智能化水電站監控系統結構探討

劉曉波，張 毅

（中國水利水電科學研究院，北京 100038）

1 引言

從2003年起，美國、歐洲先后提出“智能電網”的概念，2009年美國總統奧巴馬將智能電網提升為美國國家戰略。國家電網公司2009年6月提出“建設統一堅強電網”目標，2009年11月提出了“統一堅強智能電網關鍵設備（系統）研制規劃”。國家電網公司已開展的一期、二期共74個智能化變電站試點，已經有20個順利投運。隨著智能電網的不斷推進，水電站控制設備研制單位、設計研究單位、水電站及管理單位也正在開展水電站智能化研究與試點。

水電站與變電站差別很大，智能水電站的定義還在討論中,必須認真分析研究。變電站的設備相對規范、品種少，主要是對電氣參數和油介質的監測，操作設備少，場地環境較好，較容易實現標準化。水電站（廠）較復雜，每一個電站都有各自特點，且涉及油、氣、水、電等各個系統，設備種類繁多，分布廣，環境惡劣。基于上述情況，參考智能變電站建設經驗，著手進行智能水電站的研究，是一種比較可行的方法。本文基于智能變電站結構模式，結合水電站的實際情況，對智能化水電站監控系統結構進行探討。

2 智能變電站與智能水電廠建設遵循的標準

目前，智能變電站建設主要遵循國際標準IEC61850系列標準或IEC61970系列標準，IEC61850系列標準是智能電網與智能變電站建設所遵循的核心標準。電力行業標準等同采用IEC61850，形成DL/T860系列標準。但是上述標準不足以支持智能電網建設，國網公司推出了一系列企業標準，如《智能變電站技術導則》（Q/GDW383-2009）、《智能變電站繼電保護技術規范》（Q/GDW441-2010）等，用于支撐智能變電站的建設。

IEC61850標準由國際電工委員會于2004年頒布，應用于變電站通信網絡和系統，該系列標準共10大類、14個標準。標準具有一系列特點和優點：分層的智能電子設備和變電站自動化系統；根據電力系統生產過程的特點，制定了滿足實時信息和其他信息傳輸要求的服務模型；采用抽象通信服務接口、特定通信服務映射以適應網絡技術迅猛發展的要求；采用對象建模技術，面向設備建模和自我描述以適應應用功能的需要和發展，滿足應用開放互操作性要求；快速傳輸變化值；采用配置語言，配備配置工具，在信息源定義數據和數據屬性；定義和傳輸元數據、擴充數據和設備管理功能；傳輸采樣測量值等；并制定了變電站通信網絡和系統總體要求、系統和工程管理、一致性測試等標準。

IEC61850-7-410是由IECTC57技術委員會第18工作組于2007年8月公布的水電站監控通信標準，全稱為“電力系統自動化通信網絡和系統—水力發電廠監控通信”。目前IEC61850-7-410Ed2第二版也已正式發布，該標準對水電廠IED設備的邏輯節點做出標準定義，對水電廠智能化建設及自動化產品和IED設備研制起到了很大的推動作用。

IEC61850-7-410標準并未對采用的通信協議做出規定，繼承延用了IEC61850標準中8-1、9-1、9-2中的內容，映射到MMS和ISO/IEC8802-3，或通過單向多路點對點串行通信鏈路采樣值，將服務映射到實際通信網絡當中。

智能水電廠建設，主要依據IEC61850或DL/T860系列標準，特別是參照IEC61850-7-410標準建立水電機組各種模型，通過試點的方法，逐步建立、豐富智能水電廠標準體系。

3 研究內容

從目前工程實際例子而言，智能變電站實現的方式都是基于IEC61850或DL/T860實現的，也就是站控層與間隔層按照IEC61850-8-1基于MMS報文實現數據采集與控制，間隔層與過程層之間通過IEC61850-9-1或IEC61850-9-2實現數據采集與控制。

