基于IEC 61850標準的傳統水電站智能化改造關鍵技術研究

李忠明，龐敏，袁珂俊，倪維東，高志勇

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210003)

0 引言

國家電網公司提出“發展以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強電網為基礎，以信息化、自動化、互動化為特征，自主創新、國際領先的堅強智能電網”，標志著國內智能電網戰略全面啟動。大力開發水電、風電、太陽能等清潔能源是智能電網的重要特征，因此，水電站的建設與管理也將迎來智能化大發展的嶄新機遇［1］。

水電站是電網發電環節的重要組成部分，在智能電網規劃和發展的統一要求下，其智能化建設將是今后的主要發展方向和全新的目標;同時，水電站智能化對于水電行業建設也是一項刻不容緩的重要工作［2］。目前正在運行的水電站大都是在智能電網、智能化水電站目標提出前就已經完成設計、建設并已投入運行的傳統水電站，因此，如何在最大限度地保護既有投資的前提下進行傳統水電站的智能化改造，是一個值得研究和討論的課題。

1 智能化水電站的技術要求

智能化水電站是在研究和總結水電樞紐(流域)工程變化特征的基礎上，結合國內水電站監控系統成熟的開發和使用經驗，以架構安全、穩定、高效的網絡平臺、實時數據平臺、大型數據庫平臺、數據服務平臺為核心的大型通用平臺軟件，集生產過程監控、運行維護管理、設備故障診斷、輔助決策分析等電力專用軟件為一體，采用國際(國家)標準接口靈活地插接各種不同的專業應用子系統，實現同一節點不同軟件的集成、不同節點不同軟件的集成。它可以為企業生產運行管理各環節的綜合需求提供基于統一信息平臺的解決方案［3－4］。

實現一體化的平臺必須基于統一的數據模型來交換數據，IEC 61850標準很好地滿足了這個要求。尤其是IEC 61850－7－410—2007《電力公用事業自動化用通信網絡和系統》規范了水電站中的核心設備如機組、勵磁、渦輪機、水庫、大壩和傳感器等的模型。通常水電站的占地面積較大，不同機組的采集與控制系統需要大量的電纜相互連接。在水電站采用IEC 61850通信技術，通過信號的現地采集和光纖傳輸，能提高二次回路的可靠性，提高經濟效益和設備使用效益［5］。

智能電網統一要求下的智能化水電站將在以下幾個方面出現全新的轉型和重大變革［2］:

(1)信息采集方式全面化、數字化、網絡化的轉型，為電站上層分析和功能控制管理系統提供全面、詳盡以及標準化的基礎信息數據。這是智能水電站建設的基礎環節。

(2)在保證電站各自動化子系統先進性的前提下，對各系統提出統一的系統建模、數據定義和標準通信模式等要求，構建高速、標準的網絡，實現各系統之間無縫通信、信息數據完全共享和深層次的互動，為電站綜合分析、智能決策、調度管理等后臺高級應用功能的實現創造良好的環境和條件。這是智能水電站建設的重要條件。

(3)智能化水電站的自動化體系結構將發生較大的變化，電站將形成以綜合數據信息共享平臺和綜合智能決策管理系統為核心的高度集成和一體化的全廠智能控制中心(將取代傳統水電站以計算機監控系統上位機為核心的中控室集控模式)，實現電站統一、整體、科學化和智能化的運行管理模式，為電站經濟運行、節能增效、安全生產、科學管理提供有力保障。這是智能水電站建設的核心內容，也是現代化水電站的發展趨勢。

因此，智能化水電站必然選擇IEC 61850標準建模和通信，以實現水電站的智能化，IEC 61850作為IEC標準組織力推的電力系統無縫通信系統的統一傳輸協議，也必將應用于智能化水電站的建設［6］。

2 傳統水電站的現狀

為了檢修維護的方便，早期的水電站自動化系統以發電機組為單元，將數據采集與控制集成到一臺計算機或可編程邏輯控制器(PLC)中，構成了現地控制單元(LCU)。LCU無法直接接入以太網，而且計算機非常昂貴，不能給每臺LCU都配備CPU接入以太網，因此，只能將計算機作為前置機以實現網絡通信。自20世紀90年代國內首次將PLC應用于大型水電站作為監控設備以來，國內外各品牌的PLC在水電站的應用越來越廣泛，現在已成為水電站LCU的主流核心控制平臺［7］。

