芮 鈞，馮漢夫，徐 潔，馬 力，胡少英，石 爽

（1.南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 210003；2. 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西省西安市 710065）

1 引言

近年來(lái)，隨著智能電網(wǎng)建設(shè)以及間歇性新能源大規(guī)模接入，水電廠機(jī)組源網(wǎng)協(xié)調(diào)能力、業(yè)務(wù)友好互動(dòng)能力及資源協(xié)同優(yōu)化能力不足的問(wèn)題日益突出。以往水電廠缺乏統(tǒng)一的信息編碼和通信標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致水電廠現(xiàn)地通信體系十分復(fù)雜，信息采集過(guò)程需要經(jīng)過(guò)多次協(xié)議轉(zhuǎn)換，信號(hào)采集和傳輸?shù)目煽啃圆蛔悖瑢?dǎo)致發(fā)電監(jiān)控、水情水調(diào)、大壩安全監(jiān)測(cè)等各類自動(dòng)化系統(tǒng)互聯(lián)互通困難，各類相關(guān)的業(yè)務(wù)之間無(wú)法高效協(xié)同，無(wú)法有效支撐區(qū)域水電或多元能源類型聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度和在線經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

因此，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研單位分別提出了“智能水電廠”的理念[1，2]，旨在通過(guò)統(tǒng)一通信標(biāo)準(zhǔn)和軟件平臺(tái)等一系列措施，解決傳統(tǒng)水電廠面臨的上述問(wèn)題。智能水電廠是指適應(yīng)智能電網(wǎng)源網(wǎng)協(xié)調(diào)要求，以信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡(luò)化、集成標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)管一體化、業(yè)務(wù)互動(dòng)化、運(yùn)行最優(yōu)化、決策智能化為特征，采用智能電子裝置（Intelligent Electric Device，IED）及智能設(shè)備，自動(dòng)完成采集、測(cè)量、控制、保護(hù)等基本功能，具備基于一體化平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、在線分析評(píng)估決策支持、安全防護(hù)多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等智能應(yīng)用組件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、友好互動(dòng)目標(biāo)的水電廠。國(guó)家電網(wǎng)公司已于2012年建成了白山、松江河首批兩個(gè)智能水電廠試點(diǎn)工程，對(duì)智能水電廠技術(shù)成果開(kāi)展了全面的應(yīng)用實(shí)踐。2012年之后，智能水電廠的相關(guān)技術(shù)成果被陸續(xù)應(yīng)用至三峽成都梯調(diào)、瀾滄江集控中心等重大工程中，取得了良好的預(yù)期效果。

目前，國(guó)內(nèi)外智能水電廠相關(guān)的論文主要集中在自動(dòng)化系統(tǒng)的總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)體系、應(yīng)用功能等方面[3，4]，少數(shù)則以示例的方式簡(jiǎn)要介紹IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)邏輯節(jié)點(diǎn)使用方法[3，4]及通信軟件實(shí)現(xiàn)方法[7]。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)最初是IEC組織針對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)提出的，而水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象與功能遠(yuǎn)比變電站復(fù)雜得多，因此IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)能否滿足水電廠通信功能和性能方面的要求，在業(yè)界仍然存在一定的爭(zhēng)議。本文在介紹IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)與水電自動(dòng)化相關(guān)的部分內(nèi)容的基礎(chǔ)上，分析該標(biāo)準(zhǔn)在智能水電廠中應(yīng)用的適用性，提出該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于水電廠的基本原則和方法，對(duì)統(tǒng)一和推廣智能水電廠理念、推進(jìn)國(guó)內(nèi)水電廠自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

2 IEC 61850及在變電站中應(yīng)用現(xiàn)狀

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是由國(guó)際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員會(huì)于2003年頒布的，該標(biāo)準(zhǔn)使變電站中來(lái)自不同廠商的智能電子裝置（IED）實(shí)現(xiàn)了互操作，目前IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)[8]。從2009年開(kāi)始，IEC開(kāi)始發(fā)布IEC 61850 Ed 2.0，標(biāo)準(zhǔn)名稱由《變電站自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》改為《電力自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》，使IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用從變電站拓展到發(fā)電廠、分布式能源（DER）、輸變電設(shè)備監(jiān)測(cè)以及配電自動(dòng)化系統(tǒng)等領(lǐng)域，極大地拓展了該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍。我國(guó)于2004年開(kāi)始以等同采用（IDT）的方式將IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)翻譯為中文，并采納為我國(guó)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL 860。

