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(wǎng)公司提出“發(fā)展以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調發(fā)展的堅強電網(wǎng)為基礎，以信息化、自動化、互動化為特征，自主創(chuàng)新、國際領先的堅強智能電網(wǎng)”，標志著國內智能電網(wǎng)戰(zhàn)略全面啟動。大力開發(fā)水電、風電、太陽能等清潔能源是智能電網(wǎng)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(fā)展的嶄新機遇［1］。

水電站是電網(wǎng)發(fā)電環(huán)節(jié)的重要組成部分，在智能電網(wǎng)規(guī)劃和發(fā)展的統(tǒng)一要求下，其智能化建設將是今后的主要發(fā)展方向和全新的目標;同時，水電站智能化對于水電行業(yè)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(wǎng)、智能化水電站目標提出前就已經(jīng)完成設計、建設并已投入運行的傳統(tǒng)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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)成熟的開發(fā)和使用經(jīng)驗，以架構安全、穩(wěn)定、高效的網(wǎng)絡平臺、實時數(shù)據(jù)平臺、大型數(shù)據(jù)庫平臺、數(shù)據(jù)服務平臺為核心的大型通用平臺軟件，集生產(chǎn)過程監(jiān)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(yè)應用子系統(tǒng)，實現(xiàn)同一節(jié)點不同軟件的集成、不同節(jié)點不同軟件的集成。它可以為企業(yè)生產(chǎn)運行管理各環(huán)節(jié)的綜合需求提供基于統(tǒng)一信息平臺的解決方案［3－4］。

實現(xiàn)一體化的平臺必須基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型來交換數(shù)據(jù)，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(yè)自動化用通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)》規(guī)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(tǒng)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(xiàn)地采集和光纖傳輸，能提高二次回路的可靠性，提高經(jīng)濟效益和設備使用效益［5］。

智能電網(wǎng)統(tǒng)一要求下的智能化水電站將在以下幾個方面出現(xiàn)全新的轉型和重大變革［2］:

(1)信息采集方式全面化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化的轉型，為電站上層分析和功能控制管理系統(tǒng)提供全面、詳盡以及標準化的基礎信息數(shù)據(jù)。這是智能水電站建設的基礎環(huán)節(jié)。

(2)在保證電站各自動化子系統(tǒng)先進性的前提下，對各系統(tǒng)提出統(tǒng)一的系統(tǒng)建模、數(shù)據(jù)定義和標準通信模式等要求，構建高速、標準的網(wǎng)絡，實現(xiàn)各系統(tǒng)之間無縫通信、信息數(shù)據(jù)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(xiàn)創(chuàng)造良好的環(huán)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(fā)生較大的變化，電站將形成以綜合數(shù)據(jù)信息共享平臺和綜合智能決策管理系統(tǒng)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(tǒng)水電站以計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機為核心的中控室集控模式)，實現(xiàn)電站統(tǒng)一、整體、科學化和智能化的運行管理模式，為電站經(jīng)濟運行、節(jié)能增效、安全生產(chǎn)、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(xiàn)代化水電站的發(fā)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(xiàn)水電站的智能化，IEC 61850作為IEC標準組織力推的電力系統(tǒng)無縫通信系統(tǒng)的統(tǒng)一傳輸協(xié)議，也必將應用于智能化水電站的建設［6］。

