倪維東，葛來龍，朱桂權(quán)

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210061）

目前，經(jīng)濟發(fā)達國家大部分技術(shù)及經(jīng)濟可行的水電資源，都得到了有效開發(fā)。然而發(fā)展中國家水電開發(fā)率還很低，尤其是在非洲，開發(fā)率還不到8%。因此，優(yōu)先發(fā)展水電，對全球尤其對發(fā)展中國家是非常重要的。發(fā)展中國家可以以更好的方式發(fā)展水電，利用水電。水電的價格是非常便宜的，而且是可持續(xù)的和低碳環(huán)保的，因此對解決氣候變暖問題和能源供應(yīng)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(wǎng)和變電站技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，水電站也正朝著數(shù)字化的方向發(fā)展。伴隨著各種智能化設(shè)備的發(fā)展、先進網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運用、國際IEC 61850協(xié)議的實施，數(shù)字化的水電站的建設(shè)已基本具備條件。

1 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的特點

IEC 61850是一個關(guān)于變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的國際標(biāo)準(zhǔn)，其目的是使變電站內(nèi)不同廠家的智能電子設(shè)備（IED）之間通過一種標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）實現(xiàn)互操作和信息共享。通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，有效實現(xiàn)互操作性和信息共享，這也是數(shù)字化水電站所必須滿足的，因此，這一標(biāo)準(zhǔn)也代表了數(shù)字化水電站的未來發(fā)展方向。

IEC 61850協(xié)議，是國際電工委員會TC57工作組制定的《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)，是基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，其主要特點為：信息分層、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)對象統(tǒng)一建模、數(shù)據(jù)的自描述、抽象通信服務(wù)接口ACSI等。

IEC 61850協(xié)議將整站分為3層：站控層，間隔層和過程層。

站控層設(shè)備包括監(jiān)控主機、遠動主機、服務(wù)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(nèi)的相關(guān)信息。遠動服務(wù)器等與站外傳輸?shù)男畔⒖赊D(zhuǎn)換為遠動和集控設(shè)備所能接受的協(xié)議規(guī)范，實現(xiàn)監(jiān)控中心遠方控制。

站控層設(shè)備應(yīng)建立在IEC 61850協(xié)議規(guī)范基礎(chǔ)上，具有面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一數(shù)據(jù)建模。與站外接口的設(shè)備如遠動裝置等，應(yīng)能將站內(nèi)IEC 61850協(xié)議轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)規(guī)約格式。所有站控層設(shè)備，均應(yīng)采用以太網(wǎng)，并按照IEC 61850通信規(guī)范，進行系統(tǒng)建模并進行信息傳輸。

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

過程層設(shè)備包括電子式電流、電壓互感器、智能化開關(guān)設(shè)備、智能化發(fā)電機、智能化變壓器等。

輔助設(shè)備包括一些規(guī)約轉(zhuǎn)換設(shè)備（將對不符合IEC 61850協(xié)議的設(shè)備進行規(guī)約轉(zhuǎn)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(shè)備與網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備

2.1 智能化的一次設(shè)備

智能化的一次設(shè)備主要包括：電子式電流/電壓互感器（或光學(xué)互感器）、智能型斷路器/隔離開關(guān)、智能化變壓器、其它數(shù)字化的輔助設(shè)備等；一次設(shè)備智能化后，其接口方式采用符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字輸出，規(guī)范而統(tǒng)一。一次設(shè)備和二次設(shè)備間用光纖傳輸數(shù)字編碼信息的方式，交換采樣值、狀態(tài)量、控制命令等信息。

2.2 二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化

二次設(shè)備間用通信網(wǎng)絡(luò)交換模擬量、開關(guān)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(shù)字化水電站的概念及基本組成

數(shù)字化水電站指信息采集、傳輸、處理、輸出過程完全數(shù)字化的水電站，基本特征為一次設(shè)備智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化、運行管理自動化等。

數(shù)字化水電站誕生的前提，是電子式電流電壓互感器（或光學(xué)互感器）、智能化開關(guān)、智能化變壓器、智能化發(fā)電機、以及相關(guān)在線檢測等技術(shù)發(fā)展到一定程度，水電站的二次側(cè)不再存在有模擬量，所有數(shù)據(jù)均以數(shù)字量的形式，按統(tǒng)一的通信協(xié)議傳輸，站內(nèi)的各個智能設(shè)備之間，具有良好的互操作性。

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

一次設(shè)備實現(xiàn)智能化后，規(guī)范統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)也就成了數(shù)字化水電站的靈魂。一方面，其必須滿足數(shù)字化水電站的通訊需求；另一方面，也必須實現(xiàn)站控層和間隔層設(shè)備數(shù)字化，以及兩層間信息交換的數(shù)字化。

目前我國水電站已基本普及綜合自動化系統(tǒng)。常規(guī)意義的水電站自動化系統(tǒng)的監(jiān)控、遠動、自動安全裝置等三次和二次設(shè)備，已經(jīng)基本采用數(shù)字技術(shù)，但通訊規(guī)約未完全采用IEC 61850接口標(biāo)準(zhǔn)，而是主要采用IEC 60870-5-101/104、Modbus等規(guī)約。為了適應(yīng)數(shù)字化水電站的發(fā)展需求，再加上IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)自身的良好的體系架構(gòu)和可擴展性，其必將在數(shù)字化水電站上廣泛應(yīng)用，為數(shù)字化水電站增添活力。

