葛洲壩電站智能化建設的研究和實踐

張家治

（葛洲壩電廠，湖北 宜昌 443002）

葛洲壩電站智能化建設的研究和實踐

張家治

（葛洲壩電廠，湖北 宜昌 443002）

摘要：IEC61850、IEC61850-7-410國際標準的相繼頒布和實施，為我國智能化水電站建設提供了有力的技術支撐。本論文深入闡述了IEC61850標準的主要內容、特點、基本概念以及發展趨勢，并以葛洲壩電站智能化建設為例子，詳細介紹了葛洲壩電站智能化建設的整體框架，分析了傳統機組信息模型和智能電站機組信息模型的區別，展現了智能水電站機組信息模型的優點。最后，從4個方面詳細分析了葛洲壩電站機組信息模型的應用情況，并對IEC61850標準在智能水電站建設的發展方向進行了展望。

關鍵詞：IEC61850；葛洲壩電站；智能水電站；監控；模型

0　引言

近幾年，隨著全球氣候逐步惡化、溫室效應加劇、傳統能源日益短缺、金融危機蔓延，為了解決環境與發展的矛盾，搶占未來經濟及科技發展的制高點，造福子孫后代，各國不約而同地將目光集中于發展智能電網。

堅強智能電網是包括發電、輸電、變電、配電、用電、調度等各個環節，是一個完整的智能電力系統。水電站作為電網的發電環節，其智能化與否直接決定了智能電網的戰略能否成功實現。智能水電站是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備、先進的控制方法以及先進的決策支持系統技術的應用，實現發電廠的可靠、安全、經濟、高效、環境友好的目標。

葛洲壩電廠“十二五”發展規劃明確提出了“建設智能電站，保持行業領先”的目標，要求以建設智能電站為重點，加快設備改造，實現電站的安全、節能、環保、高效。

1　IEC61850概述

當前電力系統中，對變電站自動化的要求越來越高，為方便變電站中各種IED的管理以及設備間的互聯，就需要一種通用的通信方式來實現。IEC61850提出了一種公共的通信標準，通過對設備的一系列規范化，使其形成一個規范的輸出，實現系統的無縫連接。

IEC61850標準是基于通用網絡通信平臺的變電站自動化系統唯一國際標準，它是由國際電工委員會第57技術委員會 (IECTC57)的3個工作組10，11，12(WG10/11/12)負責制定的。此標準參考和吸收了已有的許多相關標準，其中主要有：IEC 60870-5-101遠動通信協議標準；IEC60870-5-103繼電保護信息接口標準；UCA2.0(Utility Communication Architecture2.0)(由美國電科院制定的變電站和饋線設備通信協議體系)；ISO/IEC9506制造商信息規范MMS(ManufacturingMessage Specification)。

1.1 IEC61850標準的特點

IEC61850標準吸收了多種國際最先進的新技術，并且大量引用了目前正在使用的多個領域內的其他國際標準，形成了以下突出的技術特點。

（1）定義了變電站的信息分層結構

變電站通信網絡和系統協議IEC61850標準草案提出了變電站內信息分層的概念，將變電站的通信體系分為3個層次，即變電站層、間隔層和過程層，并且定義了層和層之間的通信接口。在變電站層和間隔層之間的網絡采用抽象通信服務接口映射到制造報文規范 (MMS)、傳輸控制協議/網際協議(TCP/IP)以太網或光纖網。在間隔層和過程層之間的網絡采用單點向多點的單向傳輸以太網。變電站內的智能電子設備(IED，測控單元和繼電保護)均采用統一的協議，通過網絡進行信息交換。

（2）采用了面向對象的數據建模技術

IEC61850標準采用面向對象的建模技術，定義了基于客戶機/服務器結構數據模型。每個IED包含一個或多個服務器，每個服務器本身又包含一個或多個邏輯設備。邏輯設備包含邏輯節點，邏輯節點包含數據對象。數據對象則是由數據屬性構成的公用數據類的命名實例。從通信而言，IED同時也扮演客戶的角色。任何一個客戶可通過抽象通信服務接口（ACSI）和服務器通信可訪問數據對象。

