智能水電站的研究與發(fā)展

吳凱

摘 要：智能電網(wǎng)是我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)新方向，水電站是我國(guó)電力系統(tǒng)的重要組成部分，是電網(wǎng)智能化建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。介紹了智能變電站的結(jié)構(gòu)體系、技術(shù)特點(diǎn)，分析了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在智能變電站中的應(yīng)用。針對(duì)國(guó)內(nèi)外水電站的建設(shè)現(xiàn)狀，探討我國(guó)智能水電站的特征，分析IEC61850在智能水電站中的應(yīng)用，為水電站的智能化建設(shè)及改造奠定基礎(chǔ)。

關(guān)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(hào)：TV73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）03（b）-0001-03

水利發(fā)電作為清潔能源，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有重要的地位，近年來(lái)，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(hù)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(yùn)行管理水平和自動(dòng)化水平，嚴(yán)重影響了水電站的安全可靠運(yùn)行。

智能變電站基于先進(jìn)的互感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用統(tǒng)一開(kāi)放的IEC61850通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了所有設(shè)備的無(wú)縫對(duì)接，提高了系統(tǒng)設(shè)備工作效率，保證了信息的可靠性、完整性和實(shí)時(shí)性。智能變電站具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，水電站的智能化改造及建設(shè)勢(shì)在必行[1]。

本文主要介紹智能變電站的基本結(jié)構(gòu)，技術(shù)特點(diǎn)，分析IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在智能變電站中的應(yīng)用。針對(duì)國(guó)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(shè)，為今后水電站的智能化改造及建設(shè)提供借鑒。

1 智能變電站的基本結(jié)構(gòu)

智能變電站是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐，采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)為基礎(chǔ)，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)應(yīng)用功能[2]。高速以太網(wǎng)、非常規(guī)互感器、智能化開(kāi)關(guān)技術(shù)以及IEC61850協(xié)議的應(yīng)用，對(duì)智能變電站的體系結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信，但通信標(biāo)準(zhǔn)較復(fù)雜，如RS485，串口，以太網(wǎng)等，協(xié)議之間轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜。智能變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繼承了分層分布式變電站結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，按照DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)，變電站分為三層，即站控層、間隔層和過(guò)程層，分別通過(guò)站控層網(wǎng)絡(luò)和過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。智能變電站體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

站控層包括后臺(tái)主機(jī)，圖形顯示終端，自動(dòng)化和通信對(duì)時(shí)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(cè)、智能話告警等高級(jí)功能。間隔層設(shè)備包括保護(hù)測(cè)控等二次設(shè)備，光纖通信取代了傳統(tǒng)的硬接線，實(shí)現(xiàn)了二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，過(guò)程層由變壓器、斷路器等一次設(shè)備及其智能組件構(gòu)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(shù)特點(diǎn)

目前常規(guī)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)裝置之間相對(duì)獨(dú)立，缺乏整體的協(xié)調(diào)和功能優(yōu)化，存在投資大，二次設(shè)備配合復(fù)雜、信息無(wú)法共享，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，兼容性差，易受干擾等問(wèn)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(shí)現(xiàn)了無(wú)縫交換，信息的可靠性、完整性和實(shí)時(shí)性都能得到保證，采用光纖以太網(wǎng)通信，構(gòu)建統(tǒng)一的信息共享平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)了變電站的數(shù)字化和信息化管理，具有諸多技術(shù)特征。

2.1 一、二次設(shè)備

智能化變電站的顯著的特點(diǎn)是一次設(shè)備智能化和二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。采用智能單元和合并單元等裝置，自動(dòng)完成采樣、分合閘、告警等功能，使一次設(shè)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(kāi)關(guān)量、控制命令等信息，不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的I/O現(xiàn)場(chǎng)接口。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)真正實(shí)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(biāo)準(zhǔn)化

為順利實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備智能化和二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，國(guó)際電工委員會(huì)制定了IEC618

