CN107733691A - 集团级智能水力发电系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明及一种集团级智能水力发电系统，其结构包括过程层、单元层、电站层、集控层和集团层；所述过程层、单元层、电站层和集控层中分别分隔有安全Ⅰ区和安全Ⅱ区，所述单元层、电站层和集控层中还分隔有管理信息大区；所述过程层、单元层、电站层、集控层和集团层间的通信采用网络通信模式，冗余配置。本发明将现有水电厂设备分层设置并通过服务器和一体化控制系统实现各设备的有效通信和控制；通过分区设置服务器并进行特定连接，在各层间有效通信的前提下保障了通信安全；通信协议和通信网络的选择进一步提高了通信的稳定性。

Description

集团级智能水力发电系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种智能化设备系统，特别是一种集团级智能水力发电系统及控制方法。
背景技术
我国水电厂已普遍装备了计算机监控系统、水情水调、继电保护等系统，机组状态监测、大坝监测计量等自动化系统也初具规模，但各系统发展水平不平衡，导致系统间数据共享困难，未能有效发挥系统功能；水电厂自动化设备升级改造困难，致使自动化系统一体化及智能化程度低，检修时间长，生产检修维护成本高，这些因素都严重制约了水电厂效率的提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种集团级智能水力发电系统及控制方法，通过改造和整合现有水电厂自动化设备，使其形成一体化系统，保证系统间的数据可以有效归整并进行相互通信，设备间的分组和连接保证了系统的安全与稳定。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种集团级智能水力发电系统，其结构包括过程层、单元层、电站层、集控层和集团层；
所述过程层包括智能终端、合并单元、传感器和辅控单元；
所述单元层包括现地控制设备、现地监控设备和现地保护设备；
所述电站层包括电站层服务器，所述电站层服务器用于接收并处理过程层和单元层所得数据，并对过程层、单元层和电站层中的设备进行控制；
所述集控层包括集控层服务器，所述集控层服务器用于接收并处理电站层所得数据，并对过程层、单元层、电站层和集控层中的设备进行控制；
所述集团层包括集团层服务器，所述集团层服务器用于接收并处理集控层所得数据，并对过程层、单元层、电站层、集控层和集团层中的设备进行状态监测，所述集团层服务器根据状态监测和所得数据作出分析并向集控层服务器回传数据处理结果；
所述电站层、集控层和集团层中均设置有一体化控制系统，所述一体化控制系统统一控制该层中的所有服务器；
所述过程层与单元层、单元层与电站层、电站层与集控层、集控层与集团层间通过通信总线连接。
进一步地，所述过程层、单元层、电站层和集控层中分别分隔有安全Ⅰ区和安全Ⅱ区，所述单元层、电站层和集控层中还分隔有管理信息大区；
所述电站层服务器包括电站层安全Ⅰ区服务器、电站层安全Ⅱ区服务器和电站层管理信息大区服务器，所述电站层安全Ⅰ区服务器与电站层安全Ⅱ区服务器间、电站层安全Ⅱ区服务器与电站层管理信息大区服务器间相连接并设置防火墙或物理隔离装置使电站层安全Ⅰ区服务器与电站层安全Ⅱ区服务器间、电站层安全Ⅱ区服务器与电站层管理信息大区服务器间单向连接；
所述集控层服务器包括集控层安全Ⅰ区服务器、集控层安全Ⅱ区服务器和集控层管理信息大区服务器，所述集控层安全Ⅰ区服务器与集控层安全Ⅱ区服务器间、集控层安全Ⅱ区服务器与集控层管理信息大区服务器间相连接并设置防火墙或物理隔离装置使集控层安全Ⅰ区服务器与集控层安全Ⅱ区服务器间、集控层安全Ⅱ区服务器与集控层管理信息大区服务器间单向连接；
