辅助设备及闸门设备智能化系统在水电厂的实现

[摘 要] 本文基于某电厂智能水电厂“一厂三站”的结构，根据IEC61850标准进行了建模，并阐述了辅助设备及闸门控制系统智能化总体设计。从纵向分析了智能化辅助设备及闸门控制系统站控层、间隔层、过程层子系统或设备的功能优势以及运行方式。

[关键词] 辅助设备；闸门控制；智能化水电厂；IEC 61850

[中图分类号] TV34 [文献标识码] A

1 引言

水电厂辅助设备及闸门控制系统包括技术供水系统、厂内排水系统、压缩空气系统、油系统、闸门控制系统等。主要控制功能包括设备自动起/停、主/备自动轮换、事故紧急处理、故障报警、信号监视、根据水位及泄流量等信息自动控制闸门开度。

智能化水电厂是以通信网络为基础、水力联系和电力联系为纽带、能源转换控制设备为载体、安全经济运行为目标，融合仿真、控制和信息三位一体技术而实现水电站的运行控制和管理[1]。随着国家“智能电网规划”的逐步实施，水电厂的智能化成为一种趋势并逐渐普及。辅助设备及闸门系统，作为电站的重要执行机构，对于保证水电厂的运行安全和经济效益极其重要。目前，国内已经投产和正在设计的辅助设备及闸门控制系统，极少甚至没有提出电网智能化的特殊要求，如在TCP/IP网络接口、GPS对时、现场总线、仿真与测试接口等方面[1]，各自动化设备与系统间接口复杂，难以相互兼容和互操作，不同厂家设备间的互操作性更难以实现，制约了水电厂生产管理和自动化技术的进一步提高[2]。

针对水电厂辅助设备及闸门控制系统建立基于IEC61850的标准模型，实现智能化目标，并逐步在工程中实现应用和完善，已成为辅助设备及闸门控制系统技术发展的必然方向。

2 辅助设备及闸门控制智能化总目标

2.1 使系统坚强可靠：通过先进技术的应用，提高设备质量，提升设备运行水平，采用智能控制方式，实现相关系统故障自愈，提高安全稳定运行水平。

2.2 使系统经济高效：通过优化的运行算法和策略，使辅助设备控制系统运行效率提高，通过闸门控制系统与站级层高级应用软件（水库优化调度、EDC）算法的配合，提高电站大坝安全性和电站的水资源利用率。

2.3 使系统开放友好：通过基于IEC61850标准模型高速信息共享总线的建立和开放的IEC61850标准通信接口，实现与外部信息大厅的信息共享和外部对本系统状态的动态在线分析。

3 某厂辅助设备及闸门控制系统

四川某水力发电厂下辖三个水电站，分别为A站、B站、C站，该厂辅助设备及闸门控制系统含子系统：

A站：3套调速器油压及制动控制系统；1套技术供水控制系统；1套高压空压机控制系统；1套低压空压机控制系统；3套主变冷却控制系统；1套检修排水控制系统；1套渗漏排水控制系统；1套闸首现地控制系统；3套机组快速闸门控制系统。

B站：4套调速器油压及制动控制系统；2套球阀油压控制系统；4套球阀操作柜控制系统；1套技术供水控制系统；1套高压空压机控制系统；1套低压空压机控制系统；2套主变冷却控制系统；1套检修排水控制系统；1套渗漏排水控制系统；1套闸首现地控制系统。

C站：4套调速器油压及制动控制系统；2套球阀油压控制系统；4套球阀操作柜控制系统；1套技术供水控制系统；1套高压空压机控制系统；1套低压空压机控制系统；2套主变冷却控制系统；1套检修排水控制系统；1套渗漏排水控制系统；1套闸首现地控制系统。

根据电厂所辖三个水电站辅助设备及闸门的情况，基于IEC61850标准进行相应抽象建模，分别建立如下模型：间隔层闸门控制子模块、过程层气控制模块、过程层水控制模块、过程层油控制模块、过程层智能门机。

4 辅助设备及闸门控制系统智能化设计

根据该厂实际情况和水电厂智能化规划，辅助设备及闸门控制系统采用纵向分层、横向分区的结构，各子系统分别设计在智能化水电厂的“间隔层”和“过程层”，如图1为智能化水电厂辅助设备及闸门控制系统总体设计方案，辅设及闸控子系统及与其他非辅设及闸控现地子系统之间根据需要通过GOOSE和SV协议实现数据的共享，同时现地系统可通过MMS协议实现与厂站级服务器的数据交互。

