智能水電廠現地自動化系統技術探討

張紅芳，彭文才，閩 崢

（國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210003）

0 引言

智能水電廠建立在集成、統一、可靠的軟硬件平臺基礎上，通過采用先進的傳感和測量技術自動獲得電站運行和設備狀況信息，應用可靠的控制方法、數據分析技術和智能化的決策支持技術，實現水庫和機組的安全經濟運行，提高水電廠效率，實現效益最大化[1]。

建設智能水電廠可以提升水電生產管理水平和層次，合理調配流域水資源，提高流域水能資源利用率，實現最優經濟運行；充分提升節能、增效、減排等社會效益，實現企業發電經濟效益、防洪興利、節能減排等效益的有機統一[1]。

智能水電廠的系統設計應借鑒智能電網的特點與優勢，充分考慮并采用先進、主流、可靠的應用技術，以國際標準為基礎，以統一平臺建設為目標，利用各類專家知識庫與分析模型算法，形成智能化的生產運行決策輔助系統，充分考慮各種規范與標準，保證系統的可靠性、高效性、穩定性、開放性，形成統一化、智能化的水電廠應用平臺。

智能水電廠自動化系統總體架構橫向按照二次安全防護要求劃分為生產控制大區（I、II區）和管理信息大區（III區、IV區），兩大區之間采用物理隔離裝置連接。生產控制大區和管理信息區縱向上都劃分為廠站級和現地級。在水電廠廠站級智能化中，重點從經濟運行、狀態檢修、智能化決策管理等領域規劃了智能水電廠改造的內容，主要包括智能統一平臺、經濟調度與控制、生產管理與決策支持、安全防護體系等的智能化改造。生產控制大區的現地層設備主要包括現地控制單元、繼電保護系統、調速器系統、勵磁調節器系統、電力五防系統、輔機控制系統、在線監測系統、水情自動測報系統、大壩安全監測系統、泄洪閘門控制系統等。管理信息區的現地層設備主要包括門禁控制裝置、消防裝置、無線巡檢裝置、環境監測裝置、工業電視控制裝置等。現地自動化系統是智能水電廠的一個重要組成部分，現地智能控制系統是智能水電廠的一個關鍵技術。與傳統的現地自動化系統相比，智能水電廠現地自動化系統應具備數字化、網絡化、智能化等特征。

我們需要深入研究如何實現水電廠現地自動化系統的智能化，開發諸如調速器、勵磁、在線監測等現地系統的智能化產品。

1 水電廠現地自動化系統技術現狀

水電廠的繼電保護裝置目前仍以傳統微機保護為主，但水電廠的繼電保護裝置在結構、功能、接口等方面和變電站繼電保護裝置基本相同，差別僅在于保護對象不同而造成的具體的保護功能的不同，只需將現有智能變電站繼電保護裝置技術移植到水電廠繼電保護裝置上即可。

水電站現地控制單元基本為集中采集、控制的模式，監控系統的控制核心以PLC為主。PLC將所有信號采集進來，經過流程運算，輸出控制信號到現地設備，并通過以太網等方式將數據送到后臺計算機。PLC的信號采集和輸出以開關量、模擬量為主，外圍智能的數據由于通信接口和通信規約不統一，只能通過串口等方式進行數據交換，甚至各自重復采集。PLC本身不對數據進行分類加工，只是將所有數據統一上送。IEC61850-7-410標準目前已發布，該標準針對水電廠應用對數據對象進行了定義，對傳統水電站監控的控制模式將帶來很大的改變。

調速器應具有速度控制、功率控制、開度控制、開停機、并網和緊急停機控制、導葉開度限制、頻率跟蹤控制、適應式控制、快速同步等功能。目前，國內水電廠源于保電網運行的理念，采用的都是一臺機組專用一套水輪機調速器系統，該套調速器中微機控制系統大多采用的是雙套，即A、B套測控裝置冗余的方式，其中一套工作，另一套熱備，屬于系統級冗余，兩套測控裝置之間的I/O模塊只能與本套裝置的CPU通訊，彼此不能互用。目前，基于IEC61850標準和以太網的模塊級冗余，智能系統在數字化變電站中應用的較多，其中的部分成果可以借鑒，但是基于上述標準和網絡結構的模塊級冗余的智能調速器微機系統尚未見應用報道。

發電廠勵磁裝置發展至今，功率元件已基本定型，發展的重點是微機調節器。隨著新型CPU的推出以及新技術的應用，國內外勵磁系統發展重點是向運行可靠、自控功能強大、操作簡單等方向發展。功率單元、滅磁單元、過壓保護單元等勵磁系統基本組件趨向于模塊化和通用化，每個組件具有獨立的、智能化的數字式監控接口，可進一步提高勵磁系統的可靠性和標準化。目前，國內外還未見智能水電廠勵磁系統研究的文獻報道。