50標(biāo)準(zhǔn)，從模型、配置、通信服務(wù)、互操作方式、數(shù)據(jù)流程和格式各方面建立了一個(gè)智能化變電站的體系，通信的可靠性和實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)的自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)兼容性和互操作性，不同設(shè)備廠家使用了各自擴(kuò)展的信息時(shí)也能保證設(shè)備之間的互操作性，減少重復(fù)建設(shè)和投資，提高了設(shè)備的利用效率。

2.3 高級(jí)功能在智能變電站中的應(yīng)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(jí)功能，例如設(shè)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(jì)運(yùn)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(shè)備按照操作票的執(zhí)行順序要求自動(dòng)的完成操作票，并對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，無(wú)需操作人員的參與[5]。實(shí)際操作時(shí)只需要變電站內(nèi)運(yùn)行人員或調(diào)度運(yùn)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(guò)程的校驗(yàn)由智能設(shè)備自動(dòng)完成。

智能化變電站內(nèi)實(shí)現(xiàn)了順控操作，真正達(dá)到了無(wú)人值班，無(wú)人看守，無(wú)人直接參與的要求，達(dá)到變電站“減員增效”的目的[4]。同時(shí)通過(guò)順控操作，操作人員無(wú)需直接參與操作過(guò)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(shí)間，提高變電站的智能程度和安全運(yùn)行水平。

2.3.2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)

智能變電站中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可以準(zhǔn)確地獲取有效的電網(wǎng)運(yùn)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(tái)，站控層負(fù)責(zé)變電站內(nèi)各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、可視化展示、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)主要設(shè)備的數(shù)字化控制、測(cè)量、記錄、監(jiān)視等，為電網(wǎng)設(shè)備全壽命周期綜合優(yōu)化管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐，形成設(shè)備在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過(guò)成熟的電力設(shè)備故障診斷算法對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷和評(píng)估分析，提出合理的運(yùn)行方式和檢修計(jì)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(shí)，會(huì)有大量信號(hào)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(shè)備對(duì)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(hù)動(dòng)作、裝置故障、異常報(bào)警等情況下，通過(guò)整合分析站內(nèi)包括事件順序記錄信號(hào)、保護(hù)及故障錄波等信號(hào)，進(jìn)行推理判斷并提供原因及處理方案。同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)在線分析變電站運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)報(bào)告變電站異常并提出故障處理指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)基于管理、檢修和實(shí)時(shí)運(yùn)行一體化的告警系統(tǒng)。

3 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系

為實(shí)現(xiàn)智能變電站的高級(jí)應(yīng)用，同時(shí)為解決不同廠家的不同智能電子設(shè)備的互操作性難題，國(guó)際電工委員會(huì)制定并出臺(tái)了IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建立了統(tǒng)一的信息建模體系，實(shí)現(xiàn)即插即用，自動(dòng)配置，建立信息系統(tǒng)的有機(jī)配合，減少設(shè)備重復(fù)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約，是實(shí)現(xiàn)智能變電站的核心技術(shù)之一。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)明確提出了面向?qū)ο蟮慕７椒?，提出信息分層，采用網(wǎng)絡(luò)通信建立無(wú)縫通信系統(tǒng)，避免了復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換，已成為無(wú)縫通信系統(tǒng)傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)，對(duì)智能變電站的建設(shè)和改造有著重要的指導(dǎo)作用。此外，IEC61850也在原有變電站自動(dòng)化系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，向風(fēng)能、水電、配電等其他領(lǐng)域拓展。

