智能水電廠主設備狀態監測建模分析

盧 彥 林， 曹 倫， 王 偉

(阿壩水電開發有限公司，四川 黑水 624000)

0 引 言

水電廠主設備包含水輪發電機組、變壓器、斷路器等，其運行性態直接決定著水電廠及電網的安全性和穩定性。水電廠主設備狀態監測系統通過對振動、擺度、壓力脈動等機組狀態監測量以及變壓器油色譜、GIS 局部放電等變電設備某個或多個狀態的參數進行自動、實時、連續的監視和測量，實現水電機組及變電設備主要部件運行狀態的在線監測、越限告警、專項分析與輔助診斷。傳統的水電廠設備狀態監測系統廠家眾多，實力發展水平不一，尚未建立一套標準的通信體系，導致不同自動化設備難以實現互聯互通，無法實現真正的數據共享和信息集成。

IEC61850規范是適用于現代電力系統自動化網絡的主要規范，主要包括功能與設備模型的的通信要求、通信配置定義語句、基本網絡架構和模型、通信服務映射技術等十個章節,其特征為通信服務獨立于基礎網絡和應用層協議，并通過使用面向對象的設備模型技術和面向未來通信網絡的可拓展結構，使整個體系結構具有可擴展性，從而實現信息共享、功能交互以及調度協調[1]。智能水電廠采用IEC61850規范水電廠信息模型原理，形成一套適合于研究目前中小流域水電廠群運營特點和電網調度模式的綜合信息系統模型，通過提供基于IEC61850、IEC61970規范的統一網絡總線，設計智能水電廠過程級網絡和廠站級網絡，以便研究不同規模水電廠智能電子裝置的典型配置和部署方案，提出一體化管控平臺及各類智能應用組件的規范化接口，建立智能水電廠調試、運維及智能設備測試技術體系，提出實現流域水電廠群一體化管控的運維管理模式，是水電自動化發展最重要的方向[2]。

目前，智能水電廠技術導則、水電廠建模思想與導則、智能水電廠公共信息模型技術要求等標準已規定了智能水電廠的建設方向、體系架構和技術要求，這些標準為智能化水電廠建設奠定了堅實的理論基礎[3]。通過將IEC61850標準應用于智能水電廠狀態監測系統，根據標準對系統進行分析建模，對優化和統一設備間信息交互通信協議、提高設備生產數據互聯互通和共享利用水平和提升狀態監測自動化設備的運行維護效率具有重要現實意義[4]。

1 IEC 61850信息模型

傳統的通信標準和通信協議沒有模型的概念，所有信息都是與規約報文組織方式一一對應，通用性及自定義性不強。遵循IEC61850標準體系，利用SCL語言構建的信息模型可以映射到不同的通信協議，適應通信技術的發展。通過模型配置，可以任意根據實際情況配置系統的通信內容，優化通信量。基于IEC61850標準的模型主要包括數據模型和服務模型。

1.1 數據模型

數據模型包括電子智能設備(Intelligent Electronic Device，簡稱IED)、邏輯設備 (Logical Device，簡稱LD)、邏輯節點LN(Logical Node，簡稱LN)、數據對象DO(Data Object，簡稱DO)和數據屬性DA(Data Attribute，簡稱DA)。IEC61850數據模型的層次結構圖見圖1。

IED是實際的物理設備外部可見的行為；LD是虛擬出來的設備，聚合LN和數據，一個物理設備根據應用功能分為一個或多個LD。LN是描述系統功能的基本單位，是數據對象的容器。LN包含若干DO，DO包含LN所有的信息；DA從屬于DO，是模型中信息的最小承載單元，對信息模型的一切操作都歸結到對DA的讀寫上。

圖1 IEC61850數據模型層次結構圖

1.2 服務模型

服務模型是對外部提供的基于數據模型的訪問接口，IEC61850服務模型示意圖見圖2。

服務模型包括：數據集(Data Set)、替代(Substitution)、報告控制塊(Report Control Block)、日志控制塊(Log Control Block)、定制組控制塊(Setting Group Control Block)、通用變電站事件控制塊(GOOSE Control Block)、采樣值傳輸控制塊(Sampled Value Control Block)、控制(Control)以及文件傳輸(File)。