2 傳統(tǒng)水電站的現(xiàn)狀

為了檢修維護的方便，早期的水電站自動化系統(tǒng)以發(fā)電機組為單元，將數(shù)據(jù)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(xiàn)地控制單元(LCU)。LCU無法直接接入以太網(wǎng)，而且計算機非常昂貴，不能給每臺LCU都配備CPU接入以太網(wǎng)，因此，只能將計算機作為前置機以實現(xiàn)網(wǎng)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(jiān)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)地控制子系統(tǒng)，并與廠級系統(tǒng)結合形成整個控制系統(tǒng)。對于大多數(shù)的工業(yè)化PLC產(chǎn)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(tǒng)通常都采用基于四遙方式的、較精簡的協(xié)議通信。其中，Modbus規(guī)約是主流，Modbus規(guī)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(guī)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(xiàn)方式等，使得系統(tǒng)集成時的互操作性問題越來越突出。同時，某些型號的PLC產(chǎn)品選用的是與Modbus規(guī)約類似的私有規(guī)約。因此，以上這些PLC產(chǎn)品與廠級系統(tǒng)的通信規(guī)約都需進行特定的開發(fā)［8－10］。

水電站內的智能設備如調速器、勵磁裝置、發(fā)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(tǒng)、主變壓器保護裝置、線路保護裝置和電氣系統(tǒng)等都需要連入中央監(jiān)控系統(tǒng)，生產(chǎn)這些設備的廠家眾多，通信方式、通信協(xié)議千差萬別，牽涉的通信問題也較多，監(jiān)控廠家在現(xiàn)場將很多精力放在了與智能設備的互聯(lián)上。如果每種通信都需要在后臺監(jiān)控系統(tǒng)中編寫相應的通信協(xié)議，則很不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行。目前在常見的水電站系統(tǒng)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(xié)議的轉換工作［5］。

3 智能化改造中IEC 61850的實現(xiàn)方法

傳統(tǒng)水電站智能化改造的關鍵在于:基于傳統(tǒng)水電站的技術現(xiàn)狀，選擇合適的系統(tǒng)架構，穩(wěn)妥可靠地實現(xiàn)IEC 61850建模和通信。

3.1 系統(tǒng)架構

為了保證傳統(tǒng)水電站原有設備的穩(wěn)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(tǒng))通信。智能化改造系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 智能化改造系統(tǒng)架構圖

3.2 設備建模

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

(1)電氣功能。包括的邏輯節(jié)點已在 IEC 61850標準中定義，根據(jù)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(jié)點并非只針對水力發(fā)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(jié)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(fā)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(jié)點也可用于其他類型公用事業(yè)的水管理系統(tǒng)。

(4)傳感器。對于發(fā)電廠來說，除了電氣數(shù)據(jù)以外，還需要傳感器測量其他數(shù)據(jù)。

具體到傳統(tǒng)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(jié)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(jié)點有:水電發(fā)電單元HUNT、速度監(jiān)測HSPD、導葉HTGV、水壓力監(jiān)督SPRS、滲漏監(jiān)督HLKG、水輪發(fā)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(jié)點有:水壓力監(jiān)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(jié)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(tài)監(jiān)測智能化通信服務器的建?？蓞⒖贾悄茏冸娬镜脑诰€監(jiān)測建模的相關工程應用規(guī)范?？蓱玫倪壿嫻?jié)點主要有:滲漏監(jiān)督HLKG、油中氣體在線監(jiān)測SIML、局部放電在線監(jiān)測SPDC、避雷器在線監(jiān)測ZSAR和氣體在線監(jiān)測SIMG等。

(5)大壩監(jiān)測智能化通信服務器主要可應用的邏輯節(jié)點有:水壩HDAM、大壩滲漏監(jiān)測HDLS、水位的監(jiān)督SLEV、媒質流監(jiān)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(jié)點有:水壓力監(jiān)督SPRS、水位監(jiān)督SLEV、媒質流監(jiān)測SFLW等。其他如降水、蒸發(fā)等信息目前尚無建模標準，可使用通用過程I/O邏輯節(jié)點GGIO建模。

3.3 主站通信

實現(xiàn)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(shù)據(jù)點與其對應的裝置模型之間建立語義關聯(lián)。

模型與裝置數(shù)據(jù)點建立語義關聯(lián)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(shù)據(jù)庫中進行點名規(guī)范，形成語義化的裝置四遙數(shù)據(jù)點點名;再將ICD文件形式的裝置模型中的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)集名與裝置數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)點對象與實際裝置數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)點的關聯(lián)定義圖