IEC 61850主要內(nèi)容包括以下四部分：①系統(tǒng)部分。包括IEC 61850-l、IEC 61850-2、IEC 61850-3、IEC 61850-4和IEC 61850-5五個(gè)文件，從通信技術(shù)本身進(jìn)行描述，并從系統(tǒng)工程管理、質(zhì)量保證、系統(tǒng)模型等方面進(jìn)行敘述，使IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)能夠更好地應(yīng)用于電力系統(tǒng)。②配置部分。IEC 61850-6定義了變電站系統(tǒng)和設(shè)備配置、功能信息及相對(duì)關(guān)系的變電站配置描述語(yǔ)言。③數(shù)據(jù)模型、通信服務(wù)和映射部分。包括IEC 61850-7、IEC 61850-8和IEC 61850-9三個(gè)文件，是IEC 61850核心技術(shù)部分，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度描述了IEC 61850的信息模型、通信服務(wù)接口模型以及信息模型與實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)的映射方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)信息模型的統(tǒng)一、通信服務(wù)的統(tǒng)一和傳輸過(guò)程的一致。④測(cè)試部分。主要是IEC 61850-10，定義了一致性測(cè)試的方法、等級(jí)、環(huán)境和設(shè)備要求，用于驗(yàn)證系統(tǒng)和設(shè)備的互操作性。

基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站技術(shù)在國(guó)內(nèi)已基本發(fā)展成熟，以南京南瑞集團(tuán)公司為代表的電力自動(dòng)化設(shè)備企業(yè)研制出了滿足IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站保護(hù)和測(cè)控設(shè)備，并應(yīng)用于國(guó)內(nèi)大量智能變電站建設(shè)和改造工程中。通過(guò)采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，智能變電站利用智能二次設(shè)備取代了傳統(tǒng)二次設(shè)備，利用光纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)電纜，解決了電磁干擾、一點(diǎn)接地等問(wèn)題，節(jié)約了工程投資，體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保理念；簡(jiǎn)化了二次系統(tǒng)的配置，實(shí)現(xiàn)全景數(shù)據(jù)集成、標(biāo)準(zhǔn)化后統(tǒng)一上送，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)源端維護(hù)，提高了工程調(diào)試效率和系統(tǒng)的安全性。國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》，明確要求“智能變電站的通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)應(yīng)符合 DL/T 860（IEC 61850）標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)建立包含電網(wǎng)實(shí)時(shí)同步信息、保護(hù)信息、設(shè)備狀態(tài)、電能質(zhì)量等各類數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化信息模型，滿足基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性及一致性的要求?！?/p>

3 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)適用性分析

3.1 對(duì)象信息建模

IEC 61850第二版將水電廠、分布式能源等納入到標(biāo)準(zhǔn)中，為此在IEC 61850-7-4的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了分別用于水電廠和分布式能源的信息建模規(guī)范文件，制定了相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)列表及定義。其中，針對(duì)水電廠的信息建模規(guī)范的文件以IEC 61850-7-#10命名，針對(duì)分布式能源的信息建模規(guī)范的文件以IEC 61850-7-#20命名。2007年，IEC首次發(fā)布了針對(duì)水電廠的IEC 61850-7-410《電力自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng) 第7-410部分：基本通信結(jié)構(gòu) 水力發(fā)電廠 監(jiān)視和控制通信》標(biāo)準(zhǔn)第一版，描述了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在水電廠應(yīng)用中所需的額外的公用數(shù)據(jù)類、邏輯節(jié)點(diǎn)以及數(shù)據(jù)對(duì)象，為IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于水電廠奠定了基礎(chǔ)。2012年，IEC又發(fā)布了該標(biāo)準(zhǔn)的第二版，進(jìn)一步補(bǔ)充完善了水電廠信息建模標(biāo)準(zhǔn)，使得IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在水電廠中的適用性進(jìn)一步提高。IEC 61850-7-410第一版共收錄63個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，其中命名以H開(kāi)頭的水電站專用邏輯節(jié)點(diǎn)19個(gè)，通用邏輯節(jié)點(diǎn)44個(gè)。IEC 61850-7-410標(biāo)準(zhǔn)第二版則收錄41個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，其中命名以H開(kāi)頭的水電站專用邏輯節(jié)點(diǎn)26個(gè)，通用邏輯節(jié)點(diǎn)15個(gè)。IEC 61850-7-410第二版的邏輯節(jié)點(diǎn)分為自動(dòng)控制、功能模塊、水電廠專用邏輯節(jié)點(diǎn)、接口和存檔、機(jī)械與非電氣主設(shè)備、保護(hù)功能、保護(hù)相關(guān)功能、傳感器監(jiān)視、開(kāi)關(guān)設(shè)備等組，涉及電力、機(jī)械、水文、傳感器等技術(shù)領(lǐng)域。

