智能化水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)探討

劉曉波，張 毅

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 引言

從2003年起，美國、歐洲先后提出“智能電網(wǎng)”的概念，2009年美國總統(tǒng)奧巴馬將智能電網(wǎng)提升為美國國家戰(zhàn)略。國家電網(wǎng)公司2009年6月提出“建設(shè)統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)”目標(biāo)，2009年11月提出了“統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備（系統(tǒng)）研制規(guī)劃”。國家電網(wǎng)公司已開展的一期、二期共74個(gè)智能化變電站試點(diǎn)，已經(jīng)有20個(gè)順利投運(yùn)。隨著智能電網(wǎng)的不斷推進(jìn)，水電站控制設(shè)備研制單位、設(shè)計(jì)研究單位、水電站及管理單位也正在開展水電站智能化研究與試點(diǎn)。

水電站與變電站差別很大，智能水電站的定義還在討論中,必須認(rèn)真分析研究。變電站的設(shè)備相對(duì)規(guī)范、品種少，主要是對(duì)電氣參數(shù)和油介質(zhì)的監(jiān)測(cè)，操作設(shè)備少，場(chǎng)地環(huán)境較好，較容易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。水電站（廠）較復(fù)雜，每一個(gè)電站都有各自特點(diǎn)，且涉及油、氣、水、電等各個(gè)系統(tǒng)，設(shè)備種類繁多，分布廣，環(huán)境惡劣?；谏鲜銮闆r，參考智能變電站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，著手進(jìn)行智能水電站的研究，是一種比較可行的方法。本文基于智能變電站結(jié)構(gòu)模式，結(jié)合水電站的實(shí)際情況，對(duì)智能化水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討。

2 智能變電站與智能水電廠建設(shè)遵循的標(biāo)準(zhǔn)

目前，智能變電站建設(shè)主要遵循國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)或IEC61970系列標(biāo)準(zhǔn)，IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)是智能電網(wǎng)與智能變電站建設(shè)所遵循的核心標(biāo)準(zhǔn)。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等同采用IEC61850，形成DL/T860系列標(biāo)準(zhǔn)。但是上述標(biāo)準(zhǔn)不足以支持智能電網(wǎng)建設(shè)，國網(wǎng)公司推出了一系列企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》（Q/GDW383-2009）、《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（Q/GDW441-2010）等，用于支撐智能變電站的建設(shè)。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)由國際電工委員會(huì)于2004年頒布，應(yīng)用于變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，該系列標(biāo)準(zhǔn)共10大類、14個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)具有一系列特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：分層的智能電子設(shè)備和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)；根據(jù)電力系統(tǒng)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，制定了滿足實(shí)時(shí)信息和其他信息傳輸要求的服務(wù)模型；采用抽象通信服務(wù)接口、特定通信服務(wù)映射以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展的要求；采用對(duì)象建模技術(shù)，面向設(shè)備建模和自我描述以適應(yīng)應(yīng)用功能的需要和發(fā)展，滿足應(yīng)用開放互操作性要求；快速傳輸變化值；采用配置語言，配備配置工具，在信息源定義數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性；定義和傳輸元數(shù)據(jù)、擴(kuò)充數(shù)據(jù)和設(shè)備管理功能；傳輸采樣測(cè)量值等；并制定了變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)總體要求、系統(tǒng)和工程管理、一致性測(cè)試等標(biāo)準(zhǔn)。

IEC61850-7-410是由IECTC57技術(shù)委員會(huì)第18工作組于2007年8月公布的水電站監(jiān)控通信標(biāo)準(zhǔn)，全稱為“電力系統(tǒng)自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)—水力發(fā)電廠監(jiān)控通信”。目前IEC61850-7-410Ed2第二版也已正式發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水電廠IED設(shè)備的邏輯節(jié)點(diǎn)做出標(biāo)準(zhǔn)定義，對(duì)水電廠智能化建設(shè)及自動(dòng)化產(chǎn)品和IED設(shè)備研制起到了很大的推動(dòng)作用。

IEC61850-7-410標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)采用的通信協(xié)議做出規(guī)定，繼承延用了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中8-1、9-1、9-2中的內(nèi)容，映射到MMS和ISO/IEC8802-3，或通過單向多路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信鏈路采樣值，將服務(wù)映射到實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。