设置在过程层、单元层、电站层和集控层安全Ⅰ区中的设备相互连接；设置在过程层、单元层、电站层和集控层安全Ⅱ区中的设备相互连接；设置在单元层、电站层和集控层管理信息大区中的设备和集团层中的设备相互连接。
作为优选，所述过程层、单元层、电站层、集控层和集团层间的通信采用网络通信模式，冗余配置；所述集控层与电站层中的安全Ⅰ区与安全Ⅱ区间、电站层与单元层中的安全Ⅰ区与安全Ⅱ区间通过DL/T 860标准MMS协议进行通信；所述集团层与集控层、集控层与电站层、电站层与单元层中的管理信息大区间以及集控层与外部系统间通过DL/T 890标准Web Service规范进行通信；所述单元层与过程层中的安全Ⅰ区与安全Ⅱ区间通信网络由冗余的GOOSE网和冗余的SV网组成。
一种集团级智能水力发电系统控制方法，其步骤为：
S1、过程层中的传感器取得电站及设备运行参数，并将数字信号或模拟信号传送给合并单元、智能终端、辅控单元；
S2、过程层合并单元、智能终端、辅控单元、智能传感器将获取到的数据进行处理形成统一的网络通信报文格式供单元层或电站层设备调用；
S3、单元层设备将收集的数据，经过加工、处理和分析，传送给电站层一体化平台；
S4、电站层一体化平台对获得数据进行分析、计算、处理后添加数据编码，根据数据编码选择供电站层设备或应用组件调用或传送给集控层一体化平台；
S5、集控层一体化平台对获得数据进行分析、计算、处理后添加数据编码根据数据编码选择供集控层设备或应用组件调用或同步至集团层一体化平台；
S6、集团层一体化平台对获得数据进行分析、计算、处理后供集团层设备或应用组件调用；
S7、电站层、集控层和集团层应用组件基于获得数据进行应用分析，形成控制指令，控制指令回存于相对应一体化平台供其它设备调用或通过通信网络传送至过程层或单元层进行设备控制；
上述各层中的一体化平台由该层一体化控制系统和服务器组成。
作为优选，所述过程层、单元层、电站层和集控层中分别分隔有安全Ⅰ区和安全Ⅱ区，所述单元层、电站层和集控层中还分隔有管理信息大区；所述电站层和集控层中的数据在同一层中仅能由安全Ⅰ区向安全Ⅱ区、由安全Ⅱ区向管理信息大区进行单向传输；所述安全Ⅰ区、安全Ⅱ区和管理信息大区中的数据仅能在同一区中进行纵向传输；所述集团层一体化平台仅能与集控层的管理信息大区设备进行数据传输。
进一步地，所述步骤S3中将单元层设备基于水电公共信息模型进行统一建模，并与IEC 61850客户机、IEC 61850服务器配合形成智能电子设备并与外部数据源通信、对外部设备控制。
更进一步，所述步骤S3的建模过程中，针对无法实现智能电子设备化的设备或系统，采用设置IEC 61850规约转换器的方式实现设备和系统建模并与外部系统的网络通信。
作为优选，所述步骤S4、S5、S6中的一体化平台采用面向服务的体系架构，按照IEC61850标准统一规范通信接口和数据模型。
作为优选，所述步骤S4中对获得数据进行分析、计算、处理后添加数据编码具体为：
S41、对获得的有效数据进行分类；
S42、通过计算获得各类数据的特征参数作为二次数据；
S43、将计算获得的二次数据配置相应的数据编码；
S44、将二次数据与数据编码一同存入一体化平台。
作为优选，所述步骤S4-S7中的应用组件均基于一体化平台采用功能模块化开发，分层部署，并根据电站层、集控层和集团层的应用组件设置权限，所述应用组件共享一体化平台数据处理、计算、分析、报警、权限管理功能和服务。
