王德寬

(北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038)

IEC61850及數(shù)字化水電廠的概念與前景

王德寬

(北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038)

從什么是數(shù)字化變電站開始，簡(jiǎn)要介紹數(shù)字化變電站的結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)及存在問題，延伸到什么是數(shù)字化水電站以及其國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。作者認(rèn)為，基于IEC61850的數(shù)字化水電站將具有十分強(qiáng)大的生命力，將成為未來(lái)水利水電自動(dòng)化的主導(dǎo)技術(shù)。

IEC61850；數(shù)字化；智能化；水電廠；概念；前景

0 引言

2006年，美國(guó)IBM公司曾與全球電力專業(yè)研究機(jī)構(gòu)、電力企業(yè)合作開發(fā)了“智能電網(wǎng)”解決方案。這一方案被形象比喻為電力系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，電力公司可以通過使用傳感器、計(jì)量表、數(shù)字控件和分析工具，自動(dòng)監(jiān)控電網(wǎng)，優(yōu)化電網(wǎng)性能、防止斷電、更快地恢復(fù)供電，消費(fèi)者對(duì)電力使用的管理也可細(xì)化到每個(gè)聯(lián)網(wǎng)的裝置。這個(gè)可以看作智能電網(wǎng)最完整的一個(gè)解決方案，標(biāo)志著智能電網(wǎng)概念的正式誕生。

2007年10月，華東電網(wǎng)正式啟動(dòng)了智能電網(wǎng)可行性研究項(xiàng)目，并規(guī)劃了從2008年至2030年的“三步走”戰(zhàn)略。該項(xiàng)目的啟動(dòng)標(biāo)志著中國(guó)開始進(jìn)入智能電網(wǎng)領(lǐng)域。

2008年9月Google谷歌與GE聯(lián)合發(fā)表聲明對(duì)外宣布，他們正在共同開發(fā)清潔能源業(yè)務(wù)，核心是為美國(guó)打造國(guó)家智能電網(wǎng)。2009年2月10日，谷歌開始測(cè)試名為谷歌電表的用電監(jiān)測(cè)軟件。

美國(guó)奧巴馬政府2009年4月宣布了一項(xiàng)新提議，計(jì)劃劃撥約40億美元的刺激資金用于開發(fā)新的電力傳輸技術(shù)，希望推動(dòng)新的人工智能電網(wǎng)的開發(fā)，提高美國(guó)電力基礎(chǔ)設(shè)施的效率。

智能電網(wǎng)、數(shù)字電網(wǎng)正方興未艾，熱火朝天，引發(fā)了一場(chǎng)當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展巨大變革，并被認(rèn)為是21世紀(jì)電力系統(tǒng)的重大科技創(chuàng)新和發(fā)展趨勢(shì)。這場(chǎng)變革的核心是電力系統(tǒng)設(shè)施的智能化和數(shù)字互聯(lián)，關(guān)鍵技術(shù)是互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上先后也有許多通信接口標(biāo)準(zhǔn)不斷引入國(guó)內(nèi)，但沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電力行業(yè)乃至社會(huì)生活的影響如此之大，帶動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的思想變革和技術(shù)變革。

本文試圖從什么是數(shù)字化變電站開始，簡(jiǎn)要介紹數(shù)字化變電站的結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)及存在問題，延伸到什么是數(shù)字化水電站以及其國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。筆者認(rèn)為，基于IEC61850的數(shù)字化水電站具有十分強(qiáng)大的生命力，將成為未來(lái)水利水電自動(dòng)化的主導(dǎo)技術(shù)。

1 什么是數(shù)字化變電站

互操作問題是變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展到今天面臨需要解決的主要問題之一。以前由于沒有一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家的設(shè)備和系統(tǒng)往往使用不同的網(wǎng)絡(luò)、通信協(xié)議和信息描述方法，導(dǎo)致變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中不同廠家設(shè)備之間無(wú)法進(jìn)行互操作。必須使用種類繁多的協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，才能集成為一個(gè)系統(tǒng)。這種情況在國(guó)內(nèi)外普遍存在。協(xié)議轉(zhuǎn)換器的存在，使得系統(tǒng)集成周期長(zhǎng)、系統(tǒng)集成費(fèi)用高、系統(tǒng)可靠性降低、后期維護(hù)不方便。

