李 穎，鄒 穎，李 俊

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明650051）

自2006年我國建成第1座數字化變電站云南曲靖翠峰變電站以來[1]，數字化變電站在我國發(fā)展迅速，目前在電網各種電壓等級中都有著廣泛的建設。相比數字化變電站，數字化水電站的建設相對遲緩，至今國內幾家主要科研單位、設計院對數字化水電站進行了研究，但尚未有成熟的行業(yè)解決方案[2]，少數幾個水電站進行了數字化通信的嘗試，也還沒有建成真正意義上的全數字化水電站?，F階段盡早研究并確定數字化水電站自動化體系結構，有利于加快數字化水電站的建設，對促進水電站自動化各子系統(tǒng)的數字化技術發(fā)展有著較為重要的意義。

1 當前水電站自動化體系結構

目前的水電站自動化體系是以計算機監(jiān)控系統(tǒng)為核心，同時設置分布的智能電子設備或系統(tǒng)，獨立完成調速、勵磁、公用輔助設備控制及繼電保護等任務，上述智能電子設備或系統(tǒng)與計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要以開關量、模擬量通過大量的電纜進行數據交換，協同完成電站整體的監(jiān)控和保護任務，該體系結構見圖1。

圖1 當前水 電站自動化體系結構圖

計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用分層、分布、開放式系統(tǒng)結構，分為電廠控制級和現地控制級，兩級之間通過高速以太網進行連接。電廠級也稱為上位機系統(tǒng)，負責全廠設備的集中監(jiān)控，其設備包括服務器、工作站、時鐘同步裝置、網絡設備、大屏幕系統(tǒng)等，通常布置在中控室或計算機室；現地控制級又稱為下位機系統(tǒng)，主要負責對機組、開關站、公用設備、廠用電和壩區(qū)等設備實施監(jiān)控，其設備一般包括機組LCU、開關站LCU、公用LCU和壩區(qū)LCU，LCU主要由PLC、觸摸屏、同期裝置、測量計量設備等組成，通常布置在被監(jiān)控設備附近[3]。

調速器系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、公用輔助設備控制系統(tǒng)及繼電保護系統(tǒng)等設置獨立的智能電子設備，具備控制器、輸入輸出模塊、通信模塊等器件，以開關量、模擬量形式通過大量電纜采集現場信息并接收計算機監(jiān)控系統(tǒng)控制命令，完成數據采集、邏輯判別、順序控制、閉環(huán)控制等工作，實現電站賦予的相應自動化功能，同時又以開關量、模擬量形式通過大量電纜外送狀態(tài)信息和故障信息給監(jiān)控系統(tǒng)及其余相關系統(tǒng)。

目前的水電站自動化體系結構經過多年的發(fā)展已經比較成熟和固定，能夠實現水電站的自動監(jiān)控需要，但也存在以下一些不足：

（1）主要以開關量、模擬量形式傳輸信號，信號范圍和內容受到限制，不能實現完整采集；

（2）底層現地設備和元件與智能電子設備之間需采用大量電纜連接，投資大、施工時間長，同時受電磁干擾、易發(fā)熱等風險較大；

（3）各智能電子設備之間采用總線通信時，難以保證一致性，經常需要增加協議轉換器等中間設備；

（4）現地LCU功能過于集中，一旦發(fā)生故障，影響非常巨大。

正是由于上述缺點，計算機監(jiān)控系統(tǒng)難以采集到足夠信息，無法建立信息數據一體化平臺，開展狀態(tài)檢修輔助決策、全生命周期管理等高級應用功能，從而無法順利建立數字化水電站、智能化水電站，影響了智能電網的全面建設。

2 數字化變電站自動化體系結構

數字化變電站自動化體系采用分層、分布、開放式網絡結構，整站自動化體系縱向采用3層2網布局，由站控層、間隔層、過程層以及網絡設備構成。站控層設備主要包括：主機/操作員工作站、五防工作站、通信管理機、調度通信工作站、時鐘同步裝置、網絡通信設備、大屏顯示系統(tǒng)以及打印機等，間隔層設備按照間隔配置，主要包括測控裝置、保護裝置、故障錄波裝置、安穩(wěn)設備等智能設備，過程層設備主要包括智能終端、電子式互感器、合并單元等。數字化變電站自動化體系結構見圖2。

