智能化水電站總體設(shè)計(jì)方案探討

馬力+何璐+張超+靳衛(wèi)安

摘 要：本文在智能化水電站建設(shè)目標(biāo)與發(fā)展現(xiàn)狀分析的前提下，并根據(jù)目前國(guó)內(nèi)水電站建設(shè)的實(shí)際情況，參考智能化變電站由數(shù)字化變電站逐步過(guò)渡到智能化變電站的發(fā)展過(guò)程，首次完整地提出了全智能化、綜合型和過(guò)渡型三種總體設(shè)計(jì)方案，滿足了不同類型、不同階段和不同規(guī)模水電站的智能化設(shè)計(jì)和建設(shè)的實(shí)際需求，對(duì)智能化水電站的設(shè)計(jì)、建設(shè)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制工作具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：智能化 站控層 單元層

中圖分類號(hào)：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（b）-0074-03

隨著技術(shù)進(jìn)步和全球新能源、分布式能源的發(fā)展，智能電網(wǎng)已成為未來(lái)世界電力系統(tǒng)發(fā)展的方向，水電站作為智能電網(wǎng)電源布點(diǎn)的重要成員，以其高效靈活的調(diào)頻、調(diào)峰和事故備用能力以及綠色能源的顯著優(yōu)勢(shì)，將成為智能電網(wǎng)建設(shè)中不可忽視的環(huán)節(jié)。

相對(duì)于已趨于成熟的智能化變電站的推廣發(fā)展，智能化水電站的發(fā)展剛剛起步，水電站的智能化相關(guān)研究還處于初級(jí)階段，有關(guān)智能水電站的定義、目標(biāo)及框架還十分模糊，國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚處于空白階段，這是現(xiàn)階段智能化水電站建設(shè)最大的現(xiàn)實(shí)困難。本文在分析了現(xiàn)階段的智能化水電站發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出智能化水電站的建設(shè)目標(biāo)和整體設(shè)計(jì)方案，對(duì)于我國(guó)全面推進(jìn)水電站智能化建設(shè)進(jìn)入工程實(shí)踐階段具有較大的實(shí)際意義和科技進(jìn)步意義。

1 智能化水電站的定義與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 智能化水電站的定義

智能化水電站是遵循廠網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展要求，以信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡(luò)化、集成標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)管一體化、業(yè)務(wù)互動(dòng)化、運(yùn)行最優(yōu)化、決策智能化為特征，采用先進(jìn)的智能電子裝置及智能設(shè)備，自動(dòng)完成采集、測(cè)量、控制、保護(hù)等基本功能，構(gòu)建基于一體化平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、在線分析決策支持、安全防護(hù)多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的智能應(yīng)用的新型水電站[1]。

1.2 智能化水電站發(fā)展現(xiàn)狀

目前智能化水電站相關(guān)技術(shù)已成為水電行業(yè)發(fā)展的前沿和熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)白山、松江河水電站作為國(guó)內(nèi)首批智能化水電站試點(diǎn)改造工程，首次實(shí)現(xiàn)了IEC61850（包括IEC 61970、IEC60870等系列標(biāo)準(zhǔn)）在水電廠的應(yīng)用。

但我國(guó)智能化水電站建設(shè)仍處于技術(shù)探索和經(jīng)驗(yàn)積累的初級(jí)階段，行業(yè)內(nèi)缺乏智能化水電站的相關(guān)規(guī)范、規(guī)程性文件；水電站的監(jiān)控、勵(lì)磁、調(diào)速、輔控等系統(tǒng)尚未出現(xiàn)完全智能化產(chǎn)品，水電站特有的設(shè)備（主機(jī)、閥門(mén)、閘門(mén)等）的智能型開(kāi)發(fā)工作尚未展開(kāi)；缺乏完整的智能化水電站體系結(jié)構(gòu)和典型方案。這些因素制約了國(guó)內(nèi)智能化水電站的發(fā)展和實(shí)施，尤其是對(duì)照國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃（其2010-2015年的全面建設(shè)階段已基本進(jìn)入收官階段），智能化水電站建設(shè)進(jìn)程相對(duì)滯后很多。本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)水電站的現(xiàn)狀及發(fā)展智能化水電站的需求，提出了智能化水電站總體設(shè)計(jì)方案。

