CN109525040B - 一种智能化电站数据采集和共享方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能化电站数据采集和共享办法，具体为，在智能化电站中对二次专业设备按照功能进行分类，分析每类的二次专业设备对采样速度、采样精度的要求进而确定优先级别，确定每个数据信息由哪些二次专业设备完成数据采集，并转化成标准通信报文共享至通信网络，最后，通过充分利用大数据挖掘和边缘计算等技术，实现本专业设备的智能诊断、自愈和趋势预测，并通过厂站层网络完成信息的交互与远程控制，从而实现数据的第二次共享。本发明既充分考虑了实时控制类二次专业设备对数据采样精度、采样速度以及实时性的要求，又满足了智能电站中针对基于标准通信模型的大数据通信要求，为智能电站的推广提供了一种解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能化电站数据采集和共享方法，属于电力系统自动化技术领域。
背景技术
近些年来，清洁能源尤其是水电资源的开发进入了大发展时期。随着流域梯级开发的逐渐深入以及水电站装机容量巨型化，水电厂在电网中的比重越来越大，对电网的安全稳定运行起着愈发明显的作用。然而，受到以前技术水平和设计理念的限制，传统水电厂不同专业设备和子系统之间形成了一个个的信息孤岛，信息数据的采集与共享呈现下述的现象：专业设备之间交互信息少、不同专业设备针对同一数据进行重复采集、水电厂运维工作量大，带来的直接后果就是运维成本高、工作整体效率不高、各专业设备的故障诊断过于依赖于人工经验，从而严重制约了水电厂整体效率的提高和效益的最大化。
与此同时，大数据、数据挖掘、边缘计算、云计算、人工智能、移动终端等新兴技术发展迅速，为水电厂的大数据通信及应用提供了可能。在这个基础上，智能水电厂建设的呼声越来越高。智能水电厂是指利用传感技术获取所需数据信息，利用通信手段实现数据共享，采用大数据、数据挖掘、边缘计算等技术实现智能诊断、自愈和趋势预测。数据的采集与共享，这是智能水电厂建设的基础与关键。
目前尚未有建成满足上述要求的智能水电厂，查阅智能水电厂的相关标准和诸多指导性的意见、方案，在数据的采集与共享环节尚未形成可行、成熟的方案。此外，有一些单位和机构推荐参考智能变电站的做法：在智能水电厂中配置电子式互感器和合并单元装置，由电子式互感器直接采集电压、电流等数据信息，然后通过合并单元装置将其转换成满足智能水电厂通信模型的数据报文并将其发送给所需的二次专业设备。对于这种方案其问题在于，电子式互感器的可靠性、合并单元的采样精度和采样速度、交换机的数据传输延时、采样数据容错处理等环节存在较大的不确定性，尚有待进一步的技术改进和验证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出了一种智能化电站中数据采集和共享方法，应用该方法采集到的数据满足采样速度、采样精度以及实时性的要求并且能够以标准通信报文的格式发送出去完成数据共享，包括步骤如下：
1）智能化电站数据采集和共享架构采用 “三层两网”结构，所述三层是指厂站层、单元层和过程层，所述两网是指厂站层网络和过程层网络；所述厂站层为集控中心及服务器，所述单元层配置各二次专业设备，用于采集过程层设备的模拟量数据信息；所述二次专业设备将采集的模拟量数据信息转换成标准通信报文共享至过程层网络以及厂站层网络，供其他二次专业设备和厂站层设备采集；所述过程层配置过程层设备；
2）对智能化电站中的二次专业设备按照功能进行分类；
3）基于不同功能类别的二次专业设备对所需数据采样精度、采样速度和实时性的要求，确定优先级别；
4）确定每个模拟量数据采集所对应的二次专业设备；
5）将所述步骤4）采集的模拟量数据息转换成标准通信报文，并上送至厂站层网络和过程层网络上，供其它二次专业设备及厂站层设备进行采集，完成数据的第一次共享；
6）各二次专业设备通过厂站层网络、过程层网络采集到所需的机组实时数据信息并进行解析，将数据解析的结果与本专业设备的实时状态数据、历史数据一起作为专家知识库中数据分析模型的输入变量，实现本专业设备的智能诊断、自愈和趋势预测，并通过厂站层网络完成上述信息的交互与远程控制，完成数据的第二次共享。
