基于IEC 61850的智能水電站建設(shè)研究

摘要：隨著智能水電站的不斷發(fā)展，水電站產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)因采用不同的通信標準導致數(shù)據(jù)孤島問題加劇。為有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與整合，研究基于IEC 61850通信標準建設(shè)智能水電站。 從電站物理對象層級劃分、信息對象建模、通信系統(tǒng)建設(shè)、一體化管控平臺建設(shè)等過程階段，研究基于IEC 61850的智能水電站全過程建設(shè)方案框架及流程方法，并從設(shè)備對象化建模、標準通信建設(shè)、一體化管控平臺應用等方面詳細闡述了基于IEC 61850的智能水電站全過程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。研究成果可為智能水電站建設(shè)打通數(shù)據(jù)底板基礎(chǔ)，對智能水電站的建設(shè)及應用具有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：智能水電站； IEC 61850； 對象化建模； 通信標準； 一體化管控平臺

中圖法分類號：TV74

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.09.019

文章編號：1006-0081（2024）09-0105-06

0 引 言

隨著智能水電站的不斷發(fā)展，水電站面臨日益增長的海量數(shù)據(jù)，而涉及各個行業(yè)所采取的通信標準各不相同，導致數(shù)據(jù)孤島問題加劇，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與整合，阻礙了水電站智能化的發(fā)展進程。當前智能水電站建設(shè)，亟需采用一種通用的標準通信，使智能水電站的工程實施、數(shù)據(jù)交互變得規(guī)范、統(tǒng)一和透明，為智能水電站的實現(xiàn)打通數(shù)據(jù)底板基礎(chǔ)。

相比普通水電站，目前基于IEC 61850通信標準的智能變電站已獲得了大量成功應用。與以往的常規(guī)計算機控制、保護相比，基于IEC 61850的智能變電站可以節(jié)省資源、簡化設(shè)計、加快施工進度，提升各系統(tǒng)及設(shè)備間的互操作性，提升信息內(nèi)容本身的一致性，具有一系列技術(shù)優(yōu)勢［1］。但在水電站自動化領(lǐng)域，目前水電站智能化建設(shè)技術(shù)標準與規(guī)范還不夠完善，技術(shù)發(fā)展方向不夠明確，同時還面臨著支持該標準的智能電子裝置（IED）產(chǎn)品較少、智能電子裝置檢測與評估體系不完善等問題，基于IEC 61850的智能水電站始終難以取得重大進展和良好效果。而作為電力系統(tǒng)自動化的國際標準，IEC 61850已從《變電站網(wǎng)絡與通信協(xié)議》升級為《電力企業(yè)自動化通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)》，應用范圍擴大到包括水電站在內(nèi)的整個電力自動化系統(tǒng)［2-3］。

本文研究如何將IEC 61850通信標準應用于智能水電站的建設(shè)過程中，從電站物理對象層級劃分、信息對象建模、通信系統(tǒng)建設(shè)、一體化管控平臺建設(shè)等過程，研究基于IEC 61850的智能水電站全過程建設(shè)方案，實現(xiàn)智能水電站的數(shù)據(jù)共享融合、系統(tǒng)互聯(lián)互通，為智能水電站的智能應用打下基礎(chǔ)，對智能水電站的建設(shè)具有指導意義。

1 總體方案

1.1 建設(shè)流程

基于IEC 61850的智能水電站全過程建設(shè)方案流程包括前期資料搜集、現(xiàn)場調(diào)研、技術(shù)交流等技術(shù)積累過程、需求分析，以及總體方案的制定與審查，最終形成基于IEC 61850的智能水電站全過程建設(shè)方案。方案內(nèi)容包括物理對象層級劃分、信息對象建模、通信系統(tǒng)建設(shè)、一體化管控平臺建設(shè)等過程階段，如圖1所示。

（1） 物理對象層級劃分階段：將水電站的物理設(shè)備按照廠級層、系統(tǒng)層、設(shè)備層、部件層表達實際物理設(shè)備對象的層級關(guān)系，實現(xiàn)了水電站物理對象層級劃分，為智能水電站建設(shè)提供了必需的物理設(shè)備對象層級關(guān)系，闡明了設(shè)備對象化的層次結(jié)構(gòu)。

（2） 信息對象建模階段：將信息對象模型分為服務器、邏輯設(shè)備（LD）、邏輯節(jié)點（LN）、數(shù)據(jù)對象（DO）、數(shù)據(jù)屬性（DA）5個層次，實現(xiàn)面向水電站信息對象的統(tǒng)一建模，解決傳統(tǒng)水電站數(shù)據(jù)信息無自描述能力、信息表述方式不統(tǒng)一、設(shè)備互換性和交互性差等問題。

