摘要：阐述了传统水电厂的地位和现状，针对其不足，提出了建设智能化水电厂的必要性和可行性;介绍了智能化水电厂的主要内涵和特征，并以东北电网公司白山发电厂为例，分析了对其进行智能化改造的总体设计思路和系统体系构架，以及智能调度、状态检修、大坝安全、防汛决策支持、联动等功能，从节能增效、经济及社会效益等角度，对智能化水电厂的运行进行了分析。
0 引言
截至2010 年年底，我国水电总装机容量达到213.4 GW，占全国发电机组总装机的22%，其中抽水蓄能机组占2%;东北电网水电总装机容量为7 GW，占电网总装机的8%，其中抽水蓄能机组300 MW。依托松花江、鸭绿江、黑龙江、乌苏里江、绥芬河、图们江、辽河7 条河流及大、小兴安岭等山脉，东北电网的水电站大多是坝高库大的大中型站，在电网调峰、调频、航运、事故备用、下游城镇和工业供水及防洪等方面发挥了重要作用。
多年来，水电作为清洁、低碳、环保发电的第一主力军，能最好地实现灌溉、航运、防洪、工业用水等多种功能， 调度运行时可以做到水电厂(“点”)、流域梯级水电厂(“线”)、区域水电厂群(“面”) 协调调度，起到清洁、低碳可再生能源发电的主导作用[1- 9]。然而，随着可再生能源发电的迅速发展和智能电网建设纳入国家“十二五”发展规划，传统水电单向的“靠天吃饭”的特性逐渐显现出弱势，不能完全适应能源结构调整和经济快速发展的需求。以东北电网水电厂为例，境内水电厂年平均利用小时数仅为2 316 h，运行自动化系统各子系统间以及管理系统各自独立，统一、协调性较差;注重“点”的作用，“线”、“面”协同作用较弱;水电厂长期定位于满足社会、下游工业用水，存在一定的节水潜力;在与电网之间的协调作用上，水电厂处于被动地位，尚不能支撑电网全额收购风电的需求等。总体而言，传统水电厂的硬件作用发挥较好，软件作用有待提高，而对传统水电厂进行智能化改造，是挖掘节水潜力、提高发电效率和经济效益，有力支撑风电迅速发展和建设智能电网的有效途径。
1 智能化水电厂的内涵和特征
建设智能化水电厂需要对传统水电厂的软、硬件系统进行全面整合与技术升级，建成集成、统一、可靠的软硬件平台，以先进的传感和测量技术自动获得电站运行信息和设备状态的信息，监测降水和探知大气中水汽以及下游用水等动态情况;能与电网运行实现双向互动，依托可靠的控制方法和智能化决策支持技术，在动态满足流域水利和电网负荷调度要求的基础上，实现电站自身经济效益与社会综合效益的最优化。
1.1 智能化水电厂的主要内涵
(1) 安全可靠是发展智能化水电厂的物理基础。重点需关注2 个方面：①提高水电厂关键设备的制造水平和工艺，提高设备质量，科学地制定检修周期，以延长设备使用寿命;②对设备进行实时状态监测，依靠辅助决策技术，及早发现事故隐患;快速检测、定位和隔离故障;指导快速确定故障原因和恢复运行，缩短停电时间。
(2) 经济高效是发展智能化水电厂的目标。要实现水电厂、梯级电站经济运行，水库(群) 水能资源高效率、高效益利用和配合电网层面的优化调度。具体目标主要包括：①长、中、短期及实时发电经济调度，促进水能资源的高效率、高效益利用;②决定水电厂、梯级流域和地区流域厂群的合理运行方式;③跟踪下游用户的用水需求，动态调整放流量;④根据电力市场和电价信息以及风电、电网的综合信息，决定抽水蓄能电站的运行方式;⑤连接数字天气预报，探知大气水汽量，决定人工降雨的最佳时间和方式;⑥监测停机期间导叶漏水量，为采取检修措施及进行改造提供依据。
(3) 集成开放是发展智能化水电厂的基本理念。通过不断的流程优化、信息整合，实现企业管理、生产管理、水电厂自动化与电力市场业务的集成，形成综合的辅助决策支持体系，为电网和其他发电企业提供高质量、及时的辅助增值服务。
(4) 友好互动是智能化水电厂的运行特性。主要体现在：①水电厂与电网之间、水电厂与防汛/ 工农业用水/ 航运，以及水电与风电、太阳能发电、核电、火电等配合协调，实现多元共赢;②水电厂与梯级流域水电厂(群)、抽水蓄能电站的统一协调调度;③拓展和升级水电厂的功能：由单纯的调峰、调频和旋转备用，逐渐转变到调峰(针对智能用电，如电动汽车充放电)、非稳定性电源补偿(如风电)和事故备用、紧急支援等。
