基于IEC 61850標準的智能化水電站設計探討

劉秋華，胡 睿，黃慧民，王漢武

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122；2.河海大學，江蘇省南京市 210098）

0 引言

目前，我國大中型水電站普遍采用以計算機監控系統為基礎的全廠自動控制方式，自動化程度較高。水電站控制系統采用網絡和現場總線的通信方式，已基本實現電站信息數據的交換功能。但由于發展階段和技術條件限制，各系統的信息和數據相對獨立，標準差異性大，系統間信息關聯交互復雜，設備互聯性差，軟件一致性低，這些都給大數據的挖掘和應用帶來很大的困難。傳統水電站向智能水電站的發展將是一個必然的趨勢。2015年，國電大渡河流域開發有限公司提出建設智慧大渡河的宏偉目標，沙坪二級水電站作為智能水電站進行建設試點，華東院在原電站計算機監控系統的構架下，進行沙坪二級水電站智能電站的設計探索，成功地應用IEC 61850標準進行智能水電站的建設，并完成智能巡檢系統、智能鑰匙管理系統等的應用，電站首臺機組于2017年6月底投入商業運行，成為智能化水電站設計的成功應用示例。

1 沙坪二級水電站簡介

沙坪二級水電站位于四川省樂山市峨邊縣，是大渡河規劃的22個梯級水電站中的第20級。電站裝設6臺國內最大單機容量為58MW 貫流燈泡式水輪發電機組，發電機額定電壓為10.5kV，采用二機一變擴大單元接線，500kV GIS接線為“三進二出”五角形接線，2 回500kV出線，1 回接上游沙坪一級水電站，1 回接入南天變電站。本電站按無人值班“少人值守”設計，采用計算機監控系統，由大渡河流域梯級調度中心統一調度運行。

2 智能化計算機監控系統設計

2.1 智能化計算機監控系統構架

根據DL/T 1547—2016 《智能水電廠技術導則》，沙坪二級智能水電站計算機監控系統采用分層分布式結構，按照機組、間隔劃分單元，各單元獨立組網，包括過程層、單元層和廠站層，如圖1所示。單元層包括機組現地控制系統，如機組LCU、調速器以及勵磁調節器等。單元層控制系統直接與過程層現場設備連接，采集設備層的各種信號并對現場設備進行自動控制，可與多種專用功能裝置配套使用；廠站層主要包括中央控制主站、操作員工作站、控制數據庫以及通信工作站等，廠站層承擔了對全廠機組主設備、輔助設備、開關站設備、公用設備以及閘門設備的運行監控和操作控制任務。

圖1 智能水電站網絡結構Fig.1 Smart hydropower network structure

沙坪二級水電站計算機監控系統按照智能水電站三層三網系統構架結構進行設計。目前，主要配置安全I區主要設備。計算機監控系統各層主要設備如下：

廠站層：包括2套主服務器、2套操作員站，2套歷史數據服務器，2套調度通信服務器，2套集控通信服務器，1套廠內通信工作站，1套工程師及培訓工作站，1套語言及ON-CALL工作站，1套時鐘同步系統，2套逆變電源系統。

單元層：包括計算機監控系統各現地控制單元LCU（包括6套機組LCU，1套公用LCU，1套開關站LCU，1套壩區LCU），機組保護、調速系統、勵磁系統、機組技術供水系統、智能開關站保護設備、以及輔機及公用系統控制設備（包括低壓氣控制系統、中壓氣控制系統、檢修排水泵控制系統、滲漏排水泵控制系統、主變消防泵控制系統、全廠消防泵控制系統、主變冷卻水泵控制系統等）等獨立子系統控制單元。

過程層：包括智能終端、測控裝置、合并單元以及溫度、壓力、流量、液位、開關等自動化元件。

計算機監控系統采用開放的1000M分層分布式雙星型光纖智能網絡結構，通信規約采用IEC61850，廠站上位機與單元層智能設備采用局域網（LAN）連接；與四川電網調度以及大渡河流域集控中心等外部系統采用廣域網連接。基于智能化平臺的計算機監控系統上位機配置如圖2所示。

基于IEC61850的計算機監控系統通信網絡由過程層網絡設備和廠站層網絡設備組成。其中，過程層網絡設備由冗余的GOOSE網和冗余的SV網組成。生產控制大區采用IEC61850 MMS協議實現廠站層與單元層設備通信，管理信息大區采用Web Service規范實現一體化平臺與外部系統通信。通信協議均采用IEC61850。

