數(shù)字化水電站發(fā)展方向及關(guān)鍵技術(shù)解決方案

向澤江，陳家恒，李 穎

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明650214；2.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明650051）

自2006年我國建成第一座數(shù)字化變電站云南曲靖翠峰變電站以來[1]，數(shù)字化變電站在我國發(fā)展迅速，目前在電網(wǎng)各種電壓等級中都有著廣泛的建設(shè)。相比數(shù)字化變電站，數(shù)字化水電站的研究和建設(shè)相對遲緩，目前僅少數(shù)幾個水電站進(jìn)行了數(shù)字化通信的嘗試，但尚未有成熟的行業(yè)解決方案[2]，也還沒有建成真正意義上的全數(shù)字化水電站。確定數(shù)字化水電站發(fā)展方向、找出數(shù)字化水電站建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題并提出解決方案是數(shù)字化水電站研究和建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急和重中之重。

1 數(shù)字化水電站發(fā)展現(xiàn)狀

在大力建設(shè)智能電網(wǎng)和數(shù)字化變電站的過程中，國內(nèi)外也在嘗試建設(shè)數(shù)字化水電站，我國走在了這一建設(shè)領(lǐng)域的前列。

國內(nèi)已建成的白山（300 MW×5）、松江河水電站（80 MW×2）對調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字化改造，采用IEC61850 MMS協(xié)議與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了通信，部分信息實現(xiàn)了數(shù)字化傳輸。已建成的葛洲壩 水 電 站（170 MW×2+125 MW×5+125 MW×14）對500 kV升壓站進(jìn)行了數(shù)字化改造，通過加裝合并單元和智能終端，實現(xiàn)了電氣設(shè)備和保護(hù)、測控裝置之間的IEC61850 GOOSE網(wǎng)及SV網(wǎng)數(shù)字化通信。同時葛洲壩水電站正在對機(jī)組LCU進(jìn)行改造，通過為PLC加裝獨(dú)立工控機(jī)作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了機(jī)組LCU與上位機(jī)系統(tǒng)之間采用IEC61850 MMS協(xié)議進(jìn)行的通信。但上述3個水電站均未采用電子式互感器。

新建的浙江桐柏抽水蓄能電站也進(jìn)行了數(shù)字化嘗試，該電站未采用IEC61850的數(shù)字化解決方案，也未采用電子式互感器，其計算機(jī)監(jiān)控、調(diào)速器、勵磁、保護(hù)等設(shè)備采用IEC-60870-5-104規(guī)約實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化通信，公用輔機(jī)控制系統(tǒng)與計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用了分散式的現(xiàn)場總線進(jìn)行通信，監(jiān)控等主要系統(tǒng)與其余設(shè)備采用MODBUS或IEC-60870-5-104通信，上述系統(tǒng)之間大量采用了光纜進(jìn)行通信，但上述系統(tǒng)與互感器、開關(guān)、自動化元件等現(xiàn)地設(shè)備和元件之間仍然采用電纜進(jìn)行連接。

綜上所述，目前僅少數(shù)幾個水電站進(jìn)行了數(shù)字化通信的嘗試，并未得出完整的解決方案，也還沒有建成真正意義上的全數(shù)字化水電站。

2 數(shù)字化水電站發(fā)展方向

目前水電站數(shù)字化解決方案大致存在兩種技術(shù)路徑，一種是基于IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)，另外一種是基于現(xiàn)場總線和IEC-60870-5-104協(xié)議。

桐柏抽水蓄能電站采用的基于IEC-60870-5-104協(xié)議和現(xiàn)場總線的數(shù)字化解決方案，無法采用電子式互感器，也沒有辦法實現(xiàn)現(xiàn)場開關(guān)、自動化元件等與控制保護(hù)設(shè)備之間的數(shù)字化通信，可以預(yù)見如果采用這一技術(shù)方向?qū)o法建成完整、徹底的數(shù)字化水電站。