本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：将现有水电厂设备分层设置并通过服务器和一体化控制系统实现各设备的有效通信和控制；通过分区设置服务器并进行特定连接，在各层间有效通信的前提下保障了通信安全；通信协议和通信网络的选择进一步提高了通信的稳定性。控制方法在以上优点的基础上以水电信息模型为基础，建立一体化平台实现集团内各级水电站数据的标准化，数据采集、存储和应用一体化，有效解决了传统水电厂“信息孤岛”、数据共享困难等问题，以及区域公司和集团公司统计对标工作量大、数据不准确等问题；一体化平台采用模块化设计，可根据需要自由组态，可有效避免系统重复建设；应用功能模块采用分层部署，可充分发挥水力发电系统各层级的处理优势，提升水力发电生产、管理水平和效率；同时智能水力发电系统运管工作主体由电站层向集控层迁移，符合当前水力发电行业发展的趋势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图。
标号说明：
过程层安全Ⅰ区设备11
过程层安全Ⅱ区设备12
单元层安全Ⅰ区设备21
单元层安全Ⅱ区设备22
单元层管理信息大区设备23
电站层安全Ⅰ区设备和服务器31
电站层安全Ⅱ区设备和服务器32
电站层管理信息大区设备和服务器33
电站层一体化控制系统34
集控层安全Ⅰ区设备和服务器41
集控层安全Ⅱ区设备和服务器42
集控层管理信息大区设备和服务器43
集控层一体化控制系统44
集团层设备和服务器53
集团层一体化控制系统54
防火墙/物理隔离装置6
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：
如图1所示，本实施例由过程层、单元层、电站层、集控层和集团层组成。过程层中设置有过程层安全Ⅰ区设备11和过程层安全Ⅱ区设备12，其中过程层安全Ⅰ区设备11中布置有智能终端、合并单元和辅控单元，过程层安全Ⅱ区设备12中布置有智能传感器。单元层中设置有单元层安全Ⅰ区设备21、单元层安全Ⅱ区设备22和单元层管理信息大区设备23，单元层中设备主要由现地控制设备、现地监控设备和现地保护设备构成，具体地单元层安全Ⅰ区中设置有继电保护、稳定控制、现地控制、调速、励磁和振摆保护设备；单元层安全Ⅱ区中设置有水情测报和状态监测设备；单元层管理信息大区中设置有大坝安全监测、工业电视和消防设备。过程层和单元层同层区间的设备无通信连接，过程层与单元层同区间(安全Ⅰ区和安全Ⅱ区)的设备通过冗余的GOOSE网和冗余的SV网连接。电站层中设置有电站层安全Ⅰ区设备和服务器31、电站层安全Ⅱ区设备和服务器32、电站层管理信息大区设备和服务器33和电站层一体化控制系统34，电站层一体化控制系统34统一控制电站层中的所有服务器，其中电站层安全Ⅰ区设备和服务器31实现发电控制和电压控制，电站层安全Ⅱ区设备和服务器32实现保护信息管理、电能量计量和故障录波，电站层管理信息大区设备和服务器33实现大坝安全分析、状态检修决策支持和安全防护管理，以上功能实现已为现有技术在此不再赘述。电站层安全Ⅰ区服务器与电站层安全Ⅱ区服务器间通过设置防火墙6实现单向连接，电站层安全Ⅱ区服务器与电站层管理信息大区服务器通过设置物理隔离装置6实现单向连接，电站层与过程层安全Ⅰ区和安全Ⅱ区的设备通过DL/T 860标准MMS协议进行通信，管理信息大区间的设备通过DL/T 890标准Web Service规范进行通信。