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★國能智深控制技術有限公司黃煥袍，劉小恒，曾凡斐

1　背景

“雙碳”背景下，我國能源轉型加速推進，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)作為重大技術裝備的“大腦”和“神經(jīng)中樞”，實現(xiàn)自主可控和智能化、數(shù)字化轉型升級已成為不可逆轉的趨勢。傳統(tǒng)的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)面臨著上下位機分離、系統(tǒng)調控靈活性以及擴展能力不足等問題。因此，利用先進的控制系統(tǒng)提升水電站運行控制水平，實現(xiàn)安全高效、靈活智能運行的目標，已成為業(yè)界追求的目標。

國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、智能運行提供了強有力的技術支撐。本文介紹國家能源重大工程項目-黃河流域海拔最高、裝機容量最大的瑪爾擋大型水電站應用自主可控水電智能控制系統(tǒng)的成功案例。

2　實施與應用

青海瑪爾擋水電項目是國家重大工程項目，由4臺裝機容量為55萬千瓦大機和1臺裝機容量為12萬千瓦小機組成，總裝機容量為232萬千瓦，其控制系統(tǒng)采用國能智深自主可控水電智能控制系統(tǒng)，操作系統(tǒng)為國產操作系統(tǒng)，平臺工具軟件、應用軟件、嵌入式軟件100%自主研發(fā)，關鍵芯片和核心元器件國產化率100%。該系統(tǒng)完全自主可控、智能高效、功能齊全、運維方便；區(qū)別于傳統(tǒng)水電站監(jiān)控系統(tǒng)，EDPF-HICS實現(xiàn)了主輔一體化、上下位機一體化、管控一體化，集成了信息網(wǎng)絡安全技術、扁平化網(wǎng)絡結構技術、智能發(fā)電技術于一體，有效提升了水電站設備的智能化水平和生產運營效率。瑪爾擋水電站運行監(jiān)視圖如圖1所示。

圖1 瑪爾擋水電站運行監(jiān)視圖

瑪爾擋水電站控制系統(tǒng)包括50多個子站，350多個智能系統(tǒng)設備接入。通過EDPF-HICS的智能調度與優(yōu)化控制，電站能夠根據(jù)實時水情、電網(wǎng)需求及機組狀態(tài)，實現(xiàn)發(fā)電負荷的最優(yōu)分配，顯著提高了水能利用率和發(fā)電效率。功能特點主要有：

（1）增強運維管理水平。EDPF-HICS的實時監(jiān)測與故障診斷功能，使得電站運維人員能夠及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題，避免了非計劃停機，降低了維護成本。同時，系統(tǒng)的智能運維支持也減輕了運維人員的工作負擔，提高了工作效率。

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

（3）保障安全生產與環(huán)保。EDPF-HICS通過精準控制機組運行參數(shù)，有效降低了設備運行風險，保障了電站的安全生產。同時，系統(tǒng)還具備環(huán)保監(jiān)測與管理功能，助力電站實現(xiàn)綠色、低碳運行，符合國家生態(tài)文明建設的戰(zhàn)略要求。

（4）智能化程度高。EDPF-HICS的成功應用，實現(xiàn)電站運行與控制的全程自動化；智能檢測與診斷分析、智能預警與報警，提升設備健康管理水平；結合設備工藝要求，應用先進智能控制技術和算法，實現(xiàn)機組的靈活智能運行與調節(jié)。

3　應用創(chuàng)新

（1）EDPF-HICS與傳統(tǒng)水電廠典型技術差異對比（如表1所示）

表1 EDPF-HICS與傳統(tǒng)水電廠典型技術差異對比

（2）水電廠智能控制系統(tǒng)（EDPF-HICS）實現(xiàn)了主輔一體化、上下位機一體化、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)絡結構打破傳統(tǒng)水電主控采集輔控系統(tǒng)數(shù)據(jù)再上送上位機的模式，主輔數(shù)據(jù)都由上位機直接采集；

·上下位機軟件一體化，傳統(tǒng)的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)PLC+SCADA結構由兩個相對獨立的系統(tǒng)組成，系統(tǒng)復雜度較高，兩個系統(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工作，增加了系統(tǒng)的復雜性和潛在的風險。EDPFHICS上下位機軟件采用一體化設計，上位機軟件既是組態(tài)、監(jiān)控軟件，又是下位機編程軟件。

·管控一體化，瑪爾擋水電站I、II、III區(qū)采用EDPF-HICS一體化平臺系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸和處理，從而實現(xiàn)對生產過程的精確控制和管理。同時，通過數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化，電站可以更加精準地制定生產計劃、優(yōu)化資源配置，降低生產成本，提高市場競爭力。

（3）先進的網(wǎng)絡架構

架構前瞻性。在網(wǎng)絡設計時，充分考慮未來技術發(fā)展趨勢和業(yè)務增長需求，選擇具有前瞻性的網(wǎng)絡架構和技術路線，確保長期的技術領先性和業(yè)務適應性。瑪爾擋EDPF-HICS網(wǎng)絡硬件主要包含多臺交換機，其網(wǎng)絡結構引入雙星型冗余網(wǎng)絡及高級應用服務網(wǎng)。單元層網(wǎng)絡采用雙星型網(wǎng)絡結構，又稱雙MMS網(wǎng)結構。過程層網(wǎng)絡采用雙GOOSE網(wǎng)結構完成數(shù)據(jù)采集。

性能卓越性。高級應用服務網(wǎng)的引入用于完成非實時數(shù)據(jù)的分析處理，進而通過智能計算引擎，為智能報警、智能報表、智能ON-CALL等高級應用提供基礎數(shù)據(jù)，其余實時業(yè)務數(shù)據(jù)則通過該網(wǎng)絡結構具備高性能的數(shù)據(jù)傳輸能力，低延遲、高吞吐量是基本要求，同時能夠支持多業(yè)務并發(fā)處理，滿足日益增長的數(shù)據(jù)處理需求，詳細網(wǎng)絡結構。

圖2 EDPF-HICS網(wǎng)絡架構圖

（4）先進的數(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)水電站采集方式對比

4　效益分析

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

減少故障，降低運維成本。自主可控的智能控制系統(tǒng)提前預警潛在故障，減少非計劃停機時間，降低維修成本，年運維成本節(jié)約可達數(shù)百萬元。

（2）社會效益

推動能源數(shù)智化轉型。H-ICS是水電領域智能化轉型升級的關鍵支撐，其應用推動了能源數(shù)智化轉型的進程。通過引入人工智能、大數(shù)據(jù)等先進技術，提高了水電廠的智能化水平。

帶動相關產業(yè)發(fā)展。H-ICS的研發(fā)和成功應用帶動了行業(yè)工控產業(yè)國產操作系統(tǒng)、國產芯片和元器件的協(xié)同發(fā)展，推動形成我國工控產業(yè)自主生態(tài)。

5　項目意義

自主可控水電智能控制系統(tǒng)（H-ICS）是國內首套基于國產芯片和國產操作系統(tǒng)的水電站智能控制系統(tǒng)，首次在國家能源領域重大工程項目-瑪爾擋大型水電站的成功應用實現(xiàn)了水電領域控制系統(tǒng)的完全自主可控和智能化升級，保障了能源生產與供給安全，為水電領域提供了可推廣復制的數(shù)智化轉型方案，促進了水電行業(yè)的技術進步，具有重大行業(yè)示范意義。

摘自《自動化博覽》2024年7月刊