智能化水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(wǎng)”的概念，2009年美國總統(tǒng)奧巴馬將智能電網(wǎng)提升為美國國家戰(zhàn)略。國家電網(wǎng)公司2009年6月提出“建設(shè)統(tǒng)一堅強電網(wǎng)”目標，2009年11月提出了“統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備（系統(tǒng)）研制規(guī)劃”。國家電網(wǎng)公司已開展的一期、二期共74個智能化變電站試點，已經(jīng)有20個順利投運。隨著智能電網(wǎng)的不斷推進，水電站控制設(shè)備研制單位、設(shè)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(shè)備相對規(guī)范、品種少，主要是對電氣參數(shù)和油介質(zhì)的監(jiān)測，操作設(shè)備少，場地環(huán)境較好，較容易實現(xiàn)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(tǒng)，設(shè)備種類繁多，分布廣，環(huán)境惡劣。基于上述情況，參考智能變電站建設(shè)經(jīng)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(jié)構(gòu)模式，結(jié)合水電站的實際情況，對智能化水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行探討。

2 智能變電站與智能水電廠建設(shè)遵循的標準

目前，智能變電站建設(shè)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(wǎng)與智能變電站建設(shè)所遵循的核心標準。電力行業(yè)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(wǎng)建設(shè)，國網(wǎng)公司推出了一系列企業(yè)標準，如《智能變電站技術(shù)導則》（Q/GDW383-2009）、《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》（Q/GDW441-2010）等，用于支撐智能變電站的建設(shè)。

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(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，該系列標準共10大類、14個標準。標準具有一系列特點和優(yōu)點：分層的智能電子設(shè)備和變電站自動化系統(tǒng)；根據(jù)電力系統(tǒng)生產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展的要求；采用對象建模技術(shù)，面向設(shè)備建模和自我描述以適應應用功能的需要和發(fā)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(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性；定義和傳輸元數(shù)據(jù)、擴充數(shù)據(jù)和設(shè)備管理功能；傳輸采樣測量值等；并制定了變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)總體要求、系統(tǒng)和工程管理、一致性測試等標準。

IEC61850-7-410是由IECTC57技術(shù)委員會第18工作組于2007年8月公布的水電站監(jiān)控通信標準，全稱為“電力系統(tǒng)自動化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)—水力發(fā)電廠監(jiān)控通信”。目前IEC61850-7-410Ed2第二版也已正式發(fā)布，該標準對水電廠IED設(shè)備的邏輯節(jié)點做出標準定義，對水電廠智能化建設(shè)及自動化產(chǎn)品和IED設(shè)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(xié)議做出規(guī)定，繼承延用了IEC61850標準中8-1、9-1、9-2中的內(nèi)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(wǎng)絡(luò)當中。

智能水電廠建設(shè)，主要依據(jù)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(nèi)容

從目前工程實際例子而言，智能變電站實現(xiàn)的方式都是基于IEC61850或DL/T860實現(xiàn)的，也就是站控層與間隔層按照IEC61850-8-1基于MMS報文實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制。

IEC61850標準提供了面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ秃徒＜夹g(shù)，可保證各智能設(shè)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(jù)水電控制對象的特點，討論如下問題：

（1）按照“IEC61850”標準，對實現(xiàn)智能化水電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行探討；

（2）考慮智能化設(shè)備、電子式互感器和傳統(tǒng)一次設(shè)備的接入；

（3）對功能進行簡要討論。

4 智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

智能變電站的典型結(jié)構(gòu)是三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)[3]，三層是：站控層、間隔層、過程層，兩網(wǎng)是站控級網(wǎng)絡(luò)、過程網(wǎng)絡(luò)，見圖1所示。

