数据及控制平台共享的智能小水电控制系统

吴　健，汪晓强，陈明凯

（1.福建省水利水电勘测设计研究院，福建 福州 350001；2.福建省力得自动化设备有限公司，福建 福州 350003）

0　引言

我国小水电资源十分丰富，小水电数量多，分布广，技术可开发量为1.3亿kW，全国已建成小水电4.7万座，总装机容量达7 322万kW，年发电量2 281亿kW·h。占全国水电发电总量的1/3。小水电广泛分布在全国31个省市，对我国农村尤其是老、少、边、穷地区国民经济的发展和人民生活水平的提高，促进各民族和谐共处，发挥了巨大作用。但小水电站运行的安全性却不容乐观，绝大多数小水电存在运行、维护人员水平不高，自动化程度低、设备隐患较多，故障处理不及时或不知道如何处理等诸多问题。因此，加快小水电智能化建设，提高电站本质安全水平，具有十分重大的意义。

1　智能电站基本概念及发展现状

1.1　智能电站基本概念

智能水电站是指以水电站为基础，将智能控制技术、现场总线控制技术，现代先进传感测量技术，信息技术与水电站高度集成而形成的具有智能化、信息化、一体化、经济、环保等特征的新型电厂。

1.2　智能电站发展现状

我国自2010年起就提出了“智能水电厂”的理念，2016年国家颁布了DL/T1547《智能水电厂技术导则》，国家电网及5大发电集团正在积极开展大型智能化电站建设试点工作。一些智能技术或产品在电站得到应用。但是，由于缺少统一的标准和规范，研究者对智能电站的理解各有不同，使得电站智能化发展进程缓慢，智能技术或产品很难灵活、方便地得到应用，且常使系统结构趋于复杂化，信息难于交互和共享。特别是小水电，由于资金、技术及管理水平限制，智能控制技术的发展更加缓慢。

2　基于数据及控制平台共享的智能小水电控制系统架构

2.1　系统总体结构

根据小水电特点和自动化及智能化技术要求，为保证机组保护、励磁、同期、测速、交采、开关量、模拟量等组件设备的性能，提高各组件间的数据共享和处理能力，减少硬接线和维护工作量，保证电站安全可靠运行，研究提出基于数据及控制平台共享的系统总体设计方案，如图1所示。

系统由数据采集单元、控制输出单元、数据共享平台和控制共享平台组成。其中，数据采集单元包括：电压电流采集单元、水位采集单元、开关量采集单元、温度量采集单元、外部设备通信单元；控制输出单元包括：电参量计算单元、调速器处理单元、保护处理单元、准同期处理单元、励磁处理单元、智能化控制处理单元。

2.2　数据共享平台

数据共享平台硬件采用32位DSP处理器，利用DSP强大的处理能力，大容量的RAM及FLASH存储空间以及丰富的通讯接口，进行数据的采集，交换和处理。

各个功能模块的相关数据和信息，通过各自不同的通道方式汇集到一起，在数据共享平台上进行整理和存储。同时各个功能模块也可以通过各自不同的通讯方式从平台获取所需的数据和信息。通过数据共享的方式可以消除数据重复采集的弊端（各个功能模块不需要各自独立去采集转换各种数据），大大简化了系统硬件的复杂性，同时也保证了数据的一致性。通过数据共享平台，各个功能模块可以实现数据完全的快速共享，从而为各个模块功能的实现，提供了可靠全面的信息基础。

2.3　控制输出共享平台

控制输出共享平台，采用了独立的CPU，CPU根据控制命令实现对外控制输出。所有的逻辑功能模块，通过向控制输出共享平台发送控制命令，实现对全部的对外控制输出接口的控制。通过控制输出共享平台所有的逻辑功能模块能够实现功能的交叉互补，如准同期处理单元可以实现部分的保护功能，励磁处理单元可以实现部分调速器的功能等，并且可以不用增加额外重复的控制输出接口。

3　系统工作原理

根据智能小水电控制系统要求，机组电气量、开关量、温度量等相关测量数据，通过数据采集通道汇集到数据共享平台；机组励磁处理单元、调速处理单元、同期处理单元、保护处理单元、电参量处理单元所需数据经数据交换通道，共享数据平台数据，同时，通过控制输出命令通道将各控制单元处理结果汇集到控制输出共享平台，经智能化处理单元处理后送到机组相关控制设备，从而完成数据和控制输出的交互共享。

图1　基于数据及控制平台共享的控制系统总体结构

4　系统主要特点

4.1　集成化

系统运用全数字化技术，采用总线式板卡设计，高度集成水位监测、调速器控制、微机励磁、自动准同期、电量/非电量监测、继电保护等模块，具有手动、自动、智能3种模式。得益于架构优势，各板卡间同步共享电网电压、机端电压/电流、励磁电流、转速等关键数据，实现无缝协同，进而完成智能诊断（综合判断与精准定位故障等）及其他复杂任务。

4.2　智能化

（1）智能控制

智能控制系统集成了电量及非电量数据采集，微机自动准同期，微机SCR励磁控制，水轮机导叶开度控制，继电保护及互联网远程接口等设备，能够实现一键自动开停机、远程控制开停机等功能，还能根据前池水位完成自动开停机、经济发电等。

（2）智能学习

智能控制系统采用基于蜂群算法的高效运行策略（Al Schedule),引入多机组间的有序竞争机制，主/从机可适时切换，由主机实时调度剩余机组功率，实现智能调度。此外，系统通过收集、分析水电站历史运行数据，能够智能学习、识别每台机组特定的水位与效能转换关系，不断优化、调整参数，以确保每台机组的效能最大、损耗最小。

（3）智能诊断

智能控制系统具备智能诊断能力，能够完成自检、巡检及趋势预警等复杂任务。系统对自身存储模块及各板卡进行自检。还能自动实时监测拦污栅堵塞、冷却水堵塞、刹车漏水等安全风险，消除视觉盲区。根据水位、轴承等关键数据变化情况，进行趋势分析，预判风险，防患于未然。

4.3　信息化

系统集成了以太网光纤接口或GPRS接口，搭载远程管理平台，能够实时监测水电站信息，如水位、机组运行情况、机组出力大小、故障及预警信息等，对水电站进行远程控制；系统具备手机APP监控能力，通过安装手机APP,实时提醒，智能掌控水电站运营信息，犹如贴身秘书。设备软件版本的更新借助互联网方式，能够实现云端推送、OTA远程升级，提高效率，方便快捷。

5　结束语

本文提出了一种基于数据及控制输出平台共享智能控制系统，采用全数字化技术、全方位防护体系和高效运行策略，实现了电站智能开停机、智能调度、智能经济发电和智能化运行管理。较好地解决了小水电因所处位置偏远，管理难度增大，人工成本增加，无法实时掌握电站关键信息和机组运行状态等现实问题。

基于数据及控制输出平台共享的智能小水电控制系统由福建省力得自动化设备有限公司生产（型号：LD-HAS）。目前已有260多套在国内小水电站投入使用，运行情况良好，获得了业主一致好评。该智能控制系统技术先进、方案合理，对国内小水电自动化、信息化及智能化建设起到借鉴作用，并具有广泛的应用前景。

参考文献：

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