中小水電站智能化調(diào)研報(bào)告

中小水電站智能化調(diào)研報(bào)告1、 調(diào)研背景概述隨著技術(shù)進(jìn)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(lái)世界電力系統(tǒng)發(fā)展的方向，為滿足未來(lái)能源發(fā)展的需要，2021年國(guó)家電網(wǎng)公司專門(mén)制定了“統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)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(tái)的關(guān)鍵設(shè)備分階段研制目標(biāo)，南方電網(wǎng)也在制定有關(guān)智能電網(wǎng)的研發(fā)計(jì)劃，研制智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備已成為當(dāng)前電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)和新方向。結(jié)合所從事的水利水電口動(dòng)化專業(yè)領(lǐng)域和當(dāng)前水電廠智能化建設(shè)的實(shí)際需求，本項(xiàng)目將水電廠智能化技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)作為跟蹤調(diào)研的重點(diǎn)。根據(jù)電力系統(tǒng)智能化發(fā)展趨勢(shì)，目前正在開(kāi)展智能化水電廠建設(shè)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(diǎn)和重點(diǎn)課題/項(xiàng)目的進(jìn)展及成果等。以反映學(xué)科發(fā)展動(dòng)向和新技術(shù)信息。通過(guò)調(diào)研分析，歸納總結(jié)智能化水電廠建設(shè)方面的主要進(jìn)展和成果，指出當(dāng)前國(guó)際具有創(chuàng)新性、前沿性及前瞻性的成果和值得關(guān)注的新動(dòng)向等，并分析在我國(guó)深入（推廣）研究及應(yīng)用的前景，同時(shí)對(duì)新技術(shù)要進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)分析。2、 調(diào)研的原因、必要性及意義水電廠智能化建設(shè)，代表了當(dāng)前國(guó)際水利水電口動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向。由于國(guó)內(nèi)外在智能化水電廠口動(dòng)化技術(shù)方面的研究剛剛起步，智能水電廠的概念、目標(biāo)、功能、系統(tǒng)配置及系統(tǒng)間互動(dòng)等方面均亟需進(jìn)一步研究，目前開(kāi)展水電廠智能化技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)跟蹤調(diào)研,有利于推動(dòng)水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)組狀態(tài)檢修、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面智能化研究的展開(kāi)。智能水電廠是智能電網(wǎng)的重要組成部分，但乂與智能電網(wǎng)關(guān)注的重點(diǎn)不同，智能水電廠的總體目標(biāo)應(yīng)該是通過(guò)智能化建設(shè)，進(jìn)一步提高水電廠生產(chǎn)管理和設(shè)備的安全運(yùn)行水半，實(shí)現(xiàn)全廠各系統(tǒng)之間的無(wú)縫連接與互操作，進(jìn)一步提高機(jī)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(shè)備故障診斷與優(yōu)化運(yùn)行的智能化水平，并最終提高水電廠的經(jīng)濟(jì)效益。另外，隨著智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備研制工作的展開(kāi)，國(guó)內(nèi)部分研究機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)院和水電廠已開(kāi)始智能水電廠建設(shè)的前期規(guī)劃設(shè)計(jì)和研究工作，但在智能化水電站建設(shè)方面還缺乏共識(shí)，因此有必要開(kāi)展智能水電廠口動(dòng)化技術(shù)調(diào)研，選擇智能水電廠口動(dòng)化技術(shù)作為重點(diǎn)專題進(jìn)行調(diào)研主要意義包括：（1）通過(guò)開(kāi)展智能水電廠口動(dòng)化技術(shù)發(fā)展中熱點(diǎn)和重點(diǎn)問(wèn)題的專題調(diào)研，可以跟蹤并全面、系統(tǒng)了解和掌握相關(guān)學(xué)科技術(shù)的國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)，對(duì)我國(guó)水利水電行業(yè)未來(lái)的發(fā)展和增長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)行分析，為各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)部門(mén)提供具有前瞻性的咨詢意見(jiàn)或技術(shù)支撐。（2） 通過(guò)對(duì)新技術(shù)的調(diào)研和市場(chǎng)分析，為本專業(yè)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)科研成果產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化提供技術(shù)參考。為我國(guó)水利水電行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和建設(shè)提供技術(shù)信息和咨詢意見(jiàn)。（3） 通過(guò)本專題的調(diào)研分析，歸納匯總編寫(xiě)成《國(guó)際水利水電科技發(fā)展動(dòng)態(tài)調(diào)研報(bào)告（2021年度）》°為各學(xué)科的科學(xué)、健康及可持續(xù)發(fā)展，為保持在國(guó)內(nèi)學(xué)科建設(shè)和發(fā)展的領(lǐng)先地位，并為在2021年建設(shè)成世界一流的水利水電科學(xué)研究提供技術(shù)支持。