我國水情自動測報系統的建設始于20世紀80年代初期，至今已走過了30年的發展歷程。近十年來，北斗衛星、GPRS、SMS等通信技術大量普及，國內水情自動測報系統進入了技術提高階段，國產設備完全替代進口設備占據了大部分市場份額。水情自動測報技術已經涵蓋了水雨情、流量、水質、氣象、工況以及地質災害等多種信息。國內水情自動測報系統所形成的微功耗、寬溫度工作范圍、多信道接入及豐富的傳感器采集等核心技術已經與國際水平接近，設備的小型化和智能化水平不斷提高，但傳感器技術仍有相當的差距。

設備狀態監測技術主要是通過利用在線監測設備和故障診斷技術，收集和積累設備的狀態信息，分析設備狀態和發展趨勢，進行系統的分析和科學的判斷，以便科學的安排檢修計劃和檢修內容，提高設備的運行可靠性、可用性和經濟性。當前已有很多水電廠建立了機組在線監測系統，主軸各關鍵處的擺度、各個軸承和機架的振動、軸承溫度、蝸殼和尾水管的壓力、發電機功率、接力器行程等參數納入了監測的范圍，這具備了實現狀態檢修的最根本的設備條件。

2 智能水電廠現地系統IEC61850技術探討

目前，現地自動化系統越來越多，變送器重復設置，信號重復采集，結構繁雜，信息源多，易受到電磁干擾，同時由于缺少統一的接口標準和數據結構模型，沒有從根本上解決信息化孤島問題，各自動化設備與系統間接口復雜，難以相互兼容和互操作，不同廠家設備間的互操作性更難以實現，制約了水電廠生產管理和自動化技術的進一步提高[2]。

智能水電廠現地自動化系統除各自獨立實現的功能外，應實現信息的標準化、數字化采集并通過統一的、冗余的現場數據總線與廠級層聯接，為廠級層實現對現地各自動化系統的監控提供標準的、統一的數據接口。國際電工委員會第57技術委員會（IECTC 57）制定了有關自動化系統實時通信的國際標準IEC61850，可以將水電廠當前眾多的通信協議規范化，代表了自動化技術的發展方向。目前，已正式出版了水電廠監控通信標準IEC61850-7-410。

基于IEC61850的智能變電站技術在國內發展基本成熟，以國網電科院為代表的電力自動化研究機構及廠家紛紛推出了符合IEC61850標準的電力自動化裝置，并在多個智能變電站得到應用。

MMS（Manufacturing Message Specification）即制造報文規范，是在80年代初期為了美國通用汽車公司的MAP（制造自動化協議）項目而開發的,它主要是規范工業自動化領域內智能設備間的通信行為，廣泛地應用于工業過程控制、工業機器人等領域。IEC61850標準的MMS協議是基于802.3標準的應用層協議,該協議適用于廠站級和間隔級設備，或間隔級設備間，或廠站級設備間的通訊。

IEC61850標準的SV協議可用于電子式電流互感器（ECT）或電壓互感器（EVT）的合并單元等過程層設備與諸如繼電保護這樣的間隔層設備之間的通信。

IEC61850標準中還定義了通用變電站事件模型（GSE-generic substation event model），該模型提供了在全系統范圍內快速可靠地輸入、輸出數據值的功能。GSE分為2種不同的控制類和報文結構，一種是GOOSE（generic object oriented substation event），面向通用對象的變電站事件；另一種是GSSE（generic substation state event），通用變電站狀態事件[3]。

根據水電廠各現地自動化系統的功能和應用場合，不同的現地自動化系統可設計為支持IEC61850標準的不同協議或模型。

3 智能水電廠現地系統體系結構技術探討

智能水電廠現地自動化系統的體系結構設計時可分析智能變電站的體系結構，借鑒智能變電站的成功經驗，并充分考慮水電廠和變電站在諸多方面的不同特點。

3.1 智能變電站的系統結構

智能變電站的體系結構從整體上分為三層：過程層、間隔層和變電站層。過程層總線處理間隔層和過程層的通信以及合并單元與二次設備之間的通信；站控層總線處理變電站層和間隔層的通信。過程層包括智能一次設備、合并單元、過程總線。過程總線負責過程層與間隔層之間的數據傳輸，也就是將傳統的用于測量和控制的“硬接線”代之以數字式的網絡或總線通信，簡化了二次接線[4]。