2 水電廠主設備狀態監測系統建模

智能水電廠主設備狀態監測系統是智能水電廠的重要組成部分，系統包括現地的智能狀態監測裝置和廠站層的上位機狀態監測平臺。現地智能狀態監測裝置是實現水電機組、主變壓器等主設備的運行安全保護與運行性態在線精確測量的技術保證，同時也為上位機狀態監測平臺提供數據來源，其體系架構、設備組成及功能部署要求充分體現了智能水電廠信息數字化和通信網絡化這兩大主要特征[5]。

2.1 系統體系架構

智能水電廠主設備狀態監測系統體系架構圖見圖3。

智能水電廠主設備狀態監測相關軟硬件設備處于安全II區，主要由處于單元層的機組狀態監測數據采集單元、變電設備狀態監測單元，以及處于廠站層的狀態監測平臺組成。單元層設備完成各類設備狀態監測傳感器信號量的采集與計算、實時監測與告警、現地數據管理和分析試驗等功能，并將采集、計算、分析后的各類設備狀態監測信息，通過II區單元層和廠站層之間的MMS網上傳給安全II區的狀態監測平臺進行分析應用。

圖2 IEC61850服務模型示意圖

圖3 智能水電廠主設備狀態監測系統體系架構圖

2.2 信息建模原則

智能水電廠主設備狀態監測系統涉及的設備種類復雜，構建過程中根據IEC61850信息模型建模并結合系統自身特點，其信息模型總體結構設計按照以下思路構建。

一個物理設備即一個IED，建模為一個裝置對象。這個對象是一個最高層次的容器，每個物理設備至少包含一個LD對象。

IEC61850標準中沒有規范具體LD的劃分，遵循IEC61850-7-4及國網公司智能變電站、智能水電廠相關規定，把某些具有公共特性的LN組合成一個LD：公用LD，實例名為“LD0”；測量LD，實例名為“MEAS”；保護LD，實例名為“PROT”；控制LD，實例名為“CTRL”；錄波LD，實例名為“RCD”；監測LD，實例名為“MONT”。

需要通信的每個最小功能單元建模為一個邏輯節點對象，屬于同一功能對象的DO和DA都放在同一個LN中，為了規范模型結構，IEC61850標準預先定義了部分LN模型，如果標準的邏輯節點類不滿足功能對象要求，可進行邏輯節點類擴展或者新建邏輯節點類。

2.3 狀態監測系統建模

依據上述IEC61850標準信息建模原則，結合智能水電廠主設備狀態監測系統組成，單元層的智能狀態監測設備分別建立獨立的IED模型，具體包括：發電機狀態監測裝置IED、水輪機狀態監測裝置IED、變壓器/電抗器狀態監測裝置IED、斷路器/GIS狀態監測裝置IED以及電容型設備狀態監測裝置IED。

2.3.1 發電設備狀態監測裝置IED建模

發電設備狀態監測裝置主要包括發電機和水輪機的狀態監測裝置，兩種裝置是獨立的建模對象，分別為發電機狀態監測裝置IED和水輪機狀態監測裝置IED。這兩類IED都包括MONT和RCD兩個LD。

監測邏輯設備MONT中主要包含以下幾類邏輯節點。

(1)振動/擺度監測邏輯節點SVBR，該LN表征旋轉設備振動/擺度監測，反映振動/擺度運行狀態，振動/擺度類測點信息如上下機架振動、定子機架振動、定子鐵芯振動、機組軸向位移、水導擺度以及頂蓋振動等都建模為SVBR的實例。

(2)壓力脈動監測邏輯節點SPRS，蝸殼進口壓力脈動、頂蓋下壓力脈動、導葉出水口壓力脈動、尾水管進出水口壓力脈動等測點建模為SPRS的實例。

(3)轉速監測邏輯節點TRTN，該LN表征鍵相傳感器測量機組轉速，鍵相信息測點建模為TRTN的實例。

(4)平均氣隙/磁場強度相對值計算邏輯節點SPOS，該LN表征空氣間隙傳感器采集的平均氣隙相對值和磁通量傳感器采集的平均磁場強度/磁通密度絕對值，空氣間隙測點和磁通量測點建模為SPOS的實例。

