智能化水電站體系架構(gòu)的分析

馮漢夫，李希哲，馬 力，劉 珊，司青花，石 爽 ，張若愚

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;2 西安理工大學(xué),西安 710048；3.太原理工大學(xué)，太原 030024)

0 前 言

面對(duì)如今能源緊缺和環(huán)境污染的雙重壓力，世界各國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)都寄予很大期望。國(guó)網(wǎng)公司也已明確提出“發(fā)展以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征，自主創(chuàng)新、國(guó)際領(lǐng)先的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”，這標(biāo)志著中國(guó)智能電網(wǎng)戰(zhàn)略已經(jīng)全面啟動(dòng)。

水電站作為發(fā)電環(huán)節(jié)的重要部分，其智能化的建設(shè)將是今后的主要發(fā)展方向，同時(shí)，水電站的智能化建設(shè)和改造對(duì)于水電行業(yè)也是刻不容緩的。目前正在運(yùn)行的水電站大都是在智能電網(wǎng)、智能化水電站目標(biāo)提出前就已經(jīng)完成設(shè)計(jì)、建設(shè)并投入運(yùn)行的傳統(tǒng)水電站。因此，水電站的改造建設(shè)也將迎來(lái)智能化大發(fā)展的新機(jī)遇。智能化水電站的建設(shè)目標(biāo)是以加強(qiáng)智能化電網(wǎng)為服務(wù)對(duì)象，以源網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的“無(wú)人值班”(少人值守)模式為基礎(chǔ)，以通信信息平臺(tái)為支撐，具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征，包括水電站的狀態(tài)檢修系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)、大壩觀測(cè)系統(tǒng)、信息統(tǒng)一平臺(tái)、監(jiān)控系統(tǒng)和基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)等各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合的現(xiàn)代水電站。其中，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)縫實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)將為實(shí)現(xiàn)智能水電站的通信信息平臺(tái)提供技術(shù)支持[1]。

1 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC61850是國(guó)際電工委員會(huì)TC57在總結(jié)UCA2.0的美國(guó)經(jīng)驗(yàn)和IEC60870系列標(biāo)準(zhǔn)的歐洲經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的關(guān)于未來(lái)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的通信體系標(biāo)準(zhǔn)，它制定了適合于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)模型、通信服務(wù)和映射等內(nèi)容。同時(shí)IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)配置、通信服務(wù)和映射的方法也可適用于不同類型的電力自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信息模型則與設(shè)備功能和業(yè)務(wù)對(duì)象密切相關(guān)，需要針對(duì)不同的設(shè)備和功能進(jìn)行不同的信息對(duì)象建模，以便能夠適用于其它類型的電力生產(chǎn)自動(dòng)化中[2-3]。

2 與水電站相關(guān)的內(nèi)容

2007年8月頒布的IEC61859-7-410 Communication networks and systems for power utility automation -Part-7-410：Hydroelectric power plants- Communication for monitoring and control(電力自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，第7-410部分：水力發(fā)電廠監(jiān)視和控制用通信)。該標(biāo)準(zhǔn)作為IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)的一部分，它定義了IEC61850用于水電站時(shí)需要的附加公用數(shù)據(jù)種類、邏輯節(jié)點(diǎn)以及數(shù)據(jù)對(duì)象。為智能化水電站的建設(shè)提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的工具，解決了智能化水電站建設(shè)中的互聯(lián)和互操作等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

2012年3月發(fā)布的IEC61850-7-510是水電站監(jiān)控通信標(biāo)準(zhǔn)，它對(duì)如何利用IEC61850-7-410和其他IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的邏輯節(jié)點(diǎn)定義建立水電站(包括抽水蓄能電站)復(fù)雜控制功能的模型提供了說(shuō)明，此標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步規(guī)范、統(tǒng)一智能水電站的建設(shè)[4]。

而IEC61850該部分定義的邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對(duì)象屬于下列應(yīng)用領(lǐng)域：

(1) 電氣功能,包括LN和DO，用于各種控制功能，主要與發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)有關(guān)。這一組里新定義的LN和DO并不是只針對(duì)水電站的，也可用在大型發(fā)電站。