理想的智能變電站，其過程層設備操作可實現智能化，一次設備與二次設備之間完全取消電纜連接。配備的新型傳感器和操作機構，使一次設備智能化。從設備造價和可靠性角度出發，國內大多使用斷路器配智能終端，智能終端采集非常規互感器輸出的數字信號、常規互感器輸出的常規模擬信號、相應間隔和其關聯部分的狀態信號等，也包括控制輸出信號（包括跳合閘輸出繼電器信號），并向過程總線傳送數據。間隔層包括各類二次設備，如保護、測控、計量、錄波等[4]。

3.2 智能水電廠現地系統結構技術探討

從常規變電站到智能變電站，變電站二次設備的裝置結構、一次設備、體系結構都發生了很大的變化。總體來說，智能變電站除了保護、測控等裝置的結構發生變化外，大量使用了智能終端、智能控制柜等設備，這些智能測控設備被下放至一次設備旁邊。變電站的一次設備主要包括變壓器、斷路器、互感器等，設備類型不算多，自動化系統主要包括保護、測控等，但是水電廠的一次設備類型遠多于變電站，這些一次設備包括水庫、大壩、閘門、水輪機、閥門、發電機、大量輔助設備，水電廠自動化系統包括保護裝置、調速器、勵磁調節器、電力五防系統等等。傳統水電廠各現地自動化系統中，核心的控制系統是現地控制單元（Local Control Unit，以下簡稱“LCU”），傳統的做法是一臺機組配置一套LCU，機組LCU的基礎功能是負責采集和機組有關的所有信號并對機組相關設備進行控制操作，需要采集的信號類型有電氣量（電流、電壓）、非電氣量（溫度、壓力）、數字量，一般情況下，LCU可通過硬接點或通訊的方式采集其它現地自動化系統的信息，也可通過硬接點或通訊的方式實現對其它現地自動化系統的控制，水電廠監控系統上位機軟件與LCU進行通訊，實現監控系統的監視和控制功能。從另一個角度說，傳統水電廠現地自動化系統之間僅存在弱聯系，各現地自動化系統可能是若干個獨立的子系統。未來的智能水電廠現地自動化系統是否設計成類似于智能變電站的結構目前還不明確，如果能，所有現地自動化系統將接入高速現地總線，LCU將弱化為測控單元，若干個智能的一次設備直接接入IEC61850標準的過程層總線，并將信號送至間隔層，間隔層設備應包括勵磁、調速、保護、測控、計量、水情測報等。測控、保護、勵磁等將現地自動化系統統一接入高速數據總線，這些系統在邏輯上是平等的，現地系統之間可根據需要通過IEC61850/GOOSE協議實現數據的共享，同時現地系統可通過IEC61850/MMS協議實現與廠站級服務器的數據交互。智能水電廠的體系結構見圖1。

圖1 智能水電廠的體系結構

以水電廠機組現地自動化系統為例，現地裝置應包括保護系統、調速器系統、勵磁系統和測控系統等，其中測控系統包括機組順序控制裝置（以下簡稱“順控裝置”）以及兼容傳統傳感器的測量裝置等。保護裝置的保護跳閘信號通過IEC61850/GOOSE協議自動送到順控裝置，順控裝置將根據收到的信號啟動機組保護跳閘流程；跳閘流程執行過程中，順控裝置通過IEC61850/GOOSE協議自動將停機命令發至勵磁系統和調速器系統。順控裝置通過標準接口接入IEC61850高速數據總線，該裝置可能只包括CPU而不含數據采集系統，裝置所需要的數據全部來自高速數據總線上的其它自動化系統。和同一臺機組的不同現地系統一樣，不同機組的各現地系統接入相同的高速數據總線，并且同樣可以通過IEC61850標準的系列協議實現數據的共享。各現地系統之間以及現地系統和統一平臺之間、現地系統和智能一次設備之間的信息流向關系見圖2。

圖2 現地統之間及其與外圍之間的信息流向

4 智能水電廠現地系統的智能化技術探討

智能變電站著重關注的是一次設備的智能化，在二次設備方面著重強調數字化、網絡化、信息化，并未強調二次設備的智能化，主要原因是變電站的二次設備如保護裝置或測控裝置的功能比較明確，技術已經很成熟。水電廠現地自動化系統的發展已經經歷了比較長的時間，各生產廠家生產的產品在基本功能方面都比較類似，但是如果僅僅具備基本功能的話，那么它和智能化水電廠的要求還有差距，提升現地自動化系統的智能化特征是智能水電廠的一個研究方向。根據現地自動化系統各自的特點，可以在不同的方面提升各自的智能化特征。現地自動化系統的智能化特征包括很多方面，狀態監測和在線診斷功能、故障分析功能、聯閉鎖功能、智能化控制等。

