淺談數字化水電站及其實現方案

倪維東，葛來龍，朱桂權

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210061）

目前，經濟發達國家大部分技術及經濟可行的水電資源，都得到了有效開發。然而發展中國家水電開發率還很低，尤其是在非洲，開發率還不到8%。因此，優先發展水電，對全球尤其對發展中國家是非常重要的。發展中國家可以以更好的方式發展水電，利用水電。水電的價格是非常便宜的，而且是可持續的和低碳環保的，因此對解決氣候變暖問題和能源供應問題，起著非常重要的作用。

正是由于水電站的重要作用和地位，并隨著智能電網和變電站技術的不斷發展和完善，水電站也正朝著數字化的方向發展。伴隨著各種智能化設備的發展、先進網絡技術的運用、國際IEC 61850協議的實施，數字化的水電站的建設已基本具備條件。

1 IEC 61850標準的特點

IEC 61850是一個關于變電站自動化系統結構和數據通信的國際標準，其目的是使變電站內不同廠家的智能電子設備（IED）之間通過一種標準（協議）實現互操作和信息共享。通訊協議標準化，有效實現互操作性和信息共享，這也是數字化水電站所必須滿足的，因此，這一標準也代表了數字化水電站的未來發展方向。

IEC 61850協議，是國際電工委員會TC57工作組制定的《變電站通信網絡和系統》系列標準，是基于網絡通信平臺的變電站自動化系統的國際標準，其主要特點為：信息分層、面向對象的數據對象統一建模、數據的自描述、抽象通信服務接口ACSI等。

IEC 61850協議將整站分為3層：站控層，間隔層和過程層。

站控層設備包括監控主機、遠動主機、服務器、工程師站等。其主要功能為變電站提供運行、管理、工程配置的界面，并記錄變電站內的相關信息。遠動服務器等與站外傳輸的信息可轉換為遠動和集控設備所能接受的協議規范，實現監控中心遠方控制。

站控層設備應建立在IEC 61850協議規范基礎上，具有面向對象的統一數據建模。與站外接口的設備如遠動裝置等，應能將站內IEC 61850協議轉換成相對應規約格式。所有站控層設備，均應采用以太網，并按照IEC 61850通信規范，進行系統建模并進行信息傳輸。

間隔層設備主要包括保護裝置、測控裝置等一些二次設備。要求所有信息上傳均能夠按照IEC 61850協議建模，并具有支持智能一次設備的通信接口功能。

過程層設備包括電子式電流、電壓互感器、智能化開關設備、智能化發電機、智能化變壓器等。

輔助設備包括一些規約轉換設備（將對不符合IEC 61850協議的設備進行規約轉換）、同步信號源（過程層對時）、GPS對時（站控層對時）。

2 智能化的一次設備與網絡化的二次設備

2.1 智能化的一次設備

智能化的一次設備主要包括：電子式電流/電壓互感器（或光學互感器）、智能型斷路器/隔離開關、智能化變壓器、其它數字化的輔助設備等；一次設備智能化后，其接口方式采用符合IEC61850標準的數字輸出，規范而統一。一次設備和二次設備間用光纖傳輸數字編碼信息的方式，交換采樣值、狀態量、控制命令等信息。

2.2 二次設備網絡化

二次設備間用通信網絡交換模擬量、開關量和控制命令等信息，取消控制電纜，達到信息資源的有效共享。

3 數字化水電站的概念及基本組成

數字化水電站指信息采集、傳輸、處理、輸出過程完全數字化的水電站，基本特征為一次設備智能化、通信網絡化、運行管理自動化等。

數字化水電站誕生的前提，是電子式電流電壓互感器（或光學互感器）、智能化開關、智能化變壓器、智能化發電機、以及相關在線檢測等技術發展到一定程度，水電站的二次側不再存在有模擬量，所有數據均以數字量的形式，按統一的通信協議傳輸，站內的各個智能設備之間，具有良好的互操作性。

隨著電子技術的不斷發展，電子式互感器已在全國近百座數字化變電站中廣泛運用，并已經過工程的實際驗證，均是安全可靠的。因此其在數字化的水電站中，也將逐步得到應用和推廣。但由于變壓器、開關、發電機等的智能化還處在發展初期，目前，主要采用過渡方案，就是在傳統設備就近增加符合IEC 61850規范的智能終端，由此完成數字信號、模擬信號的采集以及控制，實現其傳輸方式完全數字化。

一次設備實現智能化后，規范統一的接口標準也就成了數字化水電站的靈魂。一方面，其必須滿足數字化水電站的通訊需求；另一方面，也必須實現站控層和間隔層設備數字化，以及兩層間信息交換的數字化。

目前我國水電站已基本普及綜合自動化系統。常規意義的水電站自動化系統的監控、遠動、自動安全裝置等三次和二次設備，已經基本采用數字技術，但通訊規約未完全采用IEC 61850接口標準，而是主要采用IEC 60870-5-101/104、Modbus等規約。為了適應數字化水電站的發展需求，再加上IEC 61850標準自身的良好的體系架構和可擴展性，其必將在數字化水電站上廣泛應用，為數字化水電站增添活力。