站控层由计算机监控系统后台主机（操作员站）和水库调度算法执行服务器、高级应用软件（EDC）后台服务器、智能设备接口机等构成，智能设备接口机可将辅助设备控制子系统、闸门控制子系统等接入站控层MMS网，实现管理控制间隔层、过程层设备以及其他功能设备，形成全站监控、管理中心，并使用IEC61850标准通信接口与集控中心通信。

间隔层主要由机组LCU（Local Control Unit）、调速器子系统、励磁子系统、闸门控制子系统等构成，采用通过MMS网与站控层进行交互。

过程层主要由智能仪表、技术供水子系统、空压机子系统、排水子系统、油压制动子系统、冷却控制子系统、闸首控制子系统等构成，各子系统之间采用GOOSE协议直接实现现场子系统数据共享，实现设备操作互锁。

间隔层各子系统主要实现以下内容：

（1）通过MMS网络实现与站控层数据共享。

（2）实现SCL描述的辅助设备控制系统IEC 61850模型。

（3）实现子系统之间的操作互锁。

过程层各子系统主要实现以下内容：

（1）支持IEC 61850标准的辅助设备通信装置，即用于辅助设备数据采集的智能电子装置（IED），实现对水位、压力、温度、流量等信息参数的采集。

（2）实现SCL描述的辅助设备控制系统IEC 61850模型[3]。

（3）可运行于Linux/VxWorks系统平的IEC 61850标准的驱动[3]。

（4）响应间隔层设备或装置对过程层各子系统的数据请求、指令及反馈。

5 智能化辅设及闸控系统的运行方式

通过IEC 61850标准模型的实例化应用，保证了各辅助设备系统与系统间互联采用标准化的信息流程、交互方式和信息协议。基于TCP/IP网络协议，使得数据交互和指令执行效率更高、更为可靠。

电厂实现智能化前，电站之间的数据交互必须依赖于集控中心的转发，而各现地子系统之间只能依靠串口或者现场总现进行通信。电厂实现智能化后，电站之间直接通过MMS网交换机进行数据共享，而现地各子系统之间通过GOOSE和SV实现全信息共享。

根据电厂A、B、C站为梯级电站的特点，集控中心分别在应用服务器上运行水库优化调度软件模块和经济调度软件模块EDC，基于这两个模块计算的优化结果，充分利用水力资源，降低耗水率。另外，由于站控层与间隔层的数据采用MMS网络共享，各站间隔层子系统直接通过网络获取负荷设定、闸门开度等调节设定值，直接通过GOOSE网向过程层子系统传递指令，极大地提高了对集控中心指令的响应速度。

在防洪决策方面，由于三个梯级电站通过MMS网共享数据，进入防汛期时，三站闸门可方便地采用闸门群控模式进行泄洪和调节。

站控层各子系统和设备之间的数据共享，使得设备运行更加智能化，为设备运行提供更为良好的决策，并能不断优化设备运行策略。以中压空压机系统为例，通过空压机出口气压力监测，判断气流量是否达到运行值，进而反映空压机工作效率；通过电机电压、电流监测，进行内部缺陷判断和电机效率计算；通过电机温度监测，判断电机的风扇冷却情况、电机负荷及内部故障；通过电机振动监测，反映空压机机械部分的品质状态；通过累计运行时间、空压机启动次数、主备用切换间隔时间及次数统计作为中压气系统可靠性判断的依据。

6 结语

随着社会的发展和科技进步，辅助设备和闸门控制系统作为智能水电厂的一个重要组成部分和关键技术，还需要在实际建设中不断探索、丰富和完善，最终为建设可靠、适用、经济、高效的智能水电厂提供有力支撑。

参考文献

[1]李朝晖等.水电机组数字化及其应用研究.中国水力发电工程学会电力系统自动化专委会2007年年会暨学术交流会论文集，2007：134-137.

[2]王德宽等.智能水电厂自动化系统总体构[J].水电厂自动化与大坝监测，2011，35（1）：5-9.

[3]李永红等.基于智能水电厂的水调自动化系统及其应用[J].水电自动化与大坝监测，第36卷（1）.

作者简介：朱静华（1981-），男，本科，工程师，研究方向：水电厂计算机监控系统及自动控制软件研发。