數(shù)字化水電站自動(dòng)化元件解決方案研究

王錄永，吳明波，李 穎

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

智能電網(wǎng)[1]就是電網(wǎng)的智能化，是當(dāng)今世界電力、能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展變革的體現(xiàn)，世界上科技水平較高的國(guó)家均對(duì)智能電網(wǎng)的研究和建設(shè)給予高度的重視和支持。目前智能電網(wǎng)建設(shè)已上升為我國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略，被先后列入了國(guó)家“十二五”、“十三五”發(fā)展規(guī)劃。智能電網(wǎng)的核心是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的數(shù)字化，只有實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)各環(huán)節(jié)信息采集、傳遞和控制方面的高度數(shù)字化才可能完成電網(wǎng)的各項(xiàng)高級(jí)應(yīng)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化。電網(wǎng)的數(shù)字化包含了電網(wǎng)的發(fā)電、輸電、配電、用電各個(gè)環(huán)節(jié)，水電站作為發(fā)電環(huán)節(jié)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)其數(shù)字化是十分必要的。隨著IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和引入，配電環(huán)節(jié)的變電站數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在我國(guó)已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，在數(shù)字化變電站[2，3]的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)紛紛展開數(shù)字化水電站[4，5]的相關(guān)研究和建設(shè)，然而與變電站相比，水電站現(xiàn)地設(shè)備存在大量用于自動(dòng)控制的自動(dòng)化元件難以進(jìn)行數(shù)字化傳輸，因此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化元件信號(hào)的數(shù)字化傳輸和共享對(duì)建設(shè)數(shù)字化水電站，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)具有十分重要的意義。

1 水電站自動(dòng)化元件及信號(hào)采集方式

1.1 水電站自動(dòng)化元件的功能及分類

自動(dòng)化元件是實(shí)現(xiàn)水電站自動(dòng)控制最基礎(chǔ)的元件，它擔(dān)負(fù)著監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)、發(fā)送報(bào)警信號(hào)、執(zhí)行相關(guān)自動(dòng)操作等任務(wù)。隨著水電站自動(dòng)控制水平要求的提高，自動(dòng)化元件在水電站中的地位也變得越來(lái)越重要，自動(dòng)化元件的質(zhì)量和可靠性關(guān)系到水電站的安全運(yùn)行，也影響著整個(gè)電站的綜合自動(dòng)化水平和各種功能的發(fā)揮。

水電站自動(dòng)化元件一般根據(jù)水電站的機(jī)組容量、結(jié)構(gòu)型式、全廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、自動(dòng)化程度等要求進(jìn)行配置。根據(jù)自動(dòng)化元件的作用，可以細(xì)分為采集元件和執(zhí)行元件。自動(dòng)化采集元件是指采集溫度、液位、壓力、流量、物位、轉(zhuǎn)速等非電量信息供各系統(tǒng)設(shè)備反饋控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)或越限報(bào)警使用的現(xiàn)地傳感器元件。水電站常用的自動(dòng)化采集元件主要包括：流量開關(guān)、油混水報(bào)警器、液位計(jì)、溫度計(jì)、差壓變送器、液位變送器、壓力變送器、行程開關(guān)、主令開關(guān)、位置傳感器、測(cè)速探頭、PT100測(cè)溫電阻等。自動(dòng)化執(zhí)行元件是指接收遠(yuǎn)程信號(hào)命令執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作的現(xiàn)地元件，主要有電磁閥、電動(dòng)閥等，水電站常用執(zhí)行元件包括檢修圍帶控制電磁閥、潤(rùn)滑水電磁閥、剎車投退電磁閥等。

1.2 當(dāng)前水電站自動(dòng)化元件信號(hào)采集方式和缺點(diǎn)

當(dāng)前水電站中自動(dòng)化元件多集中在水輪發(fā)電機(jī)組部分和主變壓器部分，其數(shù)量眾多、類型多樣且布置分散，為便于接線，一般將自動(dòng)化元件信號(hào)引接至現(xiàn)地單個(gè)或多個(gè)端子箱內(nèi)的轉(zhuǎn)接端子進(jìn)行集中，之后再轉(zhuǎn)送監(jiān)控系統(tǒng)或其他需要信號(hào)的系統(tǒng)，自動(dòng)化元件信號(hào)的接入和轉(zhuǎn)出全部采用電纜完成，采集方式如圖1所示。

圖1 當(dāng)前水電站機(jī)組自動(dòng)化元件信號(hào)采集方式

當(dāng)前自動(dòng)化元件采集傳輸方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于管理和查線，端子箱內(nèi)不需供電，但也存在著一些缺點(diǎn)：①自動(dòng)化元件信號(hào)不能共享，許多測(cè)點(diǎn)需重復(fù)配置以滿足多系統(tǒng)使用，造成元件數(shù)量增加。②自動(dòng)化元件數(shù)量眾多且布置分散，特別是機(jī)組部分，造成現(xiàn)地轉(zhuǎn)接端子箱進(jìn)出電纜過(guò)多，電纜橋架負(fù)擔(dān)重。③自動(dòng)化元件需求的電纜截面、芯數(shù)、類型各不相同，施工難度大。④DC 24 V電源和模擬量信號(hào)采用電纜傳輸且距離較長(zhǎng)，信號(hào)易受干擾。

