智能水電站的研究與發(fā)展

吳凱

摘 要：智能電網(wǎng)是我國電網(wǎng)發(fā)展的一個新方向，水電站是我國電力系統(tǒng)的重要組成部分，是電網(wǎng)智能化建設的重要環(huán)節(jié)。介紹了智能變電站的結構體系、技術特點，分析了IEC61850標準在智能變電站中的應用。針對國內(nèi)外水電站的建設現(xiàn)狀，探討我國智能水電站的特征，分析IEC61850在智能水電站中的應用，為水電站的智能化建設及改造奠定基礎。

關鍵詞：智能水電站 智能電網(wǎng) 智能變電站 IEC61850 數(shù)字化

中圖分類號：TV73 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0001-03

水利發(fā)電作為清潔能源，在我國能源結構中占有重要的地位，近年來，水電產(chǎn)業(yè)得到了飛速發(fā)展。常規(guī)水電站存在可靠性差，維護工作量大，通信規(guī)約種類繁多等諸多不足，各系統(tǒng)之間通信困難，易受電磁干擾等，已不能滿足供電安全性和可靠性的要求，更不利于提高運行管理水平和自動化水平，嚴重影響了水電站的安全可靠運行。

智能變電站基于先進的互感器技術、通信技術和計算機技術，采用統(tǒng)一開放的IEC61850通信協(xié)議，實現(xiàn)了所有設備的無縫對接，提高了系統(tǒng)設備工作效率，保證了信息的可靠性、完整性和實時性。智能變電站具有無可比擬的優(yōu)越性，水電站的智能化改造及建設勢在必行[1]。

本文主要介紹智能變電站的基本結構，技術特點，分析IEC61850標準在智能變電站中的應用。針對國內(nèi)外水電站的研究現(xiàn)狀和特征，探討基于IEC61850的智能水電站的建設，為今后水電站的智能化改造及建設提供借鑒。

1 智能變電站的基本結構

智能變電站是堅強智能電網(wǎng)的重要基礎和支撐，采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設備，以先進的計算機技術，通信技術為基礎，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級應用功能[2]。高速以太網(wǎng)、非常規(guī)互感器、智能化開關技術以及IEC61850協(xié)議的應用，對智能變電站的體系結構產(chǎn)生了重大的影響。常規(guī)變電站分為站控層和間隔層兩層，兩層之間基本實現(xiàn)數(shù)字化通信，但通信標準較復雜，如RS485，串口，以太網(wǎng)等，協(xié)議之間轉(zhuǎn)換較為復雜。智能變電站的系統(tǒng)結構繼承了分層分布式變電站結構的優(yōu)點，按照DL/T 860標準，變電站分為三層，即站控層、間隔層和過程層，分別通過站控層網(wǎng)絡和過程層網(wǎng)絡進行通信。智能變電站體系結構如圖1所示。

站控層包括后臺主機，圖形顯示終端，自動化和通信對時等系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制（SCADA），站域控制、廣域控制、狀態(tài)監(jiān)測、智能話告警等高級功能。間隔層設備包括保護測控等二次設備，光纖通信取代了傳統(tǒng)的硬接線，實現(xiàn)了二次系統(tǒng)網(wǎng)絡化，過程層由變壓器、斷路器等一次設備及其智能組件構成，包括合并單元、智能終端、電壓電流互感器等，共同完成電能的分配和變換等功能。

2 智能變電站的技術特點

目前常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)裝置之間相對獨立，缺乏整體的協(xié)調(diào)和功能優(yōu)化，存在投資大，二次設備配合復雜、信息無法共享，缺乏統(tǒng)一的標準和規(guī)范，兼容性差，易受干擾等問題[3]。智能變電站采用統(tǒng)一的模式建立數(shù)據(jù)模型和功能模型，通信采用統(tǒng)一的IEC61850協(xié)議，數(shù)據(jù)間實現(xiàn)了無縫交換，信息的可靠性、完整性和實時性都能得到保證，采用光纖以太網(wǎng)通信，構建統(tǒng)一的信息共享平臺，真正實現(xiàn)了變電站的數(shù)字化和信息化管理，具有諸多技術特征。

2.1 一、二次設備

智能化變電站的顯著的特點是一次設備智能化和二次設備網(wǎng)絡化。采用智能單元和合并單元等裝置，自動完成采樣、分合閘、告警等功能，使一次設備真正智能化。用光纖代替常規(guī)站中的電纜，采用光纖傳輸采樣值、開關量、控制命令等信息，不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復的I/O現(xiàn)場接口。通過網(wǎng)絡真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，常規(guī)功能裝置以邏輯功能模塊的形式存在。

