浅谈数字化水电站及其实现方案

倪维东，葛来龙，朱桂权

（国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 210061）

目前，经济发达国家大部分技术及经济可行的水电资源，都得到了有效开发。然而发展中国家水电开发率还很低，尤其是在非洲，开发率还不到8%。因此，优先发展水电，对全球尤其对发展中国家是非常重要的。发展中国家可以以更好的方式发展水电，利用水电。水电的价格是非常便宜的，而且是可持续的和低碳环保的，因此对解决气候变暖问题和能源供应问题，起着非常重要的作用。

正是由于水电站的重要作用和地位，并随着智能电网和变电站技术的不断发展和完善，水电站也正朝着数字化的方向发展。伴随着各种智能化设备的发展、先进网络技术的运用、国际IEC 61850协议的实施，数字化的水电站的建设已基本具备条件。

1 IEC 61850标准的特点

IEC 61850是一个关于变电站自动化系统结构和数据通信的国际标准，其目的是使变电站内不同厂家的智能电子设备（IED）之间通过一种标准（协议）实现互操作和信息共享。通讯协议标准化，有效实现互操作性和信息共享，这也是数字化水电站所必须满足的，因此，这一标准也代表了数字化水电站的未来发展方向。

IEC 61850协议，是国际电工委员会TC57工作组制定的《变电站通信网络和系统》系列标准，是基于网络通信平台的变电站自动化系统的国际标准，其主要特点为：信息分层、面向对象的数据对象统一建模、数据的自描述、抽象通信服务接口ACSI等。

IEC 61850协议将整站分为3层：站控层，间隔层和过程层。

站控层设备包括监控主机、远动主机、服务器、工程师站等。其主要功能为变电站提供运行、管理、工程配置的界面，并记录变电站内的相关信息。远动服务器等与站外传输的信息可转换为远动和集控设备所能接受的协议规范，实现监控中心远方控制。

站控层设备应建立在IEC 61850协议规范基础上，具有面向对象的统一数据建模。与站外接口的设备如远动装置等，应能将站内IEC 61850协议转换成相对应规约格式。所有站控层设备，均应采用以太网，并按照IEC 61850通信规范，进行系统建模并进行信息传输。

间隔层设备主要包括保护装置、测控装置等一些二次设备。要求所有信息上传均能够按照IEC 61850协议建模，并具有支持智能一次设备的通信接口功能。

过程层设备包括电子式电流、电压互感器、智能化开关设备、智能化发电机、智能化变压器等。

辅助设备包括一些规约转换设备（将对不符合IEC 61850协议的设备进行规约转换）、同步信号源（过程层对时）、GPS对时（站控层对时）。

2 智能化的一次设备与网络化的二次设备

2.1 智能化的一次设备

智能化的一次设备主要包括：电子式电流/电压互感器（或光学互感器）、智能型断路器/隔离开关、智能化变压器、其它数字化的辅助设备等；一次设备智能化后，其接口方式采用符合IEC61850标准的数字输出，规范而统一。一次设备和二次设备间用光纤传输数字编码信息的方式，交换采样值、状态量、控制命令等信息。

2.2 二次设备网络化

二次设备间用通信网络交换模拟量、开关量和控制命令等信息，取消控制电缆，达到信息资源的有效共享。

3 数字化水电站的概念及基本组成

数字化水电站指信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化的水电站，基本特征为一次设备智能化、通信网络化、运行管理自动化等。

数字化水电站诞生的前提，是电子式电流电压互感器（或光学互感器）、智能化开关、智能化变压器、智能化发电机、以及相关在线检测等技术发展到一定程度，水电站的二次侧不再存在有模拟量，所有数据均以数字量的形式，按统一的通信协议传输，站内的各个智能设备之间，具有良好的互操作性。

随着电子技术的不断发展，电子式互感器已在全国近百座数字化变电站中广泛运用，并已经过工程的实际验证，均是安全可靠的。因此其在数字化的水电站中，也将逐步得到应用和推广。但由于变压器、开关、发电机等的智能化还处在发展初期，目前，主要采用过渡方案，就是在传统设备就近增加符合IEC 61850规范的智能终端，由此完成数字信号、模拟信号的采集以及控制，实现其传输方式完全数字化。

一次设备实现智能化后，规范统一的接口标准也就成了数字化水电站的灵魂。一方面，其必须满足数字化水电站的通讯需求；另一方面，也必须实现站控层和间隔层设备数字化，以及两层间信息交换的数字化。

目前我国水电站已基本普及综合自动化系统。常规意义的水电站自动化系统的监控、远动、自动安全装置等三次和二次设备，已经基本采用数字技术，但通讯规约未完全采用IEC 61850接口标准，而是主要采用IEC 60870-5-101/104、Modbus等规约。为了适应数字化水电站的发展需求，再加上IEC 61850标准自身的良好的体系架构和可扩展性，其必将在数字化水电站上广泛应用，为数字化水电站增添活力。

