王錄永，胡 喆，郗發(fā)剛

（1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明650051；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明650214）

自2006年我國第1座基于IEC61850傳輸協(xié)議的數(shù)字化變電站投運以來[1]，數(shù)字化變電站相關技術發(fā)展迅猛，截止2017年底，我國已建成了上千座數(shù)字化變電站，電壓等級涵蓋110 kV～750 kV。為了響應國家建設智能電網(wǎng)的號召、彌補當前水電站監(jiān)控系統(tǒng)的不足，在數(shù)字化變電站技術的基礎上，國內(nèi)也在嘗試數(shù)字化水電站的建設，如國內(nèi)目前已建成的白山水電站[2-3]、松江河水電站[4]和葛洲壩水電站[5-6]，但由于水電站結構遠比變電站復雜，電氣和機械設備眾多，白山、松江河、葛洲壩等水電站都處在基于IEC61850標準的數(shù)字化水電站的研究階段，并未得出完整的數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)解決方案。

1 當前水電站監(jiān)控系統(tǒng)結構及不足

1.1 當前水電站監(jiān)控系統(tǒng)結構

監(jiān)控系統(tǒng)是水電站自動化體系中最為核心的系統(tǒng)，它承擔著發(fā)電過程自動控制、安全監(jiān)視、自動處理事故等一系列重要任務，是整個電站的大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)。水電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展大致可以劃分為常規(guī)控制裝置系統(tǒng)、常規(guī)控制裝置與計算機監(jiān)控并存的系統(tǒng)、全計算機監(jiān)控系統(tǒng)3個階段。經(jīng)過30多年的發(fā)展，全計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術已經(jīng)比較成熟和穩(wěn)定，已成為我國當前水電站監(jiān)控系統(tǒng)的主流，其結構見圖1。

當前水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用分層、分布、開放式系統(tǒng)結構，分為電站控制級和現(xiàn)地控制級。電站級設備主要包括服務器、工作站、時鐘同步裝置、網(wǎng)絡設備等，通常設置在中控室或計算機室；現(xiàn)地控制級按被控對象分別設置現(xiàn)地控制單元（LCU），一般包括機組LCU、開關站LCU、廠用電LCU、公用LCU和壩區(qū)LCU，通常布置在被監(jiān)控設備附近。電站控制級和現(xiàn)地控制級之間通過光纖以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信。而現(xiàn)地控制級LCU與電站其他系統(tǒng)如調(diào)速、勵磁、保護、直流、輔助控制設備及CT、PT、現(xiàn)地自動化元件間則主要通過電纜硬接線方式進行數(shù)據(jù)采集和設備控制，通信方式僅作為數(shù)據(jù)采集的備用。

圖1 當前水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結構

1.2 當前水電站監(jiān)控系統(tǒng)的不足

當前水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)可以實現(xiàn)水電站的自動監(jiān)視與控制[7]，但由于受到系統(tǒng)內(nèi)各設備元器件技術發(fā)展的限制以及被監(jiān)控的設備、自動化元件的技術發(fā)展的制約，當前的計算機監(jiān)控系統(tǒng)存在著以下一些不足：①硬接線方式受制于LCU設備的采集端口數(shù)量限制，信號采集不完整；串口通信方式易受電磁干擾可靠性較差，且傳輸速率較慢，不適合于控制信號的傳輸。②硬接線方式信號傳輸需要布設大量的電纜，增加了電站的建設成本、加大了施工難度，造成電纜的維護、管理困難。③電站內(nèi)設備都是各個廠家在不同時期各自研發(fā)的，各系統(tǒng)發(fā)展不平衡，通信接口、規(guī)約各異，缺乏統(tǒng)一性，造成設備間通信困難。④信號不能共享，各系統(tǒng)分別采集各自需要的信號，如互感器、斷路器位置、導葉位置、機組轉速等，造成現(xiàn)地設備的重復設置。數(shù)字化水電廠的建設則能很好的解決以上問題。

2 IEC61850與數(shù)字化水電站

IEC61850系列標準是由國際電工委員會第57技術委員會（IEC TC57）制定發(fā)布的，它規(guī)范了變電站內(nèi)智能電子設備（IED）之間的通信行為和相關的系統(tǒng)要求，目前已經(jīng)廣泛的應用于我國數(shù)字化變電站、智能變電站的建設當中。2007年IEC61850標準中新增了IEC61850-7-410、510兩個部分，是專門針對水電行業(yè)發(fā)布的，IEC61850-7-410全稱為《水力發(fā)電廠監(jiān)視與控制用通信》，規(guī)定了水電廠監(jiān)視和控制的共用數(shù)據(jù)類、邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)對象，IEC61850-7-510《水力發(fā)電廠建模原理與應用指南》，解釋了如何利用完整的IEC61850中的邏輯節(jié)點和信息交換服務來描述水電廠的控制系統(tǒng)及其他功能和生產(chǎn)的信息、以及相互之間交換的信息。

