張家治

（葛洲壩電廠，湖北 宜昌 443002）

葛洲壩電站智能化建設(shè)的研究和實踐

張家治

（葛洲壩電廠，湖北 宜昌 443002）

摘要：IEC61850、IEC61850-7-410國際標準的相繼頒布和實施，為我國智能化水電站建設(shè)提供了有力的技術(shù)支撐。本論文深入闡述了IEC61850標準的主要內(nèi)容、特點、基本概念以及發(fā)展趨勢，并以葛洲壩電站智能化建設(shè)為例子，詳細介紹了葛洲壩電站智能化建設(shè)的整體框架，分析了傳統(tǒng)機組信息模型和智能電站機組信息模型的區(qū)別，展現(xiàn)了智能水電站機組信息模型的優(yōu)點。最后，從4個方面詳細分析了葛洲壩電站機組信息模型的應(yīng)用情況，并對IEC61850標準在智能水電站建設(shè)的發(fā)展方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：IEC61850；葛洲壩電站；智能水電站；監(jiān)控；模型

0　引言

近幾年，隨著全球氣候逐步惡化、溫室效應(yīng)加劇、傳統(tǒng)能源日益短缺、金融危機蔓延，為了解決環(huán)境與發(fā)展的矛盾，搶占未來經(jīng)濟及科技發(fā)展的制高點，造福子孫后代，各國不約而同地將目光集中于發(fā)展智能電網(wǎng)。

堅強智能電網(wǎng)是包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度等各個環(huán)節(jié)，是一個完整的智能電力系統(tǒng)。水電站作為電網(wǎng)的發(fā)電環(huán)節(jié)，其智能化與否直接決定了智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略能否成功實現(xiàn)。智能水電站是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進的傳感和測量技術(shù)、先進的設(shè)備、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)發(fā)電廠的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好的目標。

葛洲壩電廠“十二五”發(fā)展規(guī)劃明確提出了“建設(shè)智能電站，保持行業(yè)領(lǐng)先”的目標，要求以建設(shè)智能電站為重點，加快設(shè)備改造，實現(xiàn)電站的安全、節(jié)能、環(huán)保、高效。

1　IEC61850概述

當前電力系統(tǒng)中，對變電站自動化的要求越來越高，為方便變電站中各種IED的管理以及設(shè)備間的互聯(lián)，就需要一種通用的通信方式來實現(xiàn)。IEC61850提出了一種公共的通信標準，通過對設(shè)備的一系列規(guī)范化，使其形成一個規(guī)范的輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)的無縫連接。

IEC61850標準是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一國際標準，它是由國際電工委員會第57技術(shù)委員會 (IECTC57)的3個工作組10，11，12(WG10/11/12)負責制定的。此標準參考和吸收了已有的許多相關(guān)標準，其中主要有：IEC 60870-5-101遠動通信協(xié)議標準；IEC60870-5-103繼電保護信息接口標準；UCA2.0(Utility Communication Architecture2.0)(由美國電科院制定的變電站和饋線設(shè)備通信協(xié)議體系)；ISO/IEC9506制造商信息規(guī)范MMS(ManufacturingMessage Specification)。

1.1 IEC61850標準的特點

IEC61850標準吸收了多種國際最先進的新技術(shù)，并且大量引用了目前正在使用的多個領(lǐng)域內(nèi)的其他國際標準，形成了以下突出的技術(shù)特點。

（1）定義了變電站的信息分層結(jié)構(gòu)

變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議IEC61850標準草案提出了變電站內(nèi)信息分層的概念，將變電站的通信體系分為3個層次，即變電站層、間隔層和過程層，并且定義了層和層之間的通信接口。在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報文規(guī)范 (MMS)、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用單點向多點的單向傳輸以太網(wǎng)。變電站內(nèi)的智能電子設(shè)備(IED，測控單元和繼電保護)均采用統(tǒng)一的協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)進行信息交換。

（2）采用了面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模技術(shù)

IEC61850標準采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，定義了基于客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型。每個IED包含一個或多個服務(wù)器，每個服務(wù)器本身又包含一個或多個邏輯設(shè)備。邏輯設(shè)備包含邏輯節(jié)點，邏輯節(jié)點包含數(shù)據(jù)對象。數(shù)據(jù)對象則是由數(shù)據(jù)屬性構(gòu)成的公用數(shù)據(jù)類的命名實例。從通信而言，IED同時也扮演客戶的角色。任何一個客戶可通過抽象通信服務(wù)接口（ACSI）和服務(wù)器通信可訪問數(shù)據(jù)對象。

