盧 彥 林， 曹 倫， 王 偉

(阿壩水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 黑水 624000)

0 引 言

水電廠主設(shè)備包含水輪發(fā)電機(jī)組、變壓器、斷路器等，其運(yùn)行性態(tài)直接決定著水電廠及電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)等機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)量以及變壓器油色譜、GIS 局部放電等變電設(shè)備某個(gè)或多個(gè)狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)、實(shí)時(shí)、連續(xù)的監(jiān)視和測(cè)量，實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組及變電設(shè)備主要部件運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)、越限告警、專項(xiàng)分析與輔助診斷。傳統(tǒng)的水電廠設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廠家眾多，實(shí)力發(fā)展水平不一，尚未建立一套標(biāo)準(zhǔn)的通信體系，導(dǎo)致不同自動(dòng)化設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)共享和信息集成。

IEC61850規(guī)范是適用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的主要規(guī)范，主要包括功能與設(shè)備模型的的通信要求、通信配置定義語(yǔ)句、基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和模型、通信服務(wù)映射技術(shù)等十個(gè)章節(jié),其特征為通信服務(wù)獨(dú)立于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層協(xié)議，并通過(guò)使用面向?qū)ο蟮脑O(shè)備模型技術(shù)和面向未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)的可拓展結(jié)構(gòu)，使整個(gè)體系結(jié)構(gòu)具有可擴(kuò)展性，從而實(shí)現(xiàn)信息共享、功能交互以及調(diào)度協(xié)調(diào)[1]。智能水電廠采用IEC61850規(guī)范水電廠信息模型原理，形成一套適合于研究目前中小流域水電廠群運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)和電網(wǎng)調(diào)度模式的綜合信息系統(tǒng)模型，通過(guò)提供基于IEC61850、IEC61970規(guī)范的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)總線，設(shè)計(jì)智能水電廠過(guò)程級(jí)網(wǎng)絡(luò)和廠站級(jí)網(wǎng)絡(luò)，以便研究不同規(guī)模水電廠智能電子裝置的典型配置和部署方案，提出一體化管控平臺(tái)及各類智能應(yīng)用組件的規(guī)范化接口，建立智能水電廠調(diào)試、運(yùn)維及智能設(shè)備測(cè)試技術(shù)體系，提出實(shí)現(xiàn)流域水電廠群一體化管控的運(yùn)維管理模式，是水電自動(dòng)化發(fā)展最重要的方向[2]。

目前，智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則、水電廠建模思想與導(dǎo)則、智能水電廠公共信息模型技術(shù)要求等標(biāo)準(zhǔn)已規(guī)定了智能水電廠的建設(shè)方向、體系架構(gòu)和技術(shù)要求，這些標(biāo)準(zhǔn)為智能化水電廠建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[3]。通過(guò)將IEC61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于智能水電廠狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析建模，對(duì)優(yōu)化和統(tǒng)一設(shè)備間信息交互通信協(xié)議、提高設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和共享利用水平和提升狀態(tài)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)效率具有重要現(xiàn)實(shí)意義[4]。

1 IEC 61850信息模型

傳統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議沒(méi)有模型的概念，所有信息都是與規(guī)約報(bào)文組織方式一一對(duì)應(yīng)，通用性及自定義性不強(qiáng)。遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系，利用SCL語(yǔ)言構(gòu)建的信息模型可以映射到不同的通信協(xié)議，適應(yīng)通信技術(shù)的發(fā)展。通過(guò)模型配置，可以任意根據(jù)實(shí)際情況配置系統(tǒng)的通信內(nèi)容，優(yōu)化通信量。基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的模型主要包括數(shù)據(jù)模型和服務(wù)模型。

1.1 數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型包括電子智能設(shè)備(Intelligent Electronic Device，簡(jiǎn)稱IED)、邏輯設(shè)備 (Logical Device，簡(jiǎn)稱LD)、邏輯節(jié)點(diǎn)LN(Logical Node，簡(jiǎn)稱LN)、數(shù)據(jù)對(duì)象DO(Data Object，簡(jiǎn)稱DO)和數(shù)據(jù)屬性DA(Data Attribute，簡(jiǎn)稱DA)。IEC61850數(shù)據(jù)模型的層次結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

