數字化水電站發展方向及關鍵技術解決方案

向澤江，陳家恒，李 穎

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明650214；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明650051）

自2006年我國建成第一座數字化變電站云南曲靖翠峰變電站以來[1]，數字化變電站在我國發展迅速，目前在電網各種電壓等級中都有著廣泛的建設。相比數字化變電站，數字化水電站的研究和建設相對遲緩，目前僅少數幾個水電站進行了數字化通信的嘗試，但尚未有成熟的行業解決方案[2]，也還沒有建成真正意義上的全數字化水電站。確定數字化水電站發展方向、找出數字化水電站建設的關鍵技術問題并提出解決方案是數字化水電站研究和建設的當務之急和重中之重。

1 數字化水電站發展現狀

在大力建設智能電網和數字化變電站的過程中，國內外也在嘗試建設數字化水電站，我國走在了這一建設領域的前列。

國內已建成的白山（300 MW×5）、松江河水電站（80 MW×2）對調速器、勵磁系統進行了數字化改造，采用IEC61850 MMS協議與上位機系統進行了通信，部分信息實現了數字化傳輸。已建成的葛洲壩 水 電 站（170 MW×2+125 MW×5+125 MW×14）對500 kV升壓站進行了數字化改造，通過加裝合并單元和智能終端，實現了電氣設備和保護、測控裝置之間的IEC61850 GOOSE網及SV網數字化通信。同時葛洲壩水電站正在對機組LCU進行改造，通過為PLC加裝獨立工控機作為協議轉換器，實現了機組LCU與上位機系統之間采用IEC61850 MMS協議進行的通信。但上述3個水電站均未采用電子式互感器。

新建的浙江桐柏抽水蓄能電站也進行了數字化嘗試，該電站未采用IEC61850的數字化解決方案，也未采用電子式互感器，其計算機監控、調速器、勵磁、保護等設備采用IEC-60870-5-104規約實現了網絡化通信，公用輔機控制系統與計算機監控系統采用了分散式的現場總線進行通信，監控等主要系統與其余設備采用MODBUS或IEC-60870-5-104通信，上述系統之間大量采用了光纜進行通信，但上述系統與互感器、開關、自動化元件等現地設備和元件之間仍然采用電纜進行連接。

綜上所述，目前僅少數幾個水電站進行了數字化通信的嘗試，并未得出完整的解決方案，也還沒有建成真正意義上的全數字化水電站。

2 數字化水電站發展方向

目前水電站數字化解決方案大致存在兩種技術路徑，一種是基于IEC61850通信標準，另外一種是基于現場總線和IEC-60870-5-104協議。

桐柏抽水蓄能電站采用的基于IEC-60870-5-104協議和現場總線的數字化解決方案，無法采用電子式互感器，也沒有辦法實現現場開關、自動化元件等與控制保護設備之間的數字化通信，可以預見如果采用這一技術方向將無法建成完整、徹底的數字化水電站。

同時，當前水電站中不同設備廠家對同一總線協議經常存在不同的理解，這樣就造成在同一工程上即使規定各種設備均采用同一總線協議，但到工程調試時經常不能成功通信，最終必須采用協議轉換器或者交換機來進行通信，這為工程實施帶來了難度，同時增加了投資、也影響了通信的可靠性。IEC61850作為電力系統自動化領域唯一的全球通用標準，自其誕生后在數字化變電站大量的工程實踐證實了不同廠家的產品均采用IEC61850之后能保持很好的一致性和互操作性，能很好的解決這一難題。

數字化變電站中廣泛采用了電子式互感器、智能一次設備、網絡化二次設備，通信協議采用了IEC61850標準體系[3]，傳輸介質大量采用了光纖，實現了從現地設備到保護測控裝置再到站控層自下而上完整的數字化解決方案。若數字化水電站采用數字化變電站的模式，無疑可以充分借鑒數字化變電站的經驗和成果，這些經驗和成果在大量工程實踐中也被證實是成熟可靠的。