為了解決互操作問題，IECTC57花了10年時(shí)間起草了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)2004年正式發(fā)布。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一了信息模型和訪問服務(wù)，使不同廠家的設(shè)備可以直接實(shí)現(xiàn)互操作，取消了站內(nèi)的協(xié)議轉(zhuǎn)化器。解決了互操作問題，實(shí)現(xiàn)了“一個(gè)世界，一種技術(shù)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)”的目標(biāo)，簡(jiǎn)化了變電站內(nèi)部信息共享。由于IEC61850規(guī)范了工程數(shù)據(jù)格式SCL（變電站配置語(yǔ)言），支持IEC61850的不同廠家都支持SCL，使得不同廠家的工程工具可以自動(dòng)處理并自由交換數(shù)據(jù)，工程實(shí)施變得簡(jiǎn)單。后期維護(hù)和擴(kuò)建都變得比較容易。

（1）光電互感器的應(yīng)用，避免了油和SF6互感器的滲漏問題，很大程度上減少了運(yùn)行維護(hù)的工作量，不再受滲漏油的困擾，同時(shí)提高了安全性。

IEC61850技術(shù)將成為電力系統(tǒng)信息技術(shù)的基礎(chǔ)，對(duì)電力自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。目前IEC61850技術(shù)在變電站層和間隔層的技術(shù)已經(jīng)成熟，已經(jīng)到了批量推廣的時(shí)機(jī)。

數(shù)字化變電站的主要特征是“一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化”。在數(shù)字化變電站中，一次設(shè)備的信號(hào)輸出和控制輸入均被數(shù)字化，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行傳輸，變電站二次回路設(shè)計(jì)中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程軟件代替，常規(guī)的模擬信號(hào)被數(shù)字信號(hào)代替，常規(guī)的控制電纜被光纜代替，節(jié)約了大量資源，簡(jiǎn)潔的二次回路設(shè)計(jì)使變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性得到進(jìn)一步提高。數(shù)字化變電站中信息統(tǒng)一建模，實(shí)現(xiàn)了信息共享，可以使變電站控制功能更加優(yōu)化。一次設(shè)備智能化也節(jié)約了大量變電站建設(shè)用地。因此，建設(shè)數(shù)字化變電站無(wú)論從技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上都很有意義。

整形修剪：對(duì)于樹苗的定干高度，棚內(nèi)前部樹低些，后部的樹高些。樹形最好沿東西向各培養(yǎng)一個(gè)主枝，形成“丫”字形。通過修剪，建造通風(fēng)透光的樹體結(jié)構(gòu)，使樹冠中各類枝條均勻分布。在樹的生長(zhǎng)季節(jié)，注意樹的摘心，疏除直立旺枝、密生枝、剪鋸口處萌芽生枝，使樹冠內(nèi)光照分布合理，而且充足，防止枝條重疊、擁擠、零亂，造成樹冠郁閉。

2 數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)

數(shù)字化變電站是由智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備在IEC61850通信協(xié)議基礎(chǔ)上分層構(gòu)建，能夠?qū)崿F(xiàn)智能設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。與常規(guī)變電站相比，數(shù)字化變電站間隔層和站控層的設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)接口只是接口和通信模型發(fā)生了變化，而過程層卻發(fā)生了較大的改變，由傳統(tǒng)的電流、電壓互感器、一次設(shè)備以及一次設(shè)備與二次設(shè)備之間的電纜連接，逐步改變?yōu)殡娮邮交ジ衅?、智能化一次設(shè)備、合并單元、光纖連接等內(nèi)容。

IEC61850將數(shù)字化變電站分為過程層、間隔層和站控層如圖1所示，各層內(nèi)部及各層之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信。整個(gè)系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)可以分為：站控層和間隔層之間的間隔層通訊網(wǎng)、以及間隔層和過程層之間的過程層通訊網(wǎng)。

圖1 數(shù)字化變電站的層次結(jié)構(gòu)

