全數(shù)字化水電站構(gòu)建探討

張 宏，郗發(fā)剛，戴 驅(qū)

（華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明650214）

自 2006年我國首座基于IEC61850（DL/T860）通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站投運(yùn)以來，數(shù)字化變電站建設(shè)發(fā)展迅猛，截止2015年底，國內(nèi)建成了上千座數(shù)字化變電站。2012年3月，我國科技部下發(fā)《智能電網(wǎng)重大科技產(chǎn)業(yè)化工程“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》，提出了智能電網(wǎng)包括大規(guī)模間歇式新能源并網(wǎng)技術(shù)在內(nèi)的9大重點(diǎn)任務(wù)，以滿足新能源、分布式能源的發(fā)展需要，要建立一個(gè)涵蓋發(fā)電、輸電、配電、用電、儲(chǔ)能的智能電網(wǎng)綜合集成示范工程，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)多個(gè)領(lǐng)域技術(shù)的綜合測試、實(shí)驗(yàn)和示范。目前智能電網(wǎng)建設(shè)已上升為我國國家戰(zhàn)略，先后列入了國家“十二五”、“十三五”發(fā)展規(guī)劃，并被寫入2016年政府工作報(bào)告。目前國內(nèi)僅少數(shù)幾個(gè)水電站進(jìn)行了數(shù)字化通信的嘗試，并未建成真正意義上的全數(shù)字化水電站。為了探索完整的水電站數(shù)字化整體解決方案，華能瀾滄江水電股份有限公司成立了課題組進(jìn)行專題研究。

1 數(shù)字化水電站的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 數(shù)字化變電站的定義

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)字化變電站技術(shù)規(guī)范》對數(shù)字化變電站的定義是：數(shù)字化變電站是指按照DL/T860標(biāo)準(zhǔn)分為站控層、間隔層、過程層構(gòu)建，采用DL/T860數(shù)據(jù)建模和通信服務(wù)協(xié)議，過程層采用電子式互感器等具有數(shù)字化接口的智能一次設(shè)備，以網(wǎng)絡(luò)通信平臺為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了變電站監(jiān)測信號、控制命令、保護(hù)跳閘命令的數(shù)字化采集、傳輸、處理和數(shù)據(jù)共享，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化二次功能、程序化操作、智能化功能等的變電站。

目前，國內(nèi)尚沒有標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)字化水電站進(jìn)行定義和解釋。但水電站與變電站的控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架相似，數(shù)字化水電站應(yīng)至少由站控層、單元層、過程層3層構(gòu)成。

1.2 數(shù)字化水電站的特點(diǎn)

結(jié)合水電站的實(shí)際情況，經(jīng)研究，數(shù)字化水電站應(yīng)包含以下幾個(gè)基本特點(diǎn)：

（1）電站上位機(jī)、單元層、現(xiàn)地層控制系統(tǒng)均采用IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一建模，全站自下而上所有機(jī)電設(shè)備實(shí)現(xiàn)了通信協(xié)議和通信接口的統(tǒng)一，最大程度上實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通，為不同設(shè)備間的信息共享提供支持。

（2）反映電站運(yùn)行狀況的電氣量、狀態(tài)量均采用數(shù)字化采集和傳輸，操作、控制和調(diào)節(jié)命令等均以網(wǎng)絡(luò)信息報(bào)文方式進(jìn)行傳輸。

（3）大量采用光纖替代電纜作為傳輸介質(zhì)，傳輸過程中幾乎沒有信號的衰減和失真，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾裕鰪?qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（4）采用電子式互感器替代常規(guī)電磁式互感器，提高互感器的可靠性和安全性。采用智能開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備間的互操作性。

（5）測量溫度、壓力、液位、流量等信號的傳感器方面，用光纖傳感器或其他數(shù)字式傳感器替代傳統(tǒng)的傳感器，直接輸出光信號與現(xiàn)地單元實(shí)現(xiàn)通信，新型傳感器不再需要單獨(dú)供電。

1.3 數(shù)字化水電站發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)的白山、松江河、葛洲壩等水電站已進(jìn)行數(shù)字化水電站建設(shè)探索和實(shí)踐，并取得了一定的成果。白山（300 MW×5）、松江河水電站（80 MW×2）對調(diào)速器、勵(lì)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)行通信，部分信息實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化傳輸。葛洲壩水電站對機(jī)組LCU進(jìn)行改造，通過為PLC加裝獨(dú)立協(xié)議轉(zhuǎn)換器，實(shí)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)行通信。雖然目前僅少數(shù)幾個(gè)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，但對數(shù)字化設(shè)備及控制裝置的研發(fā)和運(yùn)用起到積極的引導(dǎo)作用，并解決了不少從理論研究到過程應(yīng)用的實(shí)際問題，為真正意義上的全數(shù)字化水電站建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