（3）數(shù)據(jù)自描述

該標準定義了采用設(shè)備名、邏輯節(jié)點名、實例編號和數(shù)據(jù)類名建立對象名的命名規(guī)則；采用面向?qū)ο蟮姆椒?，定義了對象之間的通信服務(wù)，比如，獲取和設(shè)定對象值的通信服務(wù)，取得對象名列表的通信服務(wù)，獲得數(shù)據(jù)對象值列表的服務(wù)等。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自描述在數(shù)據(jù)源就對數(shù)據(jù)本身進行自我描述，傳輸?shù)浇邮辗降臄?shù)據(jù)都帶有自我說明，不需要再對數(shù)據(jù)進行工程物理量對應(yīng)、標度轉(zhuǎn)換等工作。由于數(shù)據(jù)本身帶有說明，所以傳輸時可以不受預先定義限制，簡化了對數(shù)據(jù)的管理和維護工作。

（4）信息模型與通信協(xié)議獨立

IEC61850標準總結(jié)了變電站內(nèi)信息傳輸所必需的通信服務(wù)，設(shè)計了獨立于所采用網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層協(xié)議的抽象通信服務(wù)接口（ASCI）。在IEC61850-7-2中，建立了標準兼容服務(wù)器所必須提供的通信服務(wù)的模型，包括服務(wù)器模型、邏輯設(shè)備模型、邏輯節(jié)點模型、數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)集模型?？蛻敉ㄟ^ACSI，由專用通信服務(wù)映射（SCSM）映射到所采用的具體協(xié)議棧，例如制造報文規(guī)范（MMS）等。IEC61850標準使用ACSI和SCSM技術(shù)，解決了標準的穩(wěn)定性與未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展之間的矛盾，即當網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展時只要改動SCSM，而不需要修改ACSI。

1.2 IEC61850標準的發(fā)展趨勢

IEC61850先進的設(shè)計思想、面向?qū)ο蟮男畔⒔＜夹g(shù)、面向未來需求的開放性使得IEC61850標準在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。為適應(yīng)這種變化，從 2007年起，IEC TC57 WG10工作組對原有IEC61850的1、4、5、6、7-2、7-3、7-4、8-1、9-2、10等部分進行了修訂。

IEC61850標準第2版的名稱已由“變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)（Communication Networksand Systems in Substations）”改為“公用電力事業(yè)自動化的通訊網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)（Communication Networks and Systems for Power Utility Automation）”，明確將IEC61850標準的覆蓋范圍延伸至變電站以外的所有公用電力應(yīng)用領(lǐng)域。與第1版相比，IEC61850-9-1部分在第2版中被廢除，另外新增多個相關(guān)的標準或技術(shù)規(guī)范。

2　葛洲壩電站智能化建設(shè)整體框架

按照智能水電站的標準和要求，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為3層，按照“過程層”、“間隔層”、“站控層”的結(jié)構(gòu)層次布置。邏輯上有3層設(shè)備、2層網(wǎng)絡(luò)（站控層網(wǎng)為MMS網(wǎng)、過程層網(wǎng)為GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)）組成。站控層網(wǎng)絡(luò)、過程網(wǎng)絡(luò)物理上相互獨立，減少相互之間的影響。

葛洲壩電站智能化改造以IEC61850為標準、以統(tǒng)一現(xiàn)地數(shù)據(jù)總線為基礎(chǔ)，無縫集成智能組件，實現(xiàn)各種智能化的高級應(yīng)用功能，體現(xiàn)了智能水電廠信息化、自動化、互動化的特征，達到一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的目標。

葛洲壩智能水電站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置和層次如圖1所示。

圖1智能電站機組信息模型圖

2.1站控層建設(shè)

站控層設(shè)備主要布置在中控室內(nèi)和監(jiān)控機房內(nèi)，由冗余實時數(shù)據(jù)服務(wù)器、冗余歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、磁盤陣列、多套操作員工作站、工程師工作站、冗余調(diào)度通訊服務(wù)器、冗余梯調(diào)通訊服務(wù)器、廠內(nèi)通訊工作站、語音報警及ONCALL工作站、與其他輔助系統(tǒng)的智能接口工作站、網(wǎng)絡(luò)打印機等設(shè)備組成。