一次設(shè)備中被檢測(cè)的信號(hào)回路和被控制的操作驅(qū)動(dòng)回路都采用微處理器和光電技術(shù)的設(shè)計(jì)，這使常規(guī)機(jī)電式繼電器及控制回路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了，傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接被數(shù)字程控器及數(shù)字公共信號(hào)網(wǎng)絡(luò)所取代?？删幊炭刂破鞔媪俗冸娬径位芈分谐Ｒ?guī)的繼電器和其邏輯回路，常規(guī)的強(qiáng)電模擬信號(hào)和控制電纜被光電數(shù)字和光纖代替。

數(shù)字化水電站是指在隨著電子式電流電壓互感器、智能化開關(guān)、在線檢測(cè)等技術(shù)的發(fā)展，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(gè)智能設(shè)備之間具有良好的互操作性。

3 數(shù)字化變電站的技術(shù)特點(diǎn)

3.1 一次設(shè)備的智能化

站控層通信全面采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)控后臺(tái)、遠(yuǎn)動(dòng)通信管理機(jī)和保護(hù)信息子站均可直接接入IEC61850裝置。同時(shí)提供了完備的IEC61850工程工具，用以生成符合IEC61850-6規(guī)范的SCL文件，可在不同廠家的工程工具之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互。

尤其是電子式互感器的應(yīng)用，克服了傳統(tǒng)互感器絕緣復(fù)雜、體積大且笨重；CT動(dòng)態(tài)范圍小、易飽和且二次輸出不能開路；電磁式PT易產(chǎn)生鐵磁諧振等諸多缺點(diǎn)。電子式互感器具有絕緣簡(jiǎn)單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，特別是CT動(dòng)態(tài)范圍寬、無(wú)磁飽和、二次輸出可以開路；PT無(wú)諧振現(xiàn)象等。

3.2 二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化

變電站中常規(guī)的二次設(shè)備：故障錄波裝置、繼電保護(hù)裝置、電壓無(wú)功控制、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、同期操作裝置、在線狀態(tài)檢測(cè)裝置等，都是基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理機(jī)技術(shù)而設(shè)計(jì)制造，設(shè)備之間的通信連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)，二次設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)真正地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、資源的共享。

3.3 自動(dòng)運(yùn)行的管理系統(tǒng)

變電站運(yùn)行管理系統(tǒng)的自動(dòng)化包括電力生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄統(tǒng)計(jì)無(wú)紙化、自動(dòng)化；變電站運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，并且能夠及時(shí)地提供故障分析報(bào)告，指出故障原因及相應(yīng)的處理意見；系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)出變電站設(shè)備檢修報(bào)告。

要想在變電站內(nèi)一次電氣設(shè)備與二次電子裝置均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信，并具有全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)建模及數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，在此平臺(tái)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能裝置之間的互操作性，在一、二次設(shè)備之間同樣實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化通信，如果變電站內(nèi)智能裝置的數(shù)量急劇增加，全站智能裝置必須采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)建模及數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，才能實(shí)現(xiàn)互操作性。

4 數(shù)字化變電站的優(yōu)點(diǎn)

4.1 高性能

（1）通信網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一的通信規(guī)約IEC61850，不需要進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，加快了通信速度，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)的難度，提高了通信系統(tǒng)的性能。

（2）光電互感器高低壓部分光電隔離，使得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)備等問題不復(fù)存在，大大提高了安全性。

（3）光電互感器無(wú)磁飽和，精度高，暫態(tài)特性好。

Steinhaus（1955年）、Lloyd（1957年）、Ball&Hall（1965年）和McQueen（1967年）分別從不同的學(xué)科研究領(lǐng)域提出了K-means聚類算法，同時(shí)，McQueen總結(jié)了 Cox〔1〕、Fisher〔2〕、Sebestyen〔3〕等的研究成果，給出了K-means算法的執(zhí)行步驟，并利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行了理論論證。

4.2 高安全性

IEC61850技術(shù)是數(shù)字化變電站的核心技術(shù)之一，是數(shù)字化變電站的信息描述方法和通信協(xié)議。IEC61850技術(shù)是面向未來(lái)技術(shù)發(fā)展的。該標(biāo)準(zhǔn)將上層服務(wù)與底層具體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分開，可以隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，上層不需要改變。由于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)所代表技術(shù)的先進(jìn)性和通用性，以該標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)而派生出的電力系統(tǒng)新的標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越多，涉及電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、跨變電站的聯(lián)鎖、變電站到控制中心之間的通信協(xié)調(diào)、風(fēng)力發(fā)電的監(jiān)控、水電廠監(jiān)控等。