2 數(shù)字化水電站對(duì)自動(dòng)化元件信號(hào)采集方式的要求

數(shù)字化水電站以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，采用3層2網(wǎng)結(jié)構(gòu)，3層指站控層、單元層、過(guò)程層，2網(wǎng)指站控層網(wǎng)絡(luò)（MMS）、過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)（GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)）。數(shù)字化水電站中設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、傳輸、共享均通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)化元件信號(hào)也應(yīng)滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊螅ㄟ^(guò)光纜直接將信號(hào)發(fā)布至過(guò)程層的GOOSE網(wǎng)，供電站單元層各系統(tǒng)使用。但目前絕大多數(shù)類型的自動(dòng)化元件無(wú)法支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法直接將信號(hào)發(fā)布至GOOSE網(wǎng)。

3 數(shù)字化水電站自動(dòng)化元件信號(hào)采集解決方案

3.1 主變壓器部分自動(dòng)化元件信號(hào)采集方式

水電站的主變壓器與變電站的主變壓器情況十分相似，參考數(shù)字化變電站的實(shí)施方案，數(shù)字化水電站也可以采用主變本體智能終端[6，7]來(lái)采集主變壓器區(qū)域的自動(dòng)化元件信號(hào)，并將其發(fā)布至GOOSE網(wǎng)用于各系統(tǒng)共享，采集方式如圖2所示。

圖2 主變自動(dòng)化元件采集方式

3.2 水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)化元件信號(hào)采集方式

相對(duì)于主變壓器部分，水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)化元件數(shù)量更大、類型更復(fù)雜、安裝環(huán)境更差，其對(duì)側(cè)需求的信號(hào)系統(tǒng)也更多，僅靠單臺(tái)智能終端無(wú)法滿足其采集的需要，如果采用多臺(tái)智能終端，雖然能滿足信號(hào)采集的需求，但引入過(guò)多的設(shè)備會(huì)使系統(tǒng)變得復(fù)雜，降低運(yùn)行的效率和可靠性。當(dāng)前水電站現(xiàn)地控制中，可編程控制器（PLC）應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，作為控制領(lǐng)域的核心設(shè)備，隨著近幾年數(shù)字化變電站的發(fā)展和數(shù)字化水電站概念的提出，目前國(guó)內(nèi)外廠家先后推出支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的PLC產(chǎn)品并有所應(yīng)用，其可靠性已經(jīng)得到證明。

參考數(shù)字化變電站智能終端和當(dāng)前水電站現(xiàn)地控制單元（LCU）的模式，可利用支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的PLC構(gòu)成現(xiàn)地?cái)?shù)字化采集單元，通過(guò)電纜接收自動(dòng)化元件的開關(guān)量、模擬量信號(hào)，將開關(guān)量、模擬量信號(hào)編譯成IEC61850 GOOSE報(bào)文并通過(guò)光纖發(fā)布至GOOSE網(wǎng)，采集方式如圖3所示。

圖3 數(shù)字化水電站機(jī)組自動(dòng)化元件信號(hào)采集方式

數(shù)字化采集單元內(nèi)設(shè)置支持IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)GOOSE網(wǎng)的PLC，并按需配置開關(guān)量輸入模塊、模擬量輸入模塊、RTD溫度量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、電源模塊等。為保證可靠性，數(shù)據(jù)采集單元中的PLC及電源模塊也可采用冗余設(shè)置，并將采集的信息上送GOOSE雙網(wǎng)。數(shù)字化采集單元可根據(jù)電站需要分層、分區(qū)域設(shè)置，宜與現(xiàn)地轉(zhuǎn)接箱合并布置在現(xiàn)地機(jī)組自動(dòng)化元件集中的區(qū)域，對(duì)下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化元件的信號(hào)現(xiàn)地采集和控制，對(duì)上接入IEC61850 GOOSE網(wǎng)，與監(jiān)控、調(diào)速器等系統(tǒng)進(jìn)行通信。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化采集單元能夠滿足數(shù)字化水電站對(duì)自動(dòng)化元件信號(hào)采集和控制的需求，同時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①數(shù)字化采集單元可將單個(gè)自動(dòng)化元件信號(hào)發(fā)布至GOOSE網(wǎng)供多系統(tǒng)共享，解決了元件重復(fù)配置的問(wèn)題；②數(shù)字化采集單元內(nèi)的DC 24 V電源模塊可就近供自動(dòng)化元件使用，從而可以避免低電壓電源供電線路過(guò)長(zhǎng)易受干擾的情況；③數(shù)字化采集單元采集機(jī)組瓦溫、油溫后，可利用內(nèi)部的PLC對(duì)運(yùn)行溫度進(jìn)行邏輯判斷，并將機(jī)組溫度報(bào)警及事故停機(jī)信號(hào)發(fā)布至機(jī)組GOOSE網(wǎng)；④數(shù)字化采集單元布置在現(xiàn)地，與自動(dòng)化元件連接電纜較短，受干擾的可能性小，經(jīng)濟(jì)性也較好。

利用數(shù)字化采集單元來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化元件數(shù)字化的方式原理簡(jiǎn)單、可靠性高，具有較高的可行性。數(shù)字化采集單元采用模塊化結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展，可根據(jù)實(shí)際接入信號(hào)類型及數(shù)量靈活配置相應(yīng)的輸入、輸出模塊，其輸入、輸出回路總數(shù)不受限制。自動(dòng)化元件數(shù)字化后，減少了二次電纜的使用量，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了施工難度，提高了水電站的自動(dòng)化水平。