基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)水電站智能化改造關(guān)鍵技術(shù)研究

李忠明，龐敏，袁珂俊，倪維東，高志勇

(國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 210003)

0 引言

國(guó)家電網(wǎng)公司提出“發(fā)展以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征，自主創(chuàng)新、國(guó)際領(lǐng)先的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)智能電網(wǎng)戰(zhàn)略全面啟動(dòng)。大力開(kāi)發(fā)水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能等清潔能源是智能電網(wǎng)的重要特征，因此，水電站的建設(shè)與管理也將迎來(lái)智能化大發(fā)展的嶄新機(jī)遇［1］。

水電站是電網(wǎng)發(fā)電環(huán)節(jié)的重要組成部分，在智能電網(wǎng)規(guī)劃和發(fā)展的統(tǒng)一要求下，其智能化建設(shè)將是今后的主要發(fā)展方向和全新的目標(biāo);同時(shí)，水電站智能化對(duì)于水電行業(yè)建設(shè)也是一項(xiàng)刻不容緩的重要工作［2］。目前正在運(yùn)行的水電站大都是在智能電網(wǎng)、智能化水電站目標(biāo)提出前就已經(jīng)完成設(shè)計(jì)、建設(shè)并已投入運(yùn)行的傳統(tǒng)水電站，因此，如何在最大限度地保護(hù)既有投資的前提下進(jìn)行傳統(tǒng)水電站的智能化改造，是一個(gè)值得研究和討論的課題。

1 智能化水電站的技術(shù)要求

智能化水電站是在研究和總結(jié)水電樞紐(流域)工程變化特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)水電站監(jiān)控系統(tǒng)成熟的開(kāi)發(fā)和使用經(jīng)驗(yàn)，以架構(gòu)安全、穩(wěn)定、高效的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)、大型數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)為核心的大型通用平臺(tái)軟件，集生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、運(yùn)行維護(hù)管理、設(shè)備故障診斷、輔助決策分析等電力專用軟件為一體，采用國(guó)際(國(guó)家)標(biāo)準(zhǔn)接口靈活地插接各種不同的專業(yè)應(yīng)用子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同一節(jié)點(diǎn)不同軟件的集成、不同節(jié)點(diǎn)不同軟件的集成。它可以為企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行管理各環(huán)節(jié)的綜合需求提供基于統(tǒng)一信息平臺(tái)的解決方案［3－4］。

實(shí)現(xiàn)一體化的平臺(tái)必須基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型來(lái)交換數(shù)據(jù)，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)很好地滿足了這個(gè)要求。尤其是IEC 61850－7－410—2007《電力公用事業(yè)自動(dòng)化用通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》規(guī)范了水電站中的核心設(shè)備如機(jī)組、勵(lì)磁、渦輪機(jī)、水庫(kù)、大壩和傳感器等的模型。通常水電站的占地面積較大，不同機(jī)組的采集與控制系統(tǒng)需要大量的電纜相互連接。在水電站采用IEC 61850通信技術(shù)，通過(guò)信號(hào)的現(xiàn)地采集和光纖傳輸，能提高二次回路的可靠性，提高經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)備使用效益［5］。

智能電網(wǎng)統(tǒng)一要求下的智能化水電站將在以下幾個(gè)方面出現(xiàn)全新的轉(zhuǎn)型和重大變革［2］:

(1)信息采集方式全面化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的轉(zhuǎn)型，為電站上層分析和功能控制管理系統(tǒng)提供全面、詳盡以及標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)。這是智能水電站建設(shè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

(2)在保證電站各自動(dòng)化子系統(tǒng)先進(jìn)性的前提下，對(duì)各系統(tǒng)提出統(tǒng)一的系統(tǒng)建模、數(shù)據(jù)定義和標(biāo)準(zhǔn)通信模式等要求，構(gòu)建高速、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間無(wú)縫通信、信息數(shù)據(jù)完全共享和深層次的互動(dòng)，為電站綜合分析、智能決策、調(diào)度管理等后臺(tái)高級(jí)應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造良好的環(huán)境和條件。這是智能水電站建設(shè)的重要條件。