（2）數(shù)字信號(hào)通過光纜傳輸避免了電纜帶來(lái)的電磁干擾，傳輸過程中無(wú)信號(hào)衰減、失真。無(wú)L、C濾波網(wǎng)絡(luò)，不產(chǎn)生諧振過電壓。傳輸和處理過程中不再產(chǎn)生附加誤差，提升了保護(hù)、計(jì)量和測(cè)量系統(tǒng)的精度。

長(zhǎng)期以來(lái)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和公共服務(wù)對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)，是推動(dòng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展的動(dòng)力引擎。但是，農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施供給與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求不匹配，公共服務(wù)供給不能滿足農(nóng)民的美好生活需要。

（3）光纜代替電纜，避免了電纜端子接線松動(dòng)、發(fā)熱、開路和短路的危險(xiǎn)，提高了變電站整體安全運(yùn)行水平。

4.3 高可靠性

（1）設(shè)備自檢功能強(qiáng)，合并器收不到數(shù)據(jù)會(huì)判斷通訊故障或互感器故障而發(fā)出告警，既提高了運(yùn)行的可靠性又減輕了運(yùn)行人員的工作量。

（2）采集器的電源由能量線圈或激光電源提供，兩者自動(dòng)切換，互為備用。

4.4 高經(jīng)濟(jì)性

（1）采用光纜代替大量電纜，降低成本。用光纜取代二次電纜，簡(jiǎn)化了電纜溝、電纜層和電纜防火，保護(hù)、自動(dòng)化調(diào)試的工作量減少，減少了運(yùn)行維護(hù)成本。同時(shí)，縮短工程周期，減少通道重復(fù)建設(shè)和投資。

饒哥的一只手又摩挲住她的頭發(fā)，那只手像他的身材一樣壯實(shí)。“小秋，這有什么好的，有什么可驚嘆的，這算什么好房子，你去市里看看剛建起的那個(gè)維多利亞小區(qū)，那才叫大氣，比這闊氣多少倍，就連樓梯都透出一種氣勢(shì)。這套房子么，是別人讓我住的，不算太大手的一個(gè)朋友?！别埜绲氖?jǐn)堉纳碜幼叩疥?yáng)臺(tái)上，她看見整個(gè)小區(qū)的夜景，朦朧的花草在霓虹的燈影里婆娑，停在小區(qū)里的車輛像泊在海岸上的船只，整個(gè)小區(qū)是一種環(huán)形的建筑風(fēng)格，站在任何一家的陽(yáng)臺(tái)上都可以看到小區(qū)燈光中的景色，傍著小區(qū)的一大片蘆葦影影綽綽，白色的葦纓在暖色的燈光中透射出一種魅力。

（2）實(shí)現(xiàn)信息共享，兼容性高，便于新增功能和擴(kuò)展規(guī)模，減少變電站投資成本。

（3）光電互感器采用固體絕緣，無(wú)滲漏問題，減少了停運(yùn)檢修成本。

（4）數(shù)字化變電站技術(shù)含量高，電纜等耗材節(jié)約，具有節(jié)能、環(huán)保、節(jié)約社會(huì)資源的多重功效。

5 數(shù)字化變電站應(yīng)用中存在的問題

目前光電/電子式互感器的生產(chǎn)廠家數(shù)量有限，產(chǎn)品可選型號(hào)相對(duì)較少，部分高電壓等級(jí)的電流互感器變比較大，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行需要。如內(nèi)蒙古某數(shù)字化變電站，線路電流互感器變比為1200/5，為滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，只能在合并器（作用是將各電流互感器傳回的電流數(shù)據(jù)和由電壓互感器傳來(lái)的電壓數(shù)據(jù)處理后打包輸出，供各保護(hù)和測(cè)控裝置使用）上采用軟件的方法修改變比，使得TA的輸出精度可能無(wú)法滿足要求，給變電站的計(jì)量、保護(hù)都帶來(lái)一定的負(fù)面影響。

