李慧音，張世玲，戴 驅(qū)

（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）

隨著網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展和設備的日新月異，變電站的數(shù)字化技術(shù)（滿足IEC-61850通信標準）已趨成熟，而水電站領域則暫未出現(xiàn)完整且成熟的數(shù)字化解決方案。本文參考數(shù)字化變電站的設計方案[1]，依據(jù)《DL/T 1547-2016智能水電廠技術(shù)導則》，基于“一次設備智能化，二次設備網(wǎng)絡化，符合IEC-61850通信標準”的思路，將數(shù)字化水電站設計為“過程層”、“單元層”、“站控層”和過程層網(wǎng)絡（GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)）、站控層網(wǎng)絡（MMS網(wǎng)）的3層2網(wǎng)結(jié)構(gòu)層次[2]（后文提及的數(shù)字化均以IEC-61850為基礎）。

水輪機調(diào)速器作為水電站的重要控制設備，位于數(shù)字化水電站的單元層[2]，其主要任務是根據(jù)負荷的改變，相應改變水輪機導水機構(gòu)（導葉、槳葉或噴嘴）的開度調(diào)節(jié)過機流量，以使水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速（或負荷）維持在某一預定值，或按某一預定的規(guī)律變化。由于水輪機調(diào)速器對水輪發(fā)電機組安全、可靠運行具有舉足輕重的作用，并直接影響著電力系統(tǒng)向用戶供電的質(zhì)量及可靠性，因此，水輪機調(diào)速器一直是電力系統(tǒng)自動控制的重要組成部分。因現(xiàn)階段數(shù)字化變電站已有完整的解決方案，數(shù)字化水電站的關(guān)鍵在于調(diào)速器系統(tǒng)與勵磁系統(tǒng)的數(shù)字化實現(xiàn)，其他系統(tǒng)的方案可參考數(shù)字化變電站實施，經(jīng)過對現(xiàn)階段國內(nèi)外主流調(diào)速器系統(tǒng)廠家的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)因PLC/PCC技術(shù)發(fā)展的限制，暫無可全面支持IEC-61850標準的設備，針對該現(xiàn)狀，本文提出了一種調(diào)速器系統(tǒng)的數(shù)字化設計方案，在數(shù)字化水電站的設計中具有重大的意義。

1 調(diào)速器數(shù)字化實施方案

與傳統(tǒng)水電站相比，數(shù)字化調(diào)速器系統(tǒng)位于中間層，該系統(tǒng)需通過MMS網(wǎng)連接上位機，通過SV網(wǎng)連接數(shù)字化互感器/合并單元，通過GOOSE網(wǎng)與過程層現(xiàn)地元件和中間層設備進行連接，因此完全數(shù)字化的調(diào)速器需支持并適應“兩網(wǎng)”站控層網(wǎng)（MMS網(wǎng)）及過程層網(wǎng)（GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)）的建設，全面融入IEC-61850通信標準體系，使“二量”（模擬量、開關(guān)量）的傳輸以數(shù)字化的傳輸方式來進行。

調(diào)速器系統(tǒng)的數(shù)字化主要分為3部分，詳見圖1。

（1）站控層的數(shù)字化：要求上位機滿足IEC-61850通信標準的要求，可通過MMS網(wǎng)與數(shù)字化調(diào)速器進行數(shù)據(jù)交換。

（2）單元層的數(shù)字化：要求單元層設備即調(diào)速器實現(xiàn)與GOOSE、SV和MMS網(wǎng)的連接，現(xiàn)階段已有實現(xiàn)部分IEC-61850服務的調(diào)速器裝置，該裝置與上位機雙向數(shù)據(jù)交換的功能已實現(xiàn)，可支持MMS網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)；因當前的調(diào)速器及PLC/PCC產(chǎn)品均不支持SV網(wǎng)，且僅有部分產(chǎn)品支持GOOSE網(wǎng)，如何實現(xiàn)與GOOSE網(wǎng)及與SV網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換是調(diào)速器系統(tǒng)數(shù)字化的難點。

（3）過程層的數(shù)字化：要求CT、PT及現(xiàn)地元件輸出的數(shù)據(jù)均數(shù)字化，CT、PT要求與合并單元相連接（電子式互感器通過光纜連接，電磁式互感器通過電纜連接），電流、電壓數(shù)據(jù)數(shù)字化后通過光纜與SV網(wǎng)交換機連接；現(xiàn)地元件則要求經(jīng)電纜連接至智能終端，將開關(guān)量或模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并經(jīng)光纜傳輸至GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)交換機。

圖1 數(shù)字化調(diào)速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵點分析

建設數(shù)字化水電站的前提是所有設備的基本功能必須滿足要求。調(diào)速器作為水電站調(diào)節(jié)的關(guān)鍵設備，是一個對實時控制要求極為嚴格的系統(tǒng)[4]，數(shù)字化建設后，調(diào)速器的調(diào)節(jié)原理和控制方式未變，僅數(shù)據(jù)采集和輸出由原本的電纜傳輸改變?yōu)椴捎没贗EC-61850標準的網(wǎng)絡傳輸，因此網(wǎng)絡傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性將決定調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能。對互感器采樣數(shù)據(jù)的延時進行有效、準確的分析，進而實現(xiàn)模擬量采樣數(shù)據(jù)的同步工作尤為重要。為論證調(diào)速器數(shù)字化的可行性，下文將對調(diào)速器的實時性和可靠性進行分析。