集控层中设置有集控层安全Ⅰ区设备和服务器41、集控层安全Ⅱ区设备和服务器42、集控层管理信息大区设备和服务器43和集控层一体化控制系统44，集控层一体化控制系统44统一控制集控层中的所有服务器，其中集控层安全Ⅰ区设备和服务器41实现经济调度控制，集控层安全Ⅱ区设备和服务器42实现电能量计量系统、水文预报、发电调度、防洪调度和保护信息管理，集控层管理信息大区设备和服务器43实现调度评价、大坝安全分析、状态检修决策支持、防汛决策支持和安全防护管理，以上功能实现已为现有技术在此不再赘述。集控层安全Ⅰ区服务器与集控层安全Ⅱ区服务器间通过设置防火墙6实现单向连接，集控层安全Ⅱ区服务器与集控层管理信息大区服务器通过设置物理隔离装置6实现单向连接，集控层与电站层安全Ⅰ区和安全Ⅱ区的设备通过DL/T 860标准MMS协议进行通信，管理信息大区间的设备通过DL/T890标准Web Service规范进行通信，另外集控层管理信息大区服务器还与生产管理系统和自动化系统连接。集团层中设置有集团层设备和服务器53和集团层一体化控制系统54，集团层一体化控制系统54控制集团层中的服务器，集团层设备和服务器53实现状态监测、大坝安全评估和统计评价，并将评估评价数据回传，以上功能实现已为现有技术在此不再赘述。集团层与集控层管理信息大区间的设备通过DL/T 890标准Web Service规范进行通信。电网调度中心还通过IEC 104规约与电站层安全Ⅰ区和集控层安全Ⅰ区服务器通信，实现电站层的电网直调。
基于以上系统的控制方法步骤为：
S1、过程层中的传感器取得电站及设备运行参数，并将数字信号或模拟信号传送给合并单元、智能终端、辅控单元；
S2、过程层合并单元、智能终端、辅控单元、智能传感器将获取到的数据进行处理形成统一的网络通信报文格式供单元层或电站层设备调用；
S3、单元层设备将收集的数据，经过加工、处理和分析，传送给电站层一体化平台；
S4、电站层一体化平台对获得的有效数据进行分类，通过计算获得各类数据的特征参数作为二次数据，将计算获得的二次数据配置相应的数据编码，将二次数据与数据编码一同存入一体化平台，根据数据编码选择供电站层设备或应用组件调用或传送给集控层一体化平台；
S5、集控层一体化平台对获得数据进行分析、计算、处理后添加数据编码根据数据编码选择供集控层设备或应用组件调用或同步至集团层一体化平台；
S6、集团层一体化平台对获得数据进行分析、计算、处理后供集团层设备或应用组件调用；
S7、电站层、集控层和集团层应用组件基于获得数据进行应用分析，形成控制指令，控制指令回存于相对应一体化平台供其它设备调用或通过通信网络传送至过程层或单元层进行设备控制；
上述各层中的一体化平台由该层一体化控制系统和服务器组成。
过程层、单元层、电站层和集控层中分别分隔有安全Ⅰ区和安全Ⅱ区，单元层、电站层和集控层中还分隔有管理信息大区；电站层和集控层中的数据在同一层中仅能由安全Ⅰ区向安全Ⅱ区、由安全Ⅱ区向管理信息大区进行单向传输；安全Ⅰ区、安全Ⅱ区和管理信息大区中的数据仅能在同一区中进行纵向传输；集团层一体化平台仅能与集控层的管理信息大区设备进行数据传输。
其中S3中的单元层设备基于水电公共信息模型统一建模，并与IEC 61850客户机、IEC 61850服务器配合形成智能电子设备并与外部数据源通信、对外部设备控制，针对无法实现智能电子设备化的设备或系统，采用设置IEC 61850规约转换器的方式实现设备和系统建模并与外部系统的网络通信，并且一体化平台采用面向服务的体系架构，按照IEC61850标准统一规范通信接口和数据模型。
系统中的应用组件均基于一体化平台采用功能模块化开发，分层部署，并根据电站层、集控层和集团层的应用组件设置权限，所述应用组件共享一体化平台数据处理、计算、分析、报警、权限管理功能和服务。