2012年，IEC又發(fā)布了IEC 61850-7-510《電力自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng) 第7-510部分：基本通信結(jié)構(gòu) 水力發(fā)電廠建模原理與應(yīng)用指南》技術(shù)報(bào)告，以大量示例的方式詳盡地解釋了如何使用IEC 61850-7-4以及IEC 61850-7-410系列其他文檔定義的邏輯節(jié)點(diǎn)對(duì)電廠（包括可變速抽水蓄能電廠）的復(fù)雜控制功能進(jìn)行建模，主要內(nèi)容包括：①水電廠整體通信結(jié)構(gòu)框架，包括水電廠的整體通信結(jié)構(gòu)、通信網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)行模式和基本控制策略；②控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化，包括邏輯設(shè)備建模、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、機(jī)組啟停控制等應(yīng)用的IEC 61850建模示例；③變速抽水蓄能系統(tǒng)示例，包括變速抽水蓄能電站勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)和機(jī)組啟?？刂频葢?yīng)用的IEC 61850建模示例；④高壓油系統(tǒng)油泵啟動(dòng)優(yōu)先權(quán)；⑤尋址結(jié)構(gòu)和映射示例；⑥不同類型曲線的使用以及曲線形狀描述的示例；⑦電壓匹配功能的示例。

目前，我國(guó)已經(jīng)完成了翻譯IEC 61850-7-410和IEC 61850-7-510并等同采用為國(guó)內(nèi)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)工作，即將進(jìn)入正式發(fā)布該文件，作為DL 860標(biāo)準(zhǔn)的部分文件。此外，國(guó)際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員正在組織編寫IEC 61850-7-410的修正文件，進(jìn)一步完善水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)的對(duì)象信息建模。這使得IEC 61850突破了原來(lái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用局限，能夠有效地應(yīng)用于智能水電廠對(duì)象信息建模。此外，針對(duì)我國(guó)水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)，南京南瑞集團(tuán)公司正在牽頭組織編寫國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《智能水電廠公共信息模型技術(shù)規(guī)范》，進(jìn)一步完善IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在水電廠中應(yīng)用所需的各類邏輯節(jié)點(diǎn)。上述工作確保了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在對(duì)象信息建模方面能夠適用于智能水電廠建設(shè)，隨著模型的不斷完善將為智能水電廠推廣提供更加堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

3.2 通信性能要求

智能水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)除了需要處理與智能變電站類似的電氣量以外，還需要處理大量諸如轉(zhuǎn)速、流量、溫度、壓力、液位之類的非電氣量，完成機(jī)組開(kāi)機(jī)、停機(jī)等各類順序控制，并對(duì)輔機(jī)的啟動(dòng)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行管理。由此可見(jiàn)，水電廠中各功能之間交互信息的類型和數(shù)據(jù)量都遠(yuǎn)多于智能變電站。因此，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在水電廠大數(shù)量傳輸環(huán)境下，傳輸性能是否能夠滿足水電廠安全生產(chǎn)控制的要求成為一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。從另一方面看，水電廠具有各臺(tái)機(jī)組控制功能相對(duì)獨(dú)立、順序控制流程時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，在應(yīng)用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)時(shí)只需要綜合采取一系列技術(shù)措施就能夠確保滿足水電機(jī)組控制性能要求，分析如下：

（1）水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量很大，但絕大多數(shù)都是反映機(jī)械裝置運(yùn)行情況的數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的變化速度較慢，屬于中速和低速報(bào)文，對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)臅r(shí)間要求并不高。

（2）水電廠開(kāi)機(jī)、停機(jī)等順序控制過(guò)程涉及大量信息交互，但是順序控制本身的時(shí)間相對(duì)信號(hào)采集和傳輸?shù)臅r(shí)間來(lái)說(shuō)非常長(zhǎng)，因此數(shù)據(jù)信息采集和傳輸時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)流程正常執(zhí)行的影響可以忽略不計(jì)。

（3）水電廠各類自動(dòng)化設(shè)備均以水電機(jī)組為單位，各機(jī)組控制子系統(tǒng)之間信息交互非常少。可以利用該特點(diǎn)，通過(guò)VLAN技術(shù)或直接采用多套交換機(jī)建立多個(gè)獨(dú)立的過(guò)程層網(wǎng)，每臺(tái)機(jī)組的控制系統(tǒng)單獨(dú)使用一個(gè)過(guò)程子網(wǎng)，消除各個(gè)機(jī)組測(cè)控信息的相互干擾，有效解決水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大帶來(lái)的傳輸瓶頸問(wèn)題。

