关于水电站智能化的几个想法.ppt

关于水电站智能化的几个想法,协同智能电网老朱/朱文杰；,引言,智能电网（smart power grids）是将先进的传感测量技术、信息通信技术、计算机分析决策技术、自动控制技术和能源电力技术相结合，并与坚强物理电网基础设施高度集成而形成的新型现代化电网。目标：实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境友好。特征：自愈、坚强、互动、兼容、优质、经济、集成、协调。信息化、数字化、自动化、互动化。关键技术：通信技术（高速/双向/实时/集成）、量测技术（智能固态表计/更多的数据）、设备技术（电力电子/超导/大容储能）、决策技术（动画/动态着色/虚拟现实/数据展示）、控制技术（分层分布-服务四个）。在智能电网规划和发展的统一要求下，智能化建设也是水电站今后主要发展方向和全新目标。但世界上主要国家的“智能电网”研究和建设都比较注重电网的输电、送电、配电和用电环节，而发电环节尤其是水电站的智能化建设相对滞后，专项研究工作没有启动。白山、云峰进行了尝试性探索。,一、中国水电站智能化发展的过程与特点（1）,我写了中国水力发电百年简史：接管丰满，解剖日本控制技术。1984年形成水电站机电二次设计手册，继电器控制为主，同时丹江口采用半导体技术实现弱电无触点控制。同期装置：经历了同步表、ZZQ-15、ZZQ-3A、ZZQ-5B、数字式微机型（如51单片机DZZB）。调速器：5060年代P-100、PK-200、T-100、CT-40等机械型，“大跃进”第一台电子管电液型，60年代初第一台晶体管电液调速器；70年代至80年代初应用电子管、晶体管或小规模集成电路电液型如DT-100（150）、DST-150（200）-40、JDT-100（150）、JCT-150、JST-1000、JCST-100（200）-40、JDST-100（150）等；80年代后微机型，华工1981年底适应式变参数并联PID微机调节器（1984年欧阳海），1989年WT-S双微机调速器以Z-80单板机为硬件核心，两台微机配以相同功能的测频、CPU、D/A及A/D模块，双微机互为备用，采用适应式变参数PID调节模式；1990年代以来华工开发PLC微机调节器（1993年欧阳海），还有以8086、8096CPU为核心，采用STD总线结构和MIC-2000工控机的双微机型。,一、中国水电站智能化发展的过程与特点（2）,流量调节方程为：可见，改变导叶出流角0可以调节流量，因而结构上使导叶转动可达调节流量目的，0改变实质上改变v0ur0，从而也改变v1ur1；显然改变导叶高b0和叶片出流角2也可达改变流量Q的目的。励磁整流：把交流电变成直流电，供给转子绕组，产生旋转磁场，切割旋发电机定子绕组，从而产生法拉第感应电动势。他励和自励（同步）：如相位复式电机励磁系统与直流侧并联自复励可控硅励磁系统。三相整流可用六只二极管构成不可控桥、可用三只可控硅及三只二极管构成半控桥、也可用六只可控硅构成全控桥。自动励磁调节器：开环补偿型和闭环反馈型（优）。前者如电流复式励磁及相位复式励磁装置；后者如负反馈比例式调节器。50年代发展了电磁型调节器；60年代后发展为晶闸管励磁调节器，功能也由单纯的调节电压发展为提高电力系统的稳定性。随着控制理论和计算技术的发展，朝着综合控制方向发展，在原有基础上加入镇定器、欠励磁、过励磁等环节；原理上自适应，即调节器能自动适应系统工况的变动且择优整定其参数；构成元件上微机化。为改善比例式调节器中存在的稳态指标与动态性能的矛盾，发展了PID型调节器，如DECS-200型、MEC5230型、SILCO5型、UNITROL5000等数字式。断路器：多油、少油、SF6/真空等类型。,一、中国水电站智能化发展的过程与特点（3）,现阶段新建或改造的水电站普遍按“无人值班、少人值守”的原则设计，自主创新且具备国际先进水平的监控、保护和监测等自动化系统（或智能装置IDE）得到应用。水电站内采用具备分布功能式的自动化系统（IDE）进行自动监测、控制、保护和管理，不同的IDE之间采用网络或现场总线通信方式已基本实现电站分布式信息数据的交换功能，水电站计算机监控系统中实时历史数据库、智能诊断等高级技术得到应用，站内部分自动化系统（如工业电视、水情测报、枢纽观测等系统）已基本全面实现以信息化和数字化的信息采集方式，已达到或接近世界领先水平。国内部分特大型或基础条件较好的水电站已基本实行“关门”（可比大古力）运行、管理模式，说明我国水电站具备“智能化”的部分特征和特点，是我国智能化建设的优势基础。