2 智能化水電站總體設(shè)計(jì)方案

參考智能化變電站由數(shù)字化變電站逐步過(guò)渡到智能化變電站的發(fā)展過(guò)程，本文提出現(xiàn)階段智能化水電站的總體設(shè)計(jì)方案需要是一個(gè)不斷發(fā)展和完善的過(guò)程。以最終的智能化水電站的發(fā)展目標(biāo)，綜合考慮目前的現(xiàn)實(shí)條件和制約因素，提出以下滿足不同階段和現(xiàn)實(shí)需求的智能化水電站總體設(shè)計(jì)方案：全智能化方案（理想方案）、綜合方案（現(xiàn)實(shí)方案）、過(guò)渡方案（改造方案）。

2.1 全智能化方案

智能化方案是水電站智能化發(fā)展的最終目標(biāo)，它將是生產(chǎn)制造行業(yè)、運(yùn)行管理水平等都達(dá)到較高水平，各方條件都發(fā)展成熟后的必然選擇，也是最理想化的方案。

2.1.1 全智能化方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

全智能化方案下的水電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為：縱向按IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建三層兩網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，整個(gè)架構(gòu)劃分為站控層、單元層和過(guò)程層三層，并構(gòu)建站控層網(wǎng)絡(luò)（MMS網(wǎng)）和過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)（GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)）；橫向劃分為安全I(xiàn)區(qū)、安全I(xiàn)I區(qū)和管理信息大區(qū)，根據(jù)國(guó)內(nèi)安全[2015]36號(hào)文要求智能化水電站將采取橫向隔離、縱向加密的安全防護(hù)策略。

站控層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用1000Mbps或更高速度的工業(yè)以太網(wǎng)，以IEC61850-8-1通信協(xié)議為主，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際狀況選用星型、環(huán)型或綜合性的冗余結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際需要可在不同單元內(nèi)設(shè)置各單元內(nèi)廠站層子網(wǎng)；過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用100Mbps或更高速度的工業(yè)以太網(wǎng)，采用IEC 61850-9-2和GOOSE通信協(xié)議，SV和GOOSE可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行共網(wǎng)或單獨(dú)組網(wǎng)設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際狀況選用星型的單網(wǎng)或雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際需要可在單元內(nèi)設(shè)置多個(gè)過(guò)程層子網(wǎng)。

2.1.2 全智能化方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

（1）站控層結(jié)構(gòu)。

智能化水電站站控層將建成綜合數(shù)據(jù)信息共享平臺(tái)和綜合智能分析管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)的電站一體化管控平臺(tái)，系統(tǒng)內(nèi)安裝全廠統(tǒng)一的“智能水電廠一體化管控系統(tǒng)”軟件，以符合IEC61850、IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的水電標(biāo)準(zhǔn)通信總線為基礎(chǔ)，水電廠設(shè)備一體化建模、分布式應(yīng)用服務(wù)管理為核心，建立各區(qū)統(tǒng)一的集智能水電廠數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)服務(wù)、一體化應(yīng)用為一體的綜合管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電站全景數(shù)據(jù)展示、業(yè)務(wù)協(xié)同互動(dòng)和智能決策支持功能，并完成電廠各功能子系統(tǒng)應(yīng)用功能。

（2）單元層、過(guò)程層結(jié)構(gòu)。

智能化水電站中單元?jiǎng)澐譃椋?#～n#機(jī)組單元（每臺(tái)機(jī)組劃分為1個(gè)單元）、1#～n#公用及廠用電單元（按區(qū)域公用及廠用電設(shè)備分布狀況劃分，包括壩區(qū)等場(chǎng)所）、1#～n#開(kāi)關(guān)站間隔單元（按開(kāi)關(guān)站間隔劃分）。