(3)智能化水電站的自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)將發(fā)生較大的變化，電站將形成以綜合數(shù)據(jù)信息共享平臺(tái)和綜合智能決策管理系統(tǒng)為核心的高度集成和一體化的全廠智能控制中心(將取代傳統(tǒng)水電站以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)為核心的中控室集控模式)，實(shí)現(xiàn)電站統(tǒng)一、整體、科學(xué)化和智能化的運(yùn)行管理模式，為電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、節(jié)能增效、安全生產(chǎn)、科學(xué)管理提供有力保障。這是智能水電站建設(shè)的核心內(nèi)容，也是現(xiàn)代化水電站的發(fā)展趨勢(shì)。

因此，智能化水電站必然選擇IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建模和通信，以實(shí)現(xiàn)水電站的智能化，IEC 61850作為IEC標(biāo)準(zhǔn)組織力推的電力系統(tǒng)無(wú)縫通信系統(tǒng)的統(tǒng)一傳輸協(xié)議，也必將應(yīng)用于智能化水電站的建設(shè)［6］。

2 傳統(tǒng)水電站的現(xiàn)狀

為了檢修維護(hù)的方便，早期的水電站自動(dòng)化系統(tǒng)以發(fā)電機(jī)組為單元，將數(shù)據(jù)采集與控制集成到一臺(tái)計(jì)算機(jī)或可編程邏輯控制器(PLC)中，構(gòu)成了現(xiàn)地控制單元(LCU)。LCU無(wú)法直接接入以太網(wǎng)，而且計(jì)算機(jī)非常昂貴，不能給每臺(tái)LCU都配備CPU接入以太網(wǎng)，因此，只能將計(jì)算機(jī)作為前置機(jī)以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。自20世紀(jì)90年代國(guó)內(nèi)首次將PLC應(yīng)用于大型水電站作為監(jiān)控設(shè)備以來(lái)，國(guó)內(nèi)外各品牌的PLC在水電站的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，現(xiàn)在已成為水電站LCU的主流核心控制平臺(tái)［7］。

PLC或LCU等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與基礎(chǔ)層的智能I/O設(shè)備、智能儀表和遠(yuǎn)程I/O等相連接，構(gòu)成現(xiàn)地控制子系統(tǒng)，并與廠級(jí)系統(tǒng)結(jié)合形成整個(gè)控制系統(tǒng)。對(duì)于大多數(shù)的工業(yè)化PLC產(chǎn)品，無(wú)論定位于高端應(yīng)用還是低端應(yīng)用，考慮到PLC高效快速通信的需求，它們與廠級(jí)系統(tǒng)通常都采用基于四遙方式的、較精簡(jiǎn)的協(xié)議通信。其中，Modbus規(guī)約是主流，Modbus規(guī)約完全開(kāi)放的特點(diǎn)成就了其靈活性和廣泛的適用性，但同時(shí)也導(dǎo)致各個(gè)廠家的Modbus規(guī)約各有不同，如功能碼的選用、遙控選擇和事件順序記錄(SOE)時(shí)標(biāo)等特殊功能的實(shí)現(xiàn)方式等，使得系統(tǒng)集成時(shí)的互操作性問(wèn)題越來(lái)越突出。同時(shí)，某些型號(hào)的PLC產(chǎn)品選用的是與Modbus規(guī)約類(lèi)似的私有規(guī)約。因此，以上這些PLC產(chǎn)品與廠級(jí)系統(tǒng)的通信規(guī)約都需進(jìn)行特定的開(kāi)發(fā)［8－10］。