2.2 系統(tǒng)建模標準化

為順利實現(xiàn)一次設備智能化和二次設備網(wǎng)絡化，國際電工委員會制定了IEC618

50標準，從模型、配置、通信服務、互操作方式、數(shù)據(jù)流程和格式各方面建立了一個智能化變電站的體系，通信的可靠性和實時性，系統(tǒng)的自動化水平都大幅提高，統(tǒng)一了各類廠家智能變電站產(chǎn)品的標準，以實現(xiàn)兼容性和互操作性，不同設備廠家使用了各自擴展的信息時也能保證設備之間的互操作性，減少重復建設和投資，提高了設備的利用效率。

2.3 高級功能在智能變電站中的應用

智能變電站除了能完成變電站的基本功能之外，還可根據(jù)需要完成諸多高級功能，例如設備狀態(tài)可視化，智能告警及分析決策，故障信息綜合分析決策，支撐經(jīng)濟運行與優(yōu)化控制，站域控制，與外部系統(tǒng)交互信息等。

2.3.1 程序化操作

變電站程控操作是指站內(nèi)智能設備按照操作票的執(zhí)行順序要求自動的完成操作票，并對其進行校驗，無需操作人員的參與[5]。實際操作時只需要變電站內(nèi)運行人員或調(diào)度運行人員根據(jù)操作要求選擇一條順控操作命令，操作票的執(zhí)行和操作過程的校驗由智能設備自動完成。

智能化變電站內(nèi)實現(xiàn)了順控操作，真正達到了無人值班，無人看守，無人直接參與的要求，達到變電站“減員增效”的目的[4]。同時通過順控操作，操作人員無需直接參與操作過程，最大限度的保證了人員的安全。采用編程的方法，也最大限度地減少了操作失誤，縮短操作時間，提高變電站的智能程度和安全運行水平。

2.3.2 設備狀態(tài)監(jiān)測

智能變電站中，通過網(wǎng)絡平臺，可以準確地獲取有效的電網(wǎng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、各種智能電子裝置（IED）的故障和狀態(tài)信息，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至站內(nèi)數(shù)據(jù)平臺，站控層負責變電站內(nèi)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、可視化展示、分析，實現(xiàn)對主要設備的數(shù)字化控制、測量、記錄、監(jiān)視等，為電網(wǎng)設備全壽命周期綜合優(yōu)化管理提供基礎數(shù)據(jù)的支撐，形成設備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺，通過成熟的電力設備故障診斷算法對設備故障進行診斷和評估分析，提出合理的運行方式和檢修計劃。

2.3.3 故障綜合分析決策及智能告警系統(tǒng)

系統(tǒng)發(fā)生事故時，會有大量信號上傳，值班人員往往很難給出正確的判斷。在智能變電站中，基于全站設備對象，建立狀態(tài)和功能模型，建立故障信息綜合分析決策及智能告警系統(tǒng)，在電網(wǎng)發(fā)生事故、保護動作、裝置故障、異常報警等情況下，通過整合分析站內(nèi)包括事件順序記錄信號、保護及故障錄波等信號，進行推理判斷并提供原因及處理方案。同時通過實時在線分析變電站運行狀態(tài)，自動報告變電站異常并提出故障處理指導，實現(xiàn)基于管理、檢修和實時運行一體化的告警系統(tǒng)。

3 IEC61850標準體系

為實現(xiàn)智能變電站的高級應用，同時為解決不同廠家的不同智能電子設備的互操作性難題，國際電工委員會制定并出臺了IEC61850通信標準。IEC61850標準建立了統(tǒng)一的信息建模體系，實現(xiàn)即插即用，自動配置，建立信息系統(tǒng)的有機配合，減少設備重復建設，實現(xiàn)資源節(jié)約，是實現(xiàn)智能變電站的核心技術之一。

IEC61850標準明確提出了面向?qū)ο蟮慕７椒?，提出信息分層，采用網(wǎng)絡通信建立無縫通信系統(tǒng)，避免了復雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換，已成為無縫通信系統(tǒng)傳輸協(xié)議的基礎，對智能變電站的建設和改造有著重要的指導作用。此外，IEC61850也在原有變電站自動化系統(tǒng)模型的基礎上，向風能、水電、配電等其他領域拓展。