4 智能化水電站

經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，我國(guó)水電站建設(shè)取得了諸多成績(jī)，新建或改造電站普遍實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值班或少人值守模式，國(guó)際先進(jìn)水平的監(jiān)控、保護(hù)和監(jiān)測(cè)等自動(dòng)化系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，智能診斷等高級(jí)技術(shù)的研究和實(shí)際應(yīng)用已取得了較好的成果，部分自動(dòng)化系統(tǒng)也已實(shí)現(xiàn)信息化和數(shù)字化采集，水電站整體自動(dòng)化水平已經(jīng)達(dá)到或接近世界領(lǐng)先水平。但目前我國(guó)水電站中使用的通信規(guī)約種類繁多，各種自動(dòng)化系統(tǒng)之間信息的通信困難，影響電廠的安全運(yùn)行[6]。智能水電站是水電站發(fā)展的必然趨勢(shì)，相對(duì)傳統(tǒng)水電站來(lái)說(shuō)，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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)，它涉及水電站各種機(jī)械、電氣設(shè)備，以及各種新設(shè)備、新技術(shù)、新思路的應(yīng)用，將使電站的運(yùn)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(tái)基礎(chǔ)上，通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)自動(dòng)獲得電站運(yùn)行和設(shè)備狀況信息，采用可靠的控制方法、數(shù)據(jù)分析技術(shù)和智能化的決策支持技術(shù)，滿足電網(wǎng)要求，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)與機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高水電廠水能利用率，實(shí)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(chǔ)，采用先進(jìn)的傳感技術(shù)，使用可靠的智能化電力設(shè)備、智能儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，將設(shè)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(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)字化管理。以計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)閉環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)、電站設(shè)備在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)、生產(chǎn)和技術(shù)管理信息系統(tǒng)三大技術(shù)為保障，以電站設(shè)備數(shù)字化、信息共享網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)應(yīng)用智能化為特征，達(dá)到電站本質(zhì)安全、效益最優(yōu)、環(huán)境和諧、特征指標(biāo)行業(yè)領(lǐng)先。電站設(shè)備數(shù)字化，信息共享網(wǎng)絡(luò)化，是指要建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各自動(dòng)化系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集之間的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)全廠跨安全分區(qū)的生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)、管理信息化系統(tǒng)等應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一交換與存儲(chǔ)共享，達(dá)到“系統(tǒng)分散，數(shù)據(jù)集中”的要求。數(shù)據(jù)應(yīng)用智能化，是指充分利用設(shè)備信息數(shù)據(jù)，輔助專家智能系統(tǒng)，通過(guò)在線仿真、智能趨勢(shì)報(bào)警、遠(yuǎn)方監(jiān)控等技術(shù)途徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的智能應(yīng)用，最終達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)可預(yù)測(cè)、狀態(tài)可控制、故障自修復(fù)，實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、高效。

4.2 IEC61850在智能水電站中的應(yīng)用

隨著智能變電站建設(shè)的不斷推進(jìn)，IEC61850在水利發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也逐步出臺(tái)。IEC于2007年8月頒布了IEC61850-7-410標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)的一部分，對(duì)比智能變電站，智能水電站也分為三層結(jié)構(gòu)，即站控層、間隔層和過(guò)程層。但水電站的機(jī)組情況千變?nèi)f化，要遠(yuǎn)比變電站的間隔復(fù)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(jìn)行IED建模時(shí)，定義了需要附加的和水電站有關(guān)的公用數(shù)據(jù)種類、邏輯節(jié)點(diǎn)以及數(shù)據(jù)對(duì)象。包括與發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)有關(guān)的功能，與水輪機(jī)及附屬設(shè)備有關(guān)的功能等。在邏輯節(jié)點(diǎn)K組，定義了與水流、大壩和水庫(kù)控制與管理有關(guān)功能的對(duì)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(diǎn)和數(shù)據(jù)對(duì)象，為智能水電站的配置提供了強(qiáng)大和靈活的工具。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了智能水電站系統(tǒng)間和功能間的交換標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步優(yōu)化了為系統(tǒng)互聯(lián)，設(shè)備間的互操作，徹底解決了水電站間規(guī)約復(fù)雜，通信困難，干擾嚴(yán)重的問(wèn)題。

5 結(jié)論

本文介紹了智能變電站的結(jié)構(gòu)體系，技術(shù)特點(diǎn)，分析IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在智能變電站中的應(yīng)用。探討基于IEC61850的智能水電站的建設(shè)，為今后水電站的智能化改造及建設(shè)提供借鑒。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)以及智能變電站的發(fā)展為我國(guó)水電站的發(fā)展指明了方向，必將在我國(guó)水利發(fā)電站中發(fā)揮重大作用。

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