抽水蓄能电站控制智能化发展的探讨

周佩锋 朱冬 姜泽界 朱中山 叶林

摘  要：依托现代抽水蓄能电站控制智能化技术发展的趋势，对以工业4.0为基础的采集前端智能化、数据传送和处理方式、统一的硬件平台、电站设备集中监控及大数据应用等方向进行可行性的研究与探讨，通过对比目前应用范围与方式较为广泛的控制系统应用环境和结构框架，提出差异化及其优劣势，展示更高水准的技术理念，为未来发展方向提供合理化建议。

关键词：抽水蓄能;前端智能化;数据传输方法;统一硬件平台;集中监控;大数据应用

中图分类号：TP39       文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）06-0151-04

Discussion on Control Intelligent Development of Pumped Storage Power Station

ZHOU Peifeng1， ZHU Dong2， JIANG Zejie1， ZHU Zhongshan1， YE Lin1

（1.East China Tianhuangping Pumped Storage Co.， Ltd.， Huzhou  313302， China; 2.Shanghai Minghua Electric Power Technology Co.， Ltd.， Shanghai  200090， China）

Abstract： Relying on the development trend of modern pump storage power station control intelligent technology， based on industrial 4.0， this paper researches and discusses the feasibility of collection front-end intelligent， data transmission and processing mode， unified hardware platform， power station equipment centralized monitoring and big data application direction. By comparing the current More extensive application scope and mode of control system application environment and structure framework， it puts forward differentiation and its advantages and disadvantages， and shows the technical concept of higher level， provides reasonable suggestions for the future development direction.

Keywords： pumped storage; front-end intelligence; data transmission method; unified hardware platform; centralized monitoring; big data application

0  引  言

华东天荒坪抽水蓄能电站自1997年首台机组投产以来对于华东电网的安全、稳定运行做出了不凡的贡献，也创造了可观的经济效益。全站采用计算机全监控方式，由多功能处理器集成的現地控制单元LCU组成，主要功能包括过程数据采集处理、逻辑处理、顺序控制等，是整个监控系统的核心单元，也是电站设备正常运行的中枢神经。

然而随着时间推移，电子模件、器件及连接件逐渐暴露出的随机故障事件时有发生，系统运行不稳定，软、硬件设备的老化等诸多问题频繁出现。电站寄希望于通过升级改造的方式，在工业4.0和互联网技术的相互推动下，实现电站全智能化水平的进一步提高。为实现智能化目标，需在以工业4.0信息系统和物理系统深度融合这一核心理念的基础上，依托人工智能、物联网、大数据、云计算等一系列技术手段，形成一套完整的包含了采集、传输、整合处理、计算判断、存储等环节的闭环控制流程[1-6]。本文将以此为方向，展开相关内容的可行性研究与设计。

1  以工业4.0为基础的采集前端智能化

毫无疑问，工业4.0和互联网技术将在产业转型，能源结构调整中发挥作用、影响电站生产过程，促进了大数据分析应用发展以及与管理精准化，而实现智能化首先应解决的工业4.0中的最前端的技术-信息物理系统（cyber physical system， CPS）。

所谓物理信息系统是计算进程和物理进程的整合集成，采用嵌入式计算和通信设备对过程进行监测和控制。从自动化技术的角度看，信息物理系统是通过嵌入智能元件，集感知、采集、计算、通信和控制于一体的监控前端设备或元件组成的系统。

对智能电站而言，对这类智能前端设备，除了常规的监控要求外，或许还希望拥有与产品全生命周期有关的出厂信息（包括图纸和资料）、运行过程设备的健康信息，维修信息和寿命以及与运行环境相关的信息，这可能要求前端设备的具备数据存储、处理和通信（传输）包括实时的、图像（视频）的、文字及图表等结构型和非结构型数据。大体如图1所示。

前端设备的数据传输可包括了结构型实时数据和非结构型实时或非实时数据，采用插件方式，用不同通信技术，可分别处理和传输前端设备所采集的不同类型的数据。

在目前抽水蓄能实时监控方面，前端数据采集还是停留在常规过程参数的实时采集，而对智能化安全运行而言，除了这些参数本身外，其动态变化是设备运行过程中值得关注的，它反映了设备安全运行的状况和变化趋势，预示可能发生的事件，如：

反映参数在一定时间内的平均变化率：

dp/dt=p2-p1 （1）

反映参数在一定时间内变化的快慢程度：

d2p/dt2= dp2/dt2-dp1/dt1（2）

其中“p2”为“t2”时刻的数据，“p1”为“t1”时刻的数据;且t2≥t1。

假设在采集端增加智能化芯片进行数据的数学计算和处理功能，对采集数据进行初步运算直接获取参数的变化率和变化的速度，就目前的技术而言是不难实现的，唯一的要求是必须根据参数的物理特征确定p2和p1采样点间的时间间隔，对不同的参数允许设置可调整的采样间隔。按照机组或设备的稳态或暂态过程和不同工况，自动选择采样间隔，并可根据制造厂商要求或运行经验允许在线调整，设定告警值，计算数据超限的次数。