4 智能化水電站

經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國水電站建設取得了諸多成績，新建或改造電站普遍實現(xiàn)了無人值班或少人值守模式，國際先進水平的監(jiān)控、保護和監(jiān)測等自動化系統(tǒng)得到了廣泛的應用，智能診斷等高級技術的研究和實際應用已取得了較好的成果，部分自動化系統(tǒng)也已實現(xiàn)信息化和數(shù)字化采集，水電站整體自動化水平已經(jīng)達到或接近世界領先水平。但目前我國水電站中使用的通信規(guī)約種類繁多，各種自動化系統(tǒng)之間信息的通信困難，影響電廠的安全運行[6]。智能水電站是水電站發(fā)展的必然趨勢，相對傳統(tǒng)水電站來說，智能化水電站的轉(zhuǎn)變不僅僅在二次系統(tǒng)的數(shù)字化，也不僅僅是計算機監(jiān)控系統(tǒng)的升級，它涉及水電站各種機械、電氣設備，以及各種新設備、新技術、新思路的應用，將使電站的運行管理模式出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)變和提升。

智能水電站建立在集成、統(tǒng)一、可靠的軟硬件平臺基礎上，通過應用先進的傳感和測量技術自動獲得電站運行和設備狀況信息，采用可靠的控制方法、數(shù)據(jù)分析技術和智能化的決策支持技術，滿足電網(wǎng)要求，實現(xiàn)水庫與機組的安全經(jīng)濟運行，提高水電廠水能利用率，實現(xiàn)效益最大化。

4.1 智能水電站的基本特征

智能水電站以數(shù)字化為基礎，采用先進的傳感技術，使用可靠的智能化電力設備、智能儀表和現(xiàn)場總線技術，將設備狀態(tài)信息和控制信息數(shù)字化，以此作為智能電站的信息源，實現(xiàn)設備數(shù)字化管理。以計算機實時閉環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)、電站設備在線監(jiān)測分析系統(tǒng)、生產(chǎn)和技術管理信息系統(tǒng)三大技術為保障，以電站設備數(shù)字化、信息共享網(wǎng)絡化、數(shù)據(jù)應用智能化為特征，達到電站本質(zhì)安全、效益最優(yōu)、環(huán)境和諧、特征指標行業(yè)領先。電站設備數(shù)字化，信息共享網(wǎng)絡化，是指要建設標準統(tǒng)一的數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)各自動化系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集之間的互聯(lián)，實現(xiàn)全廠跨安全分區(qū)的生產(chǎn)自動化系統(tǒng)、管理信息化系統(tǒng)等應用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一交換與存儲共享，達到“系統(tǒng)分散，數(shù)據(jù)集中”的要求。數(shù)據(jù)應用智能化，是指充分利用設備信息數(shù)據(jù)，輔助專家智能系統(tǒng)，通過在線仿真、智能趨勢報警、遠方監(jiān)控等技術途徑，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的智能應用，最終達到風險可預測、狀態(tài)可控制、故障自修復，實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、高效。

4.2 IEC61850在智能水電站中的應用

隨著智能變電站建設的不斷推進，IEC61850在水利發(fā)電，風力發(fā)電中的相關標準也逐步出臺。IEC于2007年8月頒布了IEC61850-7-410標準。該標準是IEC61850系列標準的一部分，對比智能變電站，智能水電站也分為三層結構，即站控層、間隔層和過程層。但水電站的機組情況千變?nèi)f化，要遠比變電站的間隔復雜，因此，智能水電站的層次劃分和控制方式難度也較大[7]。在進行IED建模時，定義了需要附加的和水電站有關的公用數(shù)據(jù)種類、邏輯節(jié)點以及數(shù)據(jù)對象。包括與發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)有關的功能，與水輪機及附屬設備有關的功能等。在邏輯節(jié)點K組，定義了與水流、大壩和水庫控制與管理有關功能的對象，雖然是水電廠特殊的，這里定義的 LN和DO也可以用于其它類型的公用水管理系統(tǒng)[8]。這些豐富的邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)對象，為智能水電站的配置提供了強大和靈活的工具。

IEC61850標準規(guī)定了智能水電站系統(tǒng)間和功能間的交換標準，進一步優(yōu)化了為系統(tǒng)互聯(lián)，設備間的互操作，徹底解決了水電站間規(guī)約復雜，通信困難，干擾嚴重的問題。

5 結論

本文介紹了智能變電站的結構體系，技術特點，分析IEC61850標準在智能變電站中的應用。探討基于IEC61850的智能水電站的建設，為今后水電站的智能化改造及建設提供借鑒。IEC61850標準以及智能變電站的發(fā)展為我國水電站的發(fā)展指明了方向，必將在我國水利發(fā)電站中發(fā)揮重大作用。

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