智能化水電站總體設計方案探討

馬力+何璐+張超+靳衛安

摘 要：本文在智能化水電站建設目標與發展現狀分析的前提下，并根據目前國內水電站建設的實際情況，參考智能化變電站由數字化變電站逐步過渡到智能化變電站的發展過程，首次完整地提出了全智能化、綜合型和過渡型三種總體設計方案，滿足了不同類型、不同階段和不同規模水電站的智能化設計和建設的實際需求，對智能化水電站的設計、建設及相關標準編制工作具有重要的指導意義。

關鍵詞：智能化 站控層 單元層

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（b）-0074-03

隨著技術進步和全球新能源、分布式能源的發展，智能電網已成為未來世界電力系統發展的方向，水電站作為智能電網電源布點的重要成員，以其高效靈活的調頻、調峰和事故備用能力以及綠色能源的顯著優勢，將成為智能電網建設中不可忽視的環節。

相對于已趨于成熟的智能化變電站的推廣發展，智能化水電站的發展剛剛起步，水電站的智能化相關研究還處于初級階段，有關智能水電站的定義、目標及框架還十分模糊，國家相關標準規范尚處于空白階段，這是現階段智能化水電站建設最大的現實困難。本文在分析了現階段的智能化水電站發展現狀的基礎上，提出智能化水電站的建設目標和整體設計方案，對于我國全面推進水電站智能化建設進入工程實踐階段具有較大的實際意義和科技進步意義。

1 智能化水電站的定義與發展現狀

1.1 智能化水電站的定義

智能化水電站是遵循廠網協調發展要求，以信息數字化、通信網絡化、集成標準化、運管一體化、業務互動化、運行最優化、決策智能化為特征，采用先進的智能電子裝置及智能設備，自動完成采集、測量、控制、保護等基本功能，構建基于一體化平臺的經濟運行、在線分析決策支持、安全防護多系統聯動的智能應用的新型水電站[1]。

1.2 智能化水電站發展現狀

目前智能化水電站相關技術已成為水電行業發展的前沿和熱點，國內白山、松江河水電站作為國內首批智能化水電站試點改造工程，首次實現了IEC61850（包括IEC 61970、IEC60870等系列標準）在水電廠的應用。

但我國智能化水電站建設仍處于技術探索和經驗積累的初級階段，行業內缺乏智能化水電站的相關規范、規程性文件；水電站的監控、勵磁、調速、輔控等系統尚未出現完全智能化產品，水電站特有的設備（主機、閥門、閘門等）的智能型開發工作尚未展開；缺乏完整的智能化水電站體系結構和典型方案。這些因素制約了國內智能化水電站的發展和實施，尤其是對照國網智能電網建設規劃（其2010-2015年的全面建設階段已基本進入收官階段），智能化水電站建設進程相對滯后很多。本文針對目前國內水電站的現狀及發展智能化水電站的需求，提出了智能化水電站總體設計方案。

2 智能化水電站總體設計方案

參考智能化變電站由數字化變電站逐步過渡到智能化變電站的發展過程，本文提出現階段智能化水電站的總體設計方案需要是一個不斷發展和完善的過程。以最終的智能化水電站的發展目標，綜合考慮目前的現實條件和制約因素，提出以下滿足不同階段和現實需求的智能化水電站總體設計方案：全智能化方案（理想方案）、綜合方案（現實方案）、過渡方案（改造方案）。

2.1 全智能化方案

智能化方案是水電站智能化發展的最終目標，它將是生產制造行業、運行管理水平等都達到較高水平，各方條件都發展成熟后的必然選擇，也是最理想化的方案。

2.1.1 全智能化方案系統結構

全智能化方案下的水電站系統結構為：縱向按IEC 61850標準構建三層兩網的標準體系架構，整個架構劃分為站控層、單元層和過程層三層，并構建站控層網絡（MMS網）和過程層網絡（GOOSE網、SV網）；橫向劃分為安全I區、安全II區和管理信息大區，根據國內安全[2015]36號文要求智能化水電站將采取橫向隔離、縱向加密的安全防護策略。

站控層網絡應采用1000Mbps或更高速度的工業以太網，以IEC61850-8-1通信協議為主，網絡拓撲結構可根據實際狀況選用星型、環型或綜合性的冗余結構，根據實際需要可在不同單元內設置各單元內廠站層子網；過程層網絡應采用100Mbps或更高速度的工業以太網，采用IEC 61850-9-2和GOOSE通信協議，SV和GOOSE可根據實際需求進行共網或單獨組網設置，網絡拓撲結構可根據實際狀況選用星型的單網或雙網結構，根據實際需要可在單元內設置多個過程層子網。

2.1.2 全智能化方案系統結構分析

（1）站控層結構。

智能化水電站站控層將建成綜合數據信息共享平臺和綜合智能分析管理系統為基礎的電站一體化管控平臺，系統內安裝全廠統一的“智能水電廠一體化管控系統”軟件，以符合IEC61850、IEC61970標準的水電標準通信總線為基礎，水電廠設備一體化建模、分布式應用服務管理為核心，建立各區統一的集智能水電廠數據中心、基礎服務、一體化應用為一體的綜合管控平臺，實現電站全景數據展示、業務協同互動和智能決策支持功能，并完成電廠各功能子系統應用功能。

（2）單元層、過程層結構。

智能化水電站中單元劃分為：1#～n#機組單元（每臺機組劃分為1個單元）、1#～n#公用及廠用電單元（按區域公用及廠用電設備分布狀況劃分，包括壩區等場所）、1#～n#開關站間隔單元（按開關站間隔劃分）。