智能水電廠建設(shè)，主要依據(jù)IEC61850或DL/T860系列標(biāo)準(zhǔn)，特別是參照IEC61850-7-410標(biāo)準(zhǔn)建立水電機(jī)組各種模型，通過試點(diǎn)的方法，逐步建立、豐富智能水電廠標(biāo)準(zhǔn)體系。

3 研究?jī)?nèi)容

從目前工程實(shí)際例子而言，智能變電站實(shí)現(xiàn)的方式都是基于IEC61850或DL/T860實(shí)現(xiàn)的，也就是站控層與間隔層按照IEC61850-8-1基于MMS報(bào)文實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制，間隔層與過程層之間通過IEC61850-9-1或IEC61850-9-2實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提供了面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ秃徒＜夹g(shù)，可保證各智能設(shè)備之間無縫連接及互操作性，在智能化水電站具有良好的應(yīng)用前景。

本文將根據(jù)水電控制對(duì)象的特點(diǎn)，討論如下問題：

（1）按照“IEC61850”標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)智能化水電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討；

（2）考慮智能化設(shè)備、電子式互感器和傳統(tǒng)一次設(shè)備的接入；

（3）對(duì)功能進(jìn)行簡(jiǎn)要討論。

4 智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

智能變電站的典型結(jié)構(gòu)是三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)[3]，三層是：站控層、間隔層、過程層，兩網(wǎng)是站控級(jí)網(wǎng)絡(luò)、過程網(wǎng)絡(luò)，見圖1所示。

圖1 智能變電站系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖

從上面網(wǎng)絡(luò)可以看出，站級(jí)網(wǎng)絡(luò)可以是雙星網(wǎng)，也可以是雙環(huán)網(wǎng)或單環(huán)網(wǎng)。采樣值SV網(wǎng)用于采集光纖信號(hào)傳輸?shù)碾娏骰ジ衅餍盘?hào)和電壓互感器信號(hào)。按照繼電保護(hù)的規(guī)定，跳閘信號(hào)從發(fā)出到執(zhí)行不超過3ms，因此獨(dú)立設(shè)置GOOSE網(wǎng)。為了保證、提高這一參數(shù)，保護(hù)單元與動(dòng)作設(shè)備也可采用光纖直聯(lián)的方式。

5 智能水電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

5.1 結(jié)構(gòu)分析

在討論智能水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，首先更新一下幾個(gè)概念。智能變電站三層為站控層、間隔層、過程層，兩網(wǎng)為站級(jí)網(wǎng)、過程網(wǎng)。筆者認(rèn)為，對(duì)于智能水電站，三層的概念宜使用站控層、現(xiàn)地控制層、過程層，兩網(wǎng)為站級(jí)網(wǎng)、過程網(wǎng)。

從圖1可以看出，智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的，認(rèn)真總結(jié)智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)水電站的自動(dòng)化的特點(diǎn)，提出幾種模式供討論：

（1）智能化建設(shè)初期，適合水電站的智能化設(shè)備，可先不建過程網(wǎng)，待有合并單元或智能接口接入時(shí)再考慮轉(zhuǎn)變到模式（2）或模式（3）；

（2）過程網(wǎng)GOOSE網(wǎng)、采樣值網(wǎng)SV網(wǎng)合并成一個(gè)網(wǎng)，與站控網(wǎng)獨(dú)立，通過轉(zhuǎn)換接口方式，實(shí)現(xiàn)合并單元和智能接口的接入。

（3）將過程網(wǎng)GOOSE網(wǎng)、采樣值網(wǎng)SV網(wǎng)合并成一個(gè)網(wǎng)，與站控網(wǎng)獨(dú)立。

下面進(jìn)行分析。

模式（1）的結(jié)構(gòu)（見圖2所示）實(shí)際是一種兩層一網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介，可在初期采用這種結(jié)構(gòu)。