前述的智能电站中的二次专业设备包括励磁设备、调速设备、保护设备、监控设备、故障录波设备和同期设备。
前述的过程层网络和厂站层网络采用基于IEC61850的标准通信网络。
前述的步骤2）中，二次专业设备具体分类如下：
实时控制类：励磁设备和调速设备；
监视与控制类：保护设备、监控设备和同期设备；
测量录波类：故障录波设备。
前述的步骤3）中，优先级别由高到低依次为：实时控制类，监视与控制类和测量录波类。
前述的步骤4）中，模拟量数据包括定子电压、定子电流、励磁电压、励磁电流、有功功率、无功功率和频率；
所述定子电压的数据采集由励磁设备完成；
所述频率的采集由励磁设备和调速设备分别完成；
所述励磁电压和励磁电流的采集由励磁设备完成；
所述定子电流的采集由励磁设备完成；
所述有功功率和无功功率的采集通过对定子电压、定子电流的采样数据进行计算而来。
前述的有功功率和无功功率的计算如下：首先，励磁设备直接采集定子电压和定子电流，并计算出有功功率和无功功率；其次，励磁设备将转成标准通信格式的定子电压、定子电流、有功功率和无功功率数据报文上送至厂站层网络和过程层网络；然后，二次专业设备直接采样已计算好的有功功率和无功功率数值，或者选择对包含定子电压、定子电流的报文进行解析重新计算出有功功率和无功功率。
前述的对于定子电压、定子电流、有功功率、无功功率和转子电流也支持由故障录波设备自采、计算。
本发明所达到的有益效果为：
本发明既充分考虑了实时控制类二次专业设备对数据采样精度、采样速度以及实时性的要求，又满足了智能电站中针对基于标准通信模型的大数据通信要求，为智能电站的推广提供了一种解决方案。
附图说明
图1是本发明的智能化电站数据采集和共享系统架构图；
图2是基于IEC61850通信标准的智能化电站数据采集和共享系统架构图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参见图1，智能化电站数据采集和共享系统架构采用“三层两网”架构，其中“三层”是指厂站层、单元层、过程层，“两网”是指厂站层网和过程层网。在图1中，厂站层为集控中心及服务器，各二次专业设备（调速设备，励磁设备，保护设备、监控设备、故障录波设备、同期设备）位于单元层，负责采集数据的二次专业设备自主选择可靠并且满足采样精度、采样速度以及实时性的采样方式从过程层设备（测速装置，PT互感器，CT互感器）采集到所需数据信息，如调速设备从测速装置采集数据，励磁设备和故障录波设备从PT互感器，CT互感器采集数据；随后将其转换成标准通信报文共享至过程层网络以及厂站层网络，供其他二次专业设备和厂站层设备采集。
图2为采用IEC61850通信标准的“三层两网的架构，如图2所示，厂站层为集控中心及服务器，各二次专业设备（调速设备，励磁设备，保护设备、监控设备、故障录波设备、同期设备）位于单元层，负责采集数据的二次专业设备自主选择可靠并且满足采样精度、采样速度以及实时性的采样方式从过程层设备（测速装置，PT互感器，CT互感器）采集到所需数据信息，如调速设备从测速装置采集数据，励磁设备和故障录波设备从PT互感器，CT互感器采集数据；随后将其转换成标准通信报文共享至过程层网络以及厂站层网络，供其他二次专业设备和厂站层设备采集。采用同步发电机，自并激励磁方式，其模拟量的采集主要涉及定子电压、定子电流、励磁电压、励磁电流、有功功率、无功功率、频率等。
以下详细阐述本发明的智能化电站数据采集和共享方法，具体步骤如下：
步骤一：对智能化电站中的二次专业设备按照功能进行分类。需要进行模拟量数据采集的主要二次专业设备有励磁设备、调速设备、保护设备（包含发电组保护系统和水机保护系统等）、监控设备、故障录波设备、同期设备等，按照功能可以分为实时控制类、监视与控制类、测量录波类，具体细分如下：
实时控制类：励磁设备、调速设备；
监视与控制类：保护设备、监控设备、同期设备；
测量录波类：故障录波设备；