（3） 通信系統(tǒng)建設(shè)：包括通信接口、通信協(xié)議、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、通信網(wǎng)絡等內(nèi)容，實現(xiàn)了智能水電站IEC 61850通信系統(tǒng)建設(shè)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)信息模型、通信服務和傳輸過程的統(tǒng)一。

（4） 一體化管控平臺建設(shè)包括數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)服務平臺、智能化應用平臺3個模塊的建設(shè)，實現(xiàn)基于IEC 61850的標準化、通用、開放、可配置的一體化管控平臺建設(shè)，實現(xiàn)基于IEC 61850智能水電站的數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)服務及業(yè)務支持。

（5） 智能業(yè)務應用：包括了經(jīng)濟發(fā)電、智能運行、智慧運維、智能管理4個模塊的內(nèi)容，實現(xiàn)了基于IEC 61850的水電站智能業(yè)務應用及水電站智能化業(yè)務應用功能的模塊化管理。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

智能水電站的系統(tǒng)架構(gòu)采用“三層三網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)形式，“三層”主要側(cè)重于設(shè)備構(gòu)成，即廠站層、單元層、過程層；“三網(wǎng)”主要側(cè)重于網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，即廠站層網(wǎng)絡、單元層網(wǎng)絡、過程層網(wǎng)絡，如圖2所示［4］。

“三層”中過程層設(shè)備包括合并單元、智能終端、輔控單元等；單元層包括電氣單元、機械單元、水電站特定單元、智能感知單元等；廠站層包括安全Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備以及一體化管控平臺相關(guān)設(shè)備。

“三網(wǎng)”中單元層與過程層之間的網(wǎng)絡分為2類，即GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)，其中GOOSE網(wǎng)主要傳送一些開關(guān)量信息，而SV網(wǎng)主要傳輸電流/電壓等測量信息。單元層與廠站層之間的網(wǎng)絡為MMS網(wǎng)，主要傳輸站域及區(qū)域信息，如遙控、遙信、遙測及保護測控的報警信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 物理對象層級劃分

物理對象層級劃分實現(xiàn)了設(shè)備對象化的層次結(jié)構(gòu)特征描述，反映了水電站實際物理設(shè)備組成關(guān)系、同類型設(shè)備關(guān)系、同級別設(shè)備關(guān)系、從屬設(shè)備關(guān)系等多種水電站設(shè)備模型關(guān)系，為智能水電站建設(shè)提供了必需的物理設(shè)備對象層級關(guān)系。后續(xù)基于IEC 61850標準建設(shè)的信息對象模型能描述所測點的數(shù)據(jù)屬性信息，但不能描述對象的所屬層級關(guān)系。物理對象層級劃分是對水電站各物理設(shè)備對象按照廠級層、系統(tǒng)層、設(shè)備層、部件層的層級進行劃分，實現(xiàn)了智能水電站的物理設(shè)備按廠級層、系統(tǒng)層、設(shè)備層、部件層表達實際物理設(shè)備對象的層級關(guān)系，對基于IEC 61850的信息對象模型所屬物理層級結(jié)構(gòu)進行了補充完善［5］，如圖3所示。

（1） 廠級層。智能水電站廠房按廠級層層次可劃分為主廠房、副廠房、主變壓器廠、高壓開關(guān)站以及其他廠房樞紐。

（2） 系統(tǒng)層。智能水電站系統(tǒng)可劃分為電氣一次回路系統(tǒng)、電氣二次回路系統(tǒng)、水力系統(tǒng)、機械控制設(shè)備系統(tǒng)以及輔助設(shè)備系統(tǒng)等。

（3） 設(shè)備層。電氣一次回路系統(tǒng)包括發(fā)電機、引出線、母線、電壓配電設(shè)備、主變壓器、高壓開關(guān)站等設(shè)備；電氣二次回路系統(tǒng)包括機旁盤、勵磁設(shè)備、中央控制室、控制操作設(shè)備等設(shè)備；水力系統(tǒng)包括水輪機、壓力管道、進水閥、尾水閘等設(shè)備；機械控制設(shè)備系統(tǒng)包括調(diào)速設(shè)備與事故閥門控制設(shè)備等相關(guān)機械控制設(shè)備；輔助設(shè)備系統(tǒng)包括廠用電設(shè)備、起重設(shè)備、油氣水設(shè)備以及其他相關(guān)輔助設(shè)備。

（4） 部件層。智能水電站中設(shè)備部件眾多，以水電站中的水輪機和發(fā)電機兩個重要的水力發(fā)電設(shè)備為例，對其進行設(shè)備部件層級劃分。

