智能化水电站监控系统结构探讨

刘晓波，张 毅

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 引言

从2003年起，美国、欧洲先后提出“智能电网”的概念，2009年美国总统奥巴马将智能电网提升为美国国家战略。国家电网公司2009年6月提出“建设统一坚强电网”目标，2009年11月提出了“统一坚强智能电网关键设备（系统）研制规划”。国家电网公司已开展的一期、二期共74个智能化变电站试点，已经有20个顺利投运。随着智能电网的不断推进，水电站控制设备研制单位、设计研究单位、水电站及管理单位也正在开展水电站智能化研究与试点。

水电站与变电站差别很大，智能水电站的定义还在讨论中,必须认真分析研究。变电站的设备相对规范、品种少，主要是对电气参数和油介质的监测，操作设备少，场地环境较好，较容易实现标准化。水电站（厂）较复杂，每一个电站都有各自特点，且涉及油、气、水、电等各个系统，设备种类繁多，分布广，环境恶劣。基于上述情况，参考智能变电站建设经验，着手进行智能水电站的研究，是一种比较可行的方法。本文基于智能变电站结构模式，结合水电站的实际情况，对智能化水电站监控系统结构进行探讨。

2 智能变电站与智能水电厂建设遵循的标准

目前，智能变电站建设主要遵循国际标准IEC61850系列标准或IEC61970系列标准，IEC61850系列标准是智能电网与智能变电站建设所遵循的核心标准。电力行业标准等同采用IEC61850，形成DL/T860系列标准。但是上述标准不足以支持智能电网建设，国网公司推出了一系列企业标准，如《智能变电站技术导则》（Q/GDW383-2009）、《智能变电站继电保护技术规范》（Q/GDW441-2010）等，用于支撑智能变电站的建设。

IEC61850标准由国际电工委员会于2004年颁布，应用于变电站通信网络和系统，该系列标准共10大类、14个标准。标准具有一系列特点和优点：分层的智能电子设备和变电站自动化系统；根据电力系统生产过程的特点，制定了满足实时信息和其他信息传输要求的服务模型；采用抽象通信服务接口、特定通信服务映射以适应网络技术迅猛发展的要求；采用对象建模技术，面向设备建模和自我描述以适应应用功能的需要和发展，满足应用开放互操作性要求；快速传输变化值；采用配置语言，配备配置工具，在信息源定义数据和数据属性；定义和传输元数据、扩充数据和设备管理功能；传输采样测量值等；并制定了变电站通信网络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等标准。

IEC61850-7-410是由IECTC57技术委员会第18工作组于2007年8月公布的水电站监控通信标准，全称为“电力系统自动化通信网络和系统—水力发电厂监控通信”。目前IEC61850-7-410Ed2第二版也已正式发布，该标准对水电厂IED设备的逻辑节点做出标准定义，对水电厂智能化建设及自动化产品和IED设备研制起到了很大的推动作用。

IEC61850-7-410标准并未对采用的通信协议做出规定，继承延用了IEC61850标准中8-1、9-1、9-2中的内容，映射到MMS和ISO/IEC8802-3，或通过单向多路点对点串行通信链路采样值，将服务映射到实际通信网络当中。

智能水电厂建设，主要依据IEC61850或DL/T860系列标准，特别是参照IEC61850-7-410标准建立水电机组各种模型，通过试点的方法，逐步建立、丰富智能水电厂标准体系。

3 研究内容

从目前工程实际例子而言，智能变电站实现的方式都是基于IEC61850或DL/T860实现的，也就是站控层与间隔层按照IEC61850-8-1基于MMS报文实现数据采集与控制，间隔层与过程层之间通过IEC61850-9-1或IEC61850-9-2实现数据采集与控制。

IEC61850标准提供了面向对象的信息模型和建模技术，可保证各智能设备之间无缝连接及互操作性，在智能化水电站具有良好的应用前景。

本文将根据水电控制对象的特点，讨论如下问题：

（1）按照“IEC61850”标准，对实现智能化水电站监控系统的结构进行探讨；

（2）考虑智能化设备、电子式互感器和传统一次设备的接入；

（3）对功能进行简要讨论。

4 智能变电站监控系统的典型结构

智能变电站的典型结构是三层两网结构[3]，三层是：站控层、间隔层、过程层，两网是站控级网络、过程网络，见图1所示。

图1 智能变电站系统典型结构示意图

从上面网络可以看出，站级网络可以是双星网，也可以是双环网或单环网。采样值SV网用于采集光纤信号传输的电流互感器信号和电压互感器信号。按照继电保护的规定，跳闸信号从发出到执行不超过3ms，因此独立设置GOOSE网。为了保证、提高这一参数，保护单元与动作设备也可采用光纤直联的方式。

5 智能水电站监控系统的结构

5.1 结构分析

在讨论智能水电站监控系统结构时，首先更新一下几个概念。智能变电站三层为站控层、间隔层、过程层，两网为站级网、过程网。笔者认为，对于智能水电站，三层的概念宜使用站控层、现地控制层、过程层，两网为站级网、过程网。

