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★國(guó)能智深控制技術(shù)有限公司黃煥袍，劉小恒，曾凡斐

1　背景

“雙碳”背景下，我國(guó)能源轉(zhuǎn)型加速推進(jìn)，水電作為清潔能源的重要組成部分，在清潔低碳、安全高效、靈活智能新型能源體系和新型電力系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮不可替代的重要作用。水電站控制系統(tǒng)作為重大技術(shù)裝備的“大腦”和“神經(jīng)中樞”，實(shí)現(xiàn)自主可控和智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)面臨著上下位機(jī)分離、系統(tǒng)調(diào)控靈活性以及擴(kuò)展能力不足等問(wèn)題。因此，利用先進(jìn)的控制系統(tǒng)提升水電站運(yùn)行控制水平，實(shí)現(xiàn)安全高效、靈活智能運(yùn)行的目標(biāo)，已成為業(yè)界追求的目標(biāo)。

國(guó)能智深自主可控水電智能控制系統(tǒng)（EDPFHICS）作為新一代水電站控制系統(tǒng)的代表，為水電站的安全、高效、智能運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。本文介紹國(guó)家能源重大工程項(xiàng)目-黃河流域海拔最高、裝機(jī)容量最大的瑪爾擋大型水電站應(yīng)用自主可控水電智能控制系統(tǒng)的成功案例。

2　實(shí)施與應(yīng)用

青海瑪爾擋水電項(xiàng)目是國(guó)家重大工程項(xiàng)目，由4臺(tái)裝機(jī)容量為55萬(wàn)千瓦大機(jī)和1臺(tái)裝機(jī)容量為12萬(wàn)千瓦小機(jī)組成，總裝機(jī)容量為232萬(wàn)千瓦，其控制系統(tǒng)采用國(guó)能智深自主可控水電智能控制系統(tǒng)，操作系統(tǒng)為國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)，平臺(tái)工具軟件、應(yīng)用軟件、嵌入式軟件100%自主研發(fā)，關(guān)鍵芯片和核心元器件國(guó)產(chǎn)化率100%。該系統(tǒng)完全自主可控、智能高效、功能齊全、運(yùn)維方便；區(qū)別于傳統(tǒng)水電站監(jiān)控系統(tǒng)，EDPF-HICS實(shí)現(xiàn)了主輔一體化、上下位機(jī)一體化、管控一體化，集成了信息網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)、智能發(fā)電技術(shù)于一體，有效提升了水電站設(shè)備的智能化水平和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率。瑪爾擋水電站運(yùn)行監(jiān)視圖如圖1所示。

圖1 瑪爾擋水電站運(yùn)行監(jiān)視圖

瑪爾擋水電站控制系統(tǒng)包括50多個(gè)子站，350多個(gè)智能系統(tǒng)設(shè)備接入。通過(guò)EDPF-HICS的智能調(diào)度與優(yōu)化控制，電站能夠根據(jù)實(shí)時(shí)水情、電網(wǎng)需求及機(jī)組狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電負(fù)荷的最優(yōu)分配，顯著提高了水能利用率和發(fā)電效率。功能特點(diǎn)主要有：

（1）增強(qiáng)運(yùn)維管理水平。EDPF-HICS的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷功能，使得電站運(yùn)維人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在問(wèn)題，避免了非計(jì)劃停機(jī)，降低了維護(hù)成本。同時(shí)，系統(tǒng)的智能運(yùn)維支持也減輕了運(yùn)維人員的工作負(fù)擔(dān)，提高了工作效率。

（2）優(yōu)化能源調(diào)度與協(xié)同。在青海瑪爾擋水電站項(xiàng)目中，EDPF-HICS與智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)緊密配合，實(shí)現(xiàn)了跨區(qū)域、跨流域的能源調(diào)度與協(xié)同優(yōu)化，提升了區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定性和靈活性，為構(gòu)建智慧能源體系奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（3）保障安全生產(chǎn)與環(huán)保。EDPF-HICS通過(guò)精準(zhǔn)控制機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，有效降低了設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，保障了電站的安全生產(chǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)還具備環(huán)保監(jiān)測(cè)與管理功能，助力電站實(shí)現(xiàn)綠色、低碳運(yùn)行，符合國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略要求。

（4）智能化程度高。EDPF-HICS的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電站運(yùn)行與控制的全程自動(dòng)化；智能檢測(cè)與診斷分析、智能預(yù)警與報(bào)警，提升設(shè)備健康管理水平；結(jié)合設(shè)備工藝要求，應(yīng)用先進(jìn)智能控制技術(shù)和算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的靈活智能運(yùn)行與調(diào)節(jié)。

