數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)解決方案研究

王錄永，胡 喆，郗發(fā)剛

（1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(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）

自2006年我國第1座基于IEC61850傳輸協(xié)議的數(shù)字化變電站投運(yùn)以來[1]，數(shù)字化變電站相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅猛，截止2017年底，我國已建成了上千座數(shù)字化變電站，電壓等級(jí)涵蓋110 kV～750 kV。為了響應(yīng)國家建設(shè)智能電網(wǎng)的號(hào)召、彌補(bǔ)當(dāng)前水電站監(jiān)控系統(tǒng)的不足，在數(shù)字化變電站技術(shù)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)也在嘗試數(shù)字化水電站的建設(shè)，如國內(nèi)目前已建成的白山水電站[2-3]、松江河水電站[4]和葛洲壩水電站[5-6]，但由于水電站結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比變電站復(fù)雜，電氣和機(jī)械設(shè)備眾多，白山、松江河、葛洲壩等水電站都處在基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化水電站的研究階段，并未得出完整的數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)解決方案。

1 當(dāng)前水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及不足

1.1 當(dāng)前水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)是水電站自動(dòng)化體系中最為核心的系統(tǒng)，它承擔(dān)著發(fā)電過程自動(dòng)控制、安全監(jiān)視、自動(dòng)處理事故等一系列重要任務(wù)，是整個(gè)電站的大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)。水電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展大致可以劃分為常規(guī)控制裝置系統(tǒng)、常規(guī)控制裝置與計(jì)算機(jī)監(jiān)控并存的系統(tǒng)、全計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)3個(gè)階段。經(jīng)過30多年的發(fā)展，全計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟和穩(wěn)定，已成為我國當(dāng)前水電站監(jiān)控系統(tǒng)的主流，其結(jié)構(gòu)見圖1。

當(dāng)前水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層、分布、開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分為電站控制級(jí)和現(xiàn)地控制級(jí)。電站級(jí)設(shè)備主要包括服務(wù)器、工作站、時(shí)鐘同步裝置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，通常設(shè)置在中控室或計(jì)算機(jī)室；現(xiàn)地控制級(jí)按被控對(duì)象分別設(shè)置現(xiàn)地控制單元（LCU），一般包括機(jī)組LCU、開關(guān)站LCU、廠用電LCU、公用LCU和壩區(qū)LCU，通常布置在被監(jiān)控設(shè)備附近。電站控制級(jí)和現(xiàn)地控制級(jí)之間通過光纖以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。而現(xiàn)地控制級(jí)LCU與電站其他系統(tǒng)如調(diào)速、勵(lì)磁、保護(hù)、直流、輔助控制設(shè)備及CT、PT、現(xiàn)地自動(dòng)化元件間則主要通過電纜硬接線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，通信方式僅作為數(shù)據(jù)采集的備用。

圖1 當(dāng)前水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 當(dāng)前水電站監(jiān)控系統(tǒng)的不足

當(dāng)前水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)水電站的自動(dòng)監(jiān)視與控制[7]，但由于受到系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備元器件技術(shù)發(fā)展的限制以及被監(jiān)控的設(shè)備、自動(dòng)化元件的技術(shù)發(fā)展的制約，當(dāng)前的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存在著以下一些不足：①硬接線方式受制于LCU設(shè)備的采集端口數(shù)量限制，信號(hào)采集不完整；串口通信方式易受電磁干擾可靠性較差，且傳輸速率較慢，不適合于控制信號(hào)的傳輸。②硬接線方式信號(hào)傳輸需要布設(shè)大量的電纜，增加了電站的建設(shè)成本、加大了施工難度，造成電纜的維護(hù)、管理困難。③電站內(nèi)設(shè)備都是各個(gè)廠家在不同時(shí)期各自研發(fā)的，各系統(tǒng)發(fā)展不平衡，通信接口、規(guī)約各異，缺乏統(tǒng)一性，造成設(shè)備間通信困難。④信號(hào)不能共享，各系統(tǒng)分別采集各自需要的信號(hào)，如互感器、斷路器位置、導(dǎo)葉位置、機(jī)組轉(zhuǎn)速等，造成現(xiàn)地設(shè)備的重復(fù)設(shè)置。數(shù)字化水電廠的建設(shè)則能很好的解決以上問題。