IED是實(shí)際的物理設(shè)備外部可見(jiàn)的行為；LD是虛擬出來(lái)的設(shè)備，聚合LN和數(shù)據(jù)，一個(gè)物理設(shè)備根據(jù)應(yīng)用功能分為一個(gè)或多個(gè)LD。LN是描述系統(tǒng)功能的基本單位，是數(shù)據(jù)對(duì)象的容器。LN包含若干DO，DO包含LN所有的信息；DA從屬于DO，是模型中信息的最小承載單元，對(duì)信息模型的一切操作都?xì)w結(jié)到對(duì)DA的讀寫(xiě)上。

圖1 IEC61850數(shù)據(jù)模型層次結(jié)構(gòu)圖

1.2 服務(wù)模型

服務(wù)模型是對(duì)外部提供的基于數(shù)據(jù)模型的訪問(wèn)接口，IEC61850服務(wù)模型示意圖見(jiàn)圖2。

服務(wù)模型包括：數(shù)據(jù)集(Data Set)、替代(Substitution)、報(bào)告控制塊(Report Control Block)、日志控制塊(Log Control Block)、定制組控制塊(Setting Group Control Block)、通用變電站事件控制塊(GOOSE Control Block)、采樣值傳輸控制塊(Sampled Value Control Block)、控制(Control)以及文件傳輸(File)。

2 水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建模

智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是智能水電廠的重要組成部分，系統(tǒng)包括現(xiàn)地的智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置和廠站層的上位機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)?，F(xiàn)地智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置是實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組、主變壓器等主設(shè)備的運(yùn)行安全保護(hù)與運(yùn)行性態(tài)在線精確測(cè)量的技術(shù)保證，同時(shí)也為上位機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)來(lái)源，其體系架構(gòu)、設(shè)備組成及功能部署要求充分體現(xiàn)了智能水電廠信息數(shù)字化和通信網(wǎng)絡(luò)化這兩大主要特征[5]。

2.1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系架構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)相關(guān)軟硬件設(shè)備處于安全I(xiàn)I區(qū)，主要由處于單元層的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集單元、變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元，以及處于廠站層的狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成。單元層設(shè)備完成各類設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)量的采集與計(jì)算、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與告警、現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)管理和分析試驗(yàn)等功能，并將采集、計(jì)算、分析后的各類設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，通過(guò)II區(qū)單元層和廠站層之間的MMS網(wǎng)上傳給安全I(xiàn)I區(qū)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行分析應(yīng)用。

圖2 IEC61850服務(wù)模型示意圖

圖3 智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

2.2 信息建模原則

智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及的設(shè)備種類復(fù)雜，構(gòu)建過(guò)程中根據(jù)IEC61850信息模型建模并結(jié)合系統(tǒng)自身特點(diǎn)，其信息模型總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照以下思路構(gòu)建。

一個(gè)物理設(shè)備即一個(gè)IED，建模為一個(gè)裝置對(duì)象。這個(gè)對(duì)象是一個(gè)最高層次的容器，每個(gè)物理設(shè)備至少包含一個(gè)LD對(duì)象。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有規(guī)范具體LD的劃分，遵循IEC61850-7-4及國(guó)網(wǎng)公司智能變電站、智能水電廠相關(guān)規(guī)定，把某些具有公共特性的LN組合成一個(gè)LD：公用LD，實(shí)例名為“LD0”；測(cè)量LD，實(shí)例名為“MEAS”；保護(hù)LD，實(shí)例名為“PROT”；控制LD，實(shí)例名為“CTRL”；錄波LD，實(shí)例名為“RCD”；監(jiān)測(cè)LD，實(shí)例名為“MONT”。