2.2 計算機監控系統功能

（1）廠站層：廠站層計算機監控系統負責對全廠主要機電設備進行控制，對全廠所有機電設備的運行情況進行全面監視，并接受機組在線監測系統、主變在線監測系統、GIS在線監測系統、通風監控系統、火災報警及消防控制系統、工業電視系統等信息，與省調進行信息交互，接受省調的調度指令并向省調上送電站運行信息。與流域集控中心進行信息交互，接受流域集控中心的控制指令并上送電站運行信息。

圖2 沙坪二級水電站計算機監控系統網絡結構圖Fig.2 Computer monitoring system network structure of SPII Hydropower Station

（2）單元層：單元層智能設備與廠站層具有相對獨立性，在廠站層設備故障或者通信中斷時能夠完成各單元設備的實時數據采集和處理、單元設備的監視、控制和調節功能。

2.3 計算機監控系統單元層設備配置

（1）監控系統各現地控制單元具有智能性和可編程能力，控制系統采用雙機熱備的硬件冗余配置方案，兩個主處理器（CPU）分別安裝在兩個獨立的機架上，每個主處理器（CPU）機架包括主處理器模塊、電源模塊、通信模塊、I/O 通信網絡模塊，以保證在異常情況下能夠自動切換到備用系統。為確保雙機熱備用切換時無擾動、實時任務不中斷，每個CPU分別接入雙星型光纖智能網絡的A、B網。

（2）為了保證機組安全穩定運行，每臺機組配置一套獨立的水機保護PLC。水機保護PLC與機組LCU的主PLC分別獨立采集水機事故停機信號，包括：調速器事故低油壓、機械過速動作、電氣一級過速、電氣二級過速、機組振擺保護動作、事故停機按鈕、中控室事故停機以及機組水淹廠房液位信號等，以保證機組機械跳閘回路的獨立PLC信號及計算機監控系統機組LCU的信號的冗余，增加信息輸出的安全性和可靠性。

2.4 機組測溫系統接線設計

燈泡貫流機組軸瓦測溫系統主要包括：正向推力瓦測溫、反向推力瓦測溫、徑向瓦測溫、水導瓦測溫。每塊瓦設置雙PT100測溫電阻。根據《水力發電廠自動化設計技術規范》（NB/T 35004—2013）軸瓦溫度設置兩段定值，第一段定值報警，第二段定值停機。為了溫度保護系統的可靠性，機組LCU和水機保護PLC分別采集1組RTD測溫電阻信號。機組LCU的PLC每個溫度RTD模件為8個輸入。如果將某一個軸瓦測溫電阻全部接入同一塊RTD模塊，則當這一RTD模塊故障時，將會失去機組對應軸瓦的溫度保護。因此，為了提高整個系統的可靠性，在進行RTD接入時，將同一軸瓦的測溫信號分配到4個不同的RTD模塊，可以大大提高機組溫度保護的可靠性。在溫度停機的組態上，根據燈泡貫流機組軸承受力的特點，可以采用單點停機、任意兩點停機以及相鄰兩點停機等多種不同停機邏輯，后期還可根據實際運行情況進行調整。

3 智能開關站設計

3.1 智能開關站過程層設備配置

沙坪二級水電站500kV GIS開關站采用三進兩出五角形接線，GIS共設置11個間隔，其中5個斷路器間隔，5個進、出線間隔，1個電抗器間隔。開關站采用數字化智能開關站設計，設置雙星形SV網、GOOSE網和MMS網。每個間隔設置1面間隔智能匯控柜，匯控柜內配置合并單元、智能測控裝置和智能終端。智能開關站網絡結構如圖3所示。

圖3 智能開關站網絡結構Fig.3 Intelligent switchyard network structure

3.1.1 合并單元MU配置

合并單元按間隔配置，其功能是采集間隔電流、電壓信號，將其轉化為光纖信號提供給單元層測控及保護設備。合并單元輸入接口需滿足本間隔電流互感器和電壓互感器信號接入要求。根據保護雙重化的要求，兩套保護的電壓（電流）采樣值應分別取自相互獨立的合并單元MU，每個間隔合并單元采用雙重化配置。每套合并單元MU的接口配置能同時滿足保護、測控、錄波等二次設備使用要求，合并單元采用IEC61850-9協議及IEC60044-8的FT3協議的接口及以太網接口（SV網），合并單元分別裝于各間隔智能控制柜內。