在實際工程中，由于PLC或智能裝置接入的數(shù)據(jù)點很多(一般可達到數(shù)千個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)點與實際點的匹配結果，以方便工程現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)的軟件結構如圖3所示。IEC 61850通信轉出模塊通過系統(tǒng)實時庫獲取遙信、遙測或下發(fā)遙控、遙調等四遙數(shù)據(jù)，同時使用CID文件形成裝置運行時的IEC 61850模型數(shù)據(jù)結構，并基于系統(tǒng)組態(tài)配置時生成的模型DO與數(shù)據(jù)點匹配關系文件實現(xiàn)實時庫四遙點與模型對象的雙向映射，實現(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)標準體系可支撐，但具體的、可操作性強的工程實施規(guī)范仍比較欠缺。水電站智能化改造的工程實施規(guī)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(fā)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(guī)范。

(2)目前國內智能變電站的建設已經(jīng)取得了比較豐富的經(jīng)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(guī)范中對IEC 61850模型中數(shù)據(jù)模板的選用、數(shù)據(jù)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(wǎng)切換的模式等都作了詳盡而又合理的規(guī)范［14］，水電站智能化改造的工程實施規(guī)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(tǒng)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(xié)調，因此也具備了技術條件，可以更好地實現(xiàn)智能化水電站的源端維護。

［1］肖世杰.構建中國智能電網(wǎng)技術思考［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33(9):1 －4.

［2］馮漢夫，石爽，馬琴，等.智能化水電站建設的思考［J］.水電廠自動化，2010，31(4):1 －5.

［3］龐敏，李斌.數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)架構［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2008，32(2):4 －6.

［4］王德寬，孫增義，王桂平，等.水電廠自動化技術30年回顧與展望［J］.中國水利水電科學研究院學報，2008，6(4):309－316.

［5］韓桂芬，袁寧平.IEC 61850與智能化水電站［J］.水電廠自動化，2011，32(1):9 －13.

［6］譚文恕.變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)協(xié)議IEC 61850介紹［J］.電網(wǎng)技術，2001，25(9):8 －11.

［7］施沖，馬杰，周慶忠.水電站自動化建設30年回顧與展望［J］.水電廠自動化，2009，30(4):4－9.

［8］王豐.PLC控制系統(tǒng)方案配置中的網(wǎng)絡選擇與工程實現(xiàn)［J］.電氣應用，2005，24(7):116 －118.

［9］荊忠元.基于Modbus協(xié)議的一致性和互操作性測試方法的設計與實現(xiàn)［J］.電腦開發(fā)與應用，2009，22(12):12－13.

［10］張海源，任春梅，張冉.Modbus協(xié)議在電力系統(tǒng)中的應用［J］.繼電器，2007，35(17):31 －34.

［11］IEC 61850－7－410—2007，Communication Networks and Systems for Power Utility Automation:Part 7－410 Hydroelectric Power Plants－Communication for Monitoring and Control［S］。

［12］李忠明，曾元靜，袁滌非.IEC 61850 SCD文件導入生成嵌入式遠動系統(tǒng)裝置定義的通用方法［J］.電力自動化設備，2010，30(7):117 －120.

［13］陸巖，胡道徐，馬文龍.IEC 61850信息建模的反思與變通［J］.電力自動化設備，2008，28(10):68－70.

［14］Q/GDW 396—2009，IEC 61850工程繼電保護應用模型［S］.

［15］王化鵬，楊威，許智，等.智能變電站一體化信息平合源瑞維護模型轉化技術［J］.電力建設，2009，33(1):27－31.

［16］祁忠，篤峻，王開宇.智能變電站數(shù)據(jù)源端維護技術方案探討［J］.江蘇電機工程，2011，30(3):48 －50.