4 数字化水电站的优点

4.1 高可靠性和安全性

（1）由于采用了智能一次设备，因此设备自身具有完善的自检功能，当智能一次设备异常时将自动发出报警，一方面能及时反映出故障点，同时又减轻了运行人员的工作量；

（2）电子式互感器（或光学互感器）的应用，一方面有效地将互感器高电压部分隔离，解决了电流互感器二次开路、电压互感器二次短路可能危及人身或设备等问题，同时也避免了SF6和油式互感器的渗漏问题，在很大程度上减少了运行维护的工作量，提高了安全性。

4.2 高性价比

数字化水电站的所有信息采用统一的信息模型，按统一的通信标准接入整站通信网络。整站的保护、测控、计量、监控、远动等系统均用同一个通信网络接收电流、电压和状态等信息以及发出控制命令，不需为不同功能建设各自的信息采集、传输和执行系统。

4.3 通信网络取代复杂的控制电缆

数字化水电站的一次设备和二次设备间以及二次设备之间，均采用计算机通信技术，一条信道可传输多个通道的信息。同时采用网络通信技术，通信线的数量约等于设备数量。因此，数字化水电站的二次接线将大幅度简化。

4.4 提升测量精度

数字化水电站采用输出数字信号的电子式互感器，数字化的电流电压信号，在传输到二次设备和二次设备处理的过程中，均不会产生附加误差，提升了保护系统、测量系统和计量系统的系统精度。

例如采用0.2级的TA和TV，传统水电站由于电缆和电表带来的附加误差，计量系统总误差在±0.7%的水平。而数字化水电站计量系统的误差，仅由TA和TV产生，可达到±0.4%的水平。

4.5 提高信号传输的可靠性

数字化水电站的信号传输，均用计算机通信技术实现。通信系统在传输有效信息的同时，传输信息校验码和通道自检信息，一方面杜绝误传信号，另一方面在通信系统故障时，可技术告警。

数字信号可以用光纤传输，从根本上解决抗干扰问题。

传统水电站一次设备和二次设备间，直接通过电缆传输没有校验信息的信号，当信号出错或电缆断线、短路时，都难以发现；而且传输模拟信号难以使用光纤技术，易受干扰。

4.6 避免电缆带来的电磁兼容和传输过电压以及两点接地等问题

数字化水电站二次设备和一次设备之间，使用绝缘的光纤连接，电磁干扰和传输过电压没有影响到二次设备的途径，而且也没有二次回路两点接地的可能性。

传统水电站的二次设备与一次设备之间，仍然采用电缆进行连接，电缆感应电磁干扰和一次设备传输过电压，可能引起的二次设备运行异常，在二次电缆比较长的情况下，由电容耦合的干扰，可能造成继电保护误动作。尽管电力行业的有关规定中要求继电保护二次回路一点接地，但由于二次回路接地点的状态无法实时检测，二次回路两点接地的情况近期仍时有发生，并对继电保护产生不良影响，甚至造成设备误动作。

4.7 解决设备间的互操作问题

数字化水电站的所有智能设备，均按统一的标准建立信息模型和通信接口，设备间可实现无缝连接。

数字化变电站唯一可用的通信标准为IEC 61850。IEC 61850的信息自解释机制，在不同设备厂家使用了各自扩展的信息时，也能保证互操作性。

传统水电站的不同生产厂家，二次设备之间的互操作性问题，至今仍然没有得到很好地解决，主要原因是二次设备缺乏统一的信息模型规范和通信标准。为实现不同厂家设备的互连，必须设置大量的规约转换器，增加了系统复杂度和设计、调试和维护的难度，降低了通信系统的性能。

4.8 进一步提高自动化和管理水平

数字化水电站的采用智能一次设备，所有功能均可遥控实现。通信系统传输的信息更完整，通信的可靠性和实时性都大幅度提高。整站因此可实现更多、更复杂的自动化功能，提高自动化水平。一次设备、二次设备和通信网络，都可具备完善的自检功能，可根据设备的健康状况实现状态检修。

5 现阶段数字化水电站的实现方案探讨

由于现阶段水电站广泛使用PLC装置，其接口方式主要采用Modbus规约，再加上水电站安全规范要求，因此，其规约过渡到IEC 61850还需要一定时间。为此，现阶段可以采用过渡方案，系统方案图如图1。

图1 系统方案图

6 结束语

随着IEC 61850标准的广泛应用，以及智能一次设备的不断推出，加上国内诸多从事水利水电自动化的企业和科研机构不断探索和研究，必将推动着国内水电站正朝着数字化的方向不断发展和完善，PLC生产也给从事水电站建设的企业带来了新的机遇和挑战。我们相信，通过大家的共同的努力和付出，一座座高质量、高可靠性、高安全性、科技含量较高的水电站将不断出现。

[1]凌子恕.高压互感器技术手册[K].北京：中国电力出版社，2005.

[2]Q/GDW441-2010，智能变电站继电保护技术规范[S].

[3]张永健.电网监控月调度自动化（第三版）[M].北京：中国电力出版社，2009.