IEC61850標準提供了面向對象的信息模型和建模技術，可保證各智能設備之間無縫連接及互操作性，在智能化水電站具有良好的應用前景。

本文將根據水電控制對象的特點，討論如下問題：

（1）按照“IEC61850”標準，對實現智能化水電站監控系統的結構進行探討；

（2）考慮智能化設備、電子式互感器和傳統一次設備的接入；

（3）對功能進行簡要討論。

4 智能變電站監控系統的典型結構

智能變電站的典型結構是三層兩網結構[3]，三層是：站控層、間隔層、過程層，兩網是站控級網絡、過程網絡，見圖1所示。

圖1 智能變電站系統典型結構示意圖

從上面網絡可以看出，站級網絡可以是雙星網，也可以是雙環網或單環網。采樣值SV網用于采集光纖信號傳輸的電流互感器信號和電壓互感器信號。按照繼電保護的規定，跳閘信號從發出到執行不超過3ms，因此獨立設置GOOSE網。為了保證、提高這一參數，保護單元與動作設備也可采用光纖直聯的方式。

5 智能水電站監控系統的結構

5.1 結構分析

在討論智能水電站監控系統結構時，首先更新一下幾個概念。智能變電站三層為站控層、間隔層、過程層，兩網為站級網、過程網。筆者認為，對于智能水電站，三層的概念宜使用站控層、現地控制層、過程層，兩網為站級網、過程網。

從圖1可以看出，智能變電站監控系統的典型結構是比較復雜的，認真總結智能變電站監控系統的結構，并根據水電站的自動化的特點，提出幾種模式供討論：

（1）智能化建設初期，適合水電站的智能化設備，可先不建過程網，待有合并單元或智能接口接入時再考慮轉變到模式（2）或模式（3）；

（2）過程網GOOSE網、采樣值網SV網合并成一個網，與站控網獨立，通過轉換接口方式，實現合并單元和智能接口的接入。

（3）將過程網GOOSE網、采樣值網SV網合并成一個網，與站控網獨立。

下面進行分析。

模式（1）的結構（見圖2所示）實際是一種兩層一網的結構。這種結構簡介，可在初期采用這種結構。

圖2 智能水電站監控系統典型結構一示意圖

模式（2）的結構（見圖3所示）是一種過渡性的結構，是采用三層兩網的結構。過程網GOOSE網、采樣值網SV網合并成一個網，與站控網獨立，通過轉換接口方式，實現合并單元和智能接口的接入。從圖3可以看出，監控系統內部的規約與數據格式沒有采用IEC61850的規約，LCU通過IEC61850轉換接口與外部符合IEC61850規約的合并單元或智能接口進行數據轉換，監控系統通過IEC61850轉換服務器與外部設備進行數據交換。這種方式是一種過渡方案，也可能會存在一段時間。應該指出，在目前智能變電站結構中，也有采用過程網GOOSE網、采樣值網SV網合并成一個網，與站控網獨立的結構。

圖3 智能水電站監控系統結構二示意圖

模式（3）的結構（見圖4所示）是一種推薦的結構，是采用三層兩網的結構。過程網GOOSE網、采樣值網SV網合并成一個網，與站控網獨立，系統內外均采用IEC61850規約。

這種結構，將GOOSE網與SV網合并成一個網，使網絡得以簡化，又可以保證較高的可靠性。因為，對于水電廠（站）的計算機監控系統而言，并沒有要求從發出命令到執行命令在3 ms的要求。事實上，一旦發生電氣事故，首先應該由保護裝置發出跳閘信號，監控系統的LCU的跳閘信號是后備措施。當發生水電事故時，一般是要求先減載到空載然后再跳斷路器，除非是二級過速事故需要直接跳開斷路器。在這種情況下，這種結構可以滿足要求。

圖4 智能水電站監控系統結構三示意圖

在上述結構中，各層次內部及層次之間采用高速網絡通信，其中站控層與間隔層網絡采用交換式以太網，介質可選雙絞線；間隔層與過程層的網絡也采用交換式以太網，介質應采用單模光纖。

5.2 三個層次功能

（1）過程層

過程層是一次設備與二次設備的結合面，或者說是智能化電氣設備的智能化部分。過程層主要功能分為以下三類：

1）實時電氣量檢測

與傳統的功能一樣，主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測，其他電氣量如有功、無功、電能量可通過現地控制層的設備運算得出。與常規方式相比，所不同的是傳統的電磁式電流互感器、電壓互感器，被光電電流互感器、光電電壓互感器取代;采集傳統模擬量，被直接采集數字量所取代。這樣做的優點是，抗干擾性能強，絕緣和抗飽和特性好，開關裝置實現了小型化、緊湊化。