一体化平台数据汇聚的对象包括水电厂各自动化系统及设备的所有数据，具体范围如下：生产控制大区主要包括现地控制单元、继电保护系统、调速器系统、励磁调节器系统、电力五防系统、辅机控制系统、状态监测系统、水情自动测报系统、大坝安全监测系统、泄洪闸门控制系统等；管理信息大区主要包括门禁控制装置、消防装置、无线巡检装置、环境监测装置、工业电视控制装置等；水电厂其它各类自动化系统的数据。
一体化平台为系统提供各种类型的数据服务，在此基础之上建立插件式、开放、可扩展的动态开发的应用平台，将水电厂的各种应用作为服务插件进行总体整合，由服务管理微内核控制各应用服务插件的动态装载、事件发布、通信、异常处理等，形成各类基础应用动态组合，为应用提供统一的开发、运行和维护环境。基础应用集成主要实现计算机监控、水调自动化、大坝安全监测、状态监测等水电厂基本业务功能或系统集成。经济运行、状态检修决策支持、大坝安全分析、防汛决策支持、安全防护管理等智能应用采用模块化设计，分层部署。
智能应用各功能模块均基于一体化平台开发和建设，经过智能应用分析和处理后的结果存储于一体化平台可供其他应用访问并使用，从而实现各智能应用之间的互联互通。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种集团级智能水力发电系统，其特征在于：包括过程层、单元层、电站层、集控层和集团层；
所述过程层包括智能终端、合并单元、传感器和辅控单元；
所述单元层包括现地控制设备、现地监控设备和现地保护设备；
所述电站层包括电站层服务器，所述电站层服务器用于接收并处理过程层和单元层所得数据，并对过程层、单元层和电站层中的设备进行控制；
所述集控层包括集控层服务器，所述集控层服务器用于接收并处理电站层所得数据，并对过程层、单元层、电站层和集控层中的设备进行控制；
所述集团层包括集团层服务器，所述集团层服务器用于接收并处理集控层所得数据，并对过程层、单元层、电站层、集控层和集团层中的设备进行状态监测，所述集团层服务器根据状态监测和所得数据作出分析并向集控层服务器回传数据处理结果；
所述电站层、集控层和集团层中均设置有一体化控制系统，所述一体化控制系统统一控制该层中的所有服务器；
所述过程层与单元层、单元层与电站层、电站层与集控层、集控层与集团层间通过通信总线连接。
2.根据权利要求1所述的集团级智能水力发电系统，其特征在于：所述过程层、单元层、电站层和集控层中分别分隔有安全Ⅰ区和安全Ⅱ区，所述单元层、电站层和集控层中还分隔有管理信息大区；
所述电站层服务器包括电站层安全Ⅰ区服务器、电站层安全Ⅱ区服务器和电站层管理信息大区服务器，所述电站层安全Ⅰ区服务器与电站层安全Ⅱ区服务器间、电站层安全Ⅱ区服务器与电站层管理信息大区服务器间相连接并设置防火墙或物理隔离装置使电站层安全Ⅰ区服务器与电站层安全Ⅱ区服务器间、电站层安全Ⅱ区服务器与电站层管理信息大区服务器间单向连接；
所述集控层服务器包括集控层安全Ⅰ区服务器、集控层安全Ⅱ区服务器和集控层管理信息大区服务器，所述集控层安全Ⅰ区服务器与集控层安全Ⅱ区服务器间、集控层安全Ⅱ区服务器与集控层管理信息大区服务器间相连接并设置防火墙或物理隔离装置使集控层安全Ⅰ区服务器与集控层安全Ⅱ区服务器间、集控层安全Ⅱ区服务器与集控层管理信息大区服务器间单向连接；
设置在过程层、单元层、电站层和集控层安全Ⅰ区中的设备相互连接；设置在过程层、单元层、电站层和集控层安全Ⅱ区中的设备相互连接；设置在单元层、电站层和集控层管理信息大区中的设备和集团层中的设备相互连接。