圖2 典型220 kV數字化變電站自動化體系結構圖（網采網跳）

站控層主要功能是通過站控層高速網絡匯集全站的實時數據信息，不斷刷新實時數據庫，并定時將數據轉入歷史數據庫；同時按需要將有關實時數據信息送往上級調度；接受上級調度的控制和調節(jié)命令并下發(fā)到間隔層、過程層予以執(zhí)行；完成全站開關操作閉鎖控制；對變電站實現現地監(jiān)控、人機聯系；完成對間隔層、過程層二次設備的在線維護、參數修改等[4]。

間隔層主要功能是匯總間隔層內各類設備的實時數據信息；完成各種保護、自動控制、邏輯控制功能的運算、判別、發(fā)令；完成各個間隔操作閉鎖以及同期功能的判別；執(zhí)行數據的承上啟下通信傳輸，同時完成與過程層及站控層的網絡通信等。

過程層設備主要功能是完成實時運行電氣量的采集、設備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等[5]。

站控層網絡連接站控層設備和間隔層設備，完成變電站各功能節(jié)點相關數據的交換傳輸。

過程層網絡連接間隔層設備和過程層設備，完成開關量、模擬量、控制量等信息的交互傳輸。

3 數字化水電站自動化體系結構

鑒于數字化變電站經過數年的技術發(fā)展和工程應用后被證實較為成熟可靠，同時其技術優(yōu)勢又能解決目前水電站自動化體系所面臨的主要矛盾和問題。所以，應該遵循水電站的特點借鑒數字化變電站的技術經驗來尋求數字化水電站解決方案。

按照這一思路，數字化水電站自動化體系應是分層、分布式的開放架構，并按照3層2網的方式設計：

從邏輯概念上和物理概念上整個電站自動化系統(tǒng)劃分為3層：站控層、單元層和過程層，不同層之間設備、同層內設備之間均采用IEC61850通信標準進行數字化通信。

3層次間設置2個網絡：站控層設備和單元層設備之間設置MMS通信規(guī)約的站控層網絡，以實現站控層內部以及站控層與單元層之間的數據傳輸；在單元層設備和過程層設備之間設置SV和GOOSE通信規(guī)約的過程層網絡，實現單元層設備與過程層設備之間的數據傳輸[6]。

數字化水電站按照不同功能或區(qū)域的具體要求配置分布式自動化子系統(tǒng)（或IED），各子系統(tǒng)（或IED）之間具備實現深層次信息共享和互操作的能力。

站控層主要設備包括服務器、操作員工作站、同步對時系統(tǒng)等設備，其主要功能是通過網絡匯集全站機電設備的實時信息，不斷刷新實時數據庫，定時將數據轉入歷史數據庫；按需要將有關實時數據信息送往電網調度及流域集控中心；接受上級調度的控制和調節(jié)命令下發(fā)到單元層、過程層執(zhí)行；具有站內現地監(jiān)控、人機聯系功能；具有對單元層、過程層二次設備的在線維護、參數修改等功能[7]。

單元層主要設備包括機組LCU、調速器裝置、勵磁裝置、公用輔機系統(tǒng)控制裝置、繼電保護裝置、測控裝置、安全自動裝置、電能計量裝置等，其主要功能是匯總過程層各類設備的實時信息；完成各種自動控制、保護、邏輯控制功能的運算、判別、發(fā)令；完成各個單元的操作閉鎖以及同期功能的判別；執(zhí)行數據的承上啟下通信傳輸功能，同時完成與過程層及站控層的網絡通信功能。

過程層主要設備包括電子式互感器、合并單元、智能終端、自動化元件及其采集裝置等，其主要功能是完成電氣量、非電氣量的實時采集、設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等[8]。

圖3對過程層網絡采用的網采網跳方式進行示意，實際建設時還有直采直跳、直采網跳、網采直跳等3種方式可以選擇，就4種方式而言，網采網跳是最具優(yōu)勢的一種方式，能充分發(fā)揮數字化水電站數字化、網絡化通信的優(yōu)勢。

圖3 數字化水電站自動化體系結構圖

4 結語

數字化水電站自動化體系結構將左右數字化水電站發(fā)展的方向，本文立足當前水電站自動化體系結構和特點，結合數字化變電站的自動化體系現狀，提出了數字化水電站自動化體系結構，以供業(yè)內參考、拋磚引玉。同時，在數字化水電站的建設實踐中宜根據工程自身特點、技術發(fā)展水平及安全性先進性的綜合考量，來最終確定這一體系結構。