圖2 智能水電站監(jiān)控系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)一示意圖

模式（2）的結(jié)構(gòu)（見圖3所示）是一種過渡性的結(jié)構(gòu)，是采用三層兩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。過程網(wǎng)GOOSE網(wǎng)、采樣值網(wǎng)SV網(wǎng)合并成一個(gè)網(wǎng)，與站控網(wǎng)獨(dú)立，通過轉(zhuǎn)換接口方式，實(shí)現(xiàn)合并單元和智能接口的接入。從圖3可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的規(guī)約與數(shù)據(jù)格式?jīng)]有采用IEC61850的規(guī)約，LCU通過IEC61850轉(zhuǎn)換接口與外部符合IEC61850規(guī)約的合并單元或智能接口進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，監(jiān)控系統(tǒng)通過IEC61850轉(zhuǎn)換服務(wù)器與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種方式是一種過渡方案，也可能會(huì)存在一段時(shí)間。應(yīng)該指出，在目前智能變電站結(jié)構(gòu)中，也有采用過程網(wǎng)GOOSE網(wǎng)、采樣值網(wǎng)SV網(wǎng)合并成一個(gè)網(wǎng)，與站控網(wǎng)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。

圖3 智能水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二示意圖

模式（3）的結(jié)構(gòu)（見圖4所示）是一種推薦的結(jié)構(gòu)，是采用三層兩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。過程網(wǎng)GOOSE網(wǎng)、采樣值網(wǎng)SV網(wǎng)合并成一個(gè)網(wǎng)，與站控網(wǎng)獨(dú)立，系統(tǒng)內(nèi)外均采用IEC61850規(guī)約。

這種結(jié)構(gòu)，將GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)合并成一個(gè)網(wǎng)，使網(wǎng)絡(luò)得以簡(jiǎn)化，又可以保證較高的可靠性。因?yàn)?，?duì)于水電廠（站）的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)而言，并沒有要求從發(fā)出命令到執(zhí)行命令在3 ms的要求。事實(shí)上，一旦發(fā)生電氣事故，首先應(yīng)該由保護(hù)裝置發(fā)出跳閘信號(hào)，監(jiān)控系統(tǒng)的LCU的跳閘信號(hào)是后備措施。當(dāng)發(fā)生水電事故時(shí)，一般是要求先減載到空載然后再跳斷路器，除非是二級(jí)過速事故需要直接跳開斷路器。在這種情況下，這種結(jié)構(gòu)可以滿足要求。

圖4 智能水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三示意圖

在上述結(jié)構(gòu)中，各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信，其中站控層與間隔層網(wǎng)絡(luò)采用交換式以太網(wǎng)，介質(zhì)可選雙絞線；間隔層與過程層的網(wǎng)絡(luò)也采用交換式以太網(wǎng)，介質(zhì)應(yīng)采用單模光纖。

5.2 三個(gè)層次功能

（1）過程層

過程層是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，或者說是智能化電氣設(shè)備的智能化部分。過程層主要功能分為以下三類：

1）實(shí)時(shí)電氣量檢測(cè)

與傳統(tǒng)的功能一樣，主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測(cè)，其他電氣量如有功、無功、電能量可通過現(xiàn)地控制層的設(shè)備運(yùn)算得出。與常規(guī)方式相比，所不同的是傳統(tǒng)的電磁式電流互感器、電壓互感器，被光電電流互感器、光電電壓互感器取代;采集傳統(tǒng)模擬量，被直接采集數(shù)字量所取代。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是，抗干擾性能強(qiáng)，絕緣和抗飽和特性好，開關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)了小型化、緊湊化。

2）狀態(tài)參數(shù)在線檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)

水電站需要進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)的設(shè)備，主要有變壓器、斷路器、刀閘、母線、電容器、電抗器以及直流電源系統(tǒng)。在線檢測(cè)的內(nèi)容，主要有溫度、壓力、密度、絕緣、機(jī)械特性以及工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

3）操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)

操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)，包括變壓器分接頭調(diào)節(jié)控制，電容、電抗器投切控制，斷路器、刀閘合分控制，直流電源充放電控制。

（2）現(xiàn)地控制層

現(xiàn)地控制層設(shè)備層的主要功能是：

1）匯總現(xiàn)地控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息；

2）實(shí)施對(duì)一次設(shè)備保護(hù)控制功能；

3）實(shí)施本間隔操作閉鎖功能；

4）實(shí)施操作同期及其他控制功能；

5）對(duì)數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算及控制命令的發(fā)出，具有優(yōu)先級(jí)別的控制；

6）承上啟下的通信功能，同時(shí)高速完成與過程層及站控層的網(wǎng)絡(luò)通信功能。必要時(shí)，上下網(wǎng)絡(luò)接口具備雙口全雙工方式，以提高信息通道冗余度，保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