4 數(shù)字化水電站的優(yōu)點

4.1 高可靠性和安全性

（1）由于采用了智能一次設(shè)備，因此設(shè)備自身具有完善的自檢功能，當(dāng)智能一次設(shè)備異常時將自動發(fā)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(xué)互感器）的應(yīng)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(shè)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(shù)字化水電站的所有信息采用統(tǒng)一的信息模型，按統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)接入整站通信網(wǎng)絡(luò)。整站的保護、測控、計量、監(jiān)控、遠動等系統(tǒng)均用同一個通信網(wǎng)絡(luò)接收電流、電壓和狀態(tài)等信息以及發(fā)出控制命令，不需為不同功能建設(shè)各自的信息采集、傳輸和執(zhí)行系統(tǒng)。

4.3 通信網(wǎng)絡(luò)取代復(fù)雜的控制電纜

數(shù)字化水電站的一次設(shè)備和二次設(shè)備間以及二次設(shè)備之間，均采用計算機通信技術(shù)，一條信道可傳輸多個通道的信息。同時采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通信線的數(shù)量約等于設(shè)備數(shù)量。因此，數(shù)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(shù)字化水電站采用輸出數(shù)字信號的電子式互感器，數(shù)字化的電流電壓信號，在傳輸?shù)蕉卧O(shè)備和二次設(shè)備處理的過程中，均不會產(chǎn)生附加誤差，提升了保護系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和計量系統(tǒng)的系統(tǒng)精度。

例如采用0.2級的TA和TV，傳統(tǒng)水電站由于電纜和電表帶來的附加誤差，計量系統(tǒng)總誤差在±0.7%的水平。而數(shù)字化水電站計量系統(tǒng)的誤差，僅由TA和TV產(chǎn)生，可達到±0.4%的水平。

4.5 提高信號傳輸?shù)目煽啃?/h3>

數(shù)字化水電站的信號傳輸，均用計算機通信技術(shù)實現(xiàn)。通信系統(tǒng)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(tǒng)故障時，可技術(shù)告警。

數(shù)字信號可以用光纖傳輸，從根本上解決抗干擾問題。

傳統(tǒng)水電站一次設(shè)備和二次設(shè)備間，直接通過電纜傳輸沒有校驗信息的信號，當(dāng)信號出錯或電纜斷線、短路時，都難以發(fā)現(xiàn)；而且傳輸模擬信號難以使用光纖技術(shù)，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(shù)字化水電站二次設(shè)備和一次設(shè)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(shè)備的途徑，而且也沒有二次回路兩點接地的可能性。

傳統(tǒng)水電站的二次設(shè)備與一次設(shè)備之間，仍然采用電纜進行連接，電纜感應(yīng)電磁干擾和一次設(shè)備傳輸過電壓，可能引起的二次設(shè)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(yè)的有關(guān)規(guī)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(tài)無法實時檢測，二次回路兩點接地的情況近期仍時有發(fā)生，并對繼電保護產(chǎn)生不良影響，甚至造成設(shè)備誤動作。

4.7 解決設(shè)備間的互操作問題

數(shù)字化水電站的所有智能設(shè)備，均按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)建立信息模型和通信接口，設(shè)備間可實現(xiàn)無縫連接。

數(shù)字化變電站唯一可用的通信標(biāo)準(zhǔn)為IEC 61850。IEC 61850的信息自解釋機制，在不同設(shè)備廠家使用了各自擴展的信息時，也能保證互操作性。

傳統(tǒng)水電站的不同生產(chǎn)廠家，二次設(shè)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(shè)備缺乏統(tǒng)一的信息模型規(guī)范和通信標(biāo)準(zhǔn)。為實現(xiàn)不同廠家設(shè)備的互連，必須設(shè)置大量的規(guī)約轉(zhuǎn)換器，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和設(shè)計、調(diào)試和維護的難度，降低了通信系統(tǒng)的性能。

4.8 進一步提高自動化和管理水平

數(shù)字化水電站的采用智能一次設(shè)備，所有功能均可遙控實現(xiàn)。通信系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒏暾ㄐ诺目煽啃院蛯崟r性都大幅度提高。整站因此可實現(xiàn)更多、更復(fù)雜的自動化功能，提高自動化水平。一次設(shè)備、二次設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)，都可具備完善的自檢功能，可根據(jù)設(shè)備的健康狀況實現(xiàn)狀態(tài)檢修。

5 現(xiàn)階段數(shù)字化水電站的實現(xiàn)方案探討

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

圖1 系統(tǒng)方案圖

6 結(jié)束語

隨著IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)用，以及智能一次設(shè)備的不斷推出，加上國內(nèi)諸多從事水利水電自動化的企業(yè)和科研機構(gòu)不斷探索和研究，必將推動著國內(nèi)水電站正朝著數(shù)字化的方向不斷發(fā)展和完善，PLC生產(chǎn)也給從事水電站建設(shè)的企業(yè)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。我們相信，通過大家的共同的努力和付出，一座座高質(zhì)量、高可靠性、高安全性、科技含量較高的水電站將不斷出現(xiàn)。

[1]凌子恕.高壓互感器技術(shù)手冊[K].北京：中國電力出版社，2005.

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[3]張永健.電網(wǎng)監(jiān)控月調(diào)度自動化（第三版）[M].北京：中國電力出版社，2009.