同時，當(dāng)前水電站中不同設(shè)備廠家對同一總線協(xié)議經(jīng)常存在不同的理解，這樣就造成在同一工程上即使規(guī)定各種設(shè)備均采用同一總線協(xié)議，但到工程調(diào)試時經(jīng)常不能成功通信，最終必須采用協(xié)議轉(zhuǎn)換器或者交換機(jī)來進(jìn)行通信，這為工程實施帶來了難度，同時增加了投資、也影響了通信的可靠性。IEC61850作為電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域唯一的全球通用標(biāo)準(zhǔn)，自其誕生后在數(shù)字化變電站大量的工程實踐證實了不同廠家的產(chǎn)品均采用IEC61850之后能保持很好的一致性和互操作性，能很好的解決這一難題。

數(shù)字化變電站中廣泛采用了電子式互感器、智能一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備，通信協(xié)議采用了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系[3]，傳輸介質(zhì)大量采用了光纖，實現(xiàn)了從現(xiàn)地設(shè)備到保護(hù)測控裝置再到站控層自下而上完整的數(shù)字化解決方案。若數(shù)字化水電站采用數(shù)字化變電站的模式，無疑可以充分借鑒數(shù)字化變電站的經(jīng)驗和成果，這些經(jīng)驗和成果在大量工程實踐中也被證實是成熟可靠的。

鑒于數(shù)字化水電站未來需要完全融入到智能電網(wǎng)中，而數(shù)字化變電站已經(jīng)成為智能電網(wǎng)的重要組成部分，其技術(shù)和實踐已經(jīng)先行，并在經(jīng)過數(shù)年的工程應(yīng)用后被證實較為成熟可靠。所以，數(shù)字化水電站應(yīng)該圍繞以電子式互感器和數(shù)字化自動化元件為基礎(chǔ)、以IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)為核心這一方向來建設(shè)更為合理，這一模式也更加適應(yīng)行業(yè)技術(shù)發(fā)展潮流和智能電網(wǎng)發(fā)展需要。

3 數(shù)字化水電站關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案

要實現(xiàn)水電站數(shù)字化，必須實現(xiàn)水電站主要機(jī)電設(shè)備的數(shù)字化。水電站開關(guān)站的電氣設(shè)備與變電站中的相應(yīng)設(shè)備差別不大，可以借鑒數(shù)字化變電站的技術(shù)方案來解決。水電站特有的水力機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)、電氣二次設(shè)備是數(shù)字化水電站研究的重點方向，在這3大專業(yè)設(shè)備中，PLC、電子式互感器及相關(guān)問題、數(shù)字化自動化元件是比較重要的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題。

3.1 PLC或智能控制器

水電站主要機(jī)電設(shè)備的核心控制器件基本上都采用PLC或者智能控制器，其中包括計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU、調(diào)速器、公用輔機(jī)控制系統(tǒng)、進(jìn)水閥和閘門控制系統(tǒng)等，PLC或者智能控制器在水電站控制系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位，目前尚不存在其他設(shè)備取代PLC或者智能控制器既能實現(xiàn)控制功能，又能滿足IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)。

主流智能控制器和PLC廠家針對采用IEC61850數(shù)字化通信均有自己的解決方案，但各個廠家解決方式、實現(xiàn)的功能以及應(yīng)用現(xiàn)狀均存在一定的差異。

施耐德公司于2015年6月正式發(fā)布了Modicon Quantum IEC61850智能模塊140 NOP85000，該模塊兼具服務(wù)器和客戶端的功能，Server功能可完成PLC和SCADA系統(tǒng)的IEC61850互聯(lián)，Client功能可實現(xiàn)PLC與IED設(shè)備互聯(lián)，該模塊支持MMS網(wǎng)、GOOSE網(wǎng)，暫時不支持SV網(wǎng)。目前此模塊已通過多項IEC61850領(lǐng)域相關(guān)認(rèn)證，在大渡河沙坪二級新建項目、湖南碗米坡水電站改造項目、湖南凌津灘水電站項目、大渡河猴子巖水電站項目中使用并已經(jīng)投入運(yùn)行。