3.1.2 智能終端配置

智能終端是一種智能組件，與一次設備采用電纜連接，與保護、測控等二次設備采用光纖連接，實現對一次設備（如：斷路器、隔離開關、主變壓器等）的測量、控制等功能。智能終端按斷路器雙重化配置，每個智能終端配置足夠的以太網接口，采用IEC61850-8協議通信。智能終端分別裝于各間隔智能匯控柜內，實現對GIS設備（斷路器、隔離開關及接地開關）位置信號的采集和監視、模擬量信號采集與顯示、遠方/就地控制、告警和閉鎖、信號及操作事件的記錄與上傳等一系列功能。具有斷路器操作箱功能，包含分合閘回路、合后監視、重合閘、操作電源監視和控制回路斷線監視、斷路器防跳、三相不一致保護及各種壓力閉鎖等；接收保護跳合閘命令、測控的手合/手分斷路器命令及隔離開關、接地隔離開關等GOOSE命令；輸入斷路器位置、隔離開關及接地隔離開關位置、斷路器本體信號（含壓力低閉鎖重合閘等）；跳合閘自保持功能；控制回路斷線監視、跳合閘壓力監視與閉鎖功能等。

3.1.3 測控單元配置

測控單元按間隔配置，每個間隔配置一套測控單元。測控單元具有交流量采集及處理功能，通過采集電流互感器、電壓互感器合并單元數字量信號，實現進出線電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因素及頻率等的測量功能。通過GOOSE網絡或直接采集開關位置信號、GIS設備故障、報警信號等，并通過智能測控裝置就地報警。直接接收電站計算機監控系統下達的操作命令，實現對有關斷路器、隔離開關的分/合操作。通過模擬屏操作把手實現對斷路器、隔離開關的就地操作。具有斷路器同期功能，包括檢無壓、檢同期及退出3種方式。實現斷路器、隔離開關、接地隔離開關操作的閉鎖與連鎖，包括軟件邏輯閉鎖。

3.2 智能開關站保護配置

500kV GIS開關站繼電保護系統按智能變電站要求設計，保護裝置與過程層信息交互采用IEC 61850標準，保護的電壓電流量采集通過合并單元SV網采集光纖數字信號，保護跳合閘命令采用GOOSE網光纖點對點方式至智能終端跳斷路器，啟動失靈及聯鎖信息通過GOOSE組網方式傳輸。

GIS開關站繼電保護系統主要包括3套主變壓器進線短線保護、2套線路出線短線保護、5套斷路器保護，每套保護采用雙重化配置。對2回出線對應的4只斷路器測控裝置具有自動重合閘功能。保護裝置組柜布置在繼保室。保護裝置與合并單元之間采用SV網點對點連接方式。保護設備跳閘出口采用點對點GOOSE網光纖至斷路器智能終端直接跳閘。保護裝置之間的聯閉鎖信息、失靈啟動等信息采用GOOSE網絡傳輸方式。

3.3 智能開關站設計優點

目前，常規GIS開關站中一次設備、匯控柜和控制、保護設備是割裂開來的，相互之間通過大量的二次電纜進行連接。這種模式下，信息無法實現共享，接線復雜，安裝、調試、維護工作量大。而智能開關站通過設置智能終端、合并單元和測控裝置，通過SV網、GOOSE網和MMS網將一次設備與控制、保護設備融為一體。相比較而言，智能開關站有以下優點：

（1）實現了監視和控制設備分散化設計，優化了二次回路邏輯和結構，減少了開關站控制電纜的數量，降低了電纜采購和施工成本及工期。

（2）智能化開關站將數據由模擬量轉化為數字信號，并采用光纖進行傳輸，少量的光纖能夠代替大量的電纜接線，大大增加了傳輸的帶寬的傳輸速度，顯著提高了GIS站內信號傳輸的可靠性，提高了交互性能。由于電纜數量的減少，從而避免了電纜中交直流的碰撞及兩點接地等一系列問題。

（3）一次設備和二次設備之間的光纖通信具備完善的自檢功能，當信號出錯或者光纖通道斷線時，會及時發出相應的告警信號，從而解決了傳統電纜短線、短路等難以發現的困擾。

（4）數字技術實現了真正意義上的信息共享，間隔內的電流、電壓互感器信息通過合并單元可以被所有二次設備（控制、保護、測量等）共享，改變了傳統模式下通過配置較多的電流、電壓互感器線圈實現不同保護裝置的信息采集。另外，數字信號的傳輸和使用極大地減少了互感器的輸出容量，減少了制造成本。

（5）運行管理更加自動化，采用數字化技術的電站可以實現自動故障分析、設備正常狀態監測和程序化控制等，提高了自動化運行水平，減少了運行維護的難度和工作量。

4 智能巡檢系統

電站配置智能巡檢機器人來實現運行期間的巡檢工作。智能機器人針對相對集中式、排列式設備，采用固定路徑對設備進行周期性的圖像采集（包含紅外測溫），并將前后相鄰兩次采集的圖像進行對比，若出現異樣則報警。智能機器人巡檢系統由3個子系統組成。

