、各類故障原因復雜，故障診斷、 設備狀態(tài)評估等技術還存在一些不確定性，需

15、要在實踐中不斷完善， 實現(xiàn)水電廠設備的 故障診斷與狀態(tài)檢修是當前智能水電廠建設的主要研究內(nèi)容。從水電行業(yè)發(fā)展來看，設備狀態(tài)檢修代替定期檢修是發(fā)展的必然趨勢，但需經(jīng)歷一個 逐步發(fā)展完善的過程。在這個過程中，狀態(tài)檢修還不能完全取代定期檢修方式，而是形成 一套融故障檢修、定期檢修和狀態(tài)檢修為一體的優(yōu)化檢修方式。同時，要實現(xiàn)真正的狀態(tài) 檢修，僅有技術支持系統(tǒng)是不夠的，還需要水電廠整體水平的提升，包括高素質(zhì)的管理人 員、健全的設備管理體制、先進的配套設備與技術等。目前水電廠狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)涉及的設備及子系統(tǒng)眾多，且多來自不同的廠家， 亟需通過智能化建設，采用開放的通信規(guī)約、統(tǒng)一的技術標準與數(shù)據(jù)模型

16、，使系統(tǒng)各個部 分之間能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡化的無縫通信，最終實現(xiàn)“即插即用”的環(huán)境，為最終實現(xiàn)水電廠設 備的故障診斷與狀態(tài)檢修創(chuàng)造技術條件。水電廠狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)正向全廠聯(lián)網(wǎng)與建立遠方診斷中心的方向發(fā)展， 智 能水電廠 狀態(tài)檢修決策系統(tǒng)結構一般采用分層分布式結構，系統(tǒng)由電站監(jiān)測層中心診 斷層用戶訪問層組成。電站監(jiān)測層由站級數(shù)據(jù)服務器和機組監(jiān)測設備組成。站級數(shù)據(jù)服務器用于監(jiān)測、存儲 各電站機組的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并向中心診斷層發(fā)送設備狀態(tài)數(shù)據(jù)。其中機組監(jiān)測設備包括在線 監(jiān)測設備和離線設備。在線監(jiān)測設備由多個監(jiān)測模塊組成，其監(jiān)測范圍涵蓋機組振動與擺 度、壓力脈動、噪聲、空化、機組效率、發(fā)電機氣隙、發(fā)電機局部放電、變壓器油色譜、 GIS 局部放電等。中心診斷層是系統(tǒng)的核心， 主要負責監(jiān)測設備日常維護、日常監(jiān)測與報告， 簡單故 障分析等；進行故障診斷、