2 IEC61850與數(shù)字化水電站

IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)是由國際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員會(huì)（IEC TC57）制定發(fā)布的，它規(guī)范了變電站內(nèi)智能電子設(shè)備（IED）之間的通信行為和相關(guān)的系統(tǒng)要求，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于我國數(shù)字化變電站、智能變電站的建設(shè)當(dāng)中。2007年IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中新增了IEC61850-7-410、510兩個(gè)部分，是專門針對(duì)水電行業(yè)發(fā)布的，IEC61850-7-410全稱為《水力發(fā)電廠監(jiān)視與控制用通信》，規(guī)定了水電廠監(jiān)視和控制的共用數(shù)據(jù)類、邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對(duì)象，IEC61850-7-510《水力發(fā)電廠建模原理與應(yīng)用指南》，解釋了如何利用完整的IEC61850中的邏輯節(jié)點(diǎn)和信息交換服務(wù)來描述水電廠的控制系統(tǒng)及其他功能和生產(chǎn)的信息、以及相互之間交換的信息。

數(shù)字化水電站是指以主要機(jī)電設(shè)備為數(shù)字化對(duì)象，按照站控層、單元層、過程層3層構(gòu)建，以網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用IEC61850數(shù)據(jù)建模和通信服務(wù)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)測信號(hào)、控制信號(hào)的數(shù)字化采集、傳輸、處理和數(shù)據(jù)共享，達(dá)到信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡(luò)化、集成標(biāo)準(zhǔn)化的水電站。

數(shù)字化水電站中信息的采集、傳輸、處理、輸出過程應(yīng)完全數(shù)字化[7]，信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)以數(shù)字量方式傳輸。數(shù)字化水電站要求監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備具有數(shù)字化接口，同時(shí)具備全網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)電站智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備、數(shù)字化現(xiàn)地元件的信息共享、交互傳輸要求。

3 數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解決方案

水電站與變電站有許多共性之處，借鑒數(shù)字化變電站的成熟經(jīng)驗(yàn)，數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)按照3層2網(wǎng)來構(gòu)建，3層指站控層、單元層和過程層，2網(wǎng)指站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)。按照IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)的特性，在站控層設(shè)置MMS網(wǎng)絡(luò)，供站控層設(shè)備與單元層設(shè)備之間數(shù)據(jù)交互使用，在過程層設(shè)置GOOSE、SV網(wǎng)，供單元層設(shè)備與過程層設(shè)備之間數(shù)據(jù)交互使用。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，減少鏈路承載的數(shù)據(jù)量，站控層MMS網(wǎng)和過程層GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)均應(yīng)采用冗余網(wǎng)絡(luò)，且3種網(wǎng)絡(luò)之間相互獨(dú)立，其中SV網(wǎng)專供電壓、電流互感器數(shù)據(jù)傳輸使用。

根據(jù)水電站的特點(diǎn)，按照不同的受控對(duì)象，GOOSE、SV網(wǎng)應(yīng)劃分為不同網(wǎng)段，即機(jī)組GOOSE、SV網(wǎng)以及開關(guān)站GOOSE、SV網(wǎng)。機(jī)組GOOSE、SV網(wǎng)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)組范圍內(nèi)單元層設(shè)備之間、單元層設(shè)備與過程層設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，開關(guān)站GOOSE、SV網(wǎng)用于實(shí)現(xiàn)開關(guān)站范圍內(nèi)單元層設(shè)備之間、單元層設(shè)備與過程層設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。廠用電、公用及壩區(qū)范圍設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，不需設(shè)置單獨(dú)的過程層GOOSE、SV網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)設(shè)備與監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互直接由站控層MMS網(wǎng)完成。數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)字化水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字化水電站單元層應(yīng)設(shè)置機(jī)組LCU，用于實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)正常開機(jī)、停機(jī)及事故停機(jī)流程等功能，與站控層設(shè)備的通信通過MMS網(wǎng)來完成，與順控流程相關(guān)的重要狀態(tài)信號(hào)采集和控制命令的發(fā)布均通過GOOSE網(wǎng)或SV網(wǎng)來完成。