2.2 信息對象建模

信息對象建模是實現(xiàn)基于IEC 61850的智能化水電站建設(shè)的關(guān)鍵，物理對象層級劃分階段描述了設(shè)備對象的層次結(jié)構(gòu)后，基于IEC 61850的信息對象建模建立了對象化的信息系統(tǒng)模型，能同時描述設(shè)備對象層次結(jié)構(gòu)關(guān)系與模型測點信息，實現(xiàn)智能水電站設(shè)備的對象化與信息覆蓋范圍上的互補。

信息對象建?？山⑺娬局兄悄茈娮釉O(shè)備（IED）的信息對象模型，基于IEC 61850的信息對象模型如圖4所示。IEC 61850標準采用了面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，每個智能電子設(shè)備包含一個或多個服務器，每個服務器包括一個或多個邏輯設(shè)備，每個邏輯設(shè)備包含多個邏輯節(jié)點，每個邏輯節(jié)點包含多個數(shù)據(jù)對象，數(shù)據(jù)對象則是由數(shù)據(jù)屬性構(gòu)成的公用數(shù)據(jù)類的命名實例。IEC 61850標準對邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)對象以及服務進行了標準化，從而使邏輯節(jié)點能夠在水電站網(wǎng)絡層實現(xiàn)交互操作。智能電子設(shè)備之間通過基于IEC 61850標準化的通信服務接口實現(xiàn)信息交換。

智能水電站主要邏輯節(jié)點類型可分為四大類，十小類。智能水電站邏輯節(jié)點可分為電氣、機械、水電站特定、智能感知邏輯節(jié)點類型，細分可分為表現(xiàn)功能模塊、接口和存檔、機械與非電氣主設(shè)備、水電站特有、計量和測量、保護功能、保護相關(guān)功能、監(jiān)督和測量、傳感、電力系統(tǒng)設(shè)備邏輯節(jié)點類型［6-7］。

2.3 IEC 61850通信建設(shè)

2.3.1 通信性能特點

與智能變電站相比，智能水電站涉及的數(shù)據(jù)信息更為復雜，不僅包括與智能變電站類似的電氣量，還包括諸如流量、轉(zhuǎn)速、溫度、液壓、位置等非電氣量，以及相關(guān)順序控制、優(yōu)先權(quán)控制，數(shù)據(jù)信息交互類型與數(shù)量遠大于智能變電站。應用IEC 61850通信標準時，需要分析智能水電站數(shù)據(jù)通信性能特點，因地制宜采取技術(shù)措施保證IEC 61850標準在智能水電站的成功應用，通信性能特點如下。

（1） 智能水電站數(shù)據(jù)量大，但數(shù)據(jù)多為機械裝置運行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)變化速度較慢，對數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)臅r間要求不高。

（2） 智能水電站開停機順序控制過程涉及大量數(shù)據(jù)信息交互，但順序控制時間較采集傳輸時間長，因此數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)臅r間對順序控制影響小。

（3） 智能水電站各機組控制子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)信息交互少，相對獨立，因此可以利用VLAN技術(shù)設(shè)置多個過程子網(wǎng)，減小智能水電站數(shù)據(jù)量大的傳輸影響。

（4） 采用單元層與過程層連接的GOOSE/SV網(wǎng)和與廠站層的MMS網(wǎng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)水電站PLC上送數(shù)據(jù)信息的方式，實現(xiàn)信息分散傳輸，降低數(shù)據(jù)傳輸性能要求，同時減小PLC執(zhí)行周期對系統(tǒng)性能的限制。

（5） 對智能水電站數(shù)據(jù)采用優(yōu)先級傳輸策略，按照重要性與實時性要求分級傳輸數(shù)據(jù)信息，有效降低大數(shù)據(jù)量傳輸性能要求［8］。

2.3.2 通信系統(tǒng)建設(shè)

基于IEC 61850標準的通信系統(tǒng)建設(shè)是實現(xiàn)基于IEC 61850的智能化水電站建設(shè)的核心環(huán)節(jié)，通信規(guī)約的統(tǒng)一使得智能水電站的數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)充分共享。基于IEC 61850的智能水電站通信系統(tǒng)建設(shè)采用了統(tǒng)一的IEC 61850標準取代原來各廠商的各類通信協(xié)議，支持IEC 61850標準的水電站各類設(shè)備，可直接使用支持該標準的IED取代原有設(shè)備；對于不支持IEC 61850標準的水電站各類設(shè)備，各自增設(shè)相應的IEC 61850協(xié)議轉(zhuǎn)換器，將其采集的信息轉(zhuǎn)化為IEC 61850標準建模。同時，不同于以往傳統(tǒng)現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)所有信息經(jīng)過PLC集中上送至廠站層網(wǎng)的信息流，智能水電站單元層各IED同時連接過程層GOOSE/SV網(wǎng)和廠站層MMS網(wǎng)，并統(tǒng)一按照基于IEC 61850的MMS協(xié)議上送至一體化管控平臺［9］。

