韶关市众力水轮发电机安装工程有限公司广东韶关512000
摘要：智能化技术在水电站中的运用主要是针对于电气设备的检测，最终达到对水电站设备设施的测量、监控、采集、调节、监控以及保护的目的。随着网络信息技术的发展，我国对水电站智能化技术的研究也取得了一定成果，其不仅推动了相关技术领域的发展、提高了居民的生活质量，同时推动了电力网络智能化的建设进程。
关键词：水电站；电气一次设备；智能化技术
引言
水电站等发电设施保障了居民的生活水平，是网络信息设备的应用基础。水电站电气一次设备的智能化，可有效提高对一次设备的监控与检测，从而在发生故障时能及时进行维护与维修，保障水电站电气一次设备的使用，进而提高了水电站的生产效率，降低了不必要的人力成本支出，为水电站提供了较高的可靠性与安全性，进而促进了水电站的发展。
1水电站智能化技术特点
智能控制器不改变辅助设备自身，对辅助设备控制系统进行适当的升级、改造，使之能够符合IEC61850标准接入水电站监控系统或智能网络，使用目前应用广泛、产品成熟的各类智能控制器，如嵌入式控制器、智能测控装置、总线I/O模块、总线控制器等，这类智能控制器设备名称不同，但具有相同的基本特征和功能。以总线I/O模块为例，总线I/O模块是一种开放的、不依赖于现场总线的设备，主要由2个部分组成，第一部分是总线耦合器，它完成开放型现场总线系统之间的所有通讯任务，并在端子式总线控制系统中作为一个扫描器/主检器来控制端子系统内部的所有通讯。第二部分是总线端子排，即连接设备的I/O端子，可以根据实际需要选择使用不同点数、不同类型的端子排，连接大量的各种各样的现场信号设备。总线I/O模块具有CPU、存储器等，可以进行程序和数据的存储、运算；可支持多种现场总线，包括Profibus、CAN、Modbus，支持TCP/IP通信协议，支持基于IEC61131-3标准的编程语言；具有多种接口方式，包括485接口、RJ45接口等。可根据水电站现场设备情况选择合适的智能控制器类设备，将智能控制器类设备接入辅助设备控制系统，形成通信方式接入智能水电站网络中。
1.1一次设备的智能化
电气一次设备在水电站系统中具有重要的地位，是系统关键组成部分。一次设备智能化能够有效提高工作人员监控水电站关键设备的效率及准确度，在实际工作中，水电站智能系统在对一次设备的检测时往往通过控制和检测一次设备的驱动回路和信号回路来实现与二测设备的兼容。电气一次设备的智能化过程，有利于变压器、互感器以及断路器的一体化、系统化，可极大提升电气一次设备的工作效率和工作质量，并在一定程度上满足了二次设备的工作需求，提高了水电站整体的电力生产产量。
1.2二次设备的信息化
水电站一次设备可直接用于输送、变换和生产，而二次设备则主要表现为对关键设备的控制，有控制及管理高负荷电压的作用。在水电站二次设备中，较为常见的电气二次设备有远动装置、防误闭锁装置、测量控制装置、故障录波装置以及电压控制装置等。在水电站智能化过程中，电气二次设备需要在模块化与标准化的前提下与水电站系统建立网络链接，从而实现数字信息贡献目的。与传统设备相比，电气二次设备能极大限度地缩减I/O接口数量，从而简化工作流程，使工作人员更为便捷地实现对相关电气设备的管理与控制。
1.3管理系统的自动化
水电站智能化管理系统在水电站运行过程中可保障水电站设施设备的正常运行，缩减工作人员的维修及检测成本，从而提升水电站总体的工作效率及质量。在实际工作中，智能管理系统主要是通过对水电站各项设施设备实时运行数据的检测达到电气设备监测目的。如当电气设备出现故障后，管理系统能及时检测故障成因、具体位置，并通过相关计算及时采取应对措施，最终达到对电气设备维修的目的。
2水电站智能系统结构分析
水电站智能化系统从物理结构上可划分为一次设备智能化和二次设备网络化，在科技水平快速发展的背景下，我国水电站一次设备已经完成控制、操作一体化的设计，从而使电气一次设备具备多功能、小型及紧凑等特点，更利于电气设备的安装与维护。一般智能系统可分为三个部分。
2.1流程层