(2) 機(jī)械功能,包括與水輪機(jī)及附屬設(shè)備有關(guān)的功能，原本用在水電站，也可用在其他領(lǐng)域。

(3) 水文功能,包括與水流、大壩和水庫(kù)控制與管理相關(guān)的功能，本來(lái)是水電站的特定功能，但現(xiàn)在有關(guān)水文管理的數(shù)據(jù)類型也可以用在自來(lái)水管理系統(tǒng)。

(4) 傳感器,包括電站需要測(cè)量的特定數(shù)據(jù)[5]。

3 智能化水電站體系結(jié)構(gòu)

3.1 體系結(jié)構(gòu)

智能化水電站的自動(dòng)化體系應(yīng)該是一種無(wú)縫連接的開放式結(jié)構(gòu)，其特征是采用基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)設(shè)備的功能接口抽象和通信的標(biāo)準(zhǔn)化，為自動(dòng)化系統(tǒng)提供了一個(gè)開放的統(tǒng)一平臺(tái)，滿足不同類型監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制與調(diào)節(jié)設(shè)備的集成和交互。

由于水電站內(nèi)控制對(duì)象眾多且過(guò)程控制比較復(fù)雜，通?？紤]選擇分層分布這種集中與分散相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)是比較合適的。智能水電站自動(dòng)化體系的架構(gòu)應(yīng)采用縱向分層、橫向分層的理念，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)橫向集成、縱向貫通、信息共享和交互操作，最終達(dá)到消除通信異構(gòu)和信息孤島的目的。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)應(yīng)是以一體化平臺(tái)為核心，可靠的高速光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)為物理主干，水電標(biāo)準(zhǔn)通信總線為基礎(chǔ)，水電公共信息模型為支撐的面向服務(wù)的分布式結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中定義變電站的信息分層結(jié)構(gòu)的模式，綜合考慮水電站自身的特點(diǎn)，提出智能化水電站的自動(dòng)化體系可按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)水電站自動(dòng)化系統(tǒng)劃分為3層：站控層(廠站控制層)、單元層(單元控制層)和過(guò)程層(過(guò)程控制層)3層。其中，站控層主要包括水電站實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理、水情水調(diào)、水文與氣象、大壩安全監(jiān)測(cè)、機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析、安全防護(hù)、通信系統(tǒng)綜合管理、工業(yè)電視、火災(zāi)報(bào)警和對(duì)時(shí)系統(tǒng)等功能；單元層主要負(fù)責(zé)采集本單元內(nèi)過(guò)程層所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的承上啟下功能，并實(shí)施對(duì)現(xiàn)地設(shè)備的控制、操作(閉鎖、同期等)、保護(hù)及監(jiān)測(cè)等功能；過(guò)程層主要是完成電站現(xiàn)地生產(chǎn)過(guò)程的測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量、狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及其信息數(shù)據(jù)的采集、分配、變換、傳輸?shù)裙δ堋?個(gè)層次之間設(shè)置2個(gè)網(wǎng)絡(luò)：① 單元層設(shè)備和站控層設(shè)備之間設(shè)置MMS(含部分GOOSE)通信規(guī)約的站控層網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)站控層內(nèi)部以及站控層與間隔層之間的數(shù)據(jù)傳輸；② 在單元層設(shè)備和過(guò)程層設(shè)備之間設(shè)置SV和GOOSE通信規(guī)約的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單元層設(shè)備與過(guò)程層設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。詳細(xì)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示[6]。

3.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

IEC61850 作為智能電網(wǎng)重要標(biāo)準(zhǔn)體系已在智能變電站成功運(yùn)用，并取得良好效果，同時(shí)隨著水電站監(jiān)控通信標(biāo)準(zhǔn)IEC61850-7-410、510的發(fā)布，這些將成為智能化水電站建設(shè)數(shù)據(jù)對(duì)象模型的有力標(biāo)準(zhǔn)支撐。

智能化水電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)統(tǒng)一組網(wǎng)采用IEC61850(DL/T 860)通信標(biāo)準(zhǔn)，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)全站各類自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)縫連接的開放式結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)備的功能接口抽象和通信的標(biāo)準(zhǔn)化，為自動(dòng)化系統(tǒng)提供了一個(gè)開放的統(tǒng)一平臺(tái)，滿足不同類型監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制與調(diào)節(jié)設(shè)備的集成和交互。