PLC或LCU等通過現場總線與基礎層的智能I/O設備、智能儀表和遠程I/O等相連接，構成現地控制子系統，并與廠級系統結合形成整個控制系統。對于大多數的工業化PLC產品，無論定位于高端應用還是低端應用，考慮到PLC高效快速通信的需求，它們與廠級系統通常都采用基于四遙方式的、較精簡的協議通信。其中，Modbus規約是主流，Modbus規約完全開放的特點成就了其靈活性和廣泛的適用性，但同時也導致各個廠家的Modbus規約各有不同，如功能碼的選用、遙控選擇和事件順序記錄(SOE)時標等特殊功能的實現方式等，使得系統集成時的互操作性問題越來越突出。同時，某些型號的PLC產品選用的是與Modbus規約類似的私有規約。因此，以上這些PLC產品與廠級系統的通信規約都需進行特定的開發［8－10］。

水電站內的智能設備如調速器、勵磁裝置、發電機保護裝置、溫度巡檢裝置、交流采樣裝置、碟閥裝置、調速器油泵、智能電表、直流系統、主變壓器保護裝置、線路保護裝置和電氣系統等都需要連入中央監控系統，生產這些設備的廠家眾多，通信方式、通信協議千差萬別，牽涉的通信問題也較多，監控廠家在現場將很多精力放在了與智能設備的互聯上。如果每種通信都需要在后臺監控系統中編寫相應的通信協議，則很不利于系統穩定運行。目前在常見的水電站系統模式中，通常采用的做法主要是在LCU柜上設置前置機來負責與各類智能設備通信，或是設置通信管理機，負責與各類智能設備通信并完成協議的轉換工作［5］。

3 智能化改造中IEC 61850的實現方法

傳統水電站智能化改造的關鍵在于:基于傳統水電站的技術現狀，選擇合適的系統架構，穩妥可靠地實現IEC 61850建模和通信。

3.1 系統架構

為了保證傳統水電站原有設備的穩定運行，原運行的機組LCU、公用LCU、開關站LCU等與機組控制、勵磁裝置、調速裝置、公用輔機控制、閘門控制、通風控制和開關站就地設備等的通信方式保持不變，針對各LCU及智能通信設備，分別增設對應的IEC 61850智能化通信服務器，負責與LCU柜內PLC以及其他各種智能設備通信，完成符合IEC 61850標準的設備語義建模，并以IEC 61850方式與梯級水電站智能化集控中心(梯調主站系統)通信。智能化改造系統架構如圖1所示。

圖1 智能化改造系統架構圖

3.2 設備建模

參考IEC 61850－7－410—2007《電力公用事業自動化用通信網絡和系統》對水電站建模的定義，在智能化水電站中可應用的邏輯節點和數據對象可分為以下4 組［11］:

(1)電氣功能。包括的邏輯節點已在 IEC 61850標準中定義，根據水電站的應用需要進行了增加或修改，其定義的新的邏輯節點并非只針對水力發電廠。

(2)機械功能。包括水輪機和相關設備的功能。這部分新增邏輯節點是為水電廠的應用而準備的，對其修改可以滿足其他類型發電廠的需求。

(3)水文功能。包括與水流量、控制以及水庫、大壩管理有關的對象。雖然它指定用于水電廠，但其定義的邏輯節點也可用于其他類型公用事業的水管理系統。

(4)傳感器。對于發電廠來說，除了電氣數據以外，還需要傳感器測量其他數據。

具體到傳統水電站智能化改造中各個智能化通信服務器的建模，針對所接入的智能裝置，可應用到的邏輯節點歸納如下:

(1)機組LCU智能化通信服務器主要可應用的邏輯節點有:水電發電單元HUNT、速度監測HSPD、導葉HTGV、水壓力監督SPRS、滲漏監督HLKG、水輪發電機軸承HBRG、電力制動HEBR、通用火災檢測與報警功能IFIR等。

(2)公用LCU智能化通信服務器主要可應用的邏輯節點有:水壓力監督SPRS、水壩水位表HLVL、通用物理人機接口IHND、開關控制器CSWI、同期檢查或同期RSYN。此外，由于公用LCU包含一些暫時無法準確建模的信息，可使用通用過程I/O邏輯節點GGIO建模。

(3)開關站LCU智能通信服務器、開關站保信子站智能化通信服務器的建模基本與智能變電站的模型相同，智能變電站的建模已有很多成功的工程應用，可直接參考。

(4)狀態監測智能化通信服務器的建模可參考智能變電站的在線監測建模的相關工程應用規范。可應用的邏輯節點主要有:滲漏監督HLKG、油中氣體在線監測SIML、局部放電在線監測SPDC、避雷器在線監測ZSAR和氣體在線監測SIMG等。