1.2 智能化水电厂的特征
(1) 信息标准化：智能化水电厂严格执行标准先行原则，制定统一的服务、信息、数据交换、模型管理等系列标准。
(2) 系统整体化：智能化水电厂拥有统一信息平台，可实现对电力企业各种信息的集成和共享。
(3) 决策智能化：智能化水电厂建设有辅助决策系统，支持数据挖掘与分析，提高可靠性、效益及效率，降低成本。
2 传统水电厂改造的必要性
长期以来，传统水电厂在运行中存在许多不足之处，主要表现在：①垂直的多级控制反应迟缓，无法构建实时、可配置、可重组的系统;②系统自愈能力完全依赖于实体冗余;③系统内部存在多个信息孤岛，缺乏信息共享，虽然局部的自动化程度在不断提高，但高级应用开发不足、信息不完善和共享能力薄弱，多个自动化子系统彼此独立，不能构成实时、有机统一的整体;④机、网协调能力低，标准差异大，智能化水平低，一体化和互动性差，电力安全防护存在漏洞等。这些因素导致传统水电厂难以实现自身和全社会效率和效益的最大化。
智能化水电厂较传统水电厂的优越之处如下：①全景信息的获取能力，可以获得完整、正确、具有精确时间坐标、标准化的电力流和业务流信息;②以可靠、通畅的网络通信架构和信息交互平台为基础，以服务电力生产全过程为需求，能整合各种实时生产和运营信息;③加强对水电厂业务流的实时动态分析、诊断和优化，为运行和管理人员提供全面、实时和精细的运营状态图，并给出相应的辅助决策支持、检修实施方案和故障应对预案;④最大程度地实现更为精细、绩优的水电厂、梯级流域水电厂(群) 的协调运行管理，在一定的来水量的条件下，达到发电量和经济、社会效益的最佳值。
根据中国工程院的研究报告，我国可开发的风能资源为700～1 200 GW。截至2010 年年底，全国发电机组总装机容量960 GW，其中并网的风电机组容量31 GW。东北电网总装机容量89.07 GW，其中风电装机容量10.58 GW，占全网总装机的11.88%。规划到“十二五”末，全国风电总装机将达到90GW，其中东北地区风电装机为28.59 GW。以风电为代表的清洁能源发电的迅速发展[10- 11]，对水电功能拓展和优化提出了新要求。由于电网运行必须动态地满足用电负荷变化的需求，风电等不稳定的清洁能源电源的大规模接入，对电网调峰调频、运行控制等带来了新的挑战，电网的运行特性发生了较大的变化。智能化水电厂的建设将充分发挥水电、抽水蓄能电站的灵活可调性和互补性，实施“水、火、风电、太阳能发电互补” (水电夏季出力大、风电春冬季出力大)，平衡不稳定的清洁能源发电，以满足用电负荷的变化(风电出力夜间大、太阳能发电和用电负荷白天大)，从而增强智能电网对风电等清洁能源发电的消纳能力，为智能电网与用户的双向交流与互动提供保证。
3 建设智能化水电厂的关键点
(1) 建设智能化水电厂的指导思想：①以安全生产为基础，以经济效益为中心，以优质服务电网、其他电源和社会为宗旨，不断深化水电厂智能化建设;②以统一平台为基础，网络为信息通道，以水力联系和电力联系为纽带，以能源转换控制设备为载体，实现水能资源的高效率、高效益利用;③服务于水电厂从成本中心向利润中心的转变。
(2) 建设智能化水电厂应把握的基本原则：①重视规划，试点先行，整体推进;②统一的规划和建设标准，包括状态检修、水情预报、经济运行、大坝观测、监控和基础自动化以及信息通信平台等;③综合一体化平台设计：与ERP、办公自动化等现有系统兼容，实现经济运行、状态检修、防汛决策、生产管理等业务的全面智能化管理;④统筹考虑水电厂内部优化运行、流域梯级水电厂联合优化运行，提高水库(群) 的水能利用率;⑤充分利用现有设备、设施及系统，避免重复建设、重复投资。
4 白山发电厂智能化改造实践