調(diào)速器、勵(lì)磁、保護(hù)、直流、輔助設(shè)備控制、閘門控制等系統(tǒng)均采用支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的PLC或ARM等智能控制器為核心元件，智能化程度已經(jīng)大大提高，能獨(dú)立完成本系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)視與控制（包括有功、無功的閉環(huán)控制），無需LCU輔助，故將這些系統(tǒng)提升至單元層；開關(guān)站與廠用電部分在設(shè)備類型、運(yùn)行方式等方面與變電站基本一致，可以借鑒數(shù)字化變電站的成熟經(jīng)驗(yàn)，通過在單元層設(shè)置智能測控單元[8]與保護(hù)測控一體化裝置[9]來完成此部分設(shè)備的監(jiān)視和控制。上述結(jié)構(gòu)變化減輕了機(jī)組LCU負(fù)擔(dān)，同時(shí)不需要在單獨(dú)設(shè)置開關(guān)站LCU、公用LCU、廠用LCU和壩區(qū)LCU。

數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前水電站監(jiān)控系統(tǒng)相比，其性質(zhì)已發(fā)生了變化。當(dāng)前水電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)僅站控層設(shè)置冗余以太網(wǎng)，供監(jiān)控系統(tǒng)所屬設(shè)備自用；而數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)包括站控層網(wǎng)絡(luò)（MMS網(wǎng)）和過程層網(wǎng)絡(luò)（GOOSE、SV網(wǎng)），供勵(lì)磁、調(diào)速、保護(hù)、智能測控單元等單元層設(shè)備和合并單元[10]、智能終端[11]等過程層設(shè)備共用。

4 數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備解決方案

4.1 站控層監(jiān)控設(shè)備

站控層監(jiān)控設(shè)備主要包括服務(wù)器（工作站）、同步時(shí)鐘系統(tǒng)、MMS網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等，其中服務(wù)器（工作站）應(yīng)接入MMS雙網(wǎng)中，選型與當(dāng)前水電站設(shè)備沒有區(qū)別。

4.1.1 同步時(shí)鐘系統(tǒng)

數(shù)字化水電站站控層設(shè)備可采用NTP對(duì)時(shí)方式，單元層和過程層則采用光纖B碼方式對(duì)時(shí)，對(duì)不具備光纖B碼方式對(duì)時(shí)的設(shè)備可以采用電B碼或脈沖等方式對(duì)時(shí)。對(duì)時(shí)時(shí)鐘主機(jī)應(yīng)冗余設(shè)置，其中至少1臺(tái)必須為北斗衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)，當(dāng)對(duì)時(shí)設(shè)備較多且布置區(qū)域分散時(shí)，可設(shè)置兩級(jí)時(shí)鐘，一級(jí)主時(shí)鐘布置在中控室，二級(jí)分時(shí)鐘按區(qū)域設(shè)置，可布置在各機(jī)組單元、開關(guān)站范圍、公用設(shè)備范圍、廠用電范圍、壩區(qū)范圍等區(qū)域，一、二級(jí)時(shí)鐘通過光纖連接（圖 3）。

圖3 數(shù)字化水電站一、二級(jí)時(shí)鐘系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖

4.1.2 MMS網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)

站控層MMS網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)應(yīng)冗余配置，推薦采用3層以太網(wǎng)交換機(jī)，除完成站控層設(shè)備與單元層設(shè)備的數(shù)據(jù)交換外，還便于完成監(jiān)控系統(tǒng)安全I(xiàn)區(qū)、安全I(xiàn)I區(qū)及信息管理大區(qū)之間的信息交互。交換機(jī)按需配置光口和電口，供不同設(shè)備使用，單臺(tái)交換機(jī)端口不足時(shí)可采用千兆端口進(jìn)行級(jí)聯(lián)擴(kuò)展。交換機(jī)應(yīng)具備網(wǎng)管功能，能支持廣播風(fēng)暴抑制、組播風(fēng)暴抑制和未知單播風(fēng)暴抑制功能，同時(shí)應(yīng)支持VLAN功能且VLAN的個(gè)數(shù)不少于4096個(gè)。交換機(jī)需具備對(duì)時(shí)功能，以滿足數(shù)字化水電站的需求。