①機(jī)組單元。

機(jī)組單元采用完全遵照智能化體系全智能化結(jié)構(gòu)，將過(guò)程層現(xiàn)地設(shè)備的信號(hào)采集和操控功能完全本體化和近過(guò)程化，即在過(guò)程層完成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化功能任務(wù)，主要采用合并單元、智能終端等智能設(shè)備完成包括機(jī)組在內(nèi)的各種設(shè)備的信號(hào)采集和本體操控等功能。這種方式下，單元層設(shè)備主要包括：機(jī)組測(cè)控裝置、繼電保護(hù)裝置、發(fā)變組故障錄波、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等裝置。其中發(fā)變組故障錄波、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)考慮在安全I(xiàn)I區(qū)統(tǒng)一接入站控層，改變了常規(guī)水電站中機(jī)組LCU作為單元管理中心主機(jī)的模式結(jié)構(gòu)，在單元層實(shí)現(xiàn)了分布式控制模式，不同的智能裝置負(fù)責(zé)不同的功能要求實(shí)現(xiàn)詳細(xì)的功能分布式功能結(jié)構(gòu)。endprint

②公用及廠用單元。

公用及廠用電單元采用完全遵照智能化體系全智能化結(jié)構(gòu)，將過(guò)程層現(xiàn)地設(shè)備的信號(hào)采集和操控功能完全本體化和近過(guò)程化，即在過(guò)程層完成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化功能任務(wù)。公用及廠用電單元配置新型水電站測(cè)控單元，過(guò)程層主要使用智能終端實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集任務(wù)。

③開(kāi)關(guān)站間隔單元。

開(kāi)關(guān)站間隔單元結(jié)構(gòu)采用全智能化結(jié)構(gòu)，同時(shí)可參照智能化變電站相關(guān)的具體設(shè)計(jì)模式。

2.2 綜合方案

綜合方案是水電站智能化根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件和制約因素，在其發(fā)展過(guò)程中提出的一個(gè)現(xiàn)實(shí)解決方案，它將具有智能化水電站主要特征和各項(xiàng)高級(jí)功能要求，同時(shí)又根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件的限制，尤其是智能化設(shè)備發(fā)展水平的限制因素，對(duì)全智能化方案中部分結(jié)構(gòu)實(shí)施調(diào)整變通性方案。

綜合方案的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、廠站層主要配置與全智能化方案的要求是完全一致的，單元層各單元?jiǎng)澐忠彩且恢碌?。各單元層?nèi)部結(jié)構(gòu)具有一些差別。

2.2.1 機(jī)組單元

保留常規(guī)水電站中機(jī)組LCU設(shè)備，但對(duì)其提出改造和瘦身的要求，單元層還需配置測(cè)控裝置、繼電保護(hù)裝置、故障錄波等裝置，依據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系組建單元內(nèi)過(guò)程層SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)。改造后的機(jī)組LCU負(fù)責(zé)控制及信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、處理和傳送等功能，其他電氣測(cè)量和開(kāi)關(guān)操控將由測(cè)控裝置完成。機(jī)組LCU必須完全符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系，以滿足智能化結(jié)構(gòu)的互操作性要求，主要采用遠(yuǎn)程I/O的方式進(jìn)行現(xiàn)地信號(hào)的采集以實(shí)現(xiàn)近過(guò)程化的要求（減少電纜），機(jī)組LCU與遠(yuǎn)程I/O及過(guò)程層的智能裝置之間通過(guò)SV和GOOSE網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，與站控層之間通過(guò)MMS網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.2.2 公用單元

保留常規(guī)水電站中公用及廠用電LCU，組建過(guò)程層SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)，LCU與站控層之間主要通過(guò)MMS網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.2.3 開(kāi)關(guān)站間隔單元結(jié)構(gòu)與全智能化方案要求相同