东北电网白山发电厂位于吉林省第二松花江上游，由“两坝(白山大坝、红石大坝)、四站(白山一期、二期、三期抽水蓄能和红石电站)”组成，水力发电机组11 台，总装机容量为2 GW。其中一期地下水电站有3×300 MW混流式水轮发电机组;二期左岸水电站有2×300 MW混流式水轮发电机组;三期抽水蓄能电站有2×150 MW可逆式水轮发电机组;下游38 km 处的红石电站有4×50 MW轴流定浆式水轮发电机组。
4.1 白山发电厂智能化改造背景
白山发电厂是东北电网水电装机容量最大的水电厂，担负着调峰、调频和事故备用任务，现拥有数据采集、调度控制、生产管理等自动化系统，但需要不断完善、改进和升级。目前的状况是：
(1) 各自动化系统是不同时期、不同厂家建设的，当时未能从全局考虑问题，不能确保数据和业务处理的一致性和延续性;各自独立运行，监控采集标准多、标准差异性大，数据源分散，数据存储、处理等缺少统一设计。这些都导致系统整体性差、结构不合理、安全防护能力弱、横向集成和纵向贯通困难，难以形成统一管理和智能联合调度的运行
(2) 现有自动化系统大多处于数据采集、处理、展示的初级阶段，各自动化系统无法对其他系统积累的历史数据进行统一的整理、挖掘和分析，难以建立高效的智能辅助决策系统。
(3) 现有自动化系统难以适应东北电网对境内水电厂提出的由成本中心向利润中心转变的要求。即无法做到在满足电网安全运行的基础上，通过水电厂、梯级水电厂和水电厂群的优化调度，成为电力市场的活跃力量，为其他各种发电方式提供及时、优质辅助服务，从而获得自身最大的经济效益，实现电网、其他发电厂和水电厂(包括抽水蓄能机组)多赢。
4.2 白山发电厂智能化改造目标和总体设计
改造目标是建设“管理先进、设备精良、文化优秀、环境舒适的智能化水电厂”，具体目标是提高设备可用率，减少停运率，增加可利用小时数，提高安全生产管理和经营水平;合理调配水资源，实现流域水能资源利用效率和效益的最大化。
为此需要建立从数据收集、自动调控、通信网络到信息集成的统一平台，提高生产管理的标准化、流程化及网络化水平，提供实时监测、科学调度、应急指挥和决策服务。
借鉴智能电网的特点与优势，充分考虑并采用先进、主流、可靠的应用技术，以国际化的电力标准协议为基础，利用相关专家知识库与分析模型算法，形成智能化的高级生产运行决策辅助系统;在充分考虑各种规范与标准的基础上，保证系统的可靠性、高效性、稳定性和开放性，最终形成统一的智能化的平台。
4.2.1 总体设计体系架构
如图1 所示，智能化平台采用纵向分层、横向分区的结构。根据电力调度运行分区、水库调度统一的管理模式，设置集中控制中心和4 个现地级自动化监控系统，通过标准接口接入电厂网络，与集控中心相连，形成以集控中心为核心、光纤传输网为主干架构、现地级自动化系统为基础、基础数据应用服务平台为载体的面向服务的智能化分布式结构。分区之间按照标准、规则进行信息交互，提供针对电网和上、下游电厂的应用信息与交互服务。
4.2.2 智能化平台系统层次
如图2 所示，系统层次自下而上划分为：现地级自动化系统、数据传输层、数据中心平台、应用服务层、信息发布层、智能决策层，并通过高速数据总线实现层次间的贯通。
4.2.3 统一平台功能
统一平台是整个智能化系统的数据存储中心、模型管理中心、技术支持中心、智能应用与专家辅助决策中心以及信息发布中心。
统一平台在数据集中、模型集中、信息集中的基础上，对历史和实时数据分析处理，利用模型分析、数据挖掘、模式识别、模糊命题判定、神经网络等先进技术，提供在线状态诊断与评估、大坝安全分析评判、水库运行和发电调度等智能分析，为生产运行提供辅助决策。
(1) 数据存储中心：是统一平台的基础，为所有的应用提供数据访问接口、数据同步、数据管理等功能。
(2) 模型管理中心：IEC 61970 系列标准是白山智能化水电厂各子系统进行数据交换的接口标准。设备建模以图、模、库一体化思想为基础，参照IEC61850、IEC 61970 标准，针对白山水电厂自动监控、水情测报、水电调度、安全监测、状态检测等专业所需要的设备、数据建立模型，形成稳定、唯一的数据表示和访问路径，构建白山水电厂监控、调度专业的标准化模型库。