4.2 單元層監(jiān)控設(shè)備

單元層監(jiān)控設(shè)備主要包括機(jī)組LCU、同期裝置等，對(duì)上接入MMS雙網(wǎng)中，對(duì)下按需接入GOOSE、SV雙網(wǎng)中。

4.2.1 機(jī)組 LCU

機(jī)組LCU作為單元層的核心設(shè)備，承擔(dān)著機(jī)組正常開停機(jī)流程及事故停機(jī)流程的執(zhí)行、斷路器等開關(guān)的防誤閉鎖、現(xiàn)地設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視及邏輯控制等任務(wù)，特別是事故停機(jī)流程作為保護(hù)水輪發(fā)電機(jī)組的一道重要屏障，關(guān)系到整個(gè)電站的運(yùn)行安全，因此其運(yùn)行的可靠性極為重要。

數(shù)字化水電站中的機(jī)組LCU應(yīng)采用冗余設(shè)置的PLC作為其主控制器，PLC必須支持IEC61850 MMS網(wǎng)及GOOSE網(wǎng)的信息采集及命令發(fā)布，最好同時(shí)也能支持SV網(wǎng)的信息采集。機(jī)組LCU的信息采集和控制命令的發(fā)布全部通過網(wǎng)絡(luò)完成，內(nèi)部不需要配置開關(guān)量和模擬量的輸入輸出模塊和交流采樣裝置。機(jī)組LCU內(nèi)部交換機(jī)需支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，可采用2層以太網(wǎng)交換機(jī)，全光口配置，其他參數(shù)應(yīng)與MMS網(wǎng)主交換機(jī)一致。

4.2.2 同期裝置

數(shù)字化水電站機(jī)組部分同期功能可采用全數(shù)字化同期裝置來完成。全數(shù)字化同期裝置支持接收SV報(bào)文，可實(shí)現(xiàn)PT模擬量的數(shù)字化采樣；支持?jǐn)嗦菲魑恢?、?合閘命令、調(diào)頻/調(diào)壓令等開關(guān)量的GOOSE報(bào)文接收和發(fā)送；支持與站控層MMS網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)遙控、遙測、遙信功能。開關(guān)站部分的同期功能可借鑒數(shù)字化變電站經(jīng)驗(yàn)，采用測控裝置來完成，不需要單獨(dú)設(shè)置同期裝置。

4.3 過程層設(shè)備

過程層監(jiān)控設(shè)備僅包括GOOSE、SV網(wǎng)交換機(jī)，推薦采用支持IEC61850 GOOSE報(bào)文和SV報(bào)文傳輸?shù)?層以太網(wǎng)交換機(jī)，采用全光口配置，交換機(jī)端口不足時(shí)可采用級(jí)聯(lián)或堆疊方式進(jìn)行擴(kuò)展，其他要求可參考MMS網(wǎng)交換機(jī)。

5 結(jié)束語

當(dāng)前水電站監(jiān)控系統(tǒng)電站控制級(jí)設(shè)備與現(xiàn)地控制級(jí)設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸已普遍采用了光纖通信，但與其他機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸仍以電纜為主，存在著大量模擬量信號(hào)。數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)要解決的核心問題是實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字化。IEC61850規(guī)范為數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)設(shè)備之間的通信提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使數(shù)字化水電站內(nèi)的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)得以高效、靈活的傳輸和共享，很好地解決了不同廠家產(chǎn)品的一致性和互操作性問題，大大減少了電站電纜的使用。本文提出的數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更加扁平，單元層LCU的簡化設(shè)置使設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸更加簡潔、高效，在保證可靠性和適用性的前提下，減少了系統(tǒng)設(shè)備和電纜使用量，節(jié)約了成本，同時(shí)IEC61850網(wǎng)絡(luò)的引入也使數(shù)據(jù)的采集更加完整，系統(tǒng)抗干擾能力增強(qiáng)，很好地彌補(bǔ)了當(dāng)前水電站監(jiān)控系統(tǒng)的不足，具有很大的推廣和實(shí)用價(jià)值。