需要通信的每個(gè)最小功能單元建模為一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)對(duì)象，屬于同一功能對(duì)象的DO和DA都放在同一個(gè)LN中，為了規(guī)范模型結(jié)構(gòu)，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先定義了部分LN模型，如果標(biāo)準(zhǔn)的邏輯節(jié)點(diǎn)類不滿足功能對(duì)象要求，可進(jìn)行邏輯節(jié)點(diǎn)類擴(kuò)展或者新建邏輯節(jié)點(diǎn)類。

2.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建模

依據(jù)上述IEC61850標(biāo)準(zhǔn)信息建模原則，結(jié)合智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，單元層的智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備分別建立獨(dú)立的IED模型，具體包括：發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置IED、水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置IED、變壓器/電抗器狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置IED、斷路器/GIS狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置IED以及電容型設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置IED。

2.3.1 發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置IED建模

發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置主要包括發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，兩種裝置是獨(dú)立的建模對(duì)象，分別為發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置IED和水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置IED。這兩類IED都包括MONT和RCD兩個(gè)LD。

監(jiān)測(cè)邏輯設(shè)備MONT中主要包含以下幾類邏輯節(jié)點(diǎn)。

(1)振動(dòng)/擺度監(jiān)測(cè)邏輯節(jié)點(diǎn)SVBR，該LN表征旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)/擺度監(jiān)測(cè)，反映振動(dòng)/擺度運(yùn)行狀態(tài)，振動(dòng)/擺度類測(cè)點(diǎn)信息如上下機(jī)架振動(dòng)、定子機(jī)架振動(dòng)、定子鐵芯振動(dòng)、機(jī)組軸向位移、水導(dǎo)擺度以及頂蓋振動(dòng)等都建模為SVBR的實(shí)例。

(2)壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)邏輯節(jié)點(diǎn)SPRS，蝸殼進(jìn)口壓力脈動(dòng)、頂蓋下壓力脈動(dòng)、導(dǎo)葉出水口壓力脈動(dòng)、尾水管進(jìn)出水口壓力脈動(dòng)等測(cè)點(diǎn)建模為SPRS的實(shí)例。

(3)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)邏輯節(jié)點(diǎn)TRTN，該LN表征鍵相傳感器測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速，鍵相信息測(cè)點(diǎn)建模為T(mén)RTN的實(shí)例。

(4)平均氣隙/磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)值計(jì)算邏輯節(jié)點(diǎn)SPOS，該LN表征空氣間隙傳感器采集的平均氣隙相對(duì)值和磁通量傳感器采集的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度/磁通密度絕對(duì)值，空氣間隙測(cè)點(diǎn)和磁通量測(cè)點(diǎn)建模為SPOS的實(shí)例。

(5)局部放電監(jiān)測(cè)邏輯節(jié)點(diǎn)SPDC，該LN表征局部傳感器特征值，定子局放測(cè)點(diǎn)建模為SPDC的實(shí)例。

(6)錄波邏輯設(shè)備RCD中主要包含錄波邏輯節(jié)點(diǎn)RDRE，該LN記錄振擺和壓力脈動(dòng)傳感器波形以及空氣間隙和磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器波形，相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)建模為RDRE的實(shí)例。

發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)點(diǎn)根據(jù)上面6種主要的邏輯節(jié)點(diǎn)類型，分別進(jìn)行邏輯節(jié)點(diǎn)的實(shí)例化，發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置中，針對(duì)立式機(jī)組的典型傳感器布置為安裝9個(gè)低頻速度傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)上機(jī)架水平/垂直振動(dòng)、下機(jī)架水平/垂直振動(dòng)、頂蓋水平/垂直振動(dòng)，安裝6個(gè)電渦流位移傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)上導(dǎo)X/Y方向擺度、下導(dǎo)X/Y方向擺度和水導(dǎo)X/Y方向擺度，可以將其實(shí)例化為SVBR 1- SVBR 15。其他傳感器測(cè)點(diǎn)也進(jìn)行類似的邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例化，最終所有測(cè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)為實(shí)例化的邏輯節(jié)點(diǎn)，這些實(shí)例化的邏輯節(jié)點(diǎn)再根據(jù)建模原則組成實(shí)例化的邏輯設(shè)備，邏輯設(shè)備再組成發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置IED的模型。