安德里茨公司AK1703系列智能控制器已經(jīng)通過 IEC61850-6，7-1，7-2，7-3，7-4 及 8-1 的 KEMA認(rèn)證，能實現(xiàn)IEC61850 MMS網(wǎng)、GOOSE網(wǎng)的通信，但暫不支持SV網(wǎng)的通信，目前該產(chǎn)品在電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中尚無工程業(yè)績。

AB公司Ctrollogix系列PLC采用專用第三方Prosoft產(chǎn)品來實現(xiàn)IEC61850數(shù)字化通信，采用插在PLC機(jī)箱上的模塊MVI56 E-61850 S實現(xiàn)Server功能來完成PLC和SCADA系統(tǒng)的IEC61850互聯(lián)，采用外置嵌入式微機(jī)PLX82-EIP-61850實現(xiàn)Client功能來完成PLC與IED設(shè)備互聯(lián)，該方案支持MMS網(wǎng)、GOOSE網(wǎng)，也暫時不支持SV網(wǎng)，目前該產(chǎn)品在電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中尚無工程業(yè)績。

西門子公司S7-400系列PLC采用自產(chǎn)的外置嵌入式控制器EC31-RTX實現(xiàn)Server功能來完成PLC和SCADA系統(tǒng)的IEC61850互聯(lián)，該方案支持MMS網(wǎng)通信，不支持GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)，目前該方案及產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用在2014年葛洲壩水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組LCU中。

國內(nèi)一些自動化設(shè)備廠家近年來也研發(fā)了自己的智能控制器，并在水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中有了一些應(yīng)用。

南瑞繼保研發(fā)了PCS-9150系列智能過程控制器，并成功運(yùn)用于小水電的監(jiān)控系統(tǒng)中，該產(chǎn)品是基于南瑞繼保PCS測控平臺開發(fā)的，具備IEC61850 MMS網(wǎng)、GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)完整的數(shù)字化通信功能。該裝置具有較強(qiáng)的邏輯編輯與運(yùn)算能力，可用于執(zhí)行機(jī)組控制的順控流程，可以代替PLC。

國電南瑞在MB系列現(xiàn)有智能控制器的基礎(chǔ)上開發(fā)出了新一代智能控制器，該產(chǎn)品與當(dāng)前MB40、MB80或MB90組成的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)相比，除了具有可編程，支持梯形圖語言、流程圖語言以及ST語言編程，支持對多個智能終端設(shè)備的擴(kuò)展，在實現(xiàn)對整個單元層的系統(tǒng)配置、管理控制及數(shù)據(jù)處理之外，新增IEC-61850 MMS、GOOSE/SV智能水電廠網(wǎng)絡(luò)通信接口等功能，產(chǎn)品同時具備網(wǎng)絡(luò)對時和硬件B碼對時功能。

表1 PLC及智能控制器通信網(wǎng)絡(luò)支持對照表

3.2 電子式互感器及相關(guān)問題

水電站的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為發(fā)變組、開關(guān)站、廠用電3大部分，開關(guān)站和廠用電的互感器和數(shù)字化變電站中的并無區(qū)別，完全可以借鑒應(yīng)用。對于水電站特有的發(fā)電機(jī)中性點和機(jī)端互感器，雖然還沒有成功的應(yīng)用，但鑒于電子式互感器在電壓等級更高的開關(guān)站上的成功應(yīng)用，為發(fā)電機(jī)中性點和機(jī)端成功生產(chǎn)、安裝和使用電子式互感器應(yīng)該沒有任何問題。對這兩處，在安裝空間充足時可采用有源電子式互感器，安裝條件受限時還可以采用柔性光學(xué)電流互感器。