,一、中国水电站智能化发展的过程与特点（4）,问题或缺陷：不同二次系统（或IDE）之间信息数据交换的通信接口和规约缺乏标准性和规范化，尤其是大量的现场总线使得电站基础信息交换效率低下，阻碍了全厂信息共享化、网络化的进程；二次系统（或IDE）的异构问题突出，互动化困难，容易导致各种“信息孤岛”，水电站内基础自动化层采集的各种信息数据在向高级应用层进行传递以及高级应用层不同应用之间的共享这两方面也存在很大障碍；传统水电站自动化系统的基础信息层仍然是大量通过电缆进行模拟量和硬接点采集的传统方式，造成电缆敷设量大且接线复杂，影响自动化系统的整体可靠性，而且容易遭受电磁干扰和一次设备传输过电压的影响，存在二次设备运行异常、继电保护误动作等隐患，这与智能电网的信息化、数字化、网络化特征差距较大；传统水电站中对经济优化（AGC/AVC）、安全运行管理、设备在线诊断（预警和预处理）、事故分析和处理专家策略等高级应用功能，主要采用以计算机监控系统为核心协调其它二次系统共同完成的实现方式，受制于计算机监控系统自身的局限性和不同系统间信息共享和互动化方面的实际困难，高级应用功能综合分析的全面性和智能决策控制深度以及实际效果有待进一步提高；对于传统水电站的改造而言，由于互操作性和信息共享程度不够的原因，现有水电站自动化系统设备部分更新时需要付出很大的附加成本，往往需要增加规约转换设备，并且需要进行现场调试，甚至还可能需要更改自动化系统的数据库定义并进行相应的试验验证，采用不同厂家的设备更新时则显得困难。,一、中国水电站智能化发展的过程与特点（5）,方向和目标：坚持“坚强（安全性、可靠性）、优化、经济、高效的水电站运行、管理方式”，与智能电网要求一致。不必推到“无人值班、少人值守”设计、运行、管理模式，在现有水平和模式的基础上，以我国智能电网建设战略规划和体系要求为导向，注重新理念、新技术、新产品的应用，全面完善和优化水电站自动化系统，提高水电站供电可靠性和供电质量，增强与电网的互动性，优化水电站经济运行，提高水资源利用率，实现节能增效，实现先进科学的运行、管理方式。全面解决固有问题和缺陷，建设以“信息化、数字化、自动化、互动化”为主要特征的智能化水电站。基础环节信息采集方式向全面化、数字化、网络化转型，向管理系统提供全面、详尽、标准的基础信息数据。首要条件构建全厂高速标准的网络，实现各系统间无缝通信、信息数据完全共享和深层次的互动性，为站电综合分析、智能决策、调度管理创造良好条件。核心内容形成以综合数据信息共享平台和综合智能决策管理系统为核心的高度集成和一体化的全厂“智能控制中心”，取代传统水电站以计算机监控系统上位机为核心的中控室集控模式。,二、智能化水电站自动化体系结构（1）,以现地设备（主要包括一次设备和其他机电设备等）智能化、二次设备网络化和互动化、统一的全站“智能决策控制中心”等特点为基础，把传统的以计算机监控系统为中心对电站其他分散设置的自动化系统进行集中管理的松散联合方式，转变为“智能控制中心”（综合数据信息共享平台综合智能决策分析管理系统）为核心的分层分布式高度集成和一体化的体系结构。将智能化水电站自动化体系划分为三层：站控层、单元层和过程层。同时按照不同功能区域要求配置分布式自动化子系统（或IDE），各子系统（或IDE）间具备实现深层次共享和互操作的能力。过程层主要指各自动化子系统中数据信息采集、处理、转发的环节，其包含的设备或内容将更多也更分散；单元层主要指各自动化子系统数据分析、处理、存储、转发以及实现分布功能的环节；站控层即为水电站综合数据信息平台和综合智能决策分析管理系统，对与传统水电站，这将是一个全新的平台和统一的智能决策管理中心。过程层网络按设备性质和地理分布设置不同的分布式单元子网络（IEC 61850），传统的现地机电设备与二次设备之间的电缆连接，改变为“新型互感器+合并器”、“机电设备+终端设备”与二次设备间光纤连接；单元层的自动化子系统或智能设备只是在系统建模、数据定义和通信模型发生了变化；站控层是一个全新构建的智能化中心决策分析、控制、管理系统和全厂数据信息共享的平台。,二、智能化水电站自动化体系结构（2）,三、智能水电站的关键技术（1）,A智能控制中心：以综合数据信息共享平台和综合智能决策分析管理系统为基础，具备智能型、高度集成、一体化以及高效等特点。基于IEC 61850（或61970等）建立标准数据总线，规范数据访问接口，提供对实时/历史数据库、关系数据库、文件数据库的统一管理。数据管理和分区、安全防护、软件构架、多功能模件的集成和管理、智能型实用的专家系统等方面。B全站高速、标准、统一的网络：信息化、网络化、标准化，基于IEC 61850。网络的结构形式、实用性、可靠性、安全防护分区隔离、数据流向管理等方面将是重点，其中过程层网络应考虑多种形式共存。C分布式自动化子系统（IDE）的升级：保证先进性和智能型，对水电站内各分布式自动化子系统（IDE）进行系统建模、数据定义和标准通信接口等方面的升级换代，是信息数据高度共享和系统间深层次互动的前提和基础。,三、智能水电站的关键技术（2）,D智能化要求的监测系统：真正实现设备在线监测的方式，建立完善的设备实时报警、在线安全评估和分析、预警控制和预防控制等功能，为实时控制和经济优化等决策层面作保证。