（3）數據自描述

該標準定義了采用設備名、邏輯節點名、實例編號和數據類名建立對象名的命名規則；采用面向對象的方法，定義了對象之間的通信服務，比如，獲取和設定對象值的通信服務，取得對象名列表的通信服務，獲得數據對象值列表的服務等。面向對象的數據自描述在數據源就對數據本身進行自我描述，傳輸到接收方的數據都帶有自我說明，不需要再對數據進行工程物理量對應、標度轉換等工作。由于數據本身帶有說明，所以傳輸時可以不受預先定義限制，簡化了對數據的管理和維護工作。

（4）信息模型與通信協議獨立

IEC61850標準總結了變電站內信息傳輸所必需的通信服務，設計了獨立于所采用網絡和應用層協議的抽象通信服務接口（ASCI）。在IEC61850-7-2中，建立了標準兼容服務器所必須提供的通信服務的模型，包括服務器模型、邏輯設備模型、邏輯節點模型、數據模型和數據集模型。客戶通過ACSI，由專用通信服務映射（SCSM）映射到所采用的具體協議棧，例如制造報文規范（MMS）等。IEC61850標準使用ACSI和SCSM技術，解決了標準的穩定性與未來網絡技術發展之間的矛盾，即當網絡技術發展時只要改動SCSM，而不需要修改ACSI。

1.2 IEC61850標準的發展趨勢

IEC61850先進的設計思想、面向對象的信息建模技術、面向未來需求的開放性使得IEC61850標準在全世界范圍內得到了廣泛應用。為適應這種變化，從 2007年起，IEC TC57 WG10工作組對原有IEC61850的1、4、5、6、7-2、7-3、7-4、8-1、9-2、10等部分進行了修訂。

IEC61850標準第2版的名稱已由“變電站內通信網絡和系統（Communication Networksand Systems in Substations）”改為“公用電力事業自動化的通訊網絡和系統（Communication Networks and Systems for Power Utility Automation）”，明確將IEC61850標準的覆蓋范圍延伸至變電站以外的所有公用電力應用領域。與第1版相比，IEC61850-9-1部分在第2版中被廢除，另外新增多個相關的標準或技術規范。

2　葛洲壩電站智能化建設整體框架

按照智能水電站的標準和要求，系統網絡結構可以分為3層，按照“過程層”、“間隔層”、“站控層”的結構層次布置。邏輯上有3層設備、2層網絡（站控層網為MMS網、過程層網為GOOSE網和SV網）組成。站控層網絡、過程網絡物理上相互獨立，減少相互之間的影響。

葛洲壩電站智能化改造以IEC61850為標準、以統一現地數據總線為基礎，無縫集成智能組件，實現各種智能化的高級應用功能，體現了智能水電廠信息化、自動化、互動化的特征，達到一次設備智能化、二次設備網絡化的目標。

葛洲壩智能水電站系統的結構布置和層次如圖1所示。

圖1智能電站機組信息模型圖

2.1站控層建設

站控層設備主要布置在中控室內和監控機房內，由冗余實時數據服務器、冗余歷史數據服務器、磁盤陣列、多套操作員工作站、工程師工作站、冗余調度通訊服務器、冗余梯調通訊服務器、廠內通訊工作站、語音報警及ONCALL工作站、與其他輔助系統的智能接口工作站、網絡打印機等設備組成。

本層設備需要完成實時數據處理、歷史數據存儲與備份、提供運行的人機聯系界面，實現管理控制間隔層、過程層設備等功能，形成全廠監控、管理中心，并與梯調、調度中心、廠內其他系統通信，以及與其他智能系統數據交換。

系統以雙局域網（MMS網）為核心，實現各服務器、工作站功能分擔，數據分散處理，各工作站/服務器在系統中處于平等地位。將大江區域、二江區域通過4臺高速交換機連成一個網絡。

站控層設備以IEC61850標準接入MMS網，直接從MMS網讀取LCU、調速器、勵磁調節器、保護裝置等信息。

考慮到智能化改造的階段性和延續性，保留了站控層設備與智能PLC的常規點對點網絡通訊，實現MMS網與常規網絡的協同運行。

站控層系統計算機采用高性能的UNIX服務器或UNIX工作站，64位UNIX操作系統，保證主系統的安全穩定運行；操作員站、工程師站、通信服務器、電話語音報警站等其他計算機選用UNIX工作站。

2.2間隔層建設

間隔層設備主要布置在現地設備層，包括發電機層、保護室、公用系統室等。應用到水電站一般稱之為單元層，由機組LCU、機組保護裝置、調速器、勵磁調節器等設備組成。

本層設備完成對被監控設備的就地數據的采集及監控功能，其設計能保證當它與主站級系統脫離后仍然能在當地實現對有關設備的監視和控制功能。當其與主站級恢復聯系后又能自動地服從主站級系統的控制和管理。