在徹底排除了該車故障后，筆者再次使用試燈測(cè)試，作動(dòng)電磁閥工作時(shí)，試燈不能點(diǎn)亮。連接專用診斷儀GDS2，依然讀取到故障碼P201000(進(jìn)氣歧管通路控制閥控制電路電壓過高)。這是為什么呢？通過故障碼可以看出，ECM診斷出控制點(diǎn)路上電壓過高，設(shè)置了故障碼，所以不再進(jìn)行控制。測(cè)量試燈電阻為4?，遠(yuǎn)低于正常電磁閥的26?，這就導(dǎo)致ECM進(jìn)行電磁閥電路診斷時(shí)，認(rèn)為電路存在電阻過小的故障，從而設(shè)置了P201000 進(jìn)氣歧管通路控制閥控制電路電壓過高的故障，不再進(jìn)行輸出控制。

圖2 電力自動(dòng)化系統(tǒng)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)系列

由于光電/電子式互感器本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作方式，導(dǎo)致互感器的角差、比差現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)難以進(jìn)行，甚至極性試驗(yàn)也無(wú)法開展，只能等到設(shè)備投運(yùn)帶電后，才能檢驗(yàn)接線的準(zhǔn)確性。另外，光電/電子式互感器的局放試驗(yàn)、伏安特性試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)也與常規(guī)設(shè)備有很大的區(qū)別，這都需要設(shè)備廠家和運(yùn)行主管單位專門制定。

以上式中：i、j為節(jié)點(diǎn)編號(hào)；PGi和QGi分別為節(jié)點(diǎn)i的電源有功和無(wú)功注入；PLi和QLi分別為節(jié)點(diǎn)i的負(fù)荷有功和無(wú)功；PSi和QSi分別為柔性直流輸電系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)i吸收的有功和無(wú)功；Ui表示節(jié)點(diǎn)的電壓幅值；Gij、Bij、θij分別表示節(jié)點(diǎn)i、j之間的互電導(dǎo)、互電納及相位差；k為輸電通道編號(hào)；Dk表示輸電通道k的有功潮流；符號(hào)和分別表示上下限。

以上這些詞都與修辭格借代有關(guān)聯(lián),本文暫且稱為與借代有關(guān)聯(lián)的詞。這樣的詞現(xiàn)代漢語(yǔ)里有很多,先列舉有代表性的這幾類,遠(yuǎn)非全面,文中論證分析時(shí)將會(huì)呈現(xiàn)得更多。

數(shù)字化變電站保護(hù)校驗(yàn)相對(duì)復(fù)雜，在變電站運(yùn)行的條件下對(duì)部分間隔保護(hù)校驗(yàn)的難度很大，目前的常規(guī)繼電保護(hù)校驗(yàn)裝置無(wú)法提供數(shù)字化保護(hù)所需的電流量和電壓量，因?yàn)殡娏髁亢碗妷毫勘仨毥?jīng)過合并器才能進(jìn)入保護(hù)裝置，而要完成試驗(yàn)必須自帶合并器提供模擬試驗(yàn)中的電流量和電壓量，要完成母差保護(hù)這類需要大量電流電壓量的保護(hù)校驗(yàn)便顯得尤為困難。

IEC 61850通信協(xié)議本身并未對(duì)變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性做任何規(guī)定，同時(shí)協(xié)議本身的開放性和標(biāo)準(zhǔn)性給變電站的網(wǎng)絡(luò)安全帶來(lái)重大隱患。要做到二次系統(tǒng)信息的保密性、完整性、可用性和確定性，符合二次系統(tǒng)安全防護(hù)的要求，是自動(dòng)化廠家仍需考慮和完善的技術(shù)環(huán)節(jié)。雖然目前已投運(yùn)的變電站采取了防火墻、分層分區(qū)隔離等手段進(jìn)行防護(hù)，但防護(hù)的效果仍有待時(shí)間的考驗(yàn)。

暑假生活好似一個(gè)大蛋糕，粉色的奶油上墜滿了快樂，綠色的花瓣里透出激動(dòng)與愉快，而藍(lán)色的花邊折起了一片片幸福，蛋糕上鑲著兩個(gè)金剛燦燦的大字——暑假。

數(shù)字化變電站是變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展方向，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)技術(shù)。但由于智能一次設(shè)備的可靠性等因素，目前數(shù)字化變電站技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)和探索階段，還不具備大規(guī)模推廣的條件。