2）狀態參數在線檢測與統計

水電站需要進行狀態參數檢測的設備，主要有變壓器、斷路器、刀閘、母線、電容器、電抗器以及直流電源系統。在線檢測的內容，主要有溫度、壓力、密度、絕緣、機械特性以及工作狀態等數據。

3）操作控制的執行與驅動

操作控制的執行與驅動，包括變壓器分接頭調節控制，電容、電抗器投切控制，斷路器、刀閘合分控制，直流電源充放電控制。

（2）現地控制層

現地控制層設備層的主要功能是：

1）匯總現地控制實時數據信息；

2）實施對一次設備保護控制功能；

3）實施本間隔操作閉鎖功能；

4）實施操作同期及其他控制功能；

5）對數據采集、統計運算及控制命令的發出，具有優先級別的控制；

6）承上啟下的通信功能，同時高速完成與過程層及站控層的網絡通信功能。必要時，上下網絡接口具備雙口全雙工方式，以提高信息通道冗余度，保證網絡通信的可靠性。

（3）站控層

站控層的主要任務是：

1）通過兩級高速網絡匯總全站的實時數據信息，不斷刷新實時數據庫，按時登錄歷史數據庫；

2）按既定規約，將有關數據信息送往調度或控制中心；

3）接收調度或控制中心有關控制命令，轉現地控制層、過程層執行；

4）具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能；

5）具有（或備有）站內當地監控，人機聯系功能。如顯示、操作、打印、報警，甚至圖像、聲音等多媒體功能；

6）具有對現地控制層、過程層諸設備的在線維護、在線組態，在線修改參數的功能。

6 智能水電站監控系統軟件結構及功能

從系統運行體系結構看,智能化水電站計算機監控系統包含硬件層、操作系統層、通用平臺層和應用平臺共四個層次。其中，硬件層包括HP、IBM、SUN和PC等各種主機,操作系統層，如圖 5 所示包括 HP-UX、IBMAIX、SUNSolaris、Linux和Windows操作系統。

圖5 智能化水電站軟件結構

通用平臺有效的將上層應用和底層系統隔離開，為上層應用的設計和運行提供一種開發平臺和運行的環境。通用平臺為上層應用提供了一個虛擬的、統一的、可擴展的、分布的開發平臺。通用平臺包括操作系統接口層,通用平臺構建層和應用訪問接口層。其中,操作系統接口層對不同操作系統的進程間通信、Socket、定時器處理、數據編碼和文件操作編程接口進行了統一包裝,提供了系統的跨平臺的能力。通用平臺構建層提供實時消息、通信鏈路和進程管理等服務。應用訪問接口層提供了內存庫、關系庫中間件,為應用提供透明的內存庫和關系庫服務；系統管理為應用提供包括節點,網絡,數據庫等系統資源管理；報警服務為應用提供各種資源告警接口。

應用平臺為智能化水電站的運行控制提供人機界面，實現對水電運行的控制和管理，數據采集服務實現對LCU和其他IED設備的數據采集和控制命令下達。SCADA服務實現對生數據的加工處理、報警、歷史數據統計、歷史數據存貯和控制服務。數據工程實現水電站設備的參數管理。報表系統實現報表的生成、制作、打印。WEB系統實現智能水電站運行控制信息、管理信息實時瀏覽。

7 結語

智能水電站（廠）的研究正在探索階段。智能水電站監控系統結構可能從模式（1）過渡到模式（2），再過渡到模式（3），當然也可能從從模式（1）直接過渡到模式（3），也可能是幾種模式的組合。但總的來說，在借鑒智能變電站經驗的基礎上，充分結合水電站（廠）自動化系統的特點，充分考慮電網、環境及自身發展的需求，采取適合的計算機監控系統結構，以達到預期目標。需要特別注意，因為水電站智能化建設的復雜性，需要設計、研制單位、水電站、調度等各方面齊心合力，先進行試點，不斷總結經驗，提高智能水電站（廠）的研究與實用化水平，推進堅強智能電網的建設。

[1]智能電網建設2011年中期總結[Z].

[2]智能變電站繼電保護專業調研工作總結匯報[R].

[3]劉振亞.智能電網技術[M].中國電力出版社，2010.