間隔層設備對上通過MMS網和主站進行通信，對下不僅能實時自動采集SV網和GOOSE網的瞬時電氣量數據，實現對智能一次設備的監控，還需要能采集不具備智能功能的常規數據，例如壓力、油位、溫度等經過變送器采集的常規數據。

間隔層智能化建設是水電站智能化建設的核心，也是水電站智能化建設的難點所在。

2.3過程層建設

過程層設備主要由合并單元、智能終端、非電量現地變送器、測溫電阻等構成，完成與一次設備和現場設備相關的功能，包括實時運行電氣量的采集、非電氣量的采集、設備運行狀態的監測、控制命令的執行等，即完成現場原始終端數據的采集、測量、控制。由于目前電子互感器未經過長時間運行的檢驗，葛洲壩電站從安全生產的角度考慮，仍然采用常規互感器，通過合并單元接入SV網。

GOOSE網實現對開關、刀閘等一次電氣設備的控制量輸出。

其他非電氣量（壓力、油位、位移、開度、振動、擺度等）、溫度量的模擬量輸入、模擬量輸出、開關量輸入、開關量輸出信號不具備智能化條件，通過接入按功能分層分布式的PLC來實現數字化。

3　葛洲壩智能電站機組信息模型的設計

3.1傳統機組信息模型介紹

傳統機組信息模型如圖2所示，它的專業界限比較清楚，二次設備有LCU、調速器、勵磁控制器、機組保護裝置，二次設備間主要依靠控制電纜連接。主站只和LCU通訊，其他二次設備只能通過硬接線將信息送給LCU，再由LCU通過通訊統一上送給主站，運行人員監視的設備信息量有限。而且LCU和主站間通訊主要采用MODBUS或其他協議，這些協議需要對點號的排序，一旦設備改造后，LCU側和主站側改動工作量極大，不易于維護。

在機組控制方面，對機組的有功、無功調節主要是監控系統主站將有功值、無功值下發到LCU，LCU進行PID調節閉環，將調節控制指令通過繼電器輸出給調速器、勵磁控制器的控制回路，調節環節較多，中間延時較大，故障率增多，不能快速精確地進行負荷調節。

3.2智能電站機組信息模型介紹

圖2傳統機組信息模型圖

智能電站機組信息模型打破了傳統的專業界限，它是一種面向對象的分層建模方式，通過規范信息模型和信息交換方法，使得設備的互聯互通變得簡單，如圖1所示。根據IEC61850標準面向對象的設計方法，將機組LCU、調速器、勵磁調節器、機組保護等裝置抽象為一個或多個IED，每個IED的信息模型包含5個層次，即Server（服務器）、Logical Device（邏輯設備）、Logical Node（邏輯節點）、Data（數據）以及DA（Data Attribute，數據屬性）。一般情況下一臺物理裝置建模為一個IED，每個IED包含一個或多個服務器，每個服務器本身又包含一個或多個邏輯設備，每個邏輯設備包含一組邏輯節點，每個邏輯節點又包含多個數據，每個數據擁有多個數據屬性。如圖3所示。

圖3 IED分層信息模型

葛洲壩電站間隔層(單元層)主要設備為LCU裝置、調速器裝置、勵磁調節器裝置、機組保護裝置，均以IEC61850標準建模。各二次設備按照IEC61850標準將全面的信息上送給站控層，并直接接受站控層的命令。如在機組有功、無功調節方面，由站控層主站通過AGC/AVC計算后將有功值、無功值分別直接下發給調速器、勵磁調節器，調速器、勵磁調節器自動進行PID計算，進行功率閉環。由于不再需要通過LCU中轉，大大提高了設備響應速度。