从图1可以看出，智能变电站监控系统的典型结构是比较复杂的，认真总结智能变电站监控系统的结构，并根据水电站的自动化的特点，提出几种模式供讨论：

（1）智能化建设初期，适合水电站的智能化设备，可先不建过程网，待有合并单元或智能接口接入时再考虑转变到模式（2）或模式（3）；

（2）过程网GOOSE网、采样值网SV网合并成一个网，与站控网独立，通过转换接口方式，实现合并单元和智能接口的接入。

（3）将过程网GOOSE网、采样值网SV网合并成一个网，与站控网独立。

下面进行分析。

模式（1）的结构（见图2所示）实际是一种两层一网的结构。这种结构简介，可在初期采用这种结构。

图2 智能水电站监控系统典型结构一示意图

模式（2）的结构（见图3所示）是一种过渡性的结构，是采用三层两网的结构。过程网GOOSE网、采样值网SV网合并成一个网，与站控网独立，通过转换接口方式，实现合并单元和智能接口的接入。从图3可以看出，监控系统内部的规约与数据格式没有采用IEC61850的规约，LCU通过IEC61850转换接口与外部符合IEC61850规约的合并单元或智能接口进行数据转换，监控系统通过IEC61850转换服务器与外部设备进行数据交换。这种方式是一种过渡方案，也可能会存在一段时间。应该指出，在目前智能变电站结构中，也有采用过程网GOOSE网、采样值网SV网合并成一个网，与站控网独立的结构。

图3 智能水电站监控系统结构二示意图

模式（3）的结构（见图4所示）是一种推荐的结构，是采用三层两网的结构。过程网GOOSE网、采样值网SV网合并成一个网，与站控网独立，系统内外均采用IEC61850规约。

这种结构，将GOOSE网与SV网合并成一个网，使网络得以简化，又可以保证较高的可靠性。因为，对于水电厂（站）的计算机监控系统而言，并没有要求从发出命令到执行命令在3 ms的要求。事实上，一旦发生电气事故，首先应该由保护装置发出跳闸信号，监控系统的LCU的跳闸信号是后备措施。当发生水电事故时，一般是要求先减载到空载然后再跳断路器，除非是二级过速事故需要直接跳开断路器。在这种情况下，这种结构可以满足要求。

图4 智能水电站监控系统结构三示意图

在上述结构中，各层次内部及层次之间采用高速网络通信，其中站控层与间隔层网络采用交换式以太网，介质可选双绞线；间隔层与过程层的网络也采用交换式以太网，介质应采用单模光纤。

5.2 三个层次功能

（1）过程层

过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说是智能化电气设备的智能化部分。过程层主要功能分为以下三类：

1）实时电气量检测

与传统的功能一样，主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测，其他电气量如有功、无功、电能量可通过现地控制层的设备运算得出。与常规方式相比，所不同的是传统的电磁式电流互感器、电压互感器，被光电电流互感器、光电电压互感器取代;采集传统模拟量，被直接采集数字量所取代。这样做的优点是，抗干扰性能强，绝缘和抗饱和特性好，开关装置实现了小型化、紧凑化。

2）状态参数在线检测与统计

水电站需要进行状态参数检测的设备，主要有变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器以及直流电源系统。在线检测的内容，主要有温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。

3）操作控制的执行与驱动

操作控制的执行与驱动，包括变压器分接头调节控制，电容、电抗器投切控制，断路器、刀闸合分控制，直流电源充放电控制。

（2）现地控制层

现地控制层设备层的主要功能是：

1）汇总现地控制实时数据信息；

2）实施对一次设备保护控制功能；

3）实施本间隔操作闭锁功能；

4）实施操作同期及其他控制功能；

5）对数据采集、统计运算及控制命令的发出，具有优先级别的控制；

6）承上启下的通信功能，同时高速完成与过程层及站控层的网络通信功能。必要时，上下网络接口具备双口全双工方式，以提高信息通道冗余度，保证网络通信的可靠性。

（3）站控层

站控层的主要任务是：

1）通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库；

2）按既定规约，将有关数据信息送往调度或控制中心；

3）接收调度或控制中心有关控制命令，转现地控制层、过程层执行；

4）具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；

5）具有（或备有）站内当地监控，人机联系功能。如显示、操作、打印、报警，甚至图像、声音等多媒体功能；

6）具有对现地控制层、过程层诸设备的在线维护、在线组态，在线修改参数的功能。

6 智能水电站监控系统软件结构及功能

从系统运行体系结构看,智能化水电站计算机监控系统包含硬件层、操作系统层、通用平台层和应用平台共四个层次。其中，硬件层包括HP、IBM、SUN和PC等各种主机,操作系统层，如图 5 所示包括 HP-UX、IBMAIX、SUNSolaris、Linux和Windows操作系统。

图5 智能化水电站软件结构

通用平台有效的将上层应用和底层系统隔离开，为上层应用的设计和运行提供一种开发平台和运行的环境。通用平台为上层应用提供了一个虚拟的、统一的、可扩展的、分布的开发平台。通用平台包括操作系统接口层,通用平台构建层和应用访问接口层。其中,操作系统接口层对不同操作系统的进程间通信、Socket、定时器处理、数据编码和文件操作编程接口进行了统一包装,提供了系统的跨平台的能力。通用平台构建层提供实时消息、通信链路和进程管理等服务。应用访问接口层提供了内存库、关系库中间件,为应用提供透明的内存库和关系库服务；系统管理为应用提供包括节点,网络,数据库等系统资源管理；报警服务为应用提供各种资源告警接口。

应用平台为智能化水电站的运行控制提供人机界面，实现对水电运行的控制和管理，数据采集服务实现对LCU和其他IED设备的数据采集和控制命令下达。SCADA服务实现对生数据的加工处理、报警、历史数据统计、历史数据存贮和控制服务。数据工程实现水电站设备的参数管理。报表系统实现报表的生成、制作、打印。WEB系统实现智能水电站运行控制信息、管理信息实时浏览。

7 结语

智能水电站（厂）的研究正在探索阶段。智能水电站监控系统结构可能从模式（1）过渡到模式（2），再过渡到模式（3），当然也可能从从模式（1）直接过渡到模式（3），也可能是几种模式的组合。但总的来说，在借鉴智能变电站经验的基础上，充分结合水电站（厂）自动化系统的特点，充分考虑电网、环境及自身发展