同样，对于电动或气动设备，在原有设备内以嵌入智能模块方式，除常规的数据采集外，采集端的智能化可以记录阀门开启和关闭所需的时间，开启/关闭次数、阀门开启关闭时电气或液压参数，通过与正常运行（设计）的参数比较，对设备故障类型、进行预警、预判和定位。

采集前端智能化能扩大并补充了设备监控的基础数据，数据的积累和提炼可用于机组或设备在不同工况、稳态和暂态运行条件下安全边界的设置，为真正实现无人值班、为未来大数据处理和分析和加工、为电站管理的精准化奠定基础。

2  数据传送方式和数据处理

目前各电站大都采用传统的通信规约进行数据传输，而国外推出的面向对象技术手段（如IEC61850），采用了面向对象建模、可扩展的架构，将通信传输方式从原来的面向数据转变到面向对象[7]。

对于IEC61850，目前国内变电站和水电站都有应用实例，单纯从对象建模概念发散性进行理解，电站的监控对象除温度、压力、流量、液位、电流、电压等二次监测元件外，机械类主要有泵、阀门（挡板）、压缩机、马达等。电气类主要有断路器、闸刀、变压器、避雷器等，系统则包括了LCU、励磁、调速器、同期装置、继电保护及辅助控制系统等。在IEC61850标准的框架下，如何细分、归纳、定义和规范公共数据类CDC（Common Data Class）、逻辑节点类LN（Logical Node、数据对象DO（Data Object）以及智能电子设备IED（Intelligent Electric Device）是应用好IEC61850面向对象建模的关键[8]。

若采用面向对象的建模方式，规范系统/设备/元件的传送信息表，一旦监测内容和要求发生变化，可采用改变设备/元件建模模型改变该设备/元件的传输信息。设想若LCU层与操作监视层的网络也采用类似面向对象的数据传输方式，以类似电视机扫描频道的方式，将每个对象的变化同步传输映射到数据库和画面，可减少前端采集设备变化对数据库和画面修改的工作量，简化电站监控系统维护工作。

面向对象通信设计为智能化前端技术的发展提供了思路，在设备建模合理、网络传输规范、系统可扩的前提下，随着应用的增加，这种技术将逐步地被用户接纳，提升其通用性。

3  统一硬件平台

目前工业应用的计算机微处理监控设备/装置一般都由以下部分组成：（1）控制处理单元;（2）通信单元;（3）操作监视单元;（4）I/O接口单元;（5）电源单元。

除各系统电源单元容量（可采用叠加方式增加容量）不同外，各种类型的微机装置主要差别在于I/O接口单元，其按被控对象监控分快速和一般数据采集处理，如励磁、SFC、继电保护、设备状态监测和故障录波等大致应采用快速采集处理方式、其他均可归类到一般处方式。目前国外一些知名控制设备厂家相继推出了基于统一硬件平台的系列产品，采用同一设计、同一配置、同一规格尺寸的硬件平台，根据不同被控对象，调整采样速率，配置和下装不同的软件满足设备监控的要求。统一硬件平台的最大好处在于硬件设计制造和软件开发的分离，通过这种方式可以实现硬件设计制造的标准化、精细化，而硬件平台的规范也有利于软件的开发和升级，同时对用户而言统一硬件平台的应用可以大大减少电站模块备品的种类，便于维护和管理。在硬件性能逐步改善、价格逐步下降的今天，是否可按照应用要求，配置快速和一般采集处理这两类模块，统一硬件平台，通过软件配置和下装不同的软件，来满足不同系统、设备的监控应用的数据采集处理要求。

4  电站设备集中监控

与火电不同的是，目前抽水蓄能电站实时监控仍以LCU为主，PLC为辅的方式，一些重要设备或子系统往往采用厂家配备的PLC，尽管有许多子系统与监控系统采用通信方式及硬布线互补方式进行数据交换，由于这些独立系统与LCU在采集周期、数据处理、通信时间以及时标处理上的差异，因此在机组或电站层面的数据分析，往往需要借助其他高速数据采集装置和平台[9]。

就目前监控手段和技术而言，扁平化的统一监控平台是完全可行的，如火电已将汽机控制系统等一些重要辅机控制系统移植到机组或电站DCS监控平台，对一些具备知识产权保护的应用，可采用厂家提供软件包的方式，统一在一个平台运行，达到集中监控的目的。