智能设备在线监测系统与水情测报系统、气象预报系统、枢纽观测系统一起构成智能决策分析控制系统的支撑条件，与调度互动，促进电网安全、提高水电站经济效益、提高防洪减灾能力以及提高节能减排作用提供保证。,四、智能水电站建设的制约条件,A规范、规程的缺口：定义和要求比较模糊，国内无相关规范、规程的指导性文件，基本无章可循，IEC 61850针对水电站的内容相对较少（仅IEC 61850-7-410）。行业里现行的相关标准、规程规范文件需按智能化要求重新编订，选择将61850与60870有机融合。B生产行业的支持力度：虽然保护、测控、新型互感器、智能型一次设备在数字化典式变电站中得到应用，但水电站中的监控、励磁、调速、辅控、状检、观测、水情、安防等系统尚无智能产品，水电站特有设备（例如水轮发电机组）的智能型开发有特殊困难和风险吗？C设计和实施方案的成熟度：保守行业的新设备、新方案需要长期实践验证，2020年前全面建成智能电网对水电站而言十分紧迫。D现行制度的约束：水电站智能化是一个不断探索、创新的过程，存在与现行电力系统管理体制不相符的地方，需统筹安排。,阶段性小结,传统水电站向智能化转变，不仅仅在二次系统，更不是计算机监控系统升级，还涉及水电站相关各种专业（机械、电气等），以及各种新设备、新技术、新思路，应使设计方案和运行管理模式较大转变和提升。需要建设管理、设计、生产制造、运行、电站业主、教育教学各方紧密配合、通力合作。对比同规模的水电站采取分批、分步骤和部分的策略，可行性较强。,五、我自己做的有关工作（1-教研）,A主讲水电站自动化（84级87届大专开始）及相关多门前基课程（19852001），精通水电站系统；B19851987年间吸纳了国家水利电力部水电站机电二次设计手册与东北电管局关于水轮机细部结构的教材；C参加1987年国家水利电力部教育司教学会议，讨论了全国应用类水电站自动化教学大纲，参加了1992年水利部教学会议，参加了1995年第十二次中国水电设备研讨会；D主讲PLC原理及应用（20012005年本科）；E19851996年间实践教学抵达52个水电站现场；F19931994年主研了治理水轮机组甩负荷抬机；G19852001年间掌握了湖南省全部水电站的技术参数，研究关注了全国水电站的历史和规划动态，撰写了中国水力发电百年简史，于2012年刊登在中国水利水电市场；H业余写作了一点专业诗词（http:/）。,五、我自己做的有关工作（2原创性）,四重斜流转桨式水轮机的概念与操控策略：服务“西电东送”工程的源泉，基于美国法兰西斯奥国卡普兰的柔性结合、基于俄罗斯捷雅及我国毛家村的试验、基于我国水力发电泰斗程老良骏教授的拓展性思维，斜流导叶与斜流桨叶操作控制策略采用空间运动化平面运动是我在2002年12月26日的灵感。学科建设的细节：http:/,五、我自己做的有关工作（3/1论文）,1黄河小浪底水轮发电机组及引水系统调节保证计算：1985年上半年华中理工大学电力工程系水电站自动化专业毕业设计论文在调压井(后总体方案改变)水锤电算中开拓性首次采用上下段水锤波传播时间之较小公约小数作电算步长。2水轮机防抬措施探讨（电气电路控制类）：国家能源部、水利部1994年第9期水利水电技术(ISSN 1000-0860）P2224，北京：水利电力出版社。3关于长沙水电站几个问题的商讨：首刊于1995年第2期中南水力发电，1999年入选中国企业管理文库（国务院发展研究中心出版）及中国水利水电发展文库（中国水利水电出版社）。4建议为“西电东送”工程研制四重斜流转桨式水轮机我国水轮机几个问题的探讨：2005 年上半年书载于中国当代教育思想宝库（ISBN7-5008-3273-7/G573），2005年6月刊载于第六期中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）P6264；2006年8月18日关于研制四重斜流转桨式水轮机的建议被通知入选第一届水力发电技术国际会议论文集（ISBN 7-5083-4874-5）。5暂新的网络电话：2002年11期计算机时代（ISSN 1006-8228、CN 33-1094/TP）P44。,五、我自己做的有关工作（3/2论文）,6推介DSROMS大坝安全远程在线监测系统：2004年3月第二三期合刊中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）P2225。7S7-200 PLC在水力发电厂应用与编程:2004年7月第七期中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）P3941。8S7-200 PLC移位寄存器指令用于水力机组技术供水系统：2005年3月第二三期合刊中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）P2021。