水電站內(nèi)的智能設(shè)備如調(diào)速器、勵(lì)磁裝置、發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置、溫度巡檢裝置、交流采樣裝置、碟閥裝置、調(diào)速器油泵、智能電表、直流系統(tǒng)、主變壓器保護(hù)裝置、線路保護(hù)裝置和電氣系統(tǒng)等都需要連入中央監(jiān)控系統(tǒng)，生產(chǎn)這些設(shè)備的廠家眾多，通信方式、通信協(xié)議千差萬(wàn)別，牽涉的通信問(wèn)題也較多，監(jiān)控廠家在現(xiàn)場(chǎng)將很多精力放在了與智能設(shè)備的互聯(lián)上。如果每種通信都需要在后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)中編寫(xiě)相應(yīng)的通信協(xié)議，則很不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。目前在常見(jiàn)的水電站系統(tǒng)模式中，通常采用的做法主要是在LCU柜上設(shè)置前置機(jī)來(lái)負(fù)責(zé)與各類(lèi)智能設(shè)備通信，或是設(shè)置通信管理機(jī)，負(fù)責(zé)與各類(lèi)智能設(shè)備通信并完成協(xié)議的轉(zhuǎn)換工作［5］。

3 智能化改造中IEC 61850的實(shí)現(xiàn)方法

傳統(tǒng)水電站智能化改造的關(guān)鍵在于:基于傳統(tǒng)水電站的技術(shù)現(xiàn)狀，選擇合適的系統(tǒng)架構(gòu)，穩(wěn)妥可靠地實(shí)現(xiàn)IEC 61850建模和通信。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為了保證傳統(tǒng)水電站原有設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，原運(yùn)行的機(jī)組LCU、公用LCU、開(kāi)關(guān)站LCU等與機(jī)組控制、勵(lì)磁裝置、調(diào)速裝置、公用輔機(jī)控制、閘門(mén)控制、通風(fēng)控制和開(kāi)關(guān)站就地設(shè)備等的通信方式保持不變，針對(duì)各LCU及智能通信設(shè)備，分別增設(shè)對(duì)應(yīng)的IEC 61850智能化通信服務(wù)器，負(fù)責(zé)與LCU柜內(nèi)PLC以及其他各種智能設(shè)備通信，完成符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備語(yǔ)義建模，并以IEC 61850方式與梯級(jí)水電站智能化集控中心(梯調(diào)主站系統(tǒng))通信。智能化改造系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能化改造系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 設(shè)備建模

參考IEC 61850－7－410—2007《電力公用事業(yè)自動(dòng)化用通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》對(duì)水電站建模的定義，在智能化水電站中可應(yīng)用的邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對(duì)象可分為以下4 組［11］:

(1)電氣功能。包括的邏輯節(jié)點(diǎn)已在 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中定義，根據(jù)水電站的應(yīng)用需要進(jìn)行了增加或修改，其定義的新的邏輯節(jié)點(diǎn)并非只針對(duì)水力發(fā)電廠。

(2)機(jī)械功能。包括水輪機(jī)和相關(guān)設(shè)備的功能。這部分新增邏輯節(jié)點(diǎn)是為水電廠的應(yīng)用而準(zhǔn)備的，對(duì)其修改可以滿足其他類(lèi)型發(fā)電廠的需求。

(3)水文功能。包括與水流量、控制以及水庫(kù)、大壩管理有關(guān)的對(duì)象。雖然它指定用于水電廠，但其定義的邏輯節(jié)點(diǎn)也可用于其他類(lèi)型公用事業(yè)的水管理系統(tǒng)。

(4)傳感器。對(duì)于發(fā)電廠來(lái)說(shuō)，除了電氣數(shù)據(jù)以外，還需要傳感器測(cè)量其他數(shù)據(jù)。

具體到傳統(tǒng)水電站智能化改造中各個(gè)智能化通信服務(wù)器的建模，針對(duì)所接入的智能裝置，可應(yīng)用到的邏輯節(jié)點(diǎn)歸納如下:

(1)機(jī)組LCU智能化通信服務(wù)器主要可應(yīng)用的邏輯節(jié)點(diǎn)有:水電發(fā)電單元HUNT、速度監(jiān)測(cè)HSPD、導(dǎo)葉HTGV、水壓力監(jiān)督SPRS、滲漏監(jiān)督HLKG、水輪發(fā)電機(jī)軸承HBRG、電力制動(dòng)HEBR、通用火災(zāi)檢測(cè)與報(bào)警功能IFIR等。

(2)公用LCU智能化通信服務(wù)器主要可應(yīng)用的邏輯節(jié)點(diǎn)有:水壓力監(jiān)督SPRS、水壩水位表HLVL、通用物理人機(jī)接口IHND、開(kāi)關(guān)控制器CSWI、同期檢查或同期RSYN。此外，由于公用LCU包含一些暫時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確建模的信息，可使用通用過(guò)程I/O邏輯節(jié)點(diǎn)GGIO建模。

(3)開(kāi)關(guān)站LCU智能通信服務(wù)器、開(kāi)關(guān)站保信子站智能化通信服務(wù)器的建模基本與智能變電站的模型相同，智能變電站的建模已有很多成功的工程應(yīng)用，可直接參考。

(4)狀態(tài)監(jiān)測(cè)智能化通信服務(wù)器的建?？蓞⒖贾悄茏冸娬镜脑诰€監(jiān)測(cè)建模的相關(guān)工程應(yīng)用規(guī)范?？蓱?yīng)用的邏輯節(jié)點(diǎn)主要有:滲漏監(jiān)督HLKG、油中氣體在線監(jiān)測(cè)SIML、局部放電在線監(jiān)測(cè)SPDC、避雷器在線監(jiān)測(cè)ZSAR和氣體在線監(jiān)測(cè)SIMG等。

(5)大壩監(jiān)測(cè)智能化通信服務(wù)器主要可應(yīng)用的邏輯節(jié)點(diǎn)有:水壩HDAM、大壩滲漏監(jiān)測(cè)HDLS、水位的監(jiān)督SLEV、媒質(zhì)流監(jiān)測(cè)SFLW等。

(6)水情水文智能化通信服務(wù)器主要可應(yīng)用的邏輯節(jié)點(diǎn)有:水壓力監(jiān)督SPRS、水位監(jiān)督SLEV、媒質(zhì)流監(jiān)測(cè)SFLW等。其他如降水、蒸發(fā)等信息目前尚無(wú)建模標(biāo)準(zhǔn)，可使用通用過(guò)程I/O邏輯節(jié)點(diǎn)GGIO建模。

3.3 主站通信

實(shí)現(xiàn)智能化水電站與主站通信的關(guān)鍵技術(shù)是如何將通信接入的LCU中PLC或其他智能裝置的四遙數(shù)據(jù)點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)的裝置模型之間建立語(yǔ)義關(guān)聯(lián)。

模型與裝置數(shù)據(jù)點(diǎn)建立語(yǔ)義關(guān)聯(lián)的流程如圖2所示。首先對(duì)接入的實(shí)際智能裝置的四遙點(diǎn)在配置數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行點(diǎn)名規(guī)范，形成語(yǔ)義化的裝置四遙數(shù)據(jù)點(diǎn)點(diǎn)名;再將ICD文件形式的裝置模型中的數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)象(DO)添加語(yǔ)義化點(diǎn)名描述，形成CID文件，并使用CID文件中數(shù)據(jù)集名與裝置數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)類(lèi)型映射的方法自動(dòng)生成與裝置模型等價(jià)的模型四遙語(yǔ)義化點(diǎn)表［12－14］;最后由模型語(yǔ)義匹配模塊對(duì)裝置模型邏輯設(shè)備四遙點(diǎn)和實(shí)際裝置四遙點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)型的點(diǎn)名逐點(diǎn)匹配，形成模型數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)象與實(shí)際裝置數(shù)據(jù)點(diǎn)的匹配關(guān)系文件，作為IEC 61850通信程序運(yùn)行時(shí)的初始化信息。