圖1 智能水電站體系結(jié)構(gòu)圖

在智能水電站中，由于采用了智能設(shè)備直接上網(wǎng)的新型分布式通信模式，突破了傳統(tǒng)模式下現(xiàn)地通信裝置性能和可靠性的系統(tǒng)瓶頸，避免了現(xiàn)地通信裝置失效導(dǎo)致系統(tǒng)整體功能失效的問(wèn)題。因此，從整體角度來(lái)看，這種新型的分布式通信模式與傳統(tǒng)的通信方式相比可靠性更高，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1) 站控層網(wǎng)絡(luò)

站控層網(wǎng)絡(luò)采用滿足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)要求的交互式以太網(wǎng)，主要傳輸MMS報(bào)文和GOOSE報(bào)文，滿足站控層設(shè)備之間、單元層設(shè)備之間以及站控層設(shè)備和單元層設(shè)備之間的信息數(shù)據(jù)互聯(lián)傳輸。

站控層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用1 000 Mbps或更高速度的工業(yè)以太網(wǎng)，采用IEC61850-8-1通信協(xié)議，通信介質(zhì)考慮光纖和雙絞線結(jié)合使用的方式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際狀況選用星形、環(huán)形或綜合性的冗余結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際需要可在不同單元內(nèi)設(shè)置各單元內(nèi)站控層子網(wǎng)(智能化變電站中的間隔層網(wǎng)絡(luò)，也就是在單元內(nèi)設(shè)置子交換機(jī)的概念，其目的就是減少單元層設(shè)備與站控層網(wǎng)中心交換機(jī)直連光纜的數(shù)量和以及中心交換機(jī)端口數(shù)的要求，在常規(guī)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中這種方式也是經(jīng)常采用的)。

圖2 智能水電站3層體系架構(gòu)框圖

根據(jù)橫向安全分區(qū)的要求和規(guī)定，站控層網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)設(shè)備嚴(yán)格劃分為安全Ⅰ區(qū)、安全Ⅱ區(qū)和管理信息大區(qū)3個(gè)大區(qū)。安全Ⅰ區(qū)和安全Ⅱ區(qū)之間設(shè)置硬件防火墻進(jìn)行安全隔離，安全Ⅱ區(qū)和管理信息大區(qū)之間設(shè)置物理隔離設(shè)備進(jìn)行安全隔離，一體化平臺(tái)采用分布式結(jié)構(gòu)，分別布置于3個(gè)大區(qū)。完成相應(yīng)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)監(jiān)控、電站智能決策調(diào)度管理、電站生產(chǎn)信息綜合管理的各項(xiàng)功能。

由于IEC61850主要用于分布式的智能裝置互聯(lián)，因此在智能水電站的站控層管理信息大區(qū)，需要實(shí)現(xiàn)一體化管控系統(tǒng)與工業(yè)電視系統(tǒng)、網(wǎng)管系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等軟件系統(tǒng)的相互通信時(shí)，應(yīng)該選用 IEC61970 標(biāo)準(zhǔn)作為上述多個(gè)系統(tǒng)之間的通信協(xié)議，采用Web Service的方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)之間的信息集成和服務(wù)集成。這些外部接口的通信網(wǎng)關(guān)必須完成IEC61850和IEC61970標(biāo)準(zhǔn)模型轉(zhuǎn)換任務(wù)，即實(shí)現(xiàn)智能化電站系統(tǒng)內(nèi)部的IEC61850 SCL模型轉(zhuǎn)為對(duì)外的IEC61970 CIM模型接口要求。

水電站站控層網(wǎng)絡(luò)與集控中心站控層網(wǎng)絡(luò)之間可直接采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)MMS協(xié)議進(jìn)行通信。水電站計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和流域集控中心計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與上級(jí)電力調(diào)度部門之間的通信協(xié)議應(yīng)遵循IEC 60870-5-104(103)。

站控層設(shè)備宜采用IEC61588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)，亦可采用IRIG-B、1pps對(duì)時(shí)方式。

(2) 過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)

過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)采用滿足IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)要求的交互式以太網(wǎng)，主要傳輸SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文，滿足單元層設(shè)備和過(guò)程層設(shè)備之間的信息數(shù)據(jù)互聯(lián)傳輸。