步骤二：确定不同功能类别的二次专业设备对所需数据采样精度、采样速度以及实时性的要求及优先级别。基本原则是：实时控制类的二次专业设备对采样精度、采样速度以及实时性要求较高，优先级别最高；监视与控制类要求次之，优先级别次之；测量录波类优先级别最低。具体划分如下：
励磁设备、调速设备：参与发电机组的实时控制，对采样精度和采样速度要求最高，优先级别最高。
保护设备、监控设备、同期设备：负责机组的监视功能与部分控制功能，对采样精度和采样速度要求与实时控制类设备相比低一些，优先级别次之；
故障录波设备：这里需要说明一点，故障录波设备对采样精度要求和采样速度要求比较高，但考虑到其主要负责录波、测量功能，不参与控制环节，故优先级别最低。
步骤三：确定每个模拟量数据采集所对应的二次专业设备。基本原则是：每个模拟量数据采集由优先级别最高的二次专业设备进行采集，数据采集所使用的方式与工具不作硬性要求，但一方面要满足采样精度、采样速度以及实时性的要求，另一方面要能够将采集到的模拟量数据转换成基于IEC61850标准的通信报文，如IEC 61850, IEC 60870-5-104,IEEE 1815, IEC 61158,IEC 61784, IEC 62541,IEC 61970, IEC 60870-6等。对于以定子电压、定子电流、励磁电压、励磁电流、有功功率、无功功率、频率为主的模拟量数据采集任务，结合步骤二中所确定的优先级别，具体细分如下：
步骤301：确定定子电压数据采集所需对应的二次专业设备。定子电压是励磁设备电压闭环控制方式的实时控制目标，其采样精度一般优于0.05%；在采样速度环节，定子电压测量环节的时间常数达到毫秒级。因此，定子电压的数据采集由励磁设备完成；
步骤302：确定频率数据采集所需对应的二次专业设备。频率在励磁设备和调速设备中皆参与实时控制：在励磁设备中，频率是PSS、伏赫兹限制等主辅环模型的输入变量，尤其是在PSS模型中对频率的采样精度很高，达到了微妙级甚至更高；在调速设备中，频率是转速闭环控制方式的实时控制目标，需要注意的是，在“停机态-空转态”这段时间内励磁设备尚未参与控制，调速设备需要单独进行测频。因此，频率的采集由励磁设备和调速设备分别完成；
步骤303：确定励磁电压、励磁电流数据采集所需对应的二次专业设备。转子电流在励磁设备中参与实时控制：它是过励限制、最大转子电流瞬时限制、最小转子电流限制等辅环控制模型的输入变量；转子电压是励磁设备的实际输出控制对象；因此，转子电压、转子电流的采集由励磁设备完成；
步骤304：确定定子电流数据采集所需对应的二次专业设备。定子电流在励磁设备中参与实时控制：它是定子电流限制辅环控制模型的输入变量；因此，定子电流的采集由励磁设备完成；
步骤305：确定有功功率、无功功率数据采集所需对应的二次专业设备。有功功率和无功功率的采集一般是通过对定子电压、定子电流的采样数据进行计算而来；综合步骤201、步骤204，有功功率和无功功率的采集可考虑下述方法：首先，励磁设备直接采集定子电压、定子电流，并计算出有功功率和无功功率；其次，励磁设备将转成IEC61850标准格式的定子电压、定子电流、有功功率、无功功率数据报文上送至厂站层网络和过程层网络，供其他二次专业自由选择：可以选择直接采样已计算好的有功功率、无功功率数值，也可以选择对包含定子电压、定子电流的报文进行解析重新计算出有功功率和无功功率；
步骤306：对故障录波设备做进一步的补充说明。故障录波设备属于测控录波类装置，不参与任何控制环节，优先级别最低，但其对采样精度、采样速度以及实时性要求较高，甚至部分数据要求高于实时控制类设备的要求，因此对于定子电压、定子电流、有功功率、无功功率、转子电流等数据信息可考虑由故障录波装置自采、计算。
步骤四：将步骤三中确定的二次专业设备采集到的标准通信报文上送至厂站层网络、过程层网络上，供其他二次专业设备及厂站层设备进行采集，完成数据的第一次共享；