4.1 調速器系統

智能調速器系統具備智能數字化管理平臺，包括智能內置運行調試系統、專家預警系統、故障分析系統、時標化錄波、隨手行幫助系統等。具備三維數字化液壓調節裝置、數字化電液轉換器、數字化傳感器。采用先進可靠的通訊協議：不僅支持傳統的MODBUS通訊協議，而且，該新型數字化調速器內部用雙以太網絡，支持IEC61850標準，具備高可靠性的網絡通訊功能。

4.2 勵磁系統

智能勵磁系統的調節器可通過采用變參數的控制策略，解決電網大擾動時調節的快速性與電網小擾動時調節的穩定性之間的矛盾；可通過快速量測技術的PT斷線算法，快速準確地判斷出不同類型的PT斷線；通過完善勵磁系統的控制策略，實現發電機組群的勵磁協調控制，從而提高廠網協調能力，更好地接受調度控制。

智能勵磁系統的功率柜通過常規的均流設計，利用智能均流控制技術，確保并列運行的兩個功率橋之間以及各可控硅之間的電流均衡性，從而保證功率柜的長期安全穩定運行；通過合理的熱設計，提高功率柜整體的散熱效率。

4.3 狀態監測系統

實施狀態檢修輔助決策系統是建設智能水電廠的主要目標之一[2]，實現狀態檢修、提高設備可用率、降低檢修成本。狀態監測系統是狀態檢修輔助決策系統的主要的數據來源。

智能化水電廠水電機組、變電設備狀態監測系統主要由兩部分組成：機組、變電設備狀態監測數據智能采集單元和傳感器元件。

水電機組狀態監測系統通過監測機組各部位的振動、擺度、抬機量和壓力脈動分析診斷機組運行穩定性；監測機組各部位溫度、液位、流量等，分析診斷機組部件過熱、介質泄漏等故障；監測機組有關電量、非電量分析診斷機組效率；監測機組有關電量、非電量對開機、停機、系統振蕩、事故等動態過程進行分析；監測定、轉子氣隙分析診斷機組軸系、轉子等運轉性能；監測定子局放水平分析診斷定子絕緣狀況；監測機組有關電量、非電量分析診斷轉輪和導水機構氣濁、磨蝕、裂紋。

變壓器狀態綜合監測是融合先進的一次設備智能化技術、通訊信息技術、狀態評估及故障預警技術、狀態檢修技術于一體的解決方案，可以很好地實現變壓器狀態監測和狀態檢修，并控制變壓器安全經濟地運行，延長其使用壽命。

斷路器狀態監測掌握斷路器壽命、機械特性、二次回路的運行狀態，為斷路器更換、及時檢修提供決策依據，避免斷路器發生誤動、拒動、觸頭燒毀等事故。

4.4 智能測控裝置

根據智能變電站建設的經驗，智能測控裝置是智能水電廠的一個研究內容。智能測控裝置應全面支持IEC61850標準，能夠通過GOOSE網、SV網采集電子式互感器、合并單元、智能終端、非電量現地變送器、測溫電阻等過程層智能設備的數據，能夠通過高速數據總線訪問調速器系統、勵磁系統、保護系統等的信息，避免現場信號的重復采集。

為支持水電廠的傳統設備，智能測控裝置應同時具備傳統信號的采集能力，可以接入各種普通信號。

智能測量控制系統按照面向對象的思想設計，遵循IEC61850-7-410對水電廠控制對象的定義，便于以后系統的維護。

5 結語

現地自動化系統是智能水電廠的一個重要組成部分，現地智能控制系統是智能水電廠的一個關鍵技術。與傳統的現地自動化系統相比，智能水電廠現地自動化系統應具備數字化、網絡化、智能化等特征。本文在對智能變電站進行研究的基礎上，分別從構建現地系統高速數據總線的IEC61850標準、現地系統的體系結構、現地系統的智能化等幾個方面探討了智能水電廠現地自動化系統技術。

[1]劉觀標，李曉斌，李永紅，等.智能水電廠的體系結構[J].水電廠自動化與大壩監測，2011,35（1）：1-4.

[2]王德寬，張 毅，劉曉波，等.智能水電廠自動化系統總體構想[J].水電廠自動化與大壩監測，2011,35（1）：5-9.

[3]中華人民共和國電力行業標準DL/T 860.72：變電站通信網絡和系統第7-2_部分：變電站和饋線設備的基本通信結構_抽象通信服務接口(ACSI)[S].

[4]于立濤.青島午山數字化變電站建設模式及經濟性評價研究[碩士論文].[D].華北電力大學，2009.