从功能的角度分析，流程层能有效结合电气一次设备与网络二次设备，从而达到对水电站诸多设备及设备本身的监控，从而在接收站控层各项数据指令后，驱动对应的电气设备执行相应的维护及维修任务。为有效应对站控层与中间层出现故障，流程层需配置直流电以及交流电电源，当以上两个层级发成故障并将设备推出系统后可独立进行运行，进而保障水电站智能系统的正常运行，在某种程度上能够避免其它电气设备陷入瘫痪状态，保证水电站的发电工作及运转。
2.2中间层
与流程层不同，中间层具有连接站控层与流程层通讯的作用。更确切地说，即将流程层的监控数据传递给站控层或将站控层指令数据输出给流程层，从而达到对水电站电气设备维护、维修或调节的目的。在实际工作中，电气设备根据重要程度的不同需要做出优先级维护的选择。因此，中间层需要对采集的数据进行统计、运算，判断出优先级，从而提高设备的监控或维护效率。因此，中间层在通信功能上需采用双工通讯的功能，扩展通讯信道，进而保障中间层能同时完成与站控层、流程层之间的通讯。
2.3站控层
站控层是流程层的终端，通过管理、协调流程层达到对电气设备管理的目的。通常，站控层在收纳流程层的信息数据后会构建基于设备监控与维护的数据库。当电气设备出现异常数据后，会及时将对应的数据信息传送到水电站调控中心，以便工作人员设置修改阙值、监控状态指数以及故障处理指导指数等参数信息，并再次通过中间层与过程层转发相关的指令，以达到维修的目的。此外，站控层为应对监控设备中断的风险，往往在电气设备出现故障时向流程层发出特殊的信号，以确保流程层能独立运转。
3水电站一次设备设计思路
3.1短路电流计算
根据输入资料取得500kV母线三相短路系统正序等值电抗标幺值、零序等值电抗标幺值、基准容量和基准电压。通过对三相短路电流图进行简化和三相、单相、两相等值电抗计算，完成主接线部分的短路电流计算。校验导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按系统最大运行方式下可能流经被校验导体和电器的最大短路电流。系统容量应按具体工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（宜按该工程投产后5～10年规划）。
3.2主要设备选型及校验
目前，水电站运行管理模式一般为“少人值守、无人值班”，故应首先选择能够满足正常运行，且短路、过电压等暂态电气参数满足要求的产品，同时考虑有运行经验、维护检修方便、经济性适当的设备。水电站主要电气设备包括水轮发电机、主变压器、发电机电压回路开关设备、输电设备、电气保护设备、接地设备、照明设备、配电设备等。
3.3厂用电设计
水电站从功能和运行要求上看，其厂用电刺痛具有如下特点：厂用电负荷较小，厂用变压器容量一般只占电站总装机的0.4%—1.5%。厂用变压器的实际负荷通常仅为其额定负荷的15%—60%。最小负荷与最大负荷相差5—7倍。设备年利用小时数很低。一般包括了厂内用电和厂外用电，厂内由厂房内用电和开关场、站等用电；厂外用电包括坝区、进水口，可能还有副坝灌溉洞等地用电。水电站厂用电负荷一般分三级。
3.4接地及防雷设计
首先，过电压保护。结合实际采用避雷针和避雷线的联合保护方式。仍以东北某水电站为例。该电站500kVGIS位于地面户内，主变位于厂区，电气距离长。故配置如下：在500kV架空线和设备连接处设置一组线路型避雷器；在GIS上设置一组SF6氧化锌避雷器；在每台主变低压侧设置一组氧化锌避雷器；校核工频过电压保护盒谐振过电压保护[1]。另外，接地。工频接地电阻按规范应满足R≤2000I(Ω)，I为流经接地装置的入地短路电流计算值。接地设计时应充分利用自然接地体形成接地网，减少电位差，加强均压和隔离措施，将跨步电压限制在安全范围内。
4智能控制器实现辅助设备智能化的优点
水电站辅助设备分布区域广泛，数量多，仅消防系统大约30有多个设备，即30多个控制箱。按照水电站辅助设备的实际情况、水电站辅助设备的设计标准、辅助设备控制系统的投资、控制系统的实施等各方面因素，以嵌入式控制器、智能测控装置、总线I/O模块、总线控制器等智能设备实现辅助设备的智能化，辅助设备以智能控制器类设备接入电站监控系统的智能网络，具有多个优点，包括：智能控制器能够以灵活、多样的方式将辅助设备接入全厂监控系统或智能网络，辅助设备可以以数字量与PLC或监控网络通信，实现辅助设备的“信息化、数字化、自动化、互动化”。