本層設(shè)備需要完成實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲與備份、提供運行的人機聯(lián)系界面，實現(xiàn)管理控制間隔層、過程層設(shè)備等功能，形成全廠監(jiān)控、管理中心，并與梯調(diào)、調(diào)度中心、廠內(nèi)其他系統(tǒng)通信，以及與其他智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。

系統(tǒng)以雙局域網(wǎng)（MMS網(wǎng)）為核心，實現(xiàn)各服務(wù)器、工作站功能分擔，數(shù)據(jù)分散處理，各工作站/服務(wù)器在系統(tǒng)中處于平等地位。將大江區(qū)域、二江區(qū)域通過4臺高速交換機連成一個網(wǎng)絡(luò)。

站控層設(shè)備以IEC61850標準接入MMS網(wǎng)，直接從MMS網(wǎng)讀取LCU、調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器、保護裝置等信息。

考慮到智能化改造的階段性和延續(xù)性，保留了站控層設(shè)備與智能PLC的常規(guī)點對點網(wǎng)絡(luò)通訊，實現(xiàn)MMS網(wǎng)與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同運行。

站控層系統(tǒng)計算機采用高性能的UNIX服務(wù)器或UNIX工作站，64位UNIX操作系統(tǒng)，保證主系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行；操作員站、工程師站、通信服務(wù)器、電話語音報警站等其他計算機選用UNIX工作站。

2.2間隔層建設(shè)

間隔層設(shè)備主要布置在現(xiàn)地設(shè)備層，包括發(fā)電機層、保護室、公用系統(tǒng)室等。應(yīng)用到水電站一般稱之為單元層，由機組LCU、機組保護裝置、調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器等設(shè)備組成。

本層設(shè)備完成對被監(jiān)控設(shè)備的就地數(shù)據(jù)的采集及監(jiān)控功能，其設(shè)計能保證當它與主站級系統(tǒng)脫離后仍然能在當?shù)貙崿F(xiàn)對有關(guān)設(shè)備的監(jiān)視和控制功能。當其與主站級恢復聯(lián)系后又能自動地服從主站級系統(tǒng)的控制和管理。

間隔層設(shè)備對上通過MMS網(wǎng)和主站進行通信，對下不僅能實時自動采集SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)的瞬時電氣量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對智能一次設(shè)備的監(jiān)控，還需要能采集不具備智能功能的常規(guī)數(shù)據(jù)，例如壓力、油位、溫度等經(jīng)過變送器采集的常規(guī)數(shù)據(jù)。

間隔層智能化建設(shè)是水電站智能化建設(shè)的核心，也是水電站智能化建設(shè)的難點所在。

2.3過程層建設(shè)

過程層設(shè)備主要由合并單元、智能終端、非電量現(xiàn)地變送器、測溫電阻等構(gòu)成，完成與一次設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備相關(guān)的功能，包括實時運行電氣量的采集、非電氣量的采集、設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等，即完成現(xiàn)場原始終端數(shù)據(jù)的采集、測量、控制。由于目前電子互感器未經(jīng)過長時間運行的檢驗，葛洲壩電站從安全生產(chǎn)的角度考慮，仍然采用常規(guī)互感器，通過合并單元接入SV網(wǎng)。

GOOSE網(wǎng)實現(xiàn)對開關(guān)、刀閘等一次電氣設(shè)備的控制量輸出。

其他非電氣量（壓力、油位、位移、開度、振動、擺度等）、溫度量的模擬量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出信號不具備智能化條件，通過接入按功能分層分布式的PLC來實現(xiàn)數(shù)字化。

3　葛洲壩智能電站機組信息模型的設(shè)計

3.1傳統(tǒng)機組信息模型介紹

傳統(tǒng)機組信息模型如圖2所示，它的專業(yè)界限比較清楚，二次設(shè)備有LCU、調(diào)速器、勵磁控制器、機組保護裝置，二次設(shè)備間主要依靠控制電纜連接。主站只和LCU通訊，其他二次設(shè)備只能通過硬接線將信息送給LCU，再由LCU通過通訊統(tǒng)一上送給主站，運行人員監(jiān)視的設(shè)備信息量有限。而且LCU和主站間通訊主要采用MODBUS或其他協(xié)議，這些協(xié)議需要對點號的排序，一旦設(shè)備改造后，LCU側(cè)和主站側(cè)改動工作量極大，不易于維護。