2.3.2 變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置IED建模

變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置模型主要包括變壓器/電抗器狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置IED、斷路器/GIS狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置IED以及電容型設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置IED。這三類IED都只包括MONT一個(gè)LD。

監(jiān)測(cè)邏輯設(shè)備MONT中主要包含以下幾類邏輯節(jié)點(diǎn)。

(1)局部放電監(jiān)測(cè)邏輯節(jié)點(diǎn)SPDC，變壓器局部放電測(cè)點(diǎn)和斷路器局部放電測(cè)點(diǎn)都建模為SPDC的實(shí)例。

(2)液體絕緣介質(zhì)監(jiān)測(cè)邏輯節(jié)點(diǎn)SIML，油中溶解氣體監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)建模為SIML的實(shí)例。

(3)無(wú)相別相關(guān)測(cè)量邏輯節(jié)點(diǎn)MMXN，鐵芯電流和電壓監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)都建模為MMXN的實(shí)例。

(4)套管監(jiān)測(cè)邏輯節(jié)點(diǎn)ZBSH，套管監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)建模為ZBSH的實(shí)例。

(5)有載調(diào)壓分接頭監(jiān)測(cè)邏輯節(jié)點(diǎn)SLTC，有壓分接開(kāi)關(guān)測(cè)點(diǎn)建模為SLTC的實(shí)例。

(6)氣體絕緣介質(zhì)監(jiān)測(cè)邏輯節(jié)點(diǎn)SIMG，SF6氣體監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)建模為SIMG的實(shí)例。

(7)電容器邏輯節(jié)點(diǎn)ZCAP，電容性設(shè)備監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)建模為ZCAP的實(shí)例。

(8)避雷器邏輯節(jié)點(diǎn)ZSAR，避雷器監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)建模為ZSAR的實(shí)例。

變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)點(diǎn)根據(jù)上面8種主要的邏輯節(jié)點(diǎn)類型，分別進(jìn)行邏輯節(jié)點(diǎn)的實(shí)例化，變壓器監(jiān)測(cè)裝置和斷路器監(jiān)測(cè)裝置中都包含局部放電信號(hào)，可以將其分別實(shí)例化為SPDC 1和SPDC 2，最終所有測(cè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)為實(shí)例化的邏輯節(jié)點(diǎn)。這些實(shí)例化的邏輯節(jié)點(diǎn)再根據(jù)建模原則組成實(shí)例化的邏輯設(shè)備，邏輯設(shè)備再組成變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置IED的模型。

3 結(jié) 語(yǔ)

簡(jiǎn)要介紹了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)和智能水電廠概念，重點(diǎn)剖析了信息模型的組成和層次關(guān)系，針對(duì)水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)梳理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，提出將單元層智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置劃分為不同的IED的信息建模思路，依據(jù)智能水電廠公共信息模型技術(shù)要求，重點(diǎn)選取了測(cè)點(diǎn)相關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn)類完成了數(shù)據(jù)建模。

后續(xù)的建模工作主要包括梳理系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)IED之間的網(wǎng)絡(luò)通信情況，確定GOOSE網(wǎng)和MMS網(wǎng)上的數(shù)據(jù)信息，完善信息模型的數(shù)據(jù)集、報(bào)告控制塊、GOOSE控制塊以及GOOSE訂閱塊，通過(guò)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提供各項(xiàng)的ACSI服務(wù)，實(shí)現(xiàn)IED之間的互聯(lián)互通。

作為智能水電廠集成標(biāo)準(zhǔn)化及決策智能化的重要體現(xiàn)，水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各個(gè)現(xiàn)地智能裝置進(jìn)行IEC61850建模，通過(guò)建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信息模型，便于不同自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)有效共享和利用，從而實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)維護(hù)效率和降低改造成本。