（4）改變傳統(tǒng)現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)所有信息經(jīng)過(guò)PLC集中上送至廠站層網(wǎng)的信息流，單元層各IED同時(shí)連接過(guò)程層網(wǎng)（GOOSE/SV網(wǎng)）和廠站層網(wǎng)（MMS網(wǎng)），直接與廠站層計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交互，通過(guò)信息的分散傳輸，降低了對(duì)局部網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的過(guò)高要求。

（5）采用具有采集信號(hào)智能分布式處理功能的智能控制器將逐步取代傳統(tǒng)的PLC，在現(xiàn)地完成模擬量抖動(dòng)過(guò)濾、變幅報(bào)警等信號(hào)處理任務(wù)，減少了無(wú)效信息的傳輸和PLC執(zhí)行周期對(duì)系統(tǒng)性能的限制作用。

（6）對(duì)水電廠現(xiàn)地各類數(shù)據(jù)、事件報(bào)文的優(yōu)先級(jí)區(qū)分，并采用具有報(bào)文優(yōu)先級(jí)控制的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)交換機(jī)，可以有效確保智能水電廠中不同重要性數(shù)據(jù)均能夠被及時(shí)處理，在完成各類常規(guī)功能的同時(shí)，對(duì)緊急事件進(jìn)行優(yōu)先處理。

3.3 試點(diǎn)工程驗(yàn)證

南京南瑞集團(tuán)公司依托多年IEC 61850相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編寫、產(chǎn)品研制等方面的成果積累，自2010年起開(kāi)始了白山、松江河兩個(gè)智能水電廠試點(diǎn)工程的改造建設(shè)。在改造過(guò)程中，采用了統(tǒng)一的IEC 61850、IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)取代原來(lái)各廠商的各類通信協(xié)議，對(duì)于直接支持IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的各類保護(hù)相關(guān)測(cè)控設(shè)備，直接使用支持該標(biāo)準(zhǔn)的IED取代原測(cè)控裝置，對(duì)于其他專業(yè)不具備更新測(cè)控設(shè)備條件的，各自增設(shè)相應(yīng)的IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換器，將其采集的信息轉(zhuǎn)化為IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建模并統(tǒng)一按照IEC 61850 MMS協(xié)議上送至一體化管控平臺(tái)。通過(guò)通信標(biāo)準(zhǔn)的改造，一體化管控平臺(tái)能夠直接采用導(dǎo)入各類智能測(cè)控設(shè)備的監(jiān)測(cè)信息，可以快速構(gòu)建廠站層監(jiān)控軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，并確保各類智能測(cè)控設(shè)備信息與一體化管控平臺(tái)信息的一致性，解決了傳統(tǒng)水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息無(wú)自描述能力、信息表述方式不統(tǒng)一、設(shè)備互換性和交互性差等問(wèn)題。

白山、松江河智能發(fā)電廠試點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目均于2012年底通過(guò)驗(yàn)收并投入正式運(yùn)行，至今運(yùn)行情況良好。白山和松江河智能水電廠的建設(shè)和運(yùn)行，為IEC 61850水電廠信息對(duì)象建模、水電廠智能IED設(shè)備研制、水電廠IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)通信總線研制、一體化管控平臺(tái)研發(fā)、智能水電廠運(yùn)行管理等積累了豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，充分證明了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)的適用性，為指導(dǎo)和推進(jìn)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)水電廠中的應(yīng)用做出了重要的作用，同時(shí)也證明了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在智能水電廠中的適用性。

4 結(jié)論

本文介紹了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)與水電廠相關(guān)的文件情況及目前標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)情況，并首次從對(duì)象信息建模、通信性能要求及試點(diǎn)工程驗(yàn)證等角度分析了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的適用性，提出了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在水電廠中應(yīng)用的各項(xiàng)原則，指導(dǎo)國(guó)內(nèi)水電自動(dòng)化領(lǐng)域積極并正確應(yīng)用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)內(nèi)水電廠智能化改造的步伐。

目前，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于水電廠時(shí)還面臨著支持該標(biāo)準(zhǔn)的智能電子裝置（IED）產(chǎn)品較少、智能電子裝置檢測(cè)與評(píng)估體系不完善等不足之處，需要今后在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在水電廠中的具體應(yīng)用方法，即邏輯設(shè)備建模、邏輯節(jié)點(diǎn)建模、水電智能電子裝置互操作性測(cè)試等具體細(xì)節(jié)開(kāi)展更加深入的研究工作。

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