數(shù)字化水電站自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)研究

李 穎，鄒 穎，李 俊

（中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明650051）

自2006年我國建成第1座數(shù)字化變電站云南曲靖翠峰變電站以來[1]，數(shù)字化變電站在我國發(fā)展迅速，目前在電網(wǎng)各種電壓等級中都有著廣泛的建設(shè)。相比數(shù)字化變電站，數(shù)字化水電站的建設(shè)相對遲緩，至今國內(nèi)幾家主要科研單位、設(shè)計(jì)院對數(shù)字化水電站進(jìn)行了研究，但尚未有成熟的行業(yè)解決方案[2]，少數(shù)幾個(gè)水電站進(jìn)行了數(shù)字化通信的嘗試，也還沒有建成真正意義上的全數(shù)字化水電站。現(xiàn)階段盡早研究并確定數(shù)字化水電站自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)，有利于加快數(shù)字化水電站的建設(shè)，對促進(jìn)水電站自動(dòng)化各子系統(tǒng)的數(shù)字化技術(shù)發(fā)展有著較為重要的意義。

1 當(dāng)前水電站自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)

目前的水電站自動(dòng)化體系是以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為核心，同時(shí)設(shè)置分布的智能電子設(shè)備或系統(tǒng)，獨(dú)立完成調(diào)速、勵(lì)磁、公用輔助設(shè)備控制及繼電保護(hù)等任務(wù)，上述智能電子設(shè)備或系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要以開關(guān)量、模擬量通過大量的電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，協(xié)同完成電站整體的監(jiān)控和保護(hù)任務(wù)，該體系結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 當(dāng)前水 電站自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)圖

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層、分布、開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分為電廠控制級和現(xiàn)地控制級，兩級之間通過高速以太網(wǎng)進(jìn)行連接。電廠級也稱為上位機(jī)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)全廠設(shè)備的集中監(jiān)控，其設(shè)備包括服務(wù)器、工作站、時(shí)鐘同步裝置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、大屏幕系統(tǒng)等，通常布置在中控室或計(jì)算機(jī)室；現(xiàn)地控制級又稱為下位機(jī)系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對機(jī)組、開關(guān)站、公用設(shè)備、廠用電和壩區(qū)等設(shè)備實(shí)施監(jiān)控，其設(shè)備一般包括機(jī)組LCU、開關(guān)站LCU、公用LCU和壩區(qū)LCU，LCU主要由PLC、觸摸屏、同期裝置、測量計(jì)量設(shè)備等組成，通常布置在被監(jiān)控設(shè)備附近[3]。

調(diào)速器系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、公用輔助設(shè)備控制系統(tǒng)及繼電保護(hù)系統(tǒng)等設(shè)置獨(dú)立的智能電子設(shè)備，具備控制器、輸入輸出模塊、通信模塊等器件，以開關(guān)量、模擬量形式通過大量電纜采集現(xiàn)場信息并接收計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制命令，完成數(shù)據(jù)采集、邏輯判別、順序控制、閉環(huán)控制等工作，實(shí)現(xiàn)電站賦予的相應(yīng)自動(dòng)化功能，同時(shí)又以開關(guān)量、模擬量形式通過大量電纜外送狀態(tài)信息和故障信息給監(jiān)控系統(tǒng)及其余相關(guān)系統(tǒng)。

目前的水電站自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟和固定，能夠?qū)崿F(xiàn)水電站的自動(dòng)監(jiān)控需要，但也存在以下一些不足：

（1）主要以開關(guān)量、模擬量形式傳輸信號(hào)，信號(hào)范圍和內(nèi)容受到限制，不能實(shí)現(xiàn)完整采集；

（2）底層現(xiàn)地設(shè)備和元件與智能電子設(shè)備之間需采用大量電纜連接，投資大、施工時(shí)間長，同時(shí)受電磁干擾、易發(fā)熱等風(fēng)險(xiǎn)較大；

（3）各智能電子設(shè)備之間采用總線通信時(shí)，難以保證一致性，經(jīng)常需要增加協(xié)議轉(zhuǎn)換器等中間設(shè)備；

（4）現(xiàn)地LCU功能過于集中，一旦發(fā)生故障，影響非常巨大。

正是由于上述缺點(diǎn)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)難以采集到足夠信息，無法建立信息數(shù)據(jù)一體化平臺(tái)，開展?fàn)顟B(tài)檢修輔助決策、全生命周期管理等高級應(yīng)用功能，從而無法順利建立數(shù)字化水電站、智能化水電站，影響了智能電網(wǎng)的全面建設(shè)。

2 數(shù)字化變電站自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)

數(shù)字化變電站自動(dòng)化體系采用分層、分布、開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整站自動(dòng)化體系縱向采用3層2網(wǎng)布局，由站控層、間隔層、過程層以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。站控層設(shè)備主要包括：主機(jī)/操作員工作站、五防工作站、通信管理機(jī)、調(diào)度通信工作站、時(shí)鐘同步裝置、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、大屏顯示系統(tǒng)以及打印機(jī)等，間隔層設(shè)備按照間隔配置，主要包括測控裝置、保護(hù)裝置、故障錄波裝置、安穩(wěn)設(shè)備等智能設(shè)備，過程層設(shè)備主要包括智能終端、電子式互感器、合并單元等。數(shù)字化變電站自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 典型220 kV數(shù)字化變電站自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)圖（網(wǎng)采網(wǎng)跳）