3、發(fā)展新動(dòng)向和值得關(guān)注點(diǎn)3.1國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)我國(guó)是統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的但導(dǎo)者，近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司一直在努力打造以信息化、口動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，釆用先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)和控制方法，研制堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備（系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全、高效運(yùn)行，以解決我國(guó)能源主要分布地與主要消費(fèi)地不一致和可再生能源發(fā)展的問(wèn)題。在智能電網(wǎng)建設(shè)初期，我國(guó)主要是對(duì)以電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)字化變電站為主的二次設(shè)備進(jìn)行更新。智能電網(wǎng)是電力工業(yè)的未來(lái)發(fā)展方向，已在國(guó)內(nèi)外形成共識(shí)。目前智能電網(wǎng)建設(shè)已在變電環(huán)節(jié)獲得較大進(jìn)展，主要技術(shù)問(wèn)題己基本解決，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(shè)在發(fā)電領(lǐng)域還處于剛剛起步階段，主要是因?yàn)榘l(fā)電環(huán)節(jié)涉及的設(shè)備與系統(tǒng)更多更復(fù)雜，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范還需完善，智能化建設(shè)遇到的問(wèn)題技術(shù)難度較大。從2021年IEC正式發(fā)布IEC61850以來(lái)，ABB、SIEMENS.AREVA、GE等國(guó)外主要公司都推出了支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的新一代變電站口動(dòng)化系統(tǒng)。并在2021年8月就組織了13個(gè)廠商進(jìn)行IEC61850產(chǎn)品的互聯(lián)展示。目前已經(jīng)形成了一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)等同引用為國(guó)內(nèi)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DL/T860系列），并制定了相應(yīng)的WL/T860工程實(shí)施規(guī)范》，中國(guó)電力科學(xué)研究院、國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院、許繼、國(guó)電南自、北京四方等均較早開(kāi)展了智能電網(wǎng)技術(shù)的研究和設(shè)備研制工作。從2021年起，國(guó)調(diào)中心組織國(guó)內(nèi)10個(gè)主要廠家和檢測(cè)單位成功進(jìn)行了6次IEC61850互操作實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)不同廠家的IED之間的信息交換與功能互動(dòng)。在數(shù)字化變電站建設(shè)上，初步統(tǒng)計(jì)我國(guó)已有70余座數(shù)字化變電站投入運(yùn)行，并在間隔層、變電站層等二次設(shè)備和系統(tǒng)上取得了較大的技術(shù)進(jìn)步，在電子式互感器與智能化開(kāi)關(guān)等需同時(shí)具備一、二次設(shè)備技術(shù)的過(guò)程層與國(guó)外仍有較大差距，可靠性方面等還有待進(jìn)一步驗(yàn)證與完善。在發(fā)電環(huán)節(jié)，隨著計(jì)算機(jī)監(jiān)控、保護(hù)測(cè)控、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)等口動(dòng)化系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，為智能化建設(shè)打好了良好的基礎(chǔ)，但有關(guān)研究工作還處于剛剛起步階段。國(guó)內(nèi)水電站計(jì)算機(jī)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(kāi)發(fā)有限公可和南京南瑞集團(tuán)公司均開(kāi)展了相關(guān)的研究開(kāi)發(fā)工作，另外成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院等設(shè)計(jì)單位和白山電廠、葛洲壩電廠等發(fā)電企業(yè)均開(kāi)展了智能化水電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。由于目前水電站智能化建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范還不夠完善，技術(shù)發(fā)展方向還缺乏共識(shí)，同時(shí)缺少適合水電廠的大量一次智能設(shè)備，這些都決定了開(kāi)展發(fā)電環(huán)節(jié)智能化建設(shè)，研制關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)將需要一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期。