圖1 智能變電站系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖

從上面網(wǎng)絡(luò)可以看出，站級網(wǎng)絡(luò)可以是雙星網(wǎng)，也可以是雙環(huán)網(wǎng)或單環(huán)網(wǎng)。采樣值SV網(wǎng)用于采集光纖信號傳輸?shù)碾娏骰ジ衅餍盘柡碗妷夯ジ衅餍盘?。按照繼電保護的規(guī)定，跳閘信號從發(fā)出到執(zhí)行不超過3ms，因此獨立設(shè)置GOOSE網(wǎng)。為了保證、提高這一參數(shù)，保護單元與動作設(shè)備也可采用光纖直聯(lián)的方式。

5 智能水電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

5.1 結(jié)構(gòu)分析

在討論智能水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(wǎng)為站級網(wǎng)、過程網(wǎng)。筆者認為，對于智能水電站，三層的概念宜使用站控層、現(xiàn)地控制層、過程層，兩網(wǎng)為站級網(wǎng)、過程網(wǎng)。

從圖1可以看出，智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)是比較復雜的，認真總結(jié)智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)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(shè)初期，適合水電站的智能化設(shè)備，可先不建過程網(wǎng)，待有合并單元或智能接口接入時再考慮轉(zhuǎn)變到模式（2）或模式（3）；

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

（3）將過程網(wǎng)GOOSE網(wǎng)、采樣值網(wǎng)SV網(wǎng)合并成一個網(wǎng)，與站控網(wǎng)獨立。

下面進行分析。

模式（1）的結(jié)構(gòu)（見圖2所示）實際是一種兩層一網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)簡介，可在初期采用這種結(jié)構(gòu)。

圖2 智能水電站監(jiān)控系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)一示意圖

模式（2）的結(jié)構(gòu)（見圖3所示）是一種過渡性的結(jié)構(gòu)，是采用三層兩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。過程網(wǎng)GOOSE網(wǎng)、采樣值網(wǎng)SV網(wǎng)合并成一個網(wǎng)，與站控網(wǎng)獨立，通過轉(zhuǎn)換接口方式，實現(xiàn)合并單元和智能接口的接入。從圖3可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的規(guī)約與數(shù)據(jù)格式?jīng)]有采用IEC61850的規(guī)約，LCU通過IEC61850轉(zhuǎn)換接口與外部符合IEC61850規(guī)約的合并單元或智能接口進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，監(jiān)控系統(tǒng)通過IEC61850轉(zhuǎn)換服務器與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)中，也有采用過程網(wǎng)GOOSE網(wǎng)、采樣值網(wǎng)SV網(wǎng)合并成一個網(wǎng)，與站控網(wǎng)獨立的結(jié)構(gòu)。

圖3 智能水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二示意圖

模式（3）的結(jié)構(gòu)（見圖4所示）是一種推薦的結(jié)構(gòu)，是采用三層兩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。過程網(wǎng)GOOSE網(wǎng)、采樣值網(wǎng)SV網(wǎng)合并成一個網(wǎng)，與站控網(wǎng)獨立，系統(tǒng)內(nèi)外均采用IEC61850規(guī)約。

這種結(jié)構(gòu)，將GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)合并成一個網(wǎng)，使網(wǎng)絡(luò)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(jiān)控系統(tǒng)而言，并沒有要求從發(fā)出命令到執(zhí)行命令在3 ms的要求。事實上，一旦發(fā)生電氣事故，首先應該由保護裝置發(fā)出跳閘信號，監(jiān)控系統(tǒng)的LCU的跳閘信號是后備措施。當發(fā)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(jié)構(gòu)可以滿足要求。

圖4 智能水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三示意圖

在上述結(jié)構(gòu)中，各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信，其中站控層與間隔層網(wǎng)絡(luò)采用交換式以太網(wǎng)，介質(zhì)可選雙絞線；間隔層與過程層的網(wǎng)絡(luò)也采用交換式以太網(wǎng)，介質(zhì)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(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，或者說是智能化電氣設(shè)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(tǒng)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(xiàn)地控制層的設(shè)備運算得出。與常規(guī)方式相比，所不同的是傳統(tǒng)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(tǒng)模擬量，被直接采集數(shù)字量所取代。這樣做的優(yōu)點是，抗干擾性能強，絕緣和抗飽和特性好，開關(guān)裝置實現(xiàn)了小型化、緊湊化。