2 數(shù)字化水電站的優(yōu)點(diǎn)

2.1 數(shù)據(jù)高度共享

目前的水電站控制系統(tǒng)中，因各個(gè)控制系統(tǒng)的廠家不一，通信方式、通信規(guī)約不一致，大部分系統(tǒng)都會(huì)獨(dú)立配置相應(yīng)信號，造成信號過度冗余配置，大大增加了投資成本和后期維護(hù)工作量、維護(hù)成本。采樣統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)后，各系統(tǒng)之間相互共享信息，可大大減少相同信號點(diǎn)傳感器及電纜的配置。

2.2 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)

數(shù)字化水電站以光纖替代電纜作為傳輸介質(zhì)，除了電源電纜外，其余的信號都通過光纖傳輸，可大大降低電站建設(shè)時(shí)期的電纜購置和施工安裝投資。同時(shí)，光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，不需要供電，進(jìn)一步降低電纜的使用。另外，冗余傳感器減少后節(jié)約了投資，同時(shí)，總體設(shè)備精簡后，后期的維護(hù)成本也隨之降低，帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 安全性好

數(shù)字式互感器具有體積小、重量輕、絕緣性好，不存在電磁式互感器中PT不能短路和CT不能開路的問題，使維護(hù)工作的安全風(fēng)險(xiǎn)得到降低。同時(shí)，采用光纖替代電纜作為傳輸介質(zhì)后，大量電纜和接線端子的減少，使人員觸電、誤碰、誤短的可能性降低。目前的水電站繼電保護(hù)等裝置定檢措施較多，數(shù)字化水電站中類似安全措施可以通過數(shù)據(jù)封鎖實(shí)現(xiàn)，大大降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 可靠性高

采用光纖傳輸后，抗干擾性強(qiáng)，信號幾乎沒有衰減和失真，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫教岣?，有助于提高控制裝置的精準(zhǔn)度。數(shù)字式互感器不存在飽和的問題，使得保護(hù)裝置的可靠性得到提高。隨著設(shè)備的減少和智能終端即插即用的實(shí)現(xiàn)，設(shè)備間的互操性得到增強(qiáng)，設(shè)備技改可在設(shè)備停運(yùn)前完成硬件配置和編程，設(shè)備停運(yùn)后對設(shè)備進(jìn)行替換即可，進(jìn)而縮短設(shè)備的檢修維護(hù)工期，設(shè)備可靠性得到提高。

2.5 可拓展性強(qiáng)

傳統(tǒng)水電站中，為了節(jié)約投資，部分信號未進(jìn)行采集或合并上送監(jiān)控系統(tǒng)，不利于故障分析判斷。數(shù)字化水電站可以較為全面的采集信號，共享程度高，方便設(shè)備故障分析，為后續(xù)高級功能開發(fā)和功能拓展奠定了基礎(chǔ)。而且功能開發(fā)通過編程等手段即可實(shí)現(xiàn)，基本不需增加硬件配置和敷設(shè)電纜，拓展方便。

2.6 維護(hù)便利

數(shù)字化水電站中，智能終端互操性的普及，使得設(shè)備維護(hù)消缺更加方便，維護(hù)時(shí)設(shè)備隔離基本通過插拔光纖實(shí)現(xiàn)，可以省去傳統(tǒng)水電站中拆解線及相關(guān)記錄、回路檢查等繁瑣的工作，工作更加方便、高效，而且不容易出錯(cuò)。

3 數(shù)字化水電站的構(gòu)架

參考《智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則》（DLT 1547-2016）、中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)字化變電站技術(shù)規(guī)范》等有關(guān)規(guī)定，數(shù)字化水電站以IEC61850為通信標(biāo)準(zhǔn)，采用分層、分布式的開放架構(gòu)，按照3層2網(wǎng)的方式設(shè)計(jì)，從邏輯概念上和物理概念上整個(gè)電站自動(dòng)化系統(tǒng)劃分為3層：站控層、單元層和過程層，不同層之間設(shè)備、同層內(nèi)設(shè)備之間均采用IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化通信，系統(tǒng)構(gòu)架見圖1。

3層次間設(shè)置兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)：站控層設(shè)備和單元層設(shè)備之間設(shè)置MMS通信規(guī)約的站控層網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)站控層內(nèi)部以及站控層與單元層之間的數(shù)據(jù)傳輸；在單元層設(shè)備和過程層設(shè)備之間設(shè)置SV和GOOSE通信規(guī)約的過程層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單元層設(shè)備與過程層設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 數(shù)字化水電站系統(tǒng)架構(gòu)