4 數字化水電站的優點

4.1 高可靠性和安全性

（1）由于采用了智能一次設備，因此設備自身具有完善的自檢功能，當智能一次設備異常時將自動發出報警，一方面能及時反映出故障點，同時又減輕了運行人員的工作量；

（2）電子式互感器（或光學互感器）的應用，一方面有效地將互感器高電壓部分隔離，解決了電流互感器二次開路、電壓互感器二次短路可能危及人身或設備等問題，同時也避免了SF6和油式互感器的滲漏問題，在很大程度上減少了運行維護的工作量，提高了安全性。

4.2 高性價比

數字化水電站的所有信息采用統一的信息模型，按統一的通信標準接入整站通信網絡。整站的保護、測控、計量、監控、遠動等系統均用同一個通信網絡接收電流、電壓和狀態等信息以及發出控制命令，不需為不同功能建設各自的信息采集、傳輸和執行系統。

4.3 通信網絡取代復雜的控制電纜

數字化水電站的一次設備和二次設備間以及二次設備之間，均采用計算機通信技術，一條信道可傳輸多個通道的信息。同時采用網絡通信技術，通信線的數量約等于設備數量。因此，數字化水電站的二次接線將大幅度簡化。

4.4 提升測量精度

數字化水電站采用輸出數字信號的電子式互感器，數字化的電流電壓信號，在傳輸到二次設備和二次設備處理的過程中，均不會產生附加誤差，提升了保護系統、測量系統和計量系統的系統精度。

例如采用0.2級的TA和TV，傳統水電站由于電纜和電表帶來的附加誤差，計量系統總誤差在±0.7%的水平。而數字化水電站計量系統的誤差，僅由TA和TV產生，可達到±0.4%的水平。

4.5 提高信號傳輸的可靠性

數字化水電站的信號傳輸，均用計算機通信技術實現。通信系統在傳輸有效信息的同時，傳輸信息校驗碼和通道自檢信息，一方面杜絕誤傳信號，另一方面在通信系統故障時，可技術告警。

數字信號可以用光纖傳輸，從根本上解決抗干擾問題。

傳統水電站一次設備和二次設備間，直接通過電纜傳輸沒有校驗信息的信號，當信號出錯或電纜斷線、短路時，都難以發現；而且傳輸模擬信號難以使用光纖技術，易受干擾。

4.6 避免電纜帶來的電磁兼容和傳輸過電壓以及兩點接地等問題

數字化水電站二次設備和一次設備之間，使用絕緣的光纖連接，電磁干擾和傳輸過電壓沒有影響到二次設備的途徑，而且也沒有二次回路兩點接地的可能性。

傳統水電站的二次設備與一次設備之間，仍然采用電纜進行連接，電纜感應電磁干擾和一次設備傳輸過電壓，可能引起的二次設備運行異常，在二次電纜比較長的情況下，由電容耦合的干擾，可能造成繼電保護誤動作。盡管電力行業的有關規定中要求繼電保護二次回路一點接地，但由于二次回路接地點的狀態無法實時檢測，二次回路兩點接地的情況近期仍時有發生，并對繼電保護產生不良影響，甚至造成設備誤動作。

4.7 解決設備間的互操作問題

數字化水電站的所有智能設備，均按統一的標準建立信息模型和通信接口，設備間可實現無縫連接。

數字化變電站唯一可用的通信標準為IEC 61850。IEC 61850的信息自解釋機制，在不同設備廠家使用了各自擴展的信息時，也能保證互操作性。

傳統水電站的不同生產廠家，二次設備之間的互操作性問題，至今仍然沒有得到很好地解決，主要原因是二次設備缺乏統一的信息模型規范和通信標準。為實現不同廠家設備的互連，必須設置大量的規約轉換器，增加了系統復雜度和設計、調試和維護的難度，降低了通信系統的性能。

4.8 進一步提高自動化和管理水平

數字化水電站的采用智能一次設備，所有功能均可遙控實現。通信系統傳輸的信息更完整，通信的可靠性和實時性都大幅度提高。整站因此可實現更多、更復雜的自動化功能，提高自動化水平。一次設備、二次設備和通信網絡，都可具備完善的自檢功能，可根據設備的健康狀況實現狀態檢修。

5 現階段數字化水電站的實現方案探討

由于現階段水電站廣泛使用PLC裝置，其接口方式主要采用Modbus規約，再加上水電站安全規范要求，因此，其規約過渡到IEC 61850還需要一定時間。為此，現階段可以采用過渡方案，系統方案圖如圖1。

圖1 系統方案圖

6 結束語

隨著IEC 61850標準的廣泛應用，以及智能一次設備的不斷推出，加上國內諸多從事水利水電自動化的企業和科研機構不斷探索和研究，必將推動著國內水電站正朝著數字化的方向不斷發展和完善，PLC生產也給從事水電站建設的企業帶來了新的機遇和挑戰。我們相信，通過大家的共同的努力和付出，一座座高質量、高可靠性、高安全性、科技含量較高的水電站將不斷出現。

[1]凌子恕.高壓互感器技術手冊[K].北京：中國電力出版社，2005.

[2]Q/GDW441-2010，智能變電站繼電保護技術規范[S].

[3]張永健.電網監控月調度自動化（第三版）[M].北京：中國電力出版社，2009.