4.1 無線局域網系統

無線網絡是基于IP協議的無線寬帶接入技術，它融合了WLAN和Adhoc網絡的優勢，支持多點對多點的網狀結構，具有自組網、自修復、多跳級聯、節點自我管理等智能優勢以及移動帶寬等特點，是一種大容量、高速率、覆蓋范圍廣的網絡，成為寬帶接入的一種有效手段。

智能巡檢系統無線局域網由無線網絡基站和無線接入點（AP）組成，根據現場已知情況，在室外空曠區安裝基站和無線AP密度小，在室內或者遮擋物多的區域適當多安裝基站和無線AP，充分考慮信號重疊，確保全場覆蓋無線局域網。

4.2 無線機器人定位系統

無線機器人定位系統是巡視機器人在巡視前將服務器軟件配置好巡檢區的地圖，標記好基站的位置。巡視機器人在工作時帶上數字標簽，數字標簽直接將所處當前位置信息發送到電站的巡檢系統計算機中，形成實時交流界面。

定位系統由標簽（識別卡）、基站、傳輸設備、操作電腦（含顯示器）、系統軟件、服務器等組成。

4.3 無線機器人巡更系統

巡檢工作采用智能機器人對電站設備進行定期或不定期畫面巡視，并對設備的運行狀況、運行參數（元器件信息可電子識別）進行簡單記錄。

巡視機器人在設備巡檢前，將需要巡檢設備的預置正常畫面及巡回路徑輸入至機器人內部，巡檢機器人按照既定路線對設備進行圖像掃描，一是將實時畫面傳回巡更系統進行比對；二是巡回機器人本體完成圖像比對，僅將結果傳回巡更系統，對異常畫面及時通過ON_CALL系統送出告警信息。

5 智能鑰匙管理系統

隨著電力生產系統現代化、智能化程度的不斷提高，對電力生產運行管理要求也越來越高，目前很多設備和門仍使用普通的鎖具進行閉鎖，還停留在傳統的“一扇門、一把鎖、一把鑰匙”的原始管理層面，從而導致運行人員在維護管理設備時需要在一大串鑰匙中尋找相應的鑰匙，存在攜帶不便、管理不便等情況，影響工作效率。因此，為了提高工作效率，提升管理智能化，電站配置了智能鑰匙系統，智能鑰匙使用靈活、高效，安裝簡單、維護方便。

5.1 系統組成及特性

系統由智能鎖具、智能電子鑰匙、智能鑰匙充電/通信器、軟件管理系統組成。電子鑰匙經過智能鑰匙充電/通信器與裝有管理系統的工作站進行通信，運行管理部門可以授權電子鑰匙能夠打開的鎖具范圍，然后根據工作需要將電子鑰匙授權給指定的工作人員，只能打開指定的鎖具，所有授權行為在授權過程中被記錄，包括授權者和被授權者的身份、授權時間等。

5.2 系統技術特點

（1）系統管理軟件設有嚴格的權限管理功能，使用安全、可靠；在一次任務中，只能對選定范圍內的鎖具進行開鎖。系統管理范圍廣，可對多種門及各類手動設備進行管理。

（2）電子鑰匙開鎖機構采用了高科技技術，保密程度高，鑰匙無法復制，最大程度保證了系統的安全性；電子鑰匙體積小，方便操作和攜帶，功耗低。

（3）主控機門禁管理軟件設有嚴格的權限管理功能，使用安全、可靠；在一次任務中，只能對圈定范圍內的鎖具進行解鎖，可以避免走錯位置（設備間隔）。

（4）操作流程完善、高效，可10s內完成圈定和授權工作，得到最高權限授權可以打開站內所有的鎖具，可大大提高工作效率。

6 結束語

智能化水電站是未來水電站管理提升的發展方向，沙坪二級水電站的智能化設計是智能水電站建設的一次有益的探索。電站控制和保護系統按照三層三網結構進行設計，通信規約采用IEC61850。配置機器人巡檢系統和智能鑰匙管理系統，大大提高了電站智能化水平和效率。由于受智能化設備發展水平的制約，電站部分設備配置未能完全滿足新頒布的《智能水電站技術導則》要求。智能化水電站的建設還有很長的路需要走，需要建設方、設計方和設備制造方等共同努力來推動智能水電站的發展。

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劉秋華（1981—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：水電站計算監控、繼電保護等。E-mail: liu_qh2@ecidi.com

胡 睿（1995—），男，本科，主要研究方向：電力系統自動化。E-mail：2854804703@qq.com

黃慧民（1966—），男，教授級高級工程師，主要研究方向：水電站計算監控、繼電保護等。E-mail: huang_hm1@ecidi.com

王漢武（1962—），男，高級工程師，主要研究方向：水電站計算監控、繼電保護等。E-mail: wang_hw@ecidi.com