2.4 一體化管控平臺

一體化管控平臺覆蓋智能水電站生產(chǎn)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和信息管理大區(qū)，可以對基于IEC 61850標準的各類生產(chǎn)設(shè)備、業(yè)務數(shù)據(jù)、運行管理等信息對象模型進行全局性的有效管理與控制，實現(xiàn)基于IEC 61850智能水電站的數(shù)據(jù)融合、設(shè)備互聯(lián)、系統(tǒng)集成及業(yè)務支持，解決各個系統(tǒng)各自孤立、管控困難、維護復雜、智能決策水平差以及重復投資等問題。

一體化管控平臺包括數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)服務平臺、智能化應用平臺3個模塊，其中數(shù)據(jù)中心基于IEC 61850 MMS協(xié)議對水電站分布式部署的模型及數(shù)據(jù)進行一體化存儲與管理，實現(xiàn)統(tǒng)一、標準的數(shù)據(jù)訪問服務；基礎(chǔ)服務平臺基于數(shù)據(jù)中心為智能化應用開發(fā)提供數(shù)據(jù)計算框架、權(quán)限日志管理、人機界面圖元庫、任務進程管理等后臺服務；智能化應用平臺基于機器學習、專家知識庫、人工智能等算法模型，提供數(shù)據(jù)挖掘、分析預警、狀態(tài)評估、決策輔助等智能應用［10］。

基于一體化管控平臺實現(xiàn)各類智能化業(yè)務應用，可根據(jù)智能水電站建設(shè)智能化程度進行增加與刪減，實現(xiàn)水電站智能化業(yè)務應用功能模塊化管理。其中，經(jīng)濟發(fā)電業(yè)務模塊處于安全Ⅰ區(qū)，包括自動發(fā)電控制、自動電壓控制、經(jīng)濟調(diào)度控制、智能設(shè)備運行監(jiān)視等功能；智能運行業(yè)務模塊處于安全Ⅱ區(qū)，包括預測測報、計劃管理、決策支持、調(diào)度會商、水調(diào)自動化、保護信息管理、電能量計量、故障錄波等功能；智慧運維業(yè)務模塊處于安全Ⅲ區(qū)，包括大壩安全監(jiān)測與分析評估、狀態(tài)監(jiān)測及分析評估、發(fā)電機檢修計劃決策、視頻監(jiān)控等功能；智能管理業(yè)務模塊處于安全Ⅲ區(qū)，包括生產(chǎn)信息管理、火災自動報警、工業(yè)電視、應急響應、數(shù)字化虛擬電站、辦公室自動化等功能［11］。

3 結(jié) 語

本文介紹了基于IEC 61850智能水電站建設(shè)的總體方案、建設(shè)流程、系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等，重點闡述了基于IEC 61850智能水電站的全過程建設(shè)流程、“三層三網(wǎng)”架構(gòu)方案，以及物理對象層級劃分、信息對象建模、IEC 61850通信系統(tǒng)建設(shè)、一體化管控平臺建設(shè)及相關(guān)智慧業(yè)務應用等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了智能水電站的數(shù)據(jù)信息共享融合、系統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)互通，為智能水電站的智能應用打下基礎(chǔ)，對智能水電站的建設(shè)具有一定參考價值。

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（編輯：張 爽）

Research on construction of intelligent hydroelectric stations based on IEC 61850

LIANG Zhikai，JIANG Zhiming，LI Gan，WU Gang

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

With the continuous development of intelligent hydropower stations，the massive data generated by hydropower stations has exacerbated the problem of data silos due to the use of different communication standards.Aiming at effectively achieving the data sharing and integration，the construction of intelligent hydropower stations based on IEC 61850 communication standard was studied.From the stages of physical object hierarchy division in power plants，information object modeling，communication system construction，integrated control platform construction and so on，we elaborated on the framework and process methods of the entire process construction plan for intelligent hydropower stations based on IEC 61850，and elaborated on the key technologies of the entire process construction such as equipment object modeling，standard communication construction and integrated control platform.The research results can establish a solid data foundation for the construction of intelligent hydropower stations，and provide a reference for the construction of intelligent hydropower stations.

Key words：

intelligent hydropower station； IEC 61850； object based modeling； communication standard； integrated control platform