圖2 模型與數(shù)據(jù)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)定義圖

在實(shí)際工程中，由于PLC或智能裝置接入的數(shù)據(jù)點(diǎn)很多(一般可達(dá)到數(shù)千個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))，因此，工程中必須以簡(jiǎn)明扼要的多視圖表格方式展示DO數(shù)據(jù)點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)的匹配結(jié)果，以方便工程現(xiàn)場(chǎng)排查錯(cuò)誤。

匹配結(jié)果展示視圖需考慮如下2點(diǎn):

(1)可對(duì)各類(lèi)型的四遙數(shù)據(jù)以簡(jiǎn)明可讀的形式展示可能的匹配結(jié)果，對(duì)3種可能的匹配結(jié)果(包括匹配成功數(shù)據(jù)點(diǎn)、模型DO備用對(duì)象以及實(shí)際裝置通信備用點(diǎn)等)進(jìn)行分組展示。

(2)匹配結(jié)果的展示方式可以由工程人員自由選擇，可按照實(shí)際裝置四遙點(diǎn)的順序表格方式展示，也可按照IEC 61850模型固有的樹(shù)形層次方式展示。

IEC 61850通信轉(zhuǎn)出模塊最終實(shí)現(xiàn)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。IEC 61850通信轉(zhuǎn)出模塊通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)庫(kù)獲取遙信、遙測(cè)或下發(fā)遙控、遙調(diào)等四遙數(shù)據(jù)，同時(shí)使用CID文件形成裝置運(yùn)行時(shí)的IEC 61850模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并基于系統(tǒng)組態(tài)配置時(shí)生成的模型DO與數(shù)據(jù)點(diǎn)匹配關(guān)系文件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)庫(kù)四遙點(diǎn)與模型對(duì)象的雙向映射，實(shí)現(xiàn)與梯級(jí)水電站智能化集控中心的基于IEC 61850模型的IEC 61850通信。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的水電站智能化的實(shí)現(xiàn)方法以及智能化通信服務(wù)器裝置已在松江河流域水電站的智能化改造工程中實(shí)際投入運(yùn)行，取得了較好的效果。

由于水電站智能化改造目前仍處于起步階段，雖有相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)內(nèi)智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系可支撐，但具體的、可操作性強(qiáng)的工程實(shí)施規(guī)范仍比較欠缺。水電站智能化改造的工程實(shí)施規(guī)范至少需要考慮如下幾個(gè)方面:

(1)水情水文相關(guān)的(如降水、蒸發(fā)等)信息以及水電站的部分公用信息，目前尚無(wú)相關(guān)建模標(biāo)準(zhǔn)可適用，需考慮擴(kuò)充模型進(jìn)行規(guī)范。

(2)目前國(guó)內(nèi)智能變電站的建設(shè)已經(jīng)取得了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，可對(duì)水電站智能化建設(shè)提供較好的借鑒和指導(dǎo)作用。例如，智能變電站的IEC 61850工程實(shí)施規(guī)范中對(duì)IEC 61850模型中數(shù)據(jù)模板的選用、數(shù)據(jù)集的命名、報(bào)告是否緩存以及通信時(shí)的報(bào)告實(shí)例化方式和雙網(wǎng)切換的模式等都作了詳盡而又合理的規(guī)范［14］，水電站智能化改造的工程實(shí)施規(guī)范可引用、參考。

(3)智能變電站的基于站內(nèi)IEC 61850 SCD文件的源端維護(hù)也已比較成熟［15－16］，為減少智能化梯級(jí)水電主站系統(tǒng)與IEC 61970相關(guān)的配置工作量，在進(jìn)行水電站智能化改造時(shí)所生成的SCD文件也有必要強(qiáng)制要求其中SSD部分的一次設(shè)備拓?fù)溥B接關(guān)系的建模;同時(shí)，由于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)2.0版中SSD部分的定義已與IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)的公共信息模型進(jìn)行了協(xié)調(diào)，因此也具備了技術(shù)條件，可以更好地實(shí)現(xiàn)智能化水電站的源端維護(hù)。

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