(5)局部放電監測邏輯節點SPDC，該LN表征局部傳感器特征值，定子局放測點建模為SPDC的實例。

(6)錄波邏輯設備RCD中主要包含錄波邏輯節點RDRE，該LN記錄振擺和壓力脈動傳感器波形以及空氣間隙和磁場強度傳感器波形，相應的測點建模為RDRE的實例。

發電設備狀態監測裝置的測點根據上面6種主要的邏輯節點類型，分別進行邏輯節點的實例化，發電機狀態監測裝置中，針對立式機組的典型傳感器布置為安裝9個低頻速度傳感器用來監測上機架水平/垂直振動、下機架水平/垂直振動、頂蓋水平/垂直振動，安裝6個電渦流位移傳感器用來監測上導X/Y方向擺度、下導X/Y方向擺度和水導X/Y方向擺度，可以將其實例化為SVBR 1- SVBR 15。其他傳感器測點也進行類似的邏輯節點實例化，最終所有測點都對應為實例化的邏輯節點，這些實例化的邏輯節點再根據建模原則組成實例化的邏輯設備，邏輯設備再組成發電設備狀態監測裝置IED的模型。

2.3.2 變電設備狀態監測裝置IED建模

變電設備狀態監測裝置模型主要包括變壓器/電抗器狀態監測裝置IED、斷路器/GIS狀態監測裝置IED以及電容型設備狀態監測裝置IED。這三類IED都只包括MONT一個LD。

監測邏輯設備MONT中主要包含以下幾類邏輯節點。

(1)局部放電監測邏輯節點SPDC，變壓器局部放電測點和斷路器局部放電測點都建模為SPDC的實例。

(2)液體絕緣介質監測邏輯節點SIML，油中溶解氣體監測測點建模為SIML的實例。

(3)無相別相關測量邏輯節點MMXN，鐵芯電流和電壓監測測點都建模為MMXN的實例。

(4)套管監測邏輯節點ZBSH，套管監測測點建模為ZBSH的實例。

(5)有載調壓分接頭監測邏輯節點SLTC，有壓分接開關測點建模為SLTC的實例。

(6)氣體絕緣介質監測邏輯節點SIMG，SF6氣體監測測點建模為SIMG的實例。

(7)電容器邏輯節點ZCAP，電容性設備監測測點建模為ZCAP的實例。

(8)避雷器邏輯節點ZSAR，避雷器監測測點建模為ZSAR的實例。

變電設備狀態監測裝置的測點根據上面8種主要的邏輯節點類型，分別進行邏輯節點的實例化，變壓器監測裝置和斷路器監測裝置中都包含局部放電信號，可以將其分別實例化為SPDC 1和SPDC 2，最終所有測點都對應為實例化的邏輯節點。這些實例化的邏輯節點再根據建模原則組成實例化的邏輯設備，邏輯設備再組成變電設備狀態監測裝置IED的模型。

3 結 語

簡要介紹了IEC61850標準和智能水電廠概念，重點剖析了信息模型的組成和層次關系，針對水電廠主設備狀態監測系統，通過梳理系統結構圖，提出將單元層智能狀態監測裝置劃分為不同的IED的信息建模思路，依據智能水電廠公共信息模型技術要求，重點選取了測點相關的邏輯節點類完成了數據建模。

后續的建模工作主要包括梳理系統內各個IED之間的網絡通信情況，確定GOOSE網和MMS網上的數據信息，完善信息模型的數據集、報告控制塊、GOOSE控制塊以及GOOSE訂閱塊，通過IEC61850標準提供各項的ACSI服務，實現IED之間的互聯互通。

作為智能水電廠集成標準化及決策智能化的重要體現，水電廠主設備狀態監測系統通過對各個現地智能裝置進行IEC61850建模，通過建立統一標準的數字信息模型，便于不同自動化設備實現互聯互通，生產過程數據有效共享和利用，從而實現提高生產維護效率和降低改造成本。