2）狀態(tài)參數(shù)在線檢測與統(tǒng)計

水電站需要進行狀態(tài)參數(shù)檢測的設(shè)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(tǒng)。在線檢測的內(nèi)容，主要有溫度、壓力、密度、絕緣、機械特性以及工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

3）操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動

操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動，包括變壓器分接頭調(diào)節(jié)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(xiàn)地控制層

現(xiàn)地控制層設(shè)備層的主要功能是：

1）匯總現(xiàn)地控制實時數(shù)據(jù)信息；

2）實施對一次設(shè)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(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計運算及控制命令的發(fā)出，具有優(yōu)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(wǎng)絡(luò)通信功能。必要時，上下網(wǎng)絡(luò)接口具備雙口全雙工方式，以提高信息通道冗余度，保證網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶崟r數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實時數(shù)據(jù)庫，按時登錄歷史數(shù)據(jù)庫；

2）按既定規(guī)約，將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送往調(diào)度或控制中心；

3）接收調(diào)度或控制中心有關(guān)控制命令，轉(zhuǎn)現(xiàn)地控制層、過程層執(zhí)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(nèi)當?shù)乇O(jiān)控，人機聯(lián)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(xiàn)地控制層、過程層諸設(shè)備的在線維護、在線組態(tài)，在線修改參數(shù)的功能。

6 智能水電站監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及功能

從系統(tǒng)運行體系結(jié)構(gòu)看,智能化水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)包含硬件層、操作系統(tǒng)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(tǒng)層，如圖 5 所示包括 HP-UX、IBMAIX、SUNSolaris、Linux和Windows操作系統(tǒng)。

圖5 智能化水電站軟件結(jié)構(gòu)

通用平臺有效的將上層應用和底層系統(tǒng)隔離開，為上層應用的設(shè)計和運行提供一種開發(fā)平臺和運行的環(huán)境。通用平臺為上層應用提供了一個虛擬的、統(tǒng)一的、可擴展的、分布的開發(fā)平臺。通用平臺包括操作系統(tǒng)接口層,通用平臺構(gòu)建層和應用訪問接口層。其中,操作系統(tǒng)接口層對不同操作系統(tǒng)的進程間通信、Socket、定時器處理、數(shù)據(jù)編碼和文件操作編程接口進行了統(tǒng)一包裝,提供了系統(tǒng)的跨平臺的能力。通用平臺構(gòu)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(nèi)存庫、關(guān)系庫中間件,為應用提供透明的內(nèi)存庫和關(guān)系庫服務；系統(tǒng)管理為應用提供包括節(jié)點,網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)庫等系統(tǒng)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(xiàn)對水電運行的控制和管理，數(shù)據(jù)采集服務實現(xiàn)對LCU和其他IED設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制命令下達。SCADA服務實現(xiàn)對生數(shù)據(jù)的加工處理、報警、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計、歷史數(shù)據(jù)存貯和控制服務。數(shù)據(jù)工程實現(xiàn)水電站設(shè)備的參數(shù)管理。報表系統(tǒng)實現(xiàn)報表的生成、制作、打印。WEB系統(tǒng)實現(xiàn)智能水電站運行控制信息、管理信息實時瀏覽。

7 結(jié)語

智能水電站（廠）的研究正在探索階段。智能水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jīng)驗的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合水電站（廠）自動化系統(tǒng)的特點，充分考慮電網(wǎng)、環(huán)境及自身發(fā)展的需求，采取適合的計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以達到預期目標。需要特別注意，因為水電站智能化建設(shè)的復雜性，需要設(shè)計、研制單位、水電站、調(diào)度等各方面齊心合力，先進行試點，不斷總結(jié)經(jīng)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(wǎng)的建設(shè)。

[1]智能電網(wǎng)建設(shè)2011年中期總結(jié)[Z].

[2]智能變電站繼電保護專業(yè)調(diào)研工作總結(jié)匯報[R].

[3]劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù)[M].中國電力出版社，2010.