與傳統機組信息模型相比，智能機組信息模型主要優點有如下幾方面：

（1）實現了各專業的二次設備互聯互通，消除了信息孤島，使得數據可以共享，不再需要重復配備傳感器。

（2）實現了站控層直接控制間隔層設備，效率更高，響應速度更快。

（3）設備間采取網絡連接，大量減少了各種控制或信號電纜，節約了資源，降低了成本。

（4）由于間隔層設備已按照IEC61850標準建模，使得設備實現了即插即用，更換設備再也不要進行復雜的通訊調試工作，降低了人力成本。

（5）由于是采用網絡連接，間隔層、過程層設備上送信息量可以大大增加，使得設備自檢信息能實施上送，實現了設備的可控在控。

（6）由于所有信息均上送至站控層，使得站控層人工智能開發成為可能，如趨勢分析功能、運行分析功能、事故專家診斷功能等。

4　智能水電站機組信息模型的應用分析

4.1機組調節過程分析

評判機組信息模型好壞的一個重要方面就是機組調節控制是否快速準確，而水電站調節最頻繁、調節精度要求最高的是自動發電控制（AGC）和自動電壓控制（AVC）。

AGC計算出單機出力后，傳統機組信息模型是直接下發給LCU，LCU進行PID閉環再將增減負荷指令下發給調速器，中間環節較多，不利于負荷調節的快速響應。而12F機組由于采用的是新的機組信息模型，直接通過MMS網下發給調速器，調速器自己進行功率閉環調節，減少了LCU的中間環節，使得負荷調節更迅速。

AVC計算出單機出力后，傳統機組信息模型是直接下發給LCU，LCU進行PID閉環再將增減負荷指令下發給勵磁調節器，同樣由于中間環節較多，不利于負荷調節的快速響應。而12F機組由于采用的是新的機組信息模型，直接通過MMS網下發給勵磁調節器，勵磁調節器自己進行功率閉環調節，減少了LCU的中間環節，使得負荷調節更迅速。

4.2設備自檢分析

IEC61850模型中有詳細的設備診斷信息，極大方便了查找設備故障。過去一旦設備報故障，由于沒有詳細的診斷信息，只能等故障再現才能確定故障原因，而很多故障是在特定的條件下才出現，重復出現的幾率很小，這就加大了解決問題的難度。而現在由于將所有的設備自檢信息、故障信息、程序運行過程信息都上送至監控系統歷史數據庫保存，隨時可以進行查詢，這樣就極大地降低了查找設備故障的難度。

4.3機組設備通用性情況分析

IEC61850代表了電力行業發展的最新趨勢，是數字化、智能化電網的關鍵技術。IEC61850建立了統一的、面向對象的層次化信息模型，實現設備的自我描述，以適應自動化功能的擴展，滿足應用開放互操作要求，使得不同廠商、不同類型的IED設備能夠實現互操作。

葛洲壩電站智能水電站機組信息模型設計應用后，經過修改和完善，形成了標準的智能水電站機組信息模型。它規定了水電站智能化過程中的IED配置原則，使得機組設備通用性大大增強，任何廠家的設備均可即插即用，互聯互通。

4.4機組試驗過程的自動化完成

智能電站機組信息模型實現了二次設備的網絡化，所有信息均在網絡上共享，使得很多試驗可直接在網絡上獲取數據，不再需要許多試驗線，因而變得簡單。

如傳統的機組同期試驗需要從出口斷路器兩側引入PT信號，并監視同期合閘令、斷路器返回節點，接線復雜，試驗過程持續時間長，試驗效果不理想。

機組智能化改造后，斷路器兩側電壓信號引入到了斷路器合并單元、斷路器位置引入到了智能終端，故障錄波裝置只需從SV網、GOOSE網采集信息即可完成同期試驗所需所有數據，并通過矢量疊加即可獲得同期包絡線，以評價同期效果的好壞。同期試驗不再需要任何試驗接線，隨時可以進行，快速、便捷、準確。

5　結語

智能水電站的打造在國內沒有先例，葛洲壩電站在智能化改造方面做了積極的探索，并進行了頂層設計，多專業協同，目前項目建設已完成過半，預計在“十二五”末年即可全面完成智能化設備改造，從而達到智能化電站目標。

由于IEC61850在水電廠的應用處于剛剛起步階段，隨著時間的推移，技術將會不斷發展完善，而我們的智能水電站機組信息模型亦會隨著技術的發展不斷修正，從而達到一個最優結果。根據葛洲壩電站智能化過程中遇到的問題和總結的經驗，預計智能水電站下一步的發展方向將是過程層網絡三網合一，即GOOSE、SV、IEEE1588三種共用一個網絡，在確保安全的情況下，極大地簡化了網絡布置。

智能化水電站建設是一個系統的工作，必須不斷探索、創新，并最終形成先進的具備適用性和實用性的統一方案。

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中圖分類號：TV736

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）07-0001-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.001

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：張家治（1982-），男，工程師，從事計算機監控系統及自動化控制工作。