在機組控制方面，對機組的有功、無功調(diào)節(jié)主要是監(jiān)控系統(tǒng)主站將有功值、無功值下發(fā)到LCU，LCU進行PID調(diào)節(jié)閉環(huán)，將調(diào)節(jié)控制指令通過繼電器輸出給調(diào)速器、勵磁控制器的控制回路，調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)較多，中間延時較大，故障率增多，不能快速精確地進行負荷調(diào)節(jié)。

3.2智能電站機組信息模型介紹

圖2傳統(tǒng)機組信息模型圖

智能電站機組信息模型打破了傳統(tǒng)的專業(yè)界限，它是一種面向?qū)ο蟮姆謱咏７绞?，通過規(guī)范信息模型和信息交換方法，使得設(shè)備的互聯(lián)互通變得簡單，如圖1所示。根據(jù)IEC61850標準面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，將機組LCU、調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器、機組保護等裝置抽象為一個或多個IED，每個IED的信息模型包含5個層次，即Server（服務(wù)器）、Logical Device（邏輯設(shè)備）、Logical Node（邏輯節(jié)點）、Data（數(shù)據(jù)）以及DA（Data Attribute，數(shù)據(jù)屬性）。一般情況下一臺物理裝置建模為一個IED，每個IED包含一個或多個服務(wù)器，每個服務(wù)器本身又包含一個或多個邏輯設(shè)備，每個邏輯設(shè)備包含一組邏輯節(jié)點，每個邏輯節(jié)點又包含多個數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)擁有多個數(shù)據(jù)屬性。如圖3所示。

圖3 IED分層信息模型

葛洲壩電站間隔層(單元層)主要設(shè)備為LCU裝置、調(diào)速器裝置、勵磁調(diào)節(jié)器裝置、機組保護裝置，均以IEC61850標準建模。各二次設(shè)備按照IEC61850標準將全面的信息上送給站控層，并直接接受站控層的命令。如在機組有功、無功調(diào)節(jié)方面，由站控層主站通過AGC/AVC計算后將有功值、無功值分別直接下發(fā)給調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器，調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器自動進行PID計算，進行功率閉環(huán)。由于不再需要通過LCU中轉(zhuǎn)，大大提高了設(shè)備響應(yīng)速度。

與傳統(tǒng)機組信息模型相比，智能機組信息模型主要優(yōu)點有如下幾方面：

（1）實現(xiàn)了各專業(yè)的二次設(shè)備互聯(lián)互通，消除了信息孤島，使得數(shù)據(jù)可以共享，不再需要重復配備傳感器。

（2）實現(xiàn)了站控層直接控制間隔層設(shè)備，效率更高，響應(yīng)速度更快。

（3）設(shè)備間采取網(wǎng)絡(luò)連接，大量減少了各種控制或信號電纜，節(jié)約了資源，降低了成本。

（4）由于間隔層設(shè)備已按照IEC61850標準建模，使得設(shè)備實現(xiàn)了即插即用，更換設(shè)備再也不要進行復雜的通訊調(diào)試工作，降低了人力成本。

（5）由于是采用網(wǎng)絡(luò)連接，間隔層、過程層設(shè)備上送信息量可以大大增加，使得設(shè)備自檢信息能實施上送，實現(xiàn)了設(shè)備的可控在控。

（6）由于所有信息均上送至站控層，使得站控層人工智能開發(fā)成為可能，如趨勢分析功能、運行分析功能、事故專家診斷功能等。

4　智能水電站機組信息模型的應(yīng)用分析

4.1機組調(diào)節(jié)過程分析

評判機組信息模型好壞的一個重要方面就是機組調(diào)節(jié)控制是否快速準確，而水電站調(diào)節(jié)最頻繁、調(diào)節(jié)精度要求最高的是自動發(fā)電控制（AGC）和自動電壓控制（AVC）。

AGC計算出單機出力后，傳統(tǒng)機組信息模型是直接下發(fā)給LCU，LCU進行PID閉環(huán)再將增減負荷指令下發(fā)給調(diào)速器，中間環(huán)節(jié)較多，不利于負荷調(diào)節(jié)的快速響應(yīng)。而12F機組由于采用的是新的機組信息模型，直接通過MMS網(wǎng)下發(fā)給調(diào)速器，調(diào)速器自己進行功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，減少了LCU的中間環(huán)節(jié)，使得負荷調(diào)節(jié)更迅速。