調(diào)速器系統(tǒng)從MMS網(wǎng)上采集的數(shù)據(jù)為有功功率給定和水位信息，該部分數(shù)據(jù)對實時性要求不高，網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性可滿足需求；部分開關(guān)量數(shù)據(jù)采集自GOOSE網(wǎng)，因GOOSE網(wǎng)快速響應的特性，網(wǎng)絡傳輸?shù)难訒r非常小，對調(diào)節(jié)性能也無影響；因此網(wǎng)絡傳輸實時性的瓶頸在于SV網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集，要求采樣的總延時盡可能短，而且要求延時盡可能的穩(wěn)定，不能跳變。

調(diào)速器對于互感器采樣數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇是一個需要重點考慮的問題。電流、電壓模擬量數(shù)據(jù)的傳輸方式是指電子式互感器采樣得到的數(shù)據(jù)通過合并單元上送至電站各不同數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采樣的方式，有組網(wǎng)模式（網(wǎng)采）和點對點模式（直采）兩種。組網(wǎng)模式見圖2，點對點模式見圖3。在數(shù)字化水電站中，電流、電壓互感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r包含3部分：①電子式互感器和合并單元等器件本身的延時，主要包含采樣延時（采樣、調(diào)節(jié)、A/D轉(zhuǎn)換等）、重采樣延時（合并單元將各個帶有時標的不同時刻采集得到的信息量同步成同一時刻的信息量）、定時發(fā)送延時，這部分延時時間用t1表示；②數(shù)據(jù)傳輸方式所帶來的延時，用t2表示；③數(shù)據(jù)在傳輸媒介中傳輸所需的時間，用t3表示。從目前的實際工程經(jīng)驗來看，第1部分和第3部分的延時比較確定，第1部分（電子互感器+合并單元）的延時基本穩(wěn)定在2 ms左右，第3部分的傳輸延時都是微秒級別（如按傳輸距離200 m來計算，傳輸耗時約1 μs），需要考慮的重點在于第2部分延時的確定。數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖2所示，為盡可能的保證數(shù)據(jù)的實時性，減少傳輸方式帶來的延時，調(diào)速系統(tǒng)和提供該系統(tǒng)所需電流、電壓數(shù)據(jù)的合并單元應連接至同一臺交換機。

圖2 數(shù)字化調(diào)速器系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸示意圖（組網(wǎng)模式）

圖3 數(shù)字化調(diào)速器系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸示意圖（點對點模式）

若采取點對點傳輸模式，則合并單元輸出的數(shù)字量采樣值直接通過多根網(wǎng)線或是光纖送至各系統(tǒng)的采樣單元，該環(huán)節(jié)內(nèi)不經(jīng)過交換機，延時約為2 ms。當采取組網(wǎng)模式時，合并單元輸出的數(shù)字量采樣值信號需經(jīng)過交換機共享至過程層總線，而這一過程會產(chǎn)生延時的不穩(wěn)定性，當合并單元和調(diào)速器系統(tǒng)連接至同一個交換機且保證網(wǎng)絡帶寬合理（SV網(wǎng)上的數(shù)據(jù)量不存在故障情況下爆炸式增長的情況），延時僅為交換機轉(zhuǎn)發(fā)的時間，t2為10μs，信號在光纖中傳輸?shù)臅r間t3非常短，t2和t3可以忽略，僅考慮t1，延時約為2 ms。經(jīng)過比較可發(fā)現(xiàn)，合理的組網(wǎng)模式相比直采模式的延時并未有明顯增加，但組網(wǎng)模式下需配置的設備較少，接線更為簡潔，資源可得到更為合理的配置和利用，數(shù)字化程度更高。

從上文分析可見，數(shù)字量采樣值經(jīng)網(wǎng)絡傳輸?shù)难訒r約為2 ms，傳統(tǒng)調(diào)速器系統(tǒng)中，互感器數(shù)據(jù)進入功率變送器后經(jīng)處理傳輸至PLC/PCC，延時約為200～300 ms，因此網(wǎng)絡傳輸互感器數(shù)據(jù)不影響調(diào)速器系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。

傳統(tǒng)調(diào)速器系統(tǒng)功率變送器多為雙套配置，輸入為雙重化，但在同一時刻僅有1套PLC/PCC輸出數(shù)據(jù)，因此輸出為單套且只能采用單根電纜傳輸，在該電纜出現(xiàn)故障時，整個調(diào)速器系統(tǒng)會癱瘓，其可靠性較低。數(shù)字化調(diào)速器系統(tǒng)的SV網(wǎng)采用雙網(wǎng)配置，PLC/PCC以及互感器均雙重化配置，輸出數(shù)據(jù)也連接至雙重化配置的網(wǎng)絡，可靠性高。

傳統(tǒng)調(diào)速器與數(shù)字化調(diào)速器的對比如表1所示。

表1 傳統(tǒng)調(diào)速器與數(shù)字化調(diào)速器對比

3 結(jié)論及展望

目前有部分調(diào)速器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的設備已具備了與站控層之間的MMS網(wǎng)通信能力，并且已經(jīng)在已投運的電站中得到實踐檢驗，但目前的數(shù)字化調(diào)速器還不具備支持過程層GOOSE/SV網(wǎng)通信功能，該功能需進一步研究開發(fā)方可實現(xiàn)。本文提出的方案在保證甚至提高調(diào)速器各方面性能的同時實現(xiàn)滿足IEC-61850通信標準的網(wǎng)絡化信息交互，減少了二次電纜的用量，簡化了二次回路，抗干擾性能增強，為數(shù)字化水電站的建設奠定了基礎。