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对智能化水电厂的认识与实践(1)

北极星电力网技术频道    作者:黄其励   2012/8/6 16:44:33   

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。

来源:《能源技术经济》
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