(3) 技术支持中心：基于B/S 和C/S 2 种架构体系的人机界面，具有数据采集、传输与处理功能，基于SOA 分布式服务系统结构，为各类应用的开发、运行和管理提供通用的技术支撑，为整个系统的集成、高效和可靠运行提供保障。
(4) 智能应用与专家辅助决策中心：通过人工智能算法模型，建立和不断完善集成相关领域专家的经验、方法的专家知识库，对各自动化子系统产生的数据、报警等信息进行滚动分析，根据当前断面数据、历史统计信息、专家规则知识等进行定性决策、定量决策和模糊决策，使相关专家知识库与分析模型贯穿水电厂生产运行的全过程，为智能化水电厂的运行提供全方位的支持。
(5) 信息发布中心：采用主流的可视化技术，利用二维、三维GIS 技术，进行各监控信息和调度等运行信息的图形化展示与发布;建设数字化水电厂，实现二维或三维的信息交流与互动，形成统一的可视化信息发布平台。
4.3 水电厂智能化系统应用
白山智能化水电厂采用以统一平台为基础，集实时监视、经济运行与优化调度、运行维护与决策管理于一体的综合智能化系统。
4.3.1 智能调度
图3 所示为智能调度决策系统，由径流预报、梯级发电调度、防洪调度、效益考核及风险分析等子模块组成，为梯级水电站经济、安全运行提供决策支持。
(1) 径流预报。主要分为3 种类型：①长期径流预测：对白山水库、红石水库的年、月、旬来水和白山—红石区间来水进行预测，统计预报成果的累积频率，为中长期调度提供可靠的数据支撑。②日径流预报：白山梯级流域汇流速度快、径流时间短，需要引入气象预报降雨才可满足日径流预报需求。汛期有降雨信息时，采用概念性水文模型进行计算;非汛期采用神经网络、多元回归、组合预测等方法进行计算。③白山梯级流域洪水预报：以气象预报和实测降雨量为依据，建立流域产汇流模型和径流演进模型，提供干、支流预报断面和水库坝址断面的洪水预报，实时校正预报，最后提出综合预报成果(可人工修正)，并具备按流域分块进行降雨预报的功能。
(2) 防洪调度。根据规划设计和水库洪水标准、下游防护对象的防洪标准，以及大坝质量、泄洪设备与供水设备等实际情况，按照水库与下游河道堤防和分、滞洪区防洪体系配合运用原则及控泄方式，在确保安全的前提下，对入库洪水进行拦蓄和控制泄放，保障下游防护对象的安全，尽可能地发挥水库最大的综合效益。
(3) 发电调度。主要分为3 种类型：①长期发电调度(以月、旬为时段)：制定1 年或多年的长期发电调度计划，以满足电网的电力电量平衡、机组检修计划、调度运行分析和年度电量合同制定等要求;②中期优化调度(以日为时段)：根据日径流预报，制定1 周或1 个月的水电站群发电调度方案，和各水电站的日电量计划和短期调度计划;③短期发电调度(以15 min、30 min 或1 h 为时段)：制定1～5 天的水电站群日发电调度计划。
4.3.2 状态检修
如图4 所示，立足统一数据平台，根据白山和红石站主设备的历史运行数据、当前运行状态检测和诊断，评估设备未来的运行状况，实现设备运行及健康状况的分析、评估、推理及诊断，制定科学合理的检修维护策略。
4.3.3 大坝安全
大坝安全监测系统由大坝安全监测信息中心(集控中心) 和“两坝”的现地大坝安全监测系统组成。大坝安全监测的原始数据来自大坝安全监测采集装置，将大坝的监测信息有机集成，在此基础上做全局性的高级分析决策，如图5 所示。
4.3.4 防汛决策支持系统
防汛决策支持系统采用先进的信息、水文、气象、防汛调度与管理技术，对相关信息全面汇聚整合，完成防汛信息的处理、查询、分析和防汛指挥调度，如图6 所示。该系统可正确分析防汛形势，科学预测和预报发展趋势，提高防汛指挥调度水平及抢险应急指挥决策能力和效率。
4.3.5 联动功能
(1) 生产管理联动。开机、停机操作或有设备故障告警时，统一平台通知工业电视系统实现自动切换，推出该设备的相应画面;同时统一平台从生产管理系统调出近期该设备相关的维护、检修信息、设备操作统计数据和人员操作统计数据等。