站控層設(shè)備包括服務(wù)器、操作員工作站、同步對時(shí)系統(tǒng)等設(shè)備。單元層設(shè)備包括機(jī)組LCU、調(diào)速器裝置、勵(lì)磁裝置、公用輔機(jī)系統(tǒng)控制裝置、保護(hù)裝置、測控裝置、安全自動(dòng)裝置、計(jì)量裝置等。過程層設(shè)備包括電子式互感器、合并單元、智能終端、自動(dòng)化元件及其采集裝置等。

4 數(shù)字化水電站建設(shè)運(yùn)營面臨的挑戰(zhàn)

4.1 標(biāo)準(zhǔn)制度有待健全

眾所周知，數(shù)字化變電站的建設(shè)起步較早，目前建設(shè)和運(yùn)營管理已非常成熟，管理標(biāo)準(zhǔn)比較齊全，在數(shù)字化變電站、智能化變電站的建設(shè)運(yùn)營中得到不斷改進(jìn)和完善。而目前關(guān)于數(shù)字化水電站方面的管理標(biāo)準(zhǔn)，只有《智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 1547-2016），該標(biāo)準(zhǔn)于2016年6月1日起實(shí)施，對智能水電廠的術(shù)語和定義、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備功能、系統(tǒng)功能等方面進(jìn)行了簡要的介紹。水電站與變電站最大的區(qū)別在于變電站的設(shè)備為“靜止”設(shè)備，水電站還多了“旋轉(zhuǎn)”設(shè)備，數(shù)字化水電站的建設(shè)部分可以參考數(shù)字化變電站進(jìn)行，最終實(shí)施時(shí)，需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際摸索建立健全適合水電站的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及管理標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 現(xiàn)場實(shí)施將會(huì)遇到眾多問題

目前，國內(nèi)尚無全數(shù)字化的水電站，已進(jìn)行數(shù)字化電站建設(shè)嘗試的單位中，只是某一層級或是部分設(shè)備支持IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)，全數(shù)字化水電站的建設(shè)面臨著設(shè)備是否都支持統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴如何避免、新的數(shù)字化元器件（或光線傳感器）的穩(wěn)定性和可靠性有待驗(yàn)證等問題。這需要業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、施工單位、生產(chǎn)廠商等各方群策群力、眾志成城解決實(shí)際技術(shù)問題，以促進(jìn)新設(shè)備的研發(fā)，推進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

4.3 電站運(yùn)營維護(hù)管理模式需要轉(zhuǎn)變

水電站數(shù)字化后，電站通信標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架發(fā)生變化，對人員開展設(shè)備故障原因排查、消缺等工作提出了新的要求，需要進(jìn)行學(xué)習(xí)，以提升專業(yè)技能。尤其是在早期的投產(chǎn)電站，因數(shù)字化設(shè)備及自動(dòng)化元器件的產(chǎn)品大多為新研發(fā)的產(chǎn)品，難免存在可靠性和穩(wěn)定性不高的問題，進(jìn)一步增加了電站運(yùn)營維護(hù)的難度。隨著設(shè)備的性質(zhì)發(fā)生變化，運(yùn)維人員的結(jié)構(gòu)組成也需進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。

4.4 需得到調(diào)度的認(rèn)可

前面已談到因數(shù)字化水電站缺乏相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，為建成真正意義上的全數(shù)字化水電站，在保證安全的前提下，部分解決方案可能會(huì)突破現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，如取消硬接線等，現(xiàn)場解決方案需要得到調(diào)度機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，數(shù)字化水電站建成后方能順利投產(chǎn)發(fā)電。

5 結(jié)論

經(jīng)研究，全數(shù)字化水電站整體解決方案滿足電站運(yùn)營管理要求，還具備數(shù)據(jù)共享程度高、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)、安全性好、可靠性高、可拓展性強(qiáng)、維護(hù)便利等優(yōu)點(diǎn)，相信數(shù)字化水電站的建成對提升電站本質(zhì)安全、提升企業(yè)競爭力、推進(jìn)電力行業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有重要的意義。雖然，數(shù)字化水電站的建設(shè)面臨著缺乏標(biāo)準(zhǔn)、部分設(shè)備暫不支持通信標(biāo)準(zhǔn)等問題，但整體的解決方案技術(shù)上是可行的，相信在業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、施工單位、生產(chǎn)廠商等各方的共同努力下，全數(shù)字化水電站的建成投產(chǎn)指日可待。