6 水電廠的數(shù)字化

以計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為標(biāo)志現(xiàn)代信息技術(shù)在水電廠的應(yīng)用早已無(wú)孔不入，滲透到水電廠生產(chǎn)、管理的方方面面，各種生產(chǎn)、管理工作已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、信息化和數(shù)字化，各水電廠的信息管理系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)不勝數(shù)，種類繁多，可以不完全羅列如下：

自動(dòng)控制及生產(chǎn)管理系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、水情測(cè)報(bào)與水庫(kù)調(diào)度系統(tǒng)、調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、輔機(jī)控制系統(tǒng)、閘門控制系統(tǒng)、故障錄波系統(tǒng)、報(bào)價(jià)系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)、安全防誤系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)，等等。

隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和人口的發(fā)展, 水資源已成為稀缺的自然資源, 習(xí)近平總書記提出了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，賦予了新時(shí)期治水的新內(nèi)涵、新要求、新任務(wù)，為我們強(qiáng)化水治理、保障水安全指明了方向。在2015年十二屆全國(guó)人大三次會(huì)議上，李克強(qiáng)總理提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”的行動(dòng)計(jì)劃。短短三年的時(shí)間，“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展模式在房產(chǎn)、醫(yī)療、教育、家居等傳統(tǒng)行業(yè)如潮涌至，且逐漸發(fā)展成熟。

圖3 電力自動(dòng)化系統(tǒng)的互聯(lián)

行政管理系統(tǒng)：管理信息系統(tǒng)、生產(chǎn)管理、設(shè)備臺(tái)賬、備件管理、經(jīng)營(yíng)管理、黨建管理、工會(huì)管理、班組管理、交通安全管理、消防管理、財(cái)務(wù)管理、人事管理，等等。

有些水電廠在數(shù)字化方面做得更多，完成了數(shù)字水電站、數(shù)字水庫(kù)、數(shù)字流域、數(shù)字大壩、數(shù)字水輪機(jī)、數(shù)字發(fā)電機(jī)，等等。

將各個(gè)參數(shù)代入式(7)可得mn≥6.46 mm，取整后mn=7 mm。模數(shù)對(duì)齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度影響較大，根據(jù)上述計(jì)算模數(shù)mn=7 mm，分度圓直徑d1=220.17 mm時(shí)，對(duì)齒數(shù)z1和z2、齒輪螺旋角β進(jìn)行計(jì)算，如式(10)所示：

由于IEC61850重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象是電力系統(tǒng)中變電站的監(jiān)測(cè)和控制環(huán)節(jié)，在水電廠中與之直接對(duì)應(yīng)是水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等與發(fā)電生產(chǎn)有關(guān)的設(shè)備，因此下面將重點(diǎn)探討以IEC61850為代表的數(shù)字化測(cè)控技術(shù)在水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景。

7 數(shù)字化水電廠的現(xiàn)狀

我國(guó)的水電廠(站)自動(dòng)化技術(shù)經(jīng)過30多年的發(fā)展，在大中小型電站已完全達(dá)到了實(shí)用化程度，已全部采用基于計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。但目前在我國(guó)水電站使用的通信規(guī)約種類繁多，各種自動(dòng)化系統(tǒng)之間信息的收集、處理及傳送十分困難，且站內(nèi)許多信號(hào)為模擬信號(hào)，使監(jiān)控系統(tǒng)仍然會(huì)不時(shí)受到電磁干擾，影響電廠的安全運(yùn)行。隨著各種智能化設(shè)備的發(fā)展、先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運(yùn)用、國(guó)際IEC61850協(xié)議的實(shí)施，全數(shù)字化的水電站問世條件已經(jīng)具備。數(shù)字化水電站將從根本上解決電站抗干擾問題，同時(shí)降低成本，使各種智能設(shè)備之間的接口標(biāo)準(zhǔn)化，便于電廠自動(dòng)化設(shè)備的互操作。

間隔層通訊網(wǎng)采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在該網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)跨間隔的橫向聯(lián)鎖功能。網(wǎng)絡(luò)采用IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信，非IEC61850規(guī)約的設(shè)備需經(jīng)規(guī)約轉(zhuǎn)換后接入。考慮到傳輸距離和抗干擾要求，各繼電小室與主控室之間應(yīng)采用光纖，而在各小室內(nèi)部設(shè)備之間的通訊則可采用屏蔽雙絞線。