過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用100 Mbps或更高速度的工業(yè)以太網(wǎng)，采用IEC 61850-9-2和GOOSE通信協(xié)議，通信介質(zhì)考慮光纖和雙絞線結(jié)合使用的方式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際狀況宜選用星形的單網(wǎng)或雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際需要可在單元內(nèi)設(shè)置多個(gè)過(guò)程層子網(wǎng)。

根據(jù)橫向安全分區(qū)的要求和規(guī)定，安全Ⅰ內(nèi)各個(gè)單元內(nèi)實(shí)時(shí)生產(chǎn)監(jiān)控保護(hù)過(guò)程里的監(jiān)控、測(cè)量、保護(hù)、合并單元、智能裝置(終端、組件)等設(shè)備按單元?jiǎng)澐滞ㄟ^(guò)相應(yīng)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)互聯(lián)傳輸，并通過(guò)安全Ⅰ區(qū)內(nèi)站控層網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)備接入一體化平臺(tái)相關(guān)設(shè)備；安全Ⅱ區(qū)中狀態(tài)監(jiān)測(cè)、水情測(cè)報(bào)等獨(dú)立功能系統(tǒng)，要求以IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)接口接入安全Ⅱ區(qū)站控層網(wǎng)絡(luò)，對(duì)安全Ⅱ區(qū)中各獨(dú)立功能系統(tǒng)不再明確規(guī)定過(guò)程網(wǎng)絡(luò)的要求，在滿足IEC 61850系統(tǒng)建模和通信接口要求的基礎(chǔ)上，其系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)實(shí)際需求靈活考慮。

過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)可采用SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)共同組網(wǎng)方式，亦可采用SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)分別獨(dú)立組網(wǎng)的方式。特殊的智能單元、保護(hù)裝置(水電站中機(jī)組事故停機(jī)回路、落進(jìn)水口閘門)與智能終端設(shè)備之間可采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式接入SV數(shù)據(jù)。

單元層和過(guò)程層設(shè)備宜采用IEC61588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)，亦可采用IRIG-B、1pps對(duì)時(shí)方式[7]。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著水電站智能化技術(shù)的不斷完善，越來(lái)越多的水電站相繼啟動(dòng)了智能化建設(shè)的規(guī)劃和試點(diǎn)探索。但水電站智能化研究還處于初級(jí)階段，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范差距較大。作為智能電網(wǎng)的主要標(biāo)準(zhǔn)，隨著IEC61850不斷完善和補(bǔ)充水電站信息建模等相關(guān)內(nèi)容以及在水電站中的適應(yīng)性不斷提高，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將成為智能化水電站的必然選擇。而智能變電站建設(shè)取得的大量成果，也完全可以指導(dǎo)水電站智能化建設(shè)和改造，它們都是電力系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，有很多共同之處，而且智能變電站的技術(shù)基本成熟，已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。中國(guó)智能化水電站的建設(shè)與改造，必定存在一個(gè)不斷探索和創(chuàng)新的過(guò)程。

參考文獻(xiàn):

[1] 馮漢夫,石爽,馬琴,等.智能化水電站建設(shè)的思考[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2010,34(6):1-5.

[2] 馬凱.數(shù)字化保護(hù)動(dòng)模測(cè)試系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].山東大學(xué),2009.

[3] 吳琴芳,陳懇.IEC61850與數(shù)字化變電站的應(yīng)用研究[J].電氣技術(shù),2009,(2):59-62.

[4] 劉書玉,梁國(guó)才.智能水電站應(yīng)用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的探討[C]//中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)自動(dòng)化專委會(huì)換屆大會(huì)暨全國(guó)水電廠自動(dòng)化技術(shù)2012年度學(xué)術(shù)交流研討會(huì)論文集.2012:1-6.

[5] 韓桂芬,袁寧平.IEC 61850與數(shù)字化水電站[C]//2010全國(guó)水電自動(dòng)化技術(shù)學(xué)術(shù)交流研討會(huì)論文集.2010:1-8.

[6] 王德寬,張毅,劉曉波.智能水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)總體構(gòu)想[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2011,35(01):5-9 .

[7] 劉觀標(biāo),李曉斌,李永紅.智能水電廠的體系結(jié)構(gòu)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2011,35(01):1-4 .