(2) 巡检联动。巡检系统通过标准接口将巡检信息和巡检人员的位置信息送到统一平台的数据信息内网区，统一平台将送来的巡检信息上送到生产管理系统，同时将巡检人员的位置信息发送到工业电视系统和门禁系统，工业电视系统能够自动跟踪巡检人员，门禁系统联动开放或关闭相应的门。
(3) 消防联动。消防系统通过标准接口将火灾信号送到统一平台的数据信息内网区，统一平台接到火警信息后，发紧急火灾短信并将报警信息传送到工业电视系统和门禁系统，工业电视系统切换视频画面实现视频联动，同时门禁系统自动关闭相应的防火门(火灾隔离) 和自动开放相应的门禁(逃生通道)。
(4) 门禁联动。门禁系统根据统一平台的安全防护子系统综合信息，联动开放或者关闭相应的门禁，并联动相关的照明灯具，通过标准接口将门禁系统的信息送到统一平台。当出现异常情况时，系统具有报警功能，在强行开门、门长时间不关、通信中断、设备被拆、设备故障、用已失效或失窃的卡开门等情况下，门禁管理主机会发出报警信号，同时将报警动作通过统一平台联动工业电视系统进行联动录像等高级应用。
(5) 工业电视联动。工业电视系统将信息送到统一平台的数据信息内网区，并接受统一平台的联动信息。统一平台系统与工业电视系统主站连接。统一平台可以将遥信变位、遥测越限、闸门控制、五防操作、人员巡检位置等信息，以及门禁系统、巡检系统的信息，传输给工业电视系统，工业电视系统联动切换相应的摄像头，推出所需要的画面，提醒运行人员做相应的辅助决策。
(6) 防误联动。防误系统通过通信接口，将信息送到统一平台的数据信息内网区，并接受统一平台送来的信息。当操作人员走到操作设备前，工业电视系统实现自动切换跟踪，可根据需要自动放大、调整角度等;实现与门禁系统联动，通过人员身份认证及操作票流程管理，自动开放可以开放的门和关闭禁止开放的门，避免操作人员误入间隔;全厂的操作票可由防误系统生成，并可在智能防误网上流转，逐步实现网上审批操作票;该系统还提供生产管理所需数据，例如设备操作统计数据、人员操作统计数据等，作为系统联动的参考数据。
5 水电厂智能化改造的效益分析
5.1 节水增发电效益
智能化水电厂可实现流域/ 跨流域梯级水电站联合优化调度，最大限度地提高综合发电效率和减少弃水;同时，可以使每台机组均能在最优工况下运行，避免机组在低效率的小出力区运行，从而降低发电耗水率，增加发电量，提高经济效益。
5.2 提高管理水平、劳动生产率
智能化水电厂可实现流域/ 跨流域梯级水电站电力调度和水库调度的高效、协同、统一管理，为电站的“无人值班” (少人值守)、提高劳动生产率和管理水平创造良好的条件。
水电厂的智能化运行可提高设备的使用效率，延长设备的使用寿命，减少机组低负荷和振动区运行时间，减少机组因频繁启停所造成的损害。同时，提高水电厂状态监测与故障诊断水平，完善设备检修管理与检修决策系统，为实施状态检修打好基础。
5.3 提高电厂、电网协调运行的效益
水电厂的智能化运行可实现厂、网协调控制，提高电能质量，提高水电厂对电网调频、调峰、事故备用的支撑能力，提高电网对风能、太阳能等清洁能源发电的消纳能力，为智能电网一体化建设提供坚强支撑。
5.4 提高社会效益
建设智能化水电厂可提高梯级水库的综合调节能力，特别是在防洪兴利和供水安全等方面，对社会经济发展、节能减排、生态环境、城市和农业用水、旅游资源开发及利用等也会产生很好的影响。
6 结语
东北电网有限公司白山、松江河发电厂(小山、双沟、石龙四库三站) 为国家电网公司的智能化水电厂改造试点单位。在国内外首次提出了智能化水电厂的主要内涵和基本特征，编制了《东北电网有限公司智能化水电厂改造规划纲要》及白山、松江河2 个水电厂智能化改造规划方案，正在顺利实施中，预计在2012 年建成。
智能化水电厂是智能电力系统的组成部分，将在发展可再生能源和核电、建设智能电网等方面发挥重要作用;为科学调整电源结构、实现水电站的技术升级和功能扩展，取得更好的经济和社会效益服务。智能水电厂的建设，将随着信息、通信和设备的技术进步，不断提升功能和扩大内涵。
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