统一集中监控是开展大数据应用的基础，有了统一监控，集团公司可以整合利用各电站的平台数据，研究和了解数据间的相关特性，开展数据高级的分析和应用工作。

5  大数据应用

目前国内抽水蓄能无论是规模还是技术经验上都在世界领先地位，不同类型，不同转速，不同水头运行数据的积累将给设计制造及学术研究提供了基础数据平台，随着不断的积累，在数据收集、处理，研究、提炼的基础上，将其转化为图表参数、数据，经验公式，形成技术专利，为未来设计、制造、研发提供参考，对国内乃至世界抽水蓄能行业的技术发展至关重要。

同时将设计、运行、检修参数结合时间参数引入大数据应用，对机组设备诞生起引入资产全寿命周期管理理念，通過与设计、制造、安装及试验等参数的比较，改变电站资产管理的方式，提升管理效能，同时验证设计等参数的合理性。

6  智能化电站与电站监控技术指标的对比优势

电站的智能化相较于传统电站监控系统而言，在数据监控的各个环节各个方面均需要有着定性与定量的显著优势。以下表1根据几个主要考量的技术性指标，对比其在应用层面的差异性。

7  电站智能化发展的建议

智能电站的建立需要依托于先进的传感和测量技术、高度化集成、可靠的软硬件平台以及高速、稳定的网络技术，同时又需要配备具有强大分析处理能力的后台数据库。抽水蓄能电站从工艺流程上看需作为一个整体系统进行考虑，因此上述软、硬件技术指标的性能要求作为智能化电站强有力的技术支撑其实是缺一不可的，否则极有可能会因为产生短板效应而无法达到理想的效果。

同时针对新建电站或技改原有电站需区别对待。新建电站可通过初期统一规划设计，将智能化设备、智能化仪表、智能化平台在可研初期就行整体考虑，较为容易实现。而已经投产的电站则需考虑相应的整改难度，利旧与否、升级与否，是整体优化还是局部更新，都必须根据电站本身的实际情况进行深入细致的可行性分析和研究。

目前国内部分企业已对IEC61850及统一硬件平台等课题开展了研究和应用。面临国内能源战略的变化，能否针对抽水蓄能用户，打破行业壁垒，在原有研究和应用的基础上，顺应智能化的发展，整合各方优势，在广泛探讨和研究的基础上，提出总体解决方案，为应对和挑战未来智能化抽水蓄能产业未雨绸缪。

8  结  论

服务于电网的抽水蓄能要求以安全、可靠、灵活的方式来应对电网需求的变化，可以想象，智能前端的开发，将从数据源头增加未来智能开发的可能;面向对象通信方式的变革，对未来智能化前端技术持续发展，对监控系统服务和维护意义重大，而统一平台，将为电站的集中监控，为大数据应用提供统一平台。然而电站监控是智能化是一个复杂而又庞大的系统工程，除了需要技术创新外，更重要的是需要统一的规划设计及强大的决策和执行力。

参考文献：

[1] 彭志强，闵峥，朱辰，等.基于IEC 61850的智能水电厂建设关键技术分析 [J].水电厂自动化，2012（1）：1-3，8.

[2] 杜宇，陈一靓，焦邵华，等.基于IEC61850-7-410的智能水电监控系统建模 [J].水电厂自动化，2015（2）：62-65.

[3] 姜海军，吴正义，汪军，等.抽水蓄能电站计算机监控技术发展与展望 [J].水电厂自动化，2013（3）：6-10.

[4] 刘晓波，张毅，赵勇飞.大型抽水蓄能电站自动控制技术动态跟踪调研 [J].水电站机电技术，2016，39（2）：32-36.

[5] 温柳，朱静华，姜海军，等.抽水蓄能电站监控系统的结构模式和机组控制策略研究 [J].电子测试，2015（4）：7-8.

[6] 陈世和，张曦.基于工业4.0的智能电站控制技术 [J].自动化博览，2015（9）：42-50.

[7] 金和平，潘建初.大型水利水电工程工业4.0应用及展望 [C]//中国水力发电工程学会信息化专委会、水电控制设备专委会2015年学术交流会论文集，2015：230-237.

[8] 李莉，魏伟，李帆，等.工业4.0在电能智能计量系统中的应用展望 [J].仪表技术，2016（11）：32-36.

[9] 缪学勤.工业4.0推动机电一体化走向智能技术系统 [J].自动化仪表，2016，37（1）：1-5+8.

作者简介：周佩锋（1980—），男，汉族，浙江青田人，电站专工，工程师，本科，主要研究方向：电气自动化;朱冬（1985—），男，汉族，江苏江阴人，项目经理，工程师，硕士，主要研究方向：电力系统及其自动化;姜泽界（1981—），男，汉族，甘肃会宁人，电站专工，高级工程师，本科，主要研究方向：水动;朱中山（1972—），男，汉族，湖南汝城人，电站专工，高级工程师，本科，主要研究方向：电气自动化;叶林（1979—），男，汉族，浙江杭州人，电站专工，工程师，本科，主要研究方向：電气自动化。

收稿日期：2022-02-11