步骤五：各二次专业设备通过厂站层网络、过程层网络采集到所需的机组实时数据信息并进行解析，充分利用数据挖掘和边缘计算的技术，将数据解析的结果与本专业设备的实时状态数据、历史数据一起作为专家知识库中数据分析模型的输入变量，从而实现本专业设备的智能诊断、自愈和趋势预测，并通过厂站层网络完成上述信息的交互与远程控制，进而完成数据的第二次共享。
本发明的核心是在智能化电站中对二次专业设备按照功能进行分类，分析每类的二次专业设备对采样速度、采样精度以及实时性的要求进而确定优先级别，确定每个数据信息由优先级别最高且对其采样精度、采样速度以及实时性要求较高的二次专业设备完成数据采集，并转化成标准通信报文共享至通信网络。此外，通过充分利用大数据挖掘和边缘计算等技术，实现本专业设备的智能诊断、自愈和趋势预测，并通过厂站层网络完成信息的交互与远程控制，从而实现数据的第二次共享。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种智能化电站数据采集和共享方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）智能化电站数据采集和共享架构采用 “三层两网”结构，所述三层是指厂站层、单元层和过程层，所述两网是指厂站层网络和过程层网络；所述厂站层为集控中心及服务器，所述单元层配置各二次专业设备，用于采集过程层设备的模拟量数据信息；所述二次专业设备将采集的模拟量数据信息转换成标准通信报文共享至过程层网络以及厂站层网络，供其他二次专业设备和厂站层设备采集；所述过程层配置过程层设备；
2）对智能化电站中单元层的二次专业设备按照功能进行分类；
所述智能化电站中单元层的二次专业设备包括励磁设备、调速设备、保护设备、监控设备、故障录波设备和同期设备；
具体分类如下：
实时控制类：励磁设备和调速设备；
监视与控制类：保护设备、监控设备和同期设备；
测量录波类：故障录波设备；
3）基于不同功能类别的二次专业设备对所需数据采样精度、采样速度和实时性的要求，确定优先级别；优先级别由高到低依次为：实时控制类，监视与控制类和测量录波类；
4）确定每个模拟量数据采集所对应的单元层二次专业设备，如下：
模拟量数据包括定子电压、定子电流、励磁电压、励磁电流、有功功率、无功功率和频率；
所述定子电压的数据采集由励磁设备完成；
所述频率的采集为，由励磁设备和调速设备分别对各自对应的频率进行采集；
所述励磁电压和励磁电流的采集由励磁设备完成；
所述定子电流的采集由励磁设备完成；
所述有功功率和无功功率的采集通过对定子电压、定子电流的采样数据进行计算而来；
5）将所述步骤4）采集的模拟量数据转换成标准通信报文，并上送至厂站层网络和过程层网络上，供其它二次专业设备及厂站层设备进行采集，完成数据的第一次共享；
6）各单元层二次专业设备通过厂站层网络、过程层网络采集到所需的机组实时数据信息并进行解析，将数据解析的结果与本专业设备的实时状态数据、历史数据一起作为专家知识库中数据分析模型的输入变量，实现本专业设备的智能诊断、自愈和趋势预测，并通过厂站层网络完成诊断和预测结果的交互与远程控制，完成数据的第二次共享。
2.根据权利要求1所述的一种智能化电站数据采集和共享方法，其特征在于，所述过程层网络和厂站层网络采用基于IEC61850的标准通信网络。
3.根据权利要求1所述的一种智能化电站数据采集和共享方法，其特征在于，所述有功功率和无功功率的计算如下：首先，励磁设备直接采集定子电压和定子电流，并计算出有功功率和无功功率；其次，励磁设备将转成标准通信格式的定子电压、定子电流、有功功率和无功功率数据报文上送至厂站层网络和过程层网络；然后，二次专业设备直接采样已计算好的有功功率和无功功率数值，或者选择对包含定子电压、定子电流的报文进行解析重新计算出有功功率和无功功率。
4.根据权利要求1所述的一种智能化电站数据采集和共享方法，其特征在于，对于定子电压、定子电流、有功功率、无功功率和转子电流也支持由故障录波设备自采、计算。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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