AVC計算出單機出力后，傳統(tǒng)機組信息模型是直接下發(fā)給LCU，LCU進行PID閉環(huán)再將增減負荷指令下發(fā)給勵磁調(diào)節(jié)器，同樣由于中間環(huán)節(jié)較多，不利于負荷調(diào)節(jié)的快速響應(yīng)。而12F機組由于采用的是新的機組信息模型，直接通過MMS網(wǎng)下發(fā)給勵磁調(diào)節(jié)器，勵磁調(diào)節(jié)器自己進行功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，減少了LCU的中間環(huán)節(jié)，使得負荷調(diào)節(jié)更迅速。

4.2設(shè)備自檢分析

IEC61850模型中有詳細的設(shè)備診斷信息，極大方便了查找設(shè)備故障。過去一旦設(shè)備報故障，由于沒有詳細的診斷信息，只能等故障再現(xiàn)才能確定故障原因，而很多故障是在特定的條件下才出現(xiàn)，重復出現(xiàn)的幾率很小，這就加大了解決問題的難度。而現(xiàn)在由于將所有的設(shè)備自檢信息、故障信息、程序運行過程信息都上送至監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫保存，隨時可以進行查詢，這樣就極大地降低了查找設(shè)備故障的難度。

4.3機組設(shè)備通用性情況分析

IEC61850代表了電力行業(yè)發(fā)展的最新趨勢，是數(shù)字化、智能化電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。IEC61850建立了統(tǒng)一的、面向?qū)ο蟮膶哟位畔⒛Ｐ?，實現(xiàn)設(shè)備的自我描述，以適應(yīng)自動化功能的擴展，滿足應(yīng)用開放互操作要求，使得不同廠商、不同類型的IED設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)互操作。

葛洲壩電站智能水電站機組信息模型設(shè)計應(yīng)用后，經(jīng)過修改和完善，形成了標準的智能水電站機組信息模型。它規(guī)定了水電站智能化過程中的IED配置原則，使得機組設(shè)備通用性大大增強，任何廠家的設(shè)備均可即插即用，互聯(lián)互通。

4.4機組試驗過程的自動化完成

智能電站機組信息模型實現(xiàn)了二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，所有信息均在網(wǎng)絡(luò)上共享，使得很多試驗可直接在網(wǎng)絡(luò)上獲取數(shù)據(jù)，不再需要許多試驗線，因而變得簡單。

如傳統(tǒng)的機組同期試驗需要從出口斷路器兩側(cè)引入PT信號，并監(jiān)視同期合閘令、斷路器返回節(jié)點，接線復雜，試驗過程持續(xù)時間長，試驗效果不理想。

機組智能化改造后，斷路器兩側(cè)電壓信號引入到了斷路器合并單元、斷路器位置引入到了智能終端，故障錄波裝置只需從SV網(wǎng)、GOOSE網(wǎng)采集信息即可完成同期試驗所需所有數(shù)據(jù)，并通過矢量疊加即可獲得同期包絡(luò)線，以評價同期效果的好壞。同期試驗不再需要任何試驗接線，隨時可以進行，快速、便捷、準確。

5　結(jié)語

智能水電站的打造在國內(nèi)沒有先例，葛洲壩電站在智能化改造方面做了積極的探索，并進行了頂層設(shè)計，多專業(yè)協(xié)同，目前項目建設(shè)已完成過半，預計在“十二五”末年即可全面完成智能化設(shè)備改造，從而達到智能化電站目標。

由于IEC61850在水電廠的應(yīng)用處于剛剛起步階段，隨著時間的推移，技術(shù)將會不斷發(fā)展完善，而我們的智能水電站機組信息模型亦會隨著技術(shù)的發(fā)展不斷修正，從而達到一個最優(yōu)結(jié)果。根據(jù)葛洲壩電站智能化過程中遇到的問題和總結(jié)的經(jīng)驗，預計智能水電站下一步的發(fā)展方向?qū)⑹沁^程層網(wǎng)絡(luò)三網(wǎng)合一，即GOOSE、SV、IEEE1588三種共用一個網(wǎng)絡(luò)，在確保安全的情況下，極大地簡化了網(wǎng)絡(luò)布置。

智能化水電站建設(shè)是一個系統(tǒng)的工作，必須不斷探索、創(chuàng)新，并最終形成先進的具備適用性和實用性的統(tǒng)一方案。

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中圖分類號：TV736

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）07-0001-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.001

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：張家治（1982-），男，工程師，從事計算機監(jiān)控系統(tǒng)及自動化控制工作。