鑒于數字化水電站未來需要完全融入到智能電網中，而數字化變電站已經成為智能電網的重要組成部分，其技術和實踐已經先行，并在經過數年的工程應用后被證實較為成熟可靠。所以，數字化水電站應該圍繞以電子式互感器和數字化自動化元件為基礎、以IEC61850通信標準為核心這一方向來建設更為合理，這一模式也更加適應行業技術發展潮流和智能電網發展需要。

3 數字化水電站關鍵技術問題及解決方案

要實現水電站數字化，必須實現水電站主要機電設備的數字化。水電站開關站的電氣設備與變電站中的相應設備差別不大，可以借鑒數字化變電站的技術方案來解決。水電站特有的水力機械、金屬結構、電氣二次設備是數字化水電站研究的重點方向，在這3大專業設備中，PLC、電子式互感器及相關問題、數字化自動化元件是比較重要的幾個關鍵技術問題。

3.1 PLC或智能控制器

水電站主要機電設備的核心控制器件基本上都采用PLC或者智能控制器，其中包括計算機監控系統LCU、調速器、公用輔機控制系統、進水閥和閘門控制系統等，PLC或者智能控制器在水電站控制系統中占有舉足輕重的地位，目前尚不存在其他設備取代PLC或者智能控制器既能實現控制功能，又能滿足IEC61850通信標準。

主流智能控制器和PLC廠家針對采用IEC61850數字化通信均有自己的解決方案，但各個廠家解決方式、實現的功能以及應用現狀均存在一定的差異。

施耐德公司于2015年6月正式發布了Modicon Quantum IEC61850智能模塊140 NOP85000，該模塊兼具服務器和客戶端的功能，Server功能可完成PLC和SCADA系統的IEC61850互聯，Client功能可實現PLC與IED設備互聯，該模塊支持MMS網、GOOSE網，暫時不支持SV網。目前此模塊已通過多項IEC61850領域相關認證，在大渡河沙坪二級新建項目、湖南碗米坡水電站改造項目、湖南凌津灘水電站項目、大渡河猴子巖水電站項目中使用并已經投入運行。

安德里茨公司AK1703系列智能控制器已經通過 IEC61850-6，7-1，7-2，7-3，7-4 及 8-1 的 KEMA認證，能實現IEC61850 MMS網、GOOSE網的通信，但暫不支持SV網的通信，目前該產品在電站計算機監控系統中尚無工程業績。

AB公司Ctrollogix系列PLC采用專用第三方Prosoft產品來實現IEC61850數字化通信，采用插在PLC機箱上的模塊MVI56 E-61850 S實現Server功能來完成PLC和SCADA系統的IEC61850互聯，采用外置嵌入式微機PLX82-EIP-61850實現Client功能來完成PLC與IED設備互聯，該方案支持MMS網、GOOSE網，也暫時不支持SV網，目前該產品在電站計算機監控系統中尚無工程業績。

西門子公司S7-400系列PLC采用自產的外置嵌入式控制器EC31-RTX實現Server功能來完成PLC和SCADA系統的IEC61850互聯，該方案支持MMS網通信，不支持GOOSE網、SV網，目前該方案及產品已經應用在2014年葛洲壩水電站計算機監控系統機組LCU中。

國內一些自動化設備廠家近年來也研發了自己的智能控制器，并在水電站計算機監控系統中有了一些應用。

南瑞繼保研發了PCS-9150系列智能過程控制器，并成功運用于小水電的監控系統中，該產品是基于南瑞繼保PCS測控平臺開發的，具備IEC61850 MMS網、GOOSE網、SV網完整的數字化通信功能。該裝置具有較強的邏輯編輯與運算能力，可用于執行機組控制的順控流程，可以代替PLC。

國電南瑞在MB系列現有智能控制器的基礎上開發出了新一代智能控制器，該產品與當前MB40、MB80或MB90組成的水電廠監控系統相比，除了具有可編程，支持梯形圖語言、流程圖語言以及ST語言編程，支持對多個智能終端設備的擴展，在實現對整個單元層的系統配置、管理控制及數據處理之外，新增IEC-61850 MMS、GOOSE/SV智能水電廠網絡通信接口等功能，產品同時具備網絡對時和硬件B碼對時功能。