3.根据权利要求2所述的集团级智能水力发电系统，其特征在于：所述过程层、单元层、电站层、集控层和集团层间的通信采用网络通信模式，冗余配置；所述集控层与电站层中的安全Ⅰ区与安全Ⅱ区间、电站层与单元层中的安全Ⅰ区与安全Ⅱ区间通过DL/T 860标准MMS协议进行通信；所述集团层与集控层、集控层与电站层、电站层与单元层中的管理信息大区间以及集控层与外部系统间通过DL/T 890标准Web Service规范进行通信；所述单元层与过程层中的安全Ⅰ区与安全Ⅱ区间通信网络由冗余的GOOSE网和冗余的SV网组成。
4.根据权利要求1至3任一所述的集团级智能水力发电系统控制方法，其步骤为：
S1、过程层中的传感器取得电站及设备运行参数，并将数字信号或模拟信号传送给合并单元、智能终端、辅控单元；
S2、过程层合并单元、智能终端、辅控单元、智能传感器将获取到的数据进行处理形成统一的网络通信报文格式供单元层或电站层设备调用；
S3、单元层设备将收集的数据，经过加工、处理和分析，传送给电站层一体化平台；
S4、电站层一体化平台对获得数据进行分析、计算、处理后添加数据编码，根据数据编码选择供电站层设备或应用组件调用或传送给集控层一体化平台；
S5、集控层一体化平台对获得数据进行分析、计算、处理后添加数据编码根据数据编码选择供集控层设备或应用组件调用或同步至集团层一体化平台；
S6、集团层一体化平台对获得数据进行分析、计算、处理后供集团层设备或应用组件调用；
S7、电站层、集控层和集团层应用组件基于获得数据进行应用分析，形成控制指令，控制指令回存于相对应一体化平台供其它设备调用或通过通信网络传送至过程层或单元层进行设备控制；
上述各层中的一体化平台由该层一体化控制系统和服务器组成。
5.根据权利要求4所述的集团级智能水力发电系统控制方法，其特征在于：所述过程层、单元层、电站层和集控层中分别分隔有安全Ⅰ区和安全Ⅱ区，所述单元层、电站层和集控层中还分隔有管理信息大区；所述电站层和集控层中的数据在同一层中仅能由安全Ⅰ区向安全Ⅱ区、由安全Ⅱ区向管理信息大区进行单向传输；所述安全Ⅰ区、安全Ⅱ区和管理信息大区中的数据仅能在同一区中进行纵向传输；所述集团层一体化平台仅能与集控层的管理信息大区设备进行数据传输。
6.根据权利要求4所述的集团级智能水力发电系统控制方法，其特征在于：所述步骤S3中将单元层设备基于水电公共信息模型进行统一建模，并与IEC61850客户机、IEC 61850服务器配合形成智能电子设备并与外部数据源通信、对外部设备控制。
7.根据权利要求6所述的集团级智能水力发电系统控制方法，其特征在于：所述步骤S3的建模过程中，针对无法实现智能电子设备化的设备或系统，采用设置IEC 61850规约转换器的方式实现设备和系统建模并与外部系统的网络通信。
8.根据权利要求7所述的集团级智能水力发电系统控制方法，其特征在于：所述步骤S4、S5、S6中的一体化平台采用面向服务的体系架构，按照IEC 61850标准统一规范通信接口和数据模型。
9.根据权利要求4所述的集团级智能水力发电系统控制方法，其特征在于：所述步骤S4中对获得数据进行分析、计算、处理后添加数据编码具体为：
S41、对获得的有效数据进行分类；
S42、通过计算获得各类数据的特征参数作为二次数据；
S43、将计算获得的二次数据配置相应的数据编码；
S44、将二次数据与数据编码一同存入一体化平台。
10.根据权利要求4所述的集团级智能水力发电系统控制方法，其特征在于：所述步骤S4-S7中的应用组件均基于一体化平台采用功能模块化开发，分层部署，并根据电站层、集控层和集团层的应用组件设置权限，所述应用组件共享一体化平台数据处理、计算、分析、报警、权限管理功能和服务。
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