9S7-200 PLC控制水力机组压缩空气系统：2005年6月第六期中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）P2627。10S7-200 PLC控制水力机组油压装置：2005年8月第八期中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）P3033。,五、我自己做的有关工作（3/3论文）,11浅说我国水力发电事业的前进方向：2005年9月第九期中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）P7478。12S7-200 PLC治理水力机组甩负荷抬机：2005年10月第十期中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）P2730；另获“2005年度第三届工控及自动化领域优秀论文/典型应用案例有奖评选活动”十大优秀论文二等奖。13朱德总司令领建红色水电厂供电西柏坡：2006年第5期中国农村水电及电气化（ISSN 1673-2243、CN11-5069/TK）P6163。14建议进行核岛置换锅炉之炉变煤电厂为核电厂纲要草案研究：2006年4月16日被通知入选构建社会主义和谐社会的理论与实践（中共党史出版社出版）；2006年10月30日被通知入选党魂（审字第061016-3542号）；2006年11月22日被通知刊载中国学术大百科全书学术卷第766页；2007年4月17日被通知录入中政研为党的十七大献礼（编号070327）。15关于水力机组甩负荷时基于根治抬机目标的转轮室水体运动控制探索：2006年4月第四期中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）。,五、我自己做的有关工作（3/4论文）,16S7-200 PLC控制水力机组润滑和冷却系统：2006年5月第五期中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）。17S7-200 PLC控制调相压水系统并与治理甩负荷抬机合成一个神经元：2006年8月18日被通知入选第一届水力发电技术国际会议论文集（ISBN 7-5083-4874-5）；2007年中国工控网优秀论文用户奖；2007/2008年度西门子自动化教育合作项目“我和西门子SIMATIC实验室”征文活动中荣获三等奖，被刊载于实验室研究与探索；2009年联载于3、4月第三、四期中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）。18水力发电厂运行于电力系统日最优条件泛函分析：2007年6月第六期中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）P5052。19基于动态规划法的水力发电厂AGC：2007年9月第九期中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）P6567。20水力发电机组操作自动化分解与PLC控制系统设计：2007年11月第十一期中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）P6673。2132中国水力发电百年简史：2011年8月第八期2012年10月第十期中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）连载。,五、我自己做的有关工作（5/1-图例）,五、我自己做的有关工作（5/2-图例）,五、我自己做的有关工作（4编著）,一编著S7-200 PLC 编程设计与案例分析（页数488、字数771千），机械工业出版社（ISBN:978-7-111-28311-9），2010年1月出版。二编著S7-300/400 PLC 编程设计与案例分析（页数592、字数934千），机械工业出版社（ISBN:978-7-111-27976-1），2010年1月出版。三编著S7-1200 PLC编程设计与案例分析（页数480、字数755千），机械工业出版社（ISBN:978-7-111-33335-7），2011年5月第1版，适合做教材，举例为水轮发电机组控制。四编著S7-200 PLC编程及应用（页数282、字数419千），中国电力出版社（ISBN:978-7-5123-2956-0），2012年9月第一版，适合做教材，举例为水轮发电机组控制。,五、我自己做的有关工作（5/3-图例）,五、我自己做的有关工作（5/4-图例）,五、我自己做的有关工作（5/5-图例）,五、我自己做的有关工作（5/6-图例）,五、我自己做的有关工作（5/7-图例）,谢谢！,