(5)大壩監測智能化通信服務器主要可應用的邏輯節點有:水壩HDAM、大壩滲漏監測HDLS、水位的監督SLEV、媒質流監測SFLW等。

(6)水情水文智能化通信服務器主要可應用的邏輯節點有:水壓力監督SPRS、水位監督SLEV、媒質流監測SFLW等。其他如降水、蒸發等信息目前尚無建模標準，可使用通用過程I/O邏輯節點GGIO建模。

3.3 主站通信

實現智能化水電站與主站通信的關鍵技術是如何將通信接入的LCU中PLC或其他智能裝置的四遙數據點與其對應的裝置模型之間建立語義關聯。

模型與裝置數據點建立語義關聯的流程如圖2所示。首先對接入的實際智能裝置的四遙點在配置數據庫中進行點名規范，形成語義化的裝置四遙數據點點名;再將ICD文件形式的裝置模型中的數據點對象(DO)添加語義化點名描述，形成CID文件，并使用CID文件中數據集名與裝置數據庫數據類型映射的方法自動生成與裝置模型等價的模型四遙語義化點表［12－14］;最后由模型語義匹配模塊對裝置模型邏輯設備四遙點和實際裝置四遙點進行分類型的點名逐點匹配，形成模型數據點對象與實際裝置數據點的匹配關系文件，作為IEC 61850通信程序運行時的初始化信息。

圖2 模型與數據點的關聯定義圖

在實際工程中，由于PLC或智能裝置接入的數據點很多(一般可達到數千個數據點)，因此，工程中必須以簡明扼要的多視圖表格方式展示DO數據點與實際點的匹配結果，以方便工程現場排查錯誤。

匹配結果展示視圖需考慮如下2點:

(1)可對各類型的四遙數據以簡明可讀的形式展示可能的匹配結果，對3種可能的匹配結果(包括匹配成功數據點、模型DO備用對象以及實際裝置通信備用點等)進行分組展示。

(2)匹配結果的展示方式可以由工程人員自由選擇，可按照實際裝置四遙點的順序表格方式展示，也可按照IEC 61850模型固有的樹形層次方式展示。

IEC 61850通信轉出模塊最終實現的軟件結構如圖3所示。IEC 61850通信轉出模塊通過系統實時庫獲取遙信、遙測或下發遙控、遙調等四遙數據，同時使用CID文件形成裝置運行時的IEC 61850模型數據結構，并基于系統組態配置時生成的模型DO與數據點匹配關系文件實現實時庫四遙點與模型對象的雙向映射，實現與梯級水電站智能化集控中心的基于IEC 61850模型的IEC 61850通信。

圖3 軟件結構圖

4 結束語

本文介紹的水電站智能化的實現方法以及智能化通信服務器裝置已在松江河流域水電站的智能化改造工程中實際投入運行，取得了較好的效果。

由于水電站智能化改造目前仍處于起步階段，雖有相關國際標準以及國內智能電網標準體系可支撐，但具體的、可操作性強的工程實施規范仍比較欠缺。水電站智能化改造的工程實施規范至少需要考慮如下幾個方面:

(1)水情水文相關的(如降水、蒸發等)信息以及水電站的部分公用信息，目前尚無相關建模標準可適用，需考慮擴充模型進行規范。

(2)目前國內智能變電站的建設已經取得了比較豐富的經驗，可對水電站智能化建設提供較好的借鑒和指導作用。例如，智能變電站的IEC 61850工程實施規范中對IEC 61850模型中數據模板的選用、數據集的命名、報告是否緩存以及通信時的報告實例化方式和雙網切換的模式等都作了詳盡而又合理的規范［14］，水電站智能化改造的工程實施規范可引用、參考。

(3)智能變電站的基于站內IEC 61850 SCD文件的源端維護也已比較成熟［15－16］，為減少智能化梯級水電主站系統與IEC 61970相關的配置工作量，在進行水電站智能化改造時所生成的SCD文件也有必要強制要求其中SSD部分的一次設備拓撲連接關系的建模;同時，由于IEC 61850標準2.0版中SSD部分的定義已與IEC 61970標準的公共信息模型進行了協調，因此也具備了技術條件，可以更好地實現智能化水電站的源端維護。

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