表1 PLC及智能控制器通信網絡支持對照表

3.2 電子式互感器及相關問題

水電站的電氣系統結構可以分為發變組、開關站、廠用電3大部分，開關站和廠用電的互感器和數字化變電站中的并無區別，完全可以借鑒應用。對于水電站特有的發電機中性點和機端互感器，雖然還沒有成功的應用，但鑒于電子式互感器在電壓等級更高的開關站上的成功應用，為發電機中性點和機端成功生產、安裝和使用電子式互感器應該沒有任何問題。對這兩處，在安裝空間充足時可采用有源電子式互感器，安裝條件受限時還可以采用柔性光學電流互感器。

水電站全面采用電子式互感器后，對其特有的一些功能和裝置，如調速器、勵磁、交流采樣、殘壓測頻及同期等提出了新的需求，需要其通過IEC61850通信標準SV網協議接收電流、電壓信號，這也是數字化水電站最難實施的一個環節，所幸隨著行業內各方的努力推動，目前已經基本沒有了障礙。對于調速器和殘壓測頻裝置，由于已有智能控制器具備了IEC61850 SV網通信能力，能夠適應采用電子式互感器的需要。國內有基于保護裝置平臺的勵磁產品，保護裝置已能支持數字化變電站IEC61850 SV網通信的能力，對該勵磁產品稍加研發和調整也能滿足需要。同時據悉主流同期廠家也開發出了具備IEC61850 SV網通信能力的產品。所以，目前來講已經基本具備了在發電機上使用電子式互感器的條件。

3.3 數字化自動化元件

自動化元件是指機組開機、運行、停機、事故停機及事故報警所用的自動化裝置，主要指溫度、轉速、液位、物位、壓力以及液流等非電量的監測轉換操作所使用的控制裝置和顯示儀表及軸電流信號裝置等[4]。水電站為機組、公用輔助系統等配置的自動化元件數量眾多、類型各異，目前機組的自動化元件采集是通過在機坑就近設置水輪機端子箱、發電機端子箱，將分散在各處、數量眾多的自動化元件通過近距離的電纜連接至端子箱，匯集后再通過電纜連接至機組LCU、調速器、機組附屬設備控制系統等設備。公用輔助系統的自動化元件由于數量相對較小，則直接引至控制盤柜，信號形式為開關量、模擬量和溫度量，圖1為當前水電站機組自動化元件采集方式。為更加高效、全面的采集自動化元件信息，減輕施工工作量，便于后期運維，有必要對自動化元件信息進行數字化通信。

圖1 當前水電站機組自動化元件采集方式

目前較為現實的一種方案是在機坑就近分別設置水輪機自動化元件數字化采集單元、發電機自動化元件數字化采集單元，將以開關量、模擬量為主的自動化元件信號通過近距離的電纜連接至數字化采集單元，經數字化采集單元匯集并編譯成IEC61850 GOOSE報文后通過光纜以網絡形式共享傳輸給相應智能電子設備，詳見圖2數字化水電站機組自動化元件數字化采集方式。可以采用具備GOOSE通信能力的PLC來作為數字化采集單元，同時數字化變電站中廣泛應用的主變智能終端也可以用來作為數字化采集單元。

圖2 數字化水電站機組自動化元件數字化采集方式

4 結語

根據目前掌握的信息和研究來看，數字化水電站向基于IEC61850通信標準這一方向來建設是合理和可行的。同時具備IEC61850通信能力的產品，如PLC、同期裝置等已經研發成功，其安全性、可靠性可以經過實際工程應用加以驗證。在建設實踐中宜積極采用新技術、新產品，努力推進數字化水電站的技術應用和發展，使水電站能盡快融入智能電網，滿足智能電網全面發展的需要。