摘要：我国中小型水电站已实现了 “少人值班”的综合自动化系统，并在逐步实现 “水电站现场完全无人值班”的运行模式。对中小型水电站自动化系统的发展作了初步的探讨，提出了数字化水电站的技术方案。
关键词：中小型水电站；少人值班；完全无人值班；数字化水电站
中小型水电站采用计算机监控技术已经有 20余年的历史，近年来，由于工业以太网及可编程控制器 PLC 的成熟和发展，更使水电站的自动化技术趋于完善，其自动控制水平与可靠性得到了进一步的提高。中小型水电站由于控制设备较为复杂，发展速度比变电站落后一个节拍，但也已经从 “少人值班”发展到了 “完全无人值班”。可以预料，下一步的发展一定是走 “数字化水电站”的道路。
1 什么是数字化水电站
数字化水电站是以水电站一次设备和二次设备为数字化对象，将实际的设备虚拟化，以高速光纤网络通信平台为基础，对数字化信息进行规范化、标准化，实现信息共享和互操作，满足运行安全、控制可靠、技术先进、经济运行要求的水电站。
数字化水电站要满足下面 4 个条件：水电站的所有一次设备（水轮机、发电机、各种油气水泵、闸门、阀门、变压器、断路器、电压电流互感器等）都应该是智能化的设备。
二次设备是光纤通信网络化的设备。全部水电站应该是自动化的管理系统。水电站的一切设备均按 IEC61850 的通信规约工作。
2 智能化的一次设备
水电站的所有一次设备均是智能化的，所谓“智能化”是指一次设备均有自我监测功能，可以自我监测自身的状态，是具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化、信息互动化特征的高压设备，包括水轮发电机的定子和转子的绝缘、温升、最高发电能力、振动、摆动、噪声、空蚀状态等；主变压器的绝缘、温升、变压器油的绝缘能力、油中气体及微水的监测、介质损耗、漏油状态、瓦斯状态、绝缘闪烁、局部放电的监测、铁芯的接地电流等；断路器的真空状态、SF6 的漏气状态、分合闸时间、分合闸的速度、触头的电蚀、触头的接触电阻、触头的温升，触头电流过零的分闸、电压过零的合闸等；避雷器的泄漏电流监测、避雷器动作次数监测。传统的电磁式电流互感器和电压互感器则为电子式互感器或光电式互感器所代替；此时，数字化的互感器输出的已经不再是5 A和100 V了，而是直接输出带时标的数字化的电流和电压的数字数据。
一次设备智能化的实现是由被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，用数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。所有的一次设备与外界的联络都是通过光纤以太网接口传输的，一次设备也都是 “即插即用”的；除了光纤联络外，再也没有传统的测量线、控制线。
3 网络化的二次系统
数字化水电站的二次设备都是光纤通信的网络化设备。按照 IEC61850 对网络层次结构的定义，可以分为过程层、间隔层和站控层。
（1）过程层是连接智能化一次设备和间隔层的基本网络层，它包括一次设备的智能控制及检测设备、电流电压互感器的合并单元、过程层的以太网交换机等设备。
过程层的主要功能分三类：一是水电站所有运行实时的电气量检测；二是中小型水电站所有运行设备的状态参数检测；三是操作控制执行与驱动，包括闸门控制、阀门控制、水轮发电机的控制、断路器的控制等。
（2）间隔层设备包括水电站的各种控制 LCU屏、保护及测控设备、测量表计等。间隔层主要为对象的统一建模、通信信息的分层、通信接口的抽象化和自描述规范等技术的应用。
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（3）站控层设备包括各种管理机、远动工作站、以太网交换机、数据服务器、监控系统等，主要功能是为水电站提供运行、管理、工程配置的界面，记录变电站内的相关信息。同时，可将站内信息转化为远动和集控设备所能接受的协议规范，实现监控中心远方控制。站控层设备建立在 IEC61850 的模型基础上，具有面向对象的统一数据建模。
所有二次设备都按 IEC61850 的通信规约进行通信，没有通信规约的设备则需要用 IEC61850 通信服务器完成其他协议到 IEC61850 的转换，实现非 IEC61850 通信设备的接入。所有二次设备也都是 “即插即用”的。
4 自动化的管理系统
水电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化；数据信息分层、分流交换自动化；水电站运行发生故障时能及时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；系统能自动发出水电站设备检修报告，即常规的水电站设备 “定期检修”改变为 “状态检修”。
换句话说，就是设备没有问题就不要去检修，直到系统自动发出设备检修报告时才去检修。
水电站的状态监测系统，包含 3 方面功能：
（1）状态可视化。对各种状态进行监测，可以实时查看各种状态量的当前值，并可根据时间段选择生成各种历史数据的趋势图，且提供数据的报表导出功能，以方便使用分析。
（2）基本告警功能。通过与标准值的比较、模式比较（如分合闸线圈电流波形）、特征分析等诊断分析方法进行预警、报警。在线监测系统监测的各种状态数据均支持阀值预警，通过系统预设阀值，在数据值超过阀值时使用用户预选的报警方式向用户发出视觉、短信、邮件告警，并综合相关数据进行故障诊断和分析，提高故障分析判断的准确度，及时发现可能出现的异常和故障预兆并进行检修，保证设备的正常运行和电网的可靠供电。
（3）可编程专家诊断系统。提供一个可编写规则的专家系统，供用户或行业内有经验的专家来编写规则，大大增强了系统的扩展能力和学习能力。另外，配合数据挖掘系统，还可不断增强系统的状态检修能力。
水电站智能化的一次设备采用了各种先进的传感技术和实时监控技术，采集了设备的特征参数和动态信息，这些动态信息传输到站控层后，对信息进行分析、处理，可以确认设备的运行状态是否正常或异常，然后通过智能专家系统做出处理意见。
实践证明，有效地状态监测和故障诊断可以及时地掌握设备的运行状态和设备发生事故的规律，避免突发性故障和渐发性故障的发生，降低了设备的维护成本，增加了设备的可利用时间，从而带来了良好的经济效益。
因此，自动化管理系统提升了电网和水电站的可靠性，可预报设备的故障，降低全寿命周期成本，在线自诊断，降低设备运维成本，提高了设备利用率。
5 IEC61850 技术标准
计算机技术引入电力系统后，使电力系统的自动化水平有了长足的发展，由于新技术的不断发展，IEC（国际电工委员会）在 2009 年发布了第二版 IEC61850，并改名为“电力企业自动化通信网络和系统”，它不但包含了变电站，还将水电站、风电站、光伏电站、生物能电站、海洋能电站等都包含了进去。第二版的IEC61850—7—410 是 水 电 站 监 控 通 信，IEC61850—7—510 是水电站逻辑节点模型；这样就为数字化水电站的发展打下了坚实的基础。
参考文献：
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[4] 刘刚.试论中小型水电站运维管理的方法[J].低碳世界.2016（10）
论文作者:彭建强
论文发表刊物:《基层建设》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/7
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