3　應(yīng)用創(chuàng)新

（1）EDPF-HICS與傳統(tǒng)水電廠典型技術(shù)差異對(duì)比（如表1所示）

表1 EDPF-HICS與傳統(tǒng)水電廠典型技術(shù)差異對(duì)比

（2）水電廠智能控制系統(tǒng)（EDPF-HICS）實(shí)現(xiàn)了主輔一體化、上下位機(jī)一體化、管控一體化

·主輔一體化，瑪爾擋水電站的主控系統(tǒng)及輔控系統(tǒng)采用同一品牌控制器，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)打破傳統(tǒng)水電主控采集輔控系統(tǒng)數(shù)據(jù)再上送上位機(jī)的模式，主輔數(shù)據(jù)都由上位機(jī)直接采集；

·上下位機(jī)軟件一體化，傳統(tǒng)的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)PLC+SCADA結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)組成，系統(tǒng)復(fù)雜度較高，兩個(gè)系統(tǒng)采用不同的軟件，它們之間的接口和通信需要額外的配置和維護(hù)工作，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和潛在的風(fēng)險(xiǎn)。EDPFHICS上下位機(jī)軟件采用一體化設(shè)計(jì)，上位機(jī)軟件既是組態(tài)、監(jiān)控軟件，又是下位機(jī)編程軟件。

·管控一體化，瑪爾擋水電站I、II、III區(qū)采用EDPF-HICS一體化平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸和處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的精確控制和管理。同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化，電站可以更加精準(zhǔn)地制定生產(chǎn)計(jì)劃、優(yōu)化資源配置，降低生產(chǎn)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

架構(gòu)前瞻性。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和業(yè)務(wù)增長(zhǎng)需求，選擇具有前瞻性的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)路線，確保長(zhǎng)期的技術(shù)領(lǐng)先性和業(yè)務(wù)適應(yīng)性。瑪爾擋EDPF-HICS網(wǎng)絡(luò)硬件主要包含多臺(tái)交換機(jī)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)引入雙星型冗余網(wǎng)絡(luò)及高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)。單元層網(wǎng)絡(luò)采用雙星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，又稱雙MMS網(wǎng)結(jié)構(gòu)。過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)采用雙GOOSE網(wǎng)結(jié)構(gòu)完成數(shù)據(jù)采集。

性能卓越性。高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)的引入用于完成非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析處理，進(jìn)而通過(guò)智能計(jì)算引擎，為智能報(bào)警、智能報(bào)表、智能ON-CALL等高級(jí)應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其余實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)則通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具備高性能的數(shù)據(jù)傳輸能力，低延遲、高吞吐量是基本要求，同時(shí)能夠支持多業(yè)務(wù)并發(fā)處理，滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)處理需求，詳細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖2 EDPF-HICS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

（4）先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集方式EDPF-HICS數(shù)據(jù)采集區(qū)別于傳統(tǒng)水電站采集方式，數(shù)據(jù)采集更加高效、可靠，主要體現(xiàn)在兩大方面（如表2所示）。

表2 EDPF-HICS數(shù)據(jù)采集與傳統(tǒng)水電站采集方式對(duì)比

4　效益分析

（1）經(jīng)濟(jì)效益提高發(fā)電效率。H-ICS系統(tǒng)通過(guò)智能化管理，優(yōu)化了水電廠的運(yùn)行流程，提高了發(fā)電效率，從而降低了單位電能的成本，從而提高電站生產(chǎn)效益。

減少故障，降低運(yùn)維成本。自主可控的智能控制系統(tǒng)提前預(yù)警潛在故障，減少非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，降低維修成本，年運(yùn)維成本節(jié)約可達(dá)數(shù)百萬(wàn)元。

（2）社會(huì)效益

推動(dòng)能源數(shù)智化轉(zhuǎn)型。H-ICS是水電領(lǐng)域智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵支撐，其應(yīng)用推動(dòng)了能源數(shù)智化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。通過(guò)引入人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，提高了水電廠的智能化水平。

帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。H-ICS的研發(fā)和成功應(yīng)用帶動(dòng)了行業(yè)工控產(chǎn)業(yè)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)、國(guó)產(chǎn)芯片和元器件的協(xié)同發(fā)展，推動(dòng)形成我國(guó)工控產(chǎn)業(yè)自主生態(tài)。

5　項(xiàng)目意義

自主可控水電智能控制系統(tǒng)（H-ICS）是國(guó)內(nèi)首套基于國(guó)產(chǎn)芯片和國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的水電站智能控制系統(tǒng)，首次在國(guó)家能源領(lǐng)域重大工程項(xiàng)目-瑪爾擋大型水電站的成功應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了水電領(lǐng)域控制系統(tǒng)的完全自主可控和智能化升級(jí)，保障了能源生產(chǎn)與供給安全，為水電領(lǐng)域提供了可推廣復(fù)制的數(shù)智化轉(zhuǎn)型方案，促進(jìn)了水電行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，具有重大行業(yè)示范意義。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年7月刊