數(shù)字化水電站是指以主要機電設備為數(shù)字化對象，按照站控層、單元層、過程層3層構建，以網(wǎng)絡通信平臺為基礎，采用IEC61850數(shù)據(jù)建模和通信服務協(xié)議，實現(xiàn)各種監(jiān)測信號、控制信號的數(shù)字化采集、傳輸、處理和數(shù)據(jù)共享，達到信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡化、集成標準化的水電站。

數(shù)字化水電站中信息的采集、傳輸、處理、輸出過程應完全數(shù)字化[7]，信號通過網(wǎng)絡以數(shù)字量方式傳輸。數(shù)字化水電站要求監(jiān)控系統(tǒng)設備具有數(shù)字化接口，同時具備全網(wǎng)絡化結構，以適應電站智能化一次設備、網(wǎng)絡化二次設備、數(shù)字化現(xiàn)地元件的信息共享、交互傳輸要求。

3 數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)結構解決方案

水電站與變電站有許多共性之處，借鑒數(shù)字化變電站的成熟經(jīng)驗，數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)的結構應按照3層2網(wǎng)來構建，3層指站控層、單元層和過程層，2網(wǎng)指站控層網(wǎng)絡和過程層網(wǎng)絡。按照IEC61850通信標準的特性，在站控層設置MMS網(wǎng)絡，供站控層設備與單元層設備之間數(shù)據(jù)交互使用，在過程層設置GOOSE、SV網(wǎng)，供單元層設備與過程層設備之間數(shù)據(jù)交互使用。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑴p少鏈路承載的數(shù)據(jù)量，站控層MMS網(wǎng)和過程層GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)均應采用冗余網(wǎng)絡，且3種網(wǎng)絡之間相互獨立，其中SV網(wǎng)專供電壓、電流互感器數(shù)據(jù)傳輸使用。

根據(jù)水電站的特點，按照不同的受控對象，GOOSE、SV網(wǎng)應劃分為不同網(wǎng)段，即機組GOOSE、SV網(wǎng)以及開關站GOOSE、SV網(wǎng)。機組GOOSE、SV網(wǎng)用于實現(xiàn)機組范圍內(nèi)單元層設備之間、單元層設備與過程層設備之間的數(shù)據(jù)交互，開關站GOOSE、SV網(wǎng)用于實現(xiàn)開關站范圍內(nèi)單元層設備之間、單元層設備與過程層設備之間的數(shù)據(jù)交互。廠用電、公用及壩區(qū)范圍設備結構簡單，不需設置單獨的過程層GOOSE、SV網(wǎng)絡，相關設備與監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互直接由站控層MMS網(wǎng)完成。數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 數(shù)字化水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結構

數(shù)字化水電站單元層應設置機組LCU，用于實現(xiàn)發(fā)電機正常開機、停機及事故停機流程等功能，與站控層設備的通信通過MMS網(wǎng)來完成，與順控流程相關的重要狀態(tài)信號采集和控制命令的發(fā)布均通過GOOSE網(wǎng)或SV網(wǎng)來完成。

調(diào)速器、勵磁、保護、直流、輔助設備控制、閘門控制等系統(tǒng)均采用支持IEC61850標準的PLC或ARM等智能控制器為核心元件，智能化程度已經(jīng)大大提高，能獨立完成本系統(tǒng)設備的監(jiān)視與控制（包括有功、無功的閉環(huán)控制），無需LCU輔助，故將這些系統(tǒng)提升至單元層；開關站與廠用電部分在設備類型、運行方式等方面與變電站基本一致，可以借鑒數(shù)字化變電站的成熟經(jīng)驗，通過在單元層設置智能測控單元[8]與保護測控一體化裝置[9]來完成此部分設備的監(jiān)視和控制。上述結構變化減輕了機組LCU負擔，同時不需要在單獨設置開關站LCU、公用LCU、廠用LCU和壩區(qū)LCU。

數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡與當前水電站監(jiān)控系統(tǒng)相比，其性質(zhì)已發(fā)生了變化。當前水電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡僅站控層設置冗余以太網(wǎng)，供監(jiān)控系統(tǒng)所屬設備自用；而數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡包括站控層網(wǎng)絡（MMS網(wǎng)）和過程層網(wǎng)絡（GOOSE、SV網(wǎng)），供勵磁、調(diào)速、保護、智能測控單元等單元層設備和合并單元[10]、智能終端[11]等過程層設備共用。

4 數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)設備解決方案

4.1 站控層監(jiān)控設備

站控層監(jiān)控設備主要包括服務器（工作站）、同步時鐘系統(tǒng)、MMS網(wǎng)絡交換機等，其中服務器（工作站）應接入MMS雙網(wǎng)中，選型與當前水電站設備沒有區(qū)別。

4.1.1 同步時鐘系統(tǒng)