綜合方案中各過(guò)程層設(shè)備盡量采用電子（光學(xué)）互感器、智能終端以及合并單元等設(shè)備以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，特殊情況下亦可考慮配置常規(guī)互感器+采集器的配置形式，繼電保護(hù)、系統(tǒng)安穩(wěn)裝置等設(shè)備采用綜合型繼電保護(hù)配置方式。

2.3 過(guò)渡方案

過(guò)渡方案是為已建成水電站進(jìn)行智能化改造所提出來(lái)的方案，它是在保證已投運(yùn)電站安全、不間斷運(yùn)行的前提下，對(duì)水電站進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化，重點(diǎn)解決智能化水電站一體化管控平臺(tái)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電站站控層設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)智能化的過(guò)渡方案，是為已投運(yùn)電站具有智能化改造要求但又無(wú)法進(jìn)行徹底改造（現(xiàn)地設(shè)備智能化將影響電站不間斷安全運(yùn)行）條件下所提出的改造方案

過(guò)渡方案的體系結(jié)構(gòu)是三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，但僅僅要求廠站層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和廠站層主要設(shè)備配置采取與全智能化方案一致的要求，對(duì)單元層和過(guò)程層的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)不再做智能化的嚴(yán)格要求，即不再設(shè)置過(guò)程層GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)，各單元層網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備可保持電站現(xiàn)狀采用常規(guī)模式。

2.3.1 機(jī)組單元

要求機(jī)組LCU提供符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)外通信接口，機(jī)組LCU與本單元內(nèi)過(guò)程層設(shè)備可采用傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線和I/O方式采集信號(hào)，建議機(jī)組LCU盡量采用遠(yuǎn)程I/O的方式進(jìn)行現(xiàn)地信號(hào)的采集以實(shí)現(xiàn)近過(guò)程化的要求（減少電纜），單元層內(nèi)配置的繼電保護(hù)裝置、故障錄波裝置盡量采取直接與站控層網(wǎng)絡(luò)連接方式，不再另行設(shè)置測(cè)控單元。

2.3.2 公用單元

要求公用及廠用電LCU提供符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)外通信接口，LCU與站控層之間主要通過(guò)MMS網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。LCU與本單元內(nèi)過(guò)程層設(shè)備可采用傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線和I/O方式采集信號(hào)，盡量采用遠(yuǎn)程I/O的方式進(jìn)行現(xiàn)地信號(hào)的采集以實(shí)現(xiàn)近過(guò)程化的要求（減少電纜）。

過(guò)渡方案中各過(guò)程層設(shè)備將采用常規(guī)互感器，不再配置智能終端以及合并單元等智能化設(shè)備，繼電保護(hù)、系統(tǒng)安穩(wěn)裝置等設(shè)備僅僅要求符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)外通信接口，采用過(guò)渡型的繼電保護(hù)配置方式。

3 結(jié)語(yǔ)

智能化水電站是智能電網(wǎng)發(fā)電環(huán)節(jié)的重要組成部分，其智能化建設(shè)是國(guó)家建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的必然趨勢(shì)和發(fā)展方向。本文在智能化水電站發(fā)展現(xiàn)狀分析的前提下，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)水電站建設(shè)的實(shí)際情況，參考智能化變電站由數(shù)字化變電站逐步過(guò)渡到智能化變電站的發(fā)展過(guò)程，首次完整地提出了全智能化、綜合型和過(guò)渡型三種總體設(shè)計(jì)方案，解決了常規(guī)水電站二次電纜用量大、抗干擾性差等實(shí)際問(wèn)題，簡(jiǎn)化了設(shè)備配置和二次接線，減少了水電站建設(shè)、安裝和調(diào)試工作量，滿足了不同類型、不同階段和不同規(guī)模水電站的智能化設(shè)計(jì)和建設(shè)的實(shí)際需求，為智能化水電站的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐，對(duì)智能化水電站的設(shè)計(jì)、建設(shè)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制工作具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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