智能控制器可根据辅助设备需要选择类型及数量，信号混合不受限制，可对所需要的通道数进行精确的配置，所有的通道都被利用，部分类型的智能控制器还可接热电阻、热电偶及互感器的二次电压、二次电流信号。对辅助设备的原控制系统改动较少，现有自动化元件无需更换，原控制系统的继电器、接触器、端子等也仍然可以利用，施工量少，实现较快，大多原控制系统设备可继续使用。智能控制器具有较好的性能价格比，可广泛适用于不同类型、不同容量的水电站各类辅助设备[2]。智能控制器具有较好的稳定性、可靠性，不仅可以实现辅助设备的智能化，还极大地提高了辅助设备的安全稳定运行。总线I/O模块将辅助设备接入电站监控系统或智能网络，可适应不同类型、不同功能、不同地理位置辅助设备的要求，可根据辅助设备的地理位置、总线I/O模块的通信协议等实际情况确定应用。
图1智能组件组成模块示意图
5水电站一次设备智能化策略
一次设备的智能化是满足水电站智能化建设的基础，而智能组件是实现一次设备智能化的核心部分，智能组件通常由若干智能电子装置集合组成，其主要功能是实现对一次设备监测、测量、控制、保护等功能。一般来说，智能组件的设计对可靠性、抗干扰能力、使用寿命和监测灵敏度等方面具有非常严格的要求。为了达到智能组件的设计和使用要求，采用模块化方法对智能组件进行设计是最有效的方法，现有的可以投入实用的智能组件主要包括智能终端、合并单元、状态监测IED等模块，如图1所示。
5.1智能终端
为有效接受来自断路器、SF6气体传感器、电流/电压互感器等电气一次设备的状态以及位置讯息，智能终端通常采用光缆或电缆与电气一次设备连接。当设备发出故障讯息后，智能终端能够及时对电气一次设备传递跳闸指令，以避免故障设备引发进一步的损害并同等待接受相应的维系讯息，进行对一次设备的调整以及维修。因此，智能终端需要支持三相跳闸、指令连锁、以及遥控分合等功能。此外，智能终端与合并单元相同，将从电气一次设备收集的讯息传递给保护装置，从而达到及时保护电器一次设备的目的。
5.2合并单元
合并单元需对电力系统的电压及电流瞬时值进行分析处理，确保电压及电流的数值出于正常范围后，再将电压电流的讯息输送到保护装置，以便实现对电力系统保护与检测。此外，为对电力系统实施全面的监控和保护，合并单元需建立足够的数据借口，以便建立与电力系统中的智能组件间的通信。另一方面，为提高智能组件的功效及发挥保护机制的作用，合并单元一般由于流程层的交换机进行连接，以便将讯息传递给测控装置，从而使站控层接受电压/电流的数据信息，最终达到保护装置的目的[3]。
5.3状态监测IED
状态监测IED是一种由处理器芯片以及多片传感器组成的集成电路监测装置，它具有采集或处理数据、接收或发送数据和控制指令以及执行相应的控制指令等功能。状态监测IED的监测对象主要有机构状态监测、局部放电监测、SF6气体状态监测以及避雷器状态监测等方式。其中，机构状态监测主要针对断路器的分合闸时间、分合闸电流波形、分合闸速度等参数进行监测;SF6气体状态监测主要针对SF6气体的密度和水分进行监测。状态监测IED中的各种传感器可内置或外置安装于一次设备上，但需要注意的是，这些传感器的设计寿命应高于被检测设备本身的使用寿命，同时，为了尽量减少体积，在保证传感器检测灵敏度与覆盖面的基础之上，应尽可能地减少传感器的配置数量[4]。
结论
简而言之，随着计算机技术的飞速发展，促进了智能化技术越来越多地广泛应用到各行各业中，智能水电站是集信息采集、信息传输和处理、指令输出等过程于一体的全数字化运行的水电站，水电站一次设备的智能化是实现智能化水电站的基础和关键，它的主要功能是对变电设备运行状态进行在线监测、为状态维修及寿命预测提供依据，为提升变电站运行安全性和可靠性奠定基础。文中详细分析了目前智能化水电站系统的特点和物理结构，并结合实际，介绍了水电站一次设备智能组件所需的相应配置。
参考文献
[1]常康，薛峰，杨卫东．中国智能电网基本特征及其技术进展评述［J］．电力系统自动化，2019，33(17):10－15．
[2]耿英会．智能化技术在电气工程自动化控制中的应用［J］．科技创新导报，2018(2)．
[3]贾刚，张萌．浅谈电气自动化控制中的人工智能技术［J］．中小企业管理与科技(下旬刊)，2017(9)．
[4]穆青．大中型无人值班水电厂的设计．《贵州水力发电》，2013(1)．