水電站全面采用電子式互感器后，對其特有的一些功能和裝置，如調(diào)速器、勵磁、交流采樣、殘壓測頻及同期等提出了新的需求，需要其通過IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)SV網(wǎng)協(xié)議接收電流、電壓信號，這也是數(shù)字化水電站最難實施的一個環(huán)節(jié)，所幸隨著行業(yè)內(nèi)各方的努力推動，目前已經(jīng)基本沒有了障礙。對于調(diào)速器和殘壓測頻裝置，由于已有智能控制器具備了IEC61850 SV網(wǎng)通信能力，能夠適應(yīng)采用電子式互感器的需要。國內(nèi)有基于保護(hù)裝置平臺的勵磁產(chǎn)品，保護(hù)裝置已能支持?jǐn)?shù)字化變電站IEC61850 SV網(wǎng)通信的能力，對該勵磁產(chǎn)品稍加研發(fā)和調(diào)整也能滿足需要。同時據(jù)悉主流同期廠家也開發(fā)出了具備IEC61850 SV網(wǎng)通信能力的產(chǎn)品。所以，目前來講已經(jīng)基本具備了在發(fā)電機(jī)上使用電子式互感器的條件。

3.3 數(shù)字化自動化元件

自動化元件是指機(jī)組開機(jī)、運(yùn)行、停機(jī)、事故停機(jī)及事故報警所用的自動化裝置，主要指溫度、轉(zhuǎn)速、液位、物位、壓力以及液流等非電量的監(jiān)測轉(zhuǎn)換操作所使用的控制裝置和顯示儀表及軸電流信號裝置等[4]。水電站為機(jī)組、公用輔助系統(tǒng)等配置的自動化元件數(shù)量眾多、類型各異，目前機(jī)組的自動化元件采集是通過在機(jī)坑就近設(shè)置水輪機(jī)端子箱、發(fā)電機(jī)端子箱，將分散在各處、數(shù)量眾多的自動化元件通過近距離的電纜連接至端子箱，匯集后再通過電纜連接至機(jī)組LCU、調(diào)速器、機(jī)組附屬設(shè)備控制系統(tǒng)等設(shè)備。公用輔助系統(tǒng)的自動化元件由于數(shù)量相對較小，則直接引至控制盤柜，信號形式為開關(guān)量、模擬量和溫度量，圖1為當(dāng)前水電站機(jī)組自動化元件采集方式。為更加高效、全面的采集自動化元件信息，減輕施工工作量，便于后期運(yùn)維，有必要對自動化元件信息進(jìn)行數(shù)字化通信。

圖1 當(dāng)前水電站機(jī)組自動化元件采集方式

目前較為現(xiàn)實的一種方案是在機(jī)坑就近分別設(shè)置水輪機(jī)自動化元件數(shù)字化采集單元、發(fā)電機(jī)自動化元件數(shù)字化采集單元，將以開關(guān)量、模擬量為主的自動化元件信號通過近距離的電纜連接至數(shù)字化采集單元，經(jīng)數(shù)字化采集單元匯集并編譯成IEC61850 GOOSE報文后通過光纜以網(wǎng)絡(luò)形式共享傳輸給相應(yīng)智能電子設(shè)備，詳見圖2數(shù)字化水電站機(jī)組自動化元件數(shù)字化采集方式?？梢圆捎镁邆銰OOSE通信能力的PLC來作為數(shù)字化采集單元，同時數(shù)字化變電站中廣泛應(yīng)用的主變智能終端也可以用來作為數(shù)字化采集單元。

圖2 數(shù)字化水電站機(jī)組自動化元件數(shù)字化采集方式

4 結(jié)語

根據(jù)目前掌握的信息和研究來看，數(shù)字化水電站向基于IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)這一方向來建設(shè)是合理和可行的。同時具備IEC61850通信能力的產(chǎn)品，如PLC、同期裝置等已經(jīng)研發(fā)成功，其安全性、可靠性可以經(jīng)過實際工程應(yīng)用加以驗證。在建設(shè)實踐中宜積極采用新技術(shù)、新產(chǎn)品，努力推進(jìn)數(shù)字化水電站的技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展，使水電站能盡快融入智能電網(wǎng)，滿足智能電網(wǎng)全面發(fā)展的需要。