IEC于 2007年 8月頒布了 IEC61850-7-410Communication networks and systems for power utility automation-Part 7-410∶Hydroelectric power plants-Communication for monitoringand control(電力公用事業(yè)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)測(cè)和控制用通信)。該標(biāo)準(zhǔn)作為IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)的一部分，它定義了IEC61850用于水電廠時(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。為數(shù)字化水電站的建設(shè)提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的工具，解決了數(shù)字化水電站建設(shè)中的互聯(lián)和互操作等關(guān)鍵技術(shù)。在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：

·電氣功能：這一組包括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并不是特殊對(duì)水電廠的，對(duì)各類大型發(fā)電廠或多或少是普遍的。

“是這樣，過去在這三個(gè)孩子里她最疼愛的是羅瑞，男孩子嘛，可是最讓她操心、失望的也是他。她最欣賞、信賴的是大侄女羅云，但是她很討厭羅云的愛人，覺得他是個(gè)小人，認(rèn)定了羅云跟著他不會(huì)有好結(jié)果，可是人家夫妻恩愛得很，她也沒辦法。老太太說(shuō)，好在她也對(duì)得起羅云了，花錢培養(yǎng)她上了大學(xué)也嫁了人，也算有個(gè)交代了，總之羅云是受了她老公的連累。至于那個(gè)小女兒，一直很不聽話，老太太覺得她有點(diǎn)錢幾天就會(huì)折騰光，給她錢沒什么好處?！?/p>

·機(jī)械功能：這一組包括與水輪機(jī)及附屬設(shè)備有關(guān)的功能。該文件的描述是為水電廠的，如果用于其他類型的發(fā)電廠則需要進(jìn)行修改。因此一些水電特殊功能定義在邏輯節(jié)點(diǎn)K組。

·水文功能：該組功能包括與水流、大壩和水庫(kù)控制與管理有關(guān)功能的對(duì)象。雖然是水電廠特殊的，這里定義的LN和DO也可以用于其它類型的公用水管理系統(tǒng)。

齒輪的加工是靠坯件的內(nèi)孔和端面進(jìn)行定位，所以必須保證內(nèi)孔和端面一次裝夾加工，俗稱“一刀落”，以保證內(nèi)孔和外圓的同軸度、端面和內(nèi)孔軸線的垂直度要求，減少齒輪加工后的齒圈徑向跳動(dòng)Ft和齒向公差Fβ。由于齒圈的徑向跳動(dòng)影響齒輪副嚙合時(shí)的壓力角和側(cè)隙的變化，從而使工作不平穩(wěn)，噪聲增加；齒向公差影響齒輪副實(shí)際接觸線縮短，工作時(shí)將產(chǎn)生應(yīng)力集中，噪聲也明顯提高。另外內(nèi)孔和端面的尺寸精度、形狀公差和表面粗糙度都要符合圖樣要求。

·傳感器：電廠需要傳感器提供電信號(hào)之外的測(cè)量。除了少數(shù)例外，這些傳感器都是通用型的，并不是水電廠特殊的。參照數(shù)字化變電站的層次劃分，數(shù)字化水電站的控制系統(tǒng)也可分為站控層、間隔層和過程層。但水電廠的機(jī)組間隔遠(yuǎn)比變電站的間隔復(fù)雜，成組控制方式也十分復(fù)雜，電站的情況也千變?nèi)f化，因此實(shí)現(xiàn)數(shù)字化水電站的難度要大得多。

由于沼氣產(chǎn)生過程復(fù)雜及影響因素較多，精確計(jì)算出沼氣的產(chǎn)生速率和產(chǎn)量比較困難。目前預(yù)測(cè)沼氣產(chǎn)氣量的主要方法包括：經(jīng)驗(yàn)估算法、Scholl Canyon模型、Monad模型以及由美國(guó)環(huán)?？偸鹛岢龅睦託馀欧拍Ｐ偷龋?-2］。根據(jù)已完成的可行性研究報(bào)告，已填埋的垃圾量、垃圾主要組成、填埋工藝等情況基本符合Scholl Canyon模型的要求，同時(shí)根據(jù)CJJ 133—2009生活垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體收集處理及利用工程技術(shù)規(guī)范［3］，可以按此模型預(yù)測(cè)沼氣的產(chǎn)量，模型算法如下。