數(shù)字化水電站站控層設備可采用NTP對時方式，單元層和過程層則采用光纖B碼方式對時，對不具備光纖B碼方式對時的設備可以采用電B碼或脈沖等方式對時。對時時鐘主機應冗余設置，其中至少1臺必須為北斗衛(wèi)星時鐘系統(tǒng)，當對時設備較多且布置區(qū)域分散時，可設置兩級時鐘，一級主時鐘布置在中控室，二級分時鐘按區(qū)域設置，可布置在各機組單元、開關站范圍、公用設備范圍、廠用電范圍、壩區(qū)范圍等區(qū)域，一、二級時鐘通過光纖連接（圖 3）。

圖3 數(shù)字化水電站一、二級時鐘系統(tǒng)方案結構圖

4.1.2 MMS網(wǎng)絡交換機

站控層MMS網(wǎng)絡交換機應冗余配置，推薦采用3層以太網(wǎng)交換機，除完成站控層設備與單元層設備的數(shù)據(jù)交換外，還便于完成監(jiān)控系統(tǒng)安全I區(qū)、安全II區(qū)及信息管理大區(qū)之間的信息交互。交換機按需配置光口和電口，供不同設備使用，單臺交換機端口不足時可采用千兆端口進行級聯(lián)擴展。交換機應具備網(wǎng)管功能，能支持廣播風暴抑制、組播風暴抑制和未知單播風暴抑制功能，同時應支持VLAN功能且VLAN的個數(shù)不少于4096個。交換機需具備對時功能，以滿足數(shù)字化水電站的需求。

4.2 單元層監(jiān)控設備

單元層監(jiān)控設備主要包括機組LCU、同期裝置等，對上接入MMS雙網(wǎng)中，對下按需接入GOOSE、SV雙網(wǎng)中。

4.2.1 機組 LCU

機組LCU作為單元層的核心設備，承擔著機組正常開停機流程及事故停機流程的執(zhí)行、斷路器等開關的防誤閉鎖、現(xiàn)地設備的狀態(tài)監(jiān)視及邏輯控制等任務，特別是事故停機流程作為保護水輪發(fā)電機組的一道重要屏障，關系到整個電站的運行安全，因此其運行的可靠性極為重要。

數(shù)字化水電站中的機組LCU應采用冗余設置的PLC作為其主控制器，PLC必須支持IEC61850 MMS網(wǎng)及GOOSE網(wǎng)的信息采集及命令發(fā)布，最好同時也能支持SV網(wǎng)的信息采集。機組LCU的信息采集和控制命令的發(fā)布全部通過網(wǎng)絡完成，內(nèi)部不需要配置開關量和模擬量的輸入輸出模塊和交流采樣裝置。機組LCU內(nèi)部交換機需支持IEC61850標準，可采用2層以太網(wǎng)交換機，全光口配置，其他參數(shù)應與MMS網(wǎng)主交換機一致。

4.2.2 同期裝置

數(shù)字化水電站機組部分同期功能可采用全數(shù)字化同期裝置來完成。全數(shù)字化同期裝置支持接收SV報文，可實現(xiàn)PT模擬量的數(shù)字化采樣；支持斷路器位置、分/合閘命令、調(diào)頻/調(diào)壓令等開關量的GOOSE報文接收和發(fā)送；支持與站控層MMS網(wǎng)通信實現(xiàn)遙控、遙測、遙信功能。開關站部分的同期功能可借鑒數(shù)字化變電站經(jīng)驗，采用測控裝置來完成，不需要單獨設置同期裝置。

4.3 過程層設備

過程層監(jiān)控設備僅包括GOOSE、SV網(wǎng)交換機，推薦采用支持IEC61850 GOOSE報文和SV報文傳輸?shù)?層以太網(wǎng)交換機，采用全光口配置，交換機端口不足時可采用級聯(lián)或堆疊方式進行擴展，其他要求可參考MMS網(wǎng)交換機。

5 結束語

當前水電站監(jiān)控系統(tǒng)電站控制級設備與現(xiàn)地控制級設備之間數(shù)據(jù)傳輸已普遍采用了光纖通信，但與其他機電系統(tǒng)設備之間的數(shù)據(jù)傳輸仍以電纜為主，存在著大量模擬量信號。數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)要解決的核心問題是實現(xiàn)與其他系統(tǒng)設備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字化。IEC61850規(guī)范為數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)設備之間的通信提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使數(shù)字化水電站內(nèi)的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)得以高效、靈活的傳輸和共享，很好地解決了不同廠家產(chǎn)品的一致性和互操作性問題，大大減少了電站電纜的使用。本文提出的數(shù)字化水電站監(jiān)控系統(tǒng)整體結構更加扁平，單元層LCU的簡化設置使設備間數(shù)據(jù)傳輸更加簡潔、高效，在保證可靠性和適用性的前提下，減少了系統(tǒng)設備和電纜使用量，節(jié)約了成本，同時IEC61850網(wǎng)絡的引入也使數(shù)據(jù)的采集更加完整，系統(tǒng)抗干擾能力增強，很好地彌補了當前水電站監(jiān)控系統(tǒng)的不足，具有很大的推廣和實用價值。