（3）站控層

站控層的主要任務(wù)是：

1）通過兩級(jí)高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，按時(shí)登錄歷史數(shù)據(jù)庫；

2）按既定規(guī)約，將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送往調(diào)度或控制中心；

3）接收調(diào)度或控制中心有關(guān)控制命令，轉(zhuǎn)現(xiàn)地控制層、過程層執(zhí)行；

4）具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能；

5）具有（或備有）站內(nèi)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控，人機(jī)聯(lián)系功能。如顯示、操作、打印、報(bào)警，甚至圖像、聲音等多媒體功能；

6）具有對(duì)現(xiàn)地控制層、過程層諸設(shè)備的在線維護(hù)、在線組態(tài)，在線修改參數(shù)的功能。

6 智能水電站監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及功能

從系統(tǒng)運(yùn)行體系結(jié)構(gòu)看,智能化水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)包含硬件層、操作系統(tǒng)層、通用平臺(tái)層和應(yīng)用平臺(tái)共四個(gè)層次。其中，硬件層包括HP、IBM、SUN和PC等各種主機(jī),操作系統(tǒng)層，如圖 5 所示包括 HP-UX、IBMAIX、SUNSolaris、Linux和Windows操作系統(tǒng)。

圖5 智能化水電站軟件結(jié)構(gòu)

通用平臺(tái)有效的將上層應(yīng)用和底層系統(tǒng)隔離開，為上層應(yīng)用的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供一種開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行的環(huán)境。通用平臺(tái)為上層應(yīng)用提供了一個(gè)虛擬的、統(tǒng)一的、可擴(kuò)展的、分布的開發(fā)平臺(tái)。通用平臺(tái)包括操作系統(tǒng)接口層,通用平臺(tái)構(gòu)建層和應(yīng)用訪問接口層。其中,操作系統(tǒng)接口層對(duì)不同操作系統(tǒng)的進(jìn)程間通信、Socket、定時(shí)器處理、數(shù)據(jù)編碼和文件操作編程接口進(jìn)行了統(tǒng)一包裝,提供了系統(tǒng)的跨平臺(tái)的能力。通用平臺(tái)構(gòu)建層提供實(shí)時(shí)消息、通信鏈路和進(jìn)程管理等服務(wù)。應(yīng)用訪問接口層提供了內(nèi)存庫、關(guān)系庫中間件,為應(yīng)用提供透明的內(nèi)存庫和關(guān)系庫服務(wù)；系統(tǒng)管理為應(yīng)用提供包括節(jié)點(diǎn),網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)庫等系統(tǒng)資源管理；報(bào)警服務(wù)為應(yīng)用提供各種資源告警接口。

應(yīng)用平臺(tái)為智能化水電站的運(yùn)行控制提供人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)水電運(yùn)行的控制和管理，數(shù)據(jù)采集服務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)LCU和其他IED設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制命令下達(dá)。SCADA服務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)生數(shù)據(jù)的加工處理、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、歷史數(shù)據(jù)存貯和控制服務(wù)。數(shù)據(jù)工程實(shí)現(xiàn)水電站設(shè)備的參數(shù)管理。報(bào)表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)報(bào)表的生成、制作、打印。WEB系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能水電站運(yùn)行控制信息、管理信息實(shí)時(shí)瀏覽。

7 結(jié)語

智能水電站（廠）的研究正在探索階段。智能水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能從模式（1）過渡到模式（2），再過渡到模式（3），當(dāng)然也可能從從模式（1）直接過渡到模式（3），也可能是幾種模式的組合。但總的來說，在借鑒智能變電站經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合水電站（廠）自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)，充分考慮電網(wǎng)、環(huán)境及自身發(fā)展的需求，采取適合的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。需要特別注意，因?yàn)樗娬局悄芑ㄔO(shè)的復(fù)雜性，需要設(shè)計(jì)、研制單位、水電站、調(diào)度等各方面齊心合力，先進(jìn)行試點(diǎn)，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高智能水電站（廠）的研究與實(shí)用化水平，推進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)。

[1]智能電網(wǎng)建設(shè)2011年中期總結(jié)[Z].

[2]智能變電站繼電保護(hù)專業(yè)調(diào)研工作總結(jié)匯報(bào)[R].

[3]劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù)[M].中國電力出版社，2010.