國(guó)外一些大公司由于參與了標(biāo)準(zhǔn)的制定，在技術(shù)上已經(jīng)獲得先機(jī)，已經(jīng)開發(fā)出符合IEC61850-7-410標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。目前，南美的Itaipu水電站采用了新一代計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，成為數(shù)字化水電廠的首例(圖4)。國(guó)內(nèi)尚無(wú)類似的水電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的報(bào)道。

圖4 Itaipu水電站控制室(2007-06)

由于IEC61850規(guī)定了系統(tǒng)的層與層之間、功能之間的連接交換標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)系統(tǒng)地升級(jí)改造有兩條路可選：一是全新開發(fā)，一是在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造。改造可優(yōu)先解決本系統(tǒng)與其它系統(tǒng)或裝置的連接滿足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的要求。正是因?yàn)槿绱?，IEC在制定標(biāo)準(zhǔn)是，也考慮到目前變電站和控制中心之間廣泛使用IEC 60870-5-101/104規(guī)約，為了簡(jiǎn)化它們與IEC61850之間規(guī)約轉(zhuǎn)換，IEC新增的61850-80-1已批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，作為IEC 61850和IEC 60870-5-101/104通信的映射標(biāo)準(zhǔn)。

H9000V4.0系統(tǒng)在與外部數(shù)據(jù)交換方面，廣泛采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，如IEC 60870-6TASE.2、IEC60870-5系列、DNP 3.0等，為與各種符合IEC61850的智能系統(tǒng)及裝置的數(shù)據(jù)交換奠定了基礎(chǔ)。目前在三峽右岸地下電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施過程中，已初步進(jìn)行了開關(guān)站LCU部分?jǐn)?shù)據(jù)采集與控制的數(shù)字化嘗試。另外，中水科技在調(diào)速器裝置的數(shù)字化方面，更是于1999年在國(guó)際上首次研制成功了CVT系列調(diào)速器裝置，采用數(shù)字開關(guān)閥和插裝閥優(yōu)化組合，取消了電液轉(zhuǎn)換器，取消了主配壓閥，由數(shù)字電路直接驅(qū)動(dòng)調(diào)速器的機(jī)械液壓回路，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械液壓回路的數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速器的速動(dòng)性和調(diào)節(jié)精度的完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)。

8 結(jié)語(yǔ)

IEC61850的出現(xiàn)，已經(jīng)在電力系統(tǒng)通信乃至智能電網(wǎng)、分布式能源領(lǐng)域掀起變革的狂瀾，IEC 61850正在修訂原有變電站自動(dòng)化系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，迅速向風(fēng)能、水電、配電以及工業(yè)控制等其他領(lǐng)域拓展。憑借良好的可擴(kuò)展性和體系結(jié)構(gòu)，IEC 61850將為包括水電的所有電力相關(guān)行業(yè)的信息共享、功能交互以及調(diào)度協(xié)調(diào)產(chǎn)生重大影響。

我國(guó)從事水利水電自動(dòng)化的科研及企業(yè)眾多，但對(duì)IEC61850的重視程度普遍不如電力特別是變電自動(dòng)化企業(yè)，如不及時(shí)調(diào)整戰(zhàn)略和技術(shù)，不符合標(biāo)準(zhǔn)的小系統(tǒng)、小裝置、小企業(yè)將面臨嚴(yán)峻的生存挑戰(zhàn)。我們相信，通過大家的共同努力，國(guó)產(chǎn)化的數(shù)字化水電站一定會(huì)早日出現(xiàn)。

[1]百度百科數(shù)字化變電站[M].

TP393.03

A

1672-5387（2010）03-0001-04

2010-04-28

王德寬(1960-)，男，安徽馬鞍山人，教授級(jí)高級(jí)工程師，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自動(dòng)化所所長(zhǎng)，北京中水科水電科技開發(fā)有限公司總經(jīng)理，從事水電廠自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)監(jiān)控與仿真技術(shù)研究與應(yīng)用。