①機組單元。

機組單元采用完全遵照智能化體系全智能化結構，將過程層現地設備的信號采集和操控功能完全本體化和近過程化，即在過程層完成數字化、網絡化功能任務，主要采用合并單元、智能終端等智能設備完成包括機組在內的各種設備的信號采集和本體操控等功能。這種方式下，單元層設備主要包括：機組測控裝置、繼電保護裝置、發變組故障錄波、機組狀態監測系統等裝置。其中發變組故障錄波、機組狀態監測系統考慮在安全II區統一接入站控層，改變了常規水電站中機組LCU作為單元管理中心主機的模式結構，在單元層實現了分布式控制模式，不同的智能裝置負責不同的功能要求實現詳細的功能分布式功能結構。endprint

②公用及廠用單元。

公用及廠用電單元采用完全遵照智能化體系全智能化結構，將過程層現地設備的信號采集和操控功能完全本體化和近過程化，即在過程層完成數字化、網絡化功能任務。公用及廠用電單元配置新型水電站測控單元，過程層主要使用智能終端實現信號采集任務。

③開關站間隔單元。

開關站間隔單元結構采用全智能化結構，同時可參照智能化變電站相關的具體設計模式。

2.2 綜合方案

綜合方案是水電站智能化根據現實條件和制約因素，在其發展過程中提出的一個現實解決方案，它將具有智能化水電站主要特征和各項高級功能要求，同時又根據現實條件的限制，尤其是智能化設備發展水平的限制因素，對全智能化方案中部分結構實施調整變通性方案。

綜合方案的體系結構、網絡結構、廠站層主要配置與全智能化方案的要求是完全一致的，單元層各單元劃分也是一致的。各單元層內部結構具有一些差別。

2.2.1 機組單元

保留常規水電站中機組LCU設備，但對其提出改造和瘦身的要求，單元層還需配置測控裝置、繼電保護裝置、故障錄波等裝置，依據IEC61850標準體系組建單元內過程層SV網和GOOSE網。改造后的機組LCU負責控制及信號的采集、轉換、處理和傳送等功能，其他電氣測量和開關操控將由測控裝置完成。機組LCU必須完全符合IEC61850標準體系，以滿足智能化結構的互操作性要求，主要采用遠程I/O的方式進行現地信號的采集以實現近過程化的要求（減少電纜），機組LCU與遠程I/O及過程層的智能裝置之間通過SV和GOOSE網進行數據交換，與站控層之間通過MMS網進行數據交換。

2.2.2 公用單元

保留常規水電站中公用及廠用電LCU，組建過程層SV網和GOOSE網，LCU與站控層之間主要通過MMS網進行數據交換。

2.2.3 開關站間隔單元結構與全智能化方案要求相同

綜合方案中各過程層設備盡量采用電子（光學）互感器、智能終端以及合并單元等設備以實現數字化、網絡化，特殊情況下亦可考慮配置常規互感器+采集器的配置形式，繼電保護、系統安穩裝置等設備采用綜合型繼電保護配置方式。

2.3 過渡方案

過渡方案是為已建成水電站進行智能化改造所提出來的方案，它是在保證已投運電站安全、不間斷運行的前提下，對水電站進行結構和性能優化，重點解決智能化水電站一體化管控平臺的應用，實現電站站控層設備及網絡智能化的過渡方案，是為已投運電站具有智能化改造要求但又無法進行徹底改造（現地設備智能化將影響電站不間斷安全運行）條件下所提出的改造方案

過渡方案的體系結構是三層兩網結構，但僅僅要求廠站層網絡結構和廠站層主要設備配置采取與全智能化方案一致的要求，對單元層和過程層的設備和網絡不再做智能化的嚴格要求，即不再設置過程層GOOSE網和SV網，各單元層網絡和設備可保持電站現狀采用常規模式。

2.3.1 機組單元

要求機組LCU提供符合IEC61850標準的對外通信接口，機組LCU與本單元內過程層設備可采用傳統現場總線和I/O方式采集信號，建議機組LCU盡量采用遠程I/O的方式進行現地信號的采集以實現近過程化的要求（減少電纜），單元層內配置的繼電保護裝置、故障錄波裝置盡量采取直接與站控層網絡連接方式，不再另行設置測控單元。

2.3.2 公用單元

要求公用及廠用電LCU提供符合IEC61850標準的對外通信接口，LCU與站控層之間主要通過MMS網進行數據交換。LCU與本單元內過程層設備可采用傳統現場總線和I/O方式采集信號，盡量采用遠程I/O的方式進行現地信號的采集以實現近過程化的要求（減少電纜）。

過渡方案中各過程層設備將采用常規互感器，不再配置智能終端以及合并單元等智能化設備，繼電保護、系統安穩裝置等設備僅僅要求符合IEC61850標準的對外通信接口，采用過渡型的繼電保護配置方式。

3 結語

智能化水電站是智能電網發電環節的重要組成部分，其智能化建設是國家建設堅強電網的必然趨勢和發展方向。本文在智能化水電站發展現狀分析的前提下，根據目前國內水電站建設的實際情況，參考智能化變電站由數字化變電站逐步過渡到智能化變電站的發展過程，首次完整地提出了全智能化、綜合型和過渡型三種總體設計方案，解決了常規水電站二次電纜用量大、抗干擾性差等實際問題，簡化了設備配置和二次接線，減少了水電站建設、安裝和調試工作量，滿足了不同類型、不同階段和不同規模水電站的智能化設計和建設的實際需求，為智能化水電站的設計提供了理論依據和技術支撐，對智能化水電站的設計、建設及相關標準編制工作具有重要的指導意義。

參考文獻

[1] 水電站智能化技術規范（送審稿）[Z].國家電網公司，2013.

[2] 馮漢夫，石爽，馬琴，等.智能化水電站建設的思考[J].水電自動化與大壩監測，2010，34（4）：1-5.endprint