站控層主要功能是通過站控層高速網(wǎng)絡(luò)匯集全站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，并定時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入歷史數(shù)據(jù)庫；同時(shí)按需要將有關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息送往上級調(diào)度；接受上級調(diào)度的控制和調(diào)節(jié)命令并下發(fā)到間隔層、過程層予以執(zhí)行；完成全站開關(guān)操作閉鎖控制；對變電站實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地監(jiān)控、人機(jī)聯(lián)系；完成對間隔層、過程層二次設(shè)備的在線維護(hù)、參數(shù)修改等[4]。

間隔層主要功能是匯總間隔層內(nèi)各類設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息；完成各種保護(hù)、自動(dòng)控制、邏輯控制功能的運(yùn)算、判別、發(fā)令；完成各個(gè)間隔操作閉鎖以及同期功能的判別；執(zhí)行數(shù)據(jù)的承上啟下通信傳輸，同時(shí)完成與過程層及站控層的網(wǎng)絡(luò)通信等。

過程層設(shè)備主要功能是完成實(shí)時(shí)運(yùn)行電氣量的采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等[5]。

站控層網(wǎng)絡(luò)連接站控層設(shè)備和間隔層設(shè)備，完成變電站各功能節(jié)點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的交換傳輸。

過程層網(wǎng)絡(luò)連接間隔層設(shè)備和過程層設(shè)備，完成開關(guān)量、模擬量、控制量等信息的交互傳輸。

3 數(shù)字化水電站自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)

鑒于數(shù)字化變電站經(jīng)過數(shù)年的技術(shù)發(fā)展和工程應(yīng)用后被證實(shí)較為成熟可靠，同時(shí)其技術(shù)優(yōu)勢又能解決目前水電站自動(dòng)化體系所面臨的主要矛盾和問題。所以，應(yīng)該遵循水電站的特點(diǎn)借鑒數(shù)字化變電站的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)來尋求數(shù)字化水電站解決方案。

按照這一思路，數(shù)字化水電站自動(dòng)化體系應(yīng)是分層、分布式的開放架構(gòu)，并按照3層2網(wǎng)的方式設(shè)計(jì)：

從邏輯概念上和物理概念上整個(gè)電站自動(dòng)化系統(tǒng)劃分為3層：站控層、單元層和過程層，不同層之間設(shè)備、同層內(nèi)設(shè)備之間均采用IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化通信。

3層次間設(shè)置2個(gè)網(wǎng)絡(luò)：站控層設(shè)備和單元層設(shè)備之間設(shè)置MMS通信規(guī)約的站控層網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)站控層內(nèi)部以及站控層與單元層之間的數(shù)據(jù)傳輸；在單元層設(shè)備和過程層設(shè)備之間設(shè)置SV和GOOSE通信規(guī)約的過程層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單元層設(shè)備與過程層設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

數(shù)字化水電站按照不同功能或區(qū)域的具體要求配置分布式自動(dòng)化子系統(tǒng)（或IED），各子系統(tǒng)（或IED）之間具備實(shí)現(xiàn)深層次信息共享和互操作的能力。

站控層主要設(shè)備包括服務(wù)器、操作員工作站、同步對時(shí)系統(tǒng)等設(shè)備，其主要功能是通過網(wǎng)絡(luò)匯集全站機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)信息，不斷刷新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，定時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入歷史數(shù)據(jù)庫；按需要將有關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息送往電網(wǎng)調(diào)度及流域集控中心；接受上級調(diào)度的控制和調(diào)節(jié)命令下發(fā)到單元層、過程層執(zhí)行；具有站內(nèi)現(xiàn)地監(jiān)控、人機(jī)聯(lián)系功能；具有對單元層、過程層二次設(shè)備的在線維護(hù)、參數(shù)修改等功能[7]。

單元層主要設(shè)備包括機(jī)組LCU、調(diào)速器裝置、勵(lì)磁裝置、公用輔機(jī)系統(tǒng)控制裝置、繼電保護(hù)裝置、測控裝置、安全自動(dòng)裝置、電能計(jì)量裝置等，其主要功能是匯總過程層各類設(shè)備的實(shí)時(shí)信息；完成各種自動(dòng)控制、保護(hù)、邏輯控制功能的運(yùn)算、判別、發(fā)令；完成各個(gè)單元的操作閉鎖以及同期功能的判別；執(zhí)行數(shù)據(jù)的承上啟下通信傳輸功能，同時(shí)完成與過程層及站控層的網(wǎng)絡(luò)通信功能。

過程層主要設(shè)備包括電子式互感器、合并單元、智能終端、自動(dòng)化元件及其采集裝置等，其主要功能是完成電氣量、非電氣量的實(shí)時(shí)采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等[8]。

圖3對過程層網(wǎng)絡(luò)采用的網(wǎng)采網(wǎng)跳方式進(jìn)行示意，實(shí)際建設(shè)時(shí)還有直采直跳、直采網(wǎng)跳、網(wǎng)采直跳等3種方式可以選擇，就4種方式而言，網(wǎng)采網(wǎng)跳是最具優(yōu)勢的一種方式，能充分發(fā)揮數(shù)字化水電站數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化通信的優(yōu)勢。

圖3 數(shù)字化水電站自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

數(shù)字化水電站自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)將左右數(shù)字化水電站發(fā)展的方向，本文立足當(dāng)前水電站自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字化變電站的自動(dòng)化體系現(xiàn)狀，提出了數(shù)字化水電站自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)，以供業(yè)內(nèi)參考、拋磚引玉。同時(shí)，在數(shù)字化水電站的建設(shè)實(shí)踐中宜根據(jù)工程自身特點(diǎn)、技術(shù)發(fā)展水平及安全性先進(jìn)性的綜合考量，來最終確定這一體系結(jié)構(gòu)。