綜合調(diào)研情況分析，在適合水電廠的一次智能設(shè)備難以獲得突破的情況下，水電廠智能化建設(shè)研究，研制發(fā)電環(huán)節(jié)智能化建設(shè)關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)，應(yīng)將重點(diǎn)放在提升發(fā)電站的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水半、提高機(jī)組的可觀可控可調(diào)性，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)接入快速化、安全化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化方面，以強(qiáng)化電廠對(duì)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。在智能化水電廠口動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)方面，重點(diǎn)是進(jìn)行水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、水電機(jī)組狀態(tài)檢修、梯級(jí)水電站群經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等二次系統(tǒng)的智能化研究。3.2本項(xiàng)目發(fā)展的新方向和值得關(guān)注點(diǎn)3.2.1水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)智能化發(fā)展趨勢(shì)及研究?jī)?nèi)容經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，基丁?計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的綜合口動(dòng)化系統(tǒng)在水電廠獲得了廣泛應(yīng)用，顯著提高了水電廠口動(dòng)化水平及安全運(yùn)行水半。但由于缺少統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，使得各口動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)間接口復(fù)雜，難以相互兼容與互操作，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享帶來(lái)困難。對(duì)水電廠生產(chǎn)管理和口動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生了不利的影響。國(guó)際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員會(huì)(IECTC57)制定了有關(guān)口動(dòng)化系統(tǒng)通信的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61850,目前新標(biāo)準(zhǔn)已改名為一電力企業(yè)口動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，并將IEC61850標(biāo)準(zhǔn)推廣應(yīng)用于水電廠口動(dòng)化，并正式出版發(fā)行了水電廠監(jiān)控通信標(biāo)準(zhǔn)IEC61850-7-410:Hydroelectricpowerplants—Communicationformonitoringandcontrol。智能化、數(shù)字化代表了自動(dòng)化系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展方向。雖然目前還沒(méi)有嚴(yán)格的有關(guān)智能化水電站的定義，但已有基本共識(shí)，智能化水電站是指在碩件上由智能化一次設(shè)備(電子式互感器、智能化開(kāi)關(guān)等)和網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的二次設(shè)備組成；軟件上以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)作為通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間充分的信息共享和互操作。隨著技術(shù)的發(fā)展，電子式電流電壓互感器、智能化開(kāi)關(guān)等各種一次智能化設(shè)備的完善,最終從技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的智能水電廠是可能的。在全數(shù)字化的智能化水電廠，各種智能設(shè)備均遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，所有數(shù)據(jù)均具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并按標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議互聯(lián)，保證了站內(nèi)的各個(gè)智能設(shè)備之間具有良好的互操作性，同時(shí)因采用智能化的一次設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的二次設(shè)備，數(shù)據(jù)的采集、傳輸和設(shè)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(wèn)題，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工效率，從而減少電站投資。綜上，當(dāng)前條件智能化水電廠研究的主要內(nèi)容和方向如下:深入研究和分析IEC61850標(biāo)準(zhǔn)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(guò)程層3層結(jié)構(gòu)；新型一次設(shè)備使用了電子電路，改變了傳統(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，有必要對(duì)一次設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性以及使用壽命進(jìn)行研究：二次設(shè)備數(shù)據(jù)和接口全部基于IEC61830標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的I/O現(xiàn)場(chǎng)接口，有必要進(jìn)行智能化水電站綜合口動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、總體結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)性、可靠性、穩(wěn)定性及電磁兼容性等進(jìn)行研究：智能化水電站智能設(shè)備組網(wǎng)原則、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，交換功能、網(wǎng)絡(luò)性能的研究，推動(dòng)一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)水電廠各種智能設(shè)備間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和通信傳輸協(xié)議的統(tǒng)一，保證站內(nèi)的各個(gè)智能設(shè)備之間具有良好的互操作性；智能化水電站虛端子的出現(xiàn)使二次設(shè)計(jì)輸出端子接線圖形式將發(fā)生變化，有必要開(kāi)展設(shè)計(jì)規(guī)程的研究；智能化水電站設(shè)備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信，已經(jīng)沒(méi)有碩連線，有必耍開(kāi)展檢測(cè)方法和運(yùn)行規(guī)程研究，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的檢測(cè)維護(hù)工具，如虛端子探測(cè)器等：開(kāi)展符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控、保護(hù)等系統(tǒng)及測(cè)控二次設(shè)備的研制開(kāi)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(shí)施機(jī)組故障診斷狀態(tài)檢修決策口動(dòng)化系統(tǒng)是建設(shè)智能水電廠的主要目標(biāo)之一。近年來(lái)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在國(guó)外發(fā)展迅速，特別是在在線監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與遠(yuǎn)程訪問(wèn)等方面進(jìn)步明顯。但由于水電廠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備眾多、各類故障原因復(fù)朵，故障診斷、設(shè)備狀態(tài)評(píng)估等技術(shù)還存在一些不確定性，需要在實(shí)踐中不斷完善，實(shí)現(xiàn)水電廠設(shè)備的故障診斷與狀態(tài)檢修是當(dāng)前智能水電廠建設(shè)的主要研究?jī)?nèi)容。從水電行業(yè)發(fā)展來(lái)看，設(shè)備狀態(tài)檢修代替定期檢修是發(fā)展的必然趨勢(shì)，但需經(jīng)歷一個(gè)逐步發(fā)展完善的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)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(shí)，要實(shí)現(xiàn)真正的狀態(tài)檢修，僅有技術(shù)支持系統(tǒng)是不夠的，還盡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(shè)備管理體制、先進(jìn)的配套設(shè)備與技術(shù)等。目前水電廠狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)涉及的設(shè)備及子系統(tǒng)眾多，IL多來(lái)口不同的廠家,亟需通過(guò)智能化建設(shè)，采用開(kāi)放的通信規(guī)約、統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)模型，使系統(tǒng)各個(gè)部分之間能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的無(wú)縫通信，最終實(shí)現(xiàn)“即插即用”的環(huán)境，為最終實(shí)現(xiàn)水電廠設(shè)備的故障診斷與狀態(tài)檢修創(chuàng)造技術(shù)條件。水電廠狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)正向全廠聯(lián)網(wǎng)與建立遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)一般采用分層分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由電站監(jiān)測(cè)層一中心診斷層一用戶訪問(wèn)層組成。電站監(jiān)測(cè)層由站級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)器和機(jī)組監(jiān)測(cè)設(shè)備組成。站級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)器用于監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)各電站機(jī)組的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并向中心診斷層發(fā)送設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。其中機(jī)組監(jiān)測(cè)設(shè)備包括在線監(jiān)測(cè)設(shè)備和離線設(shè)備。在線監(jiān)測(cè)設(shè)備由多個(gè)監(jiān)測(cè)模塊組成，其監(jiān)測(cè)范圍涵蓋機(jī)組振動(dòng)與擺度、壓力脈動(dòng)、噪聲、空化、機(jī)組效率、發(fā)電機(jī)氣隙、發(fā)電機(jī)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(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)設(shè)備日常維護(hù)、日常監(jiān)測(cè)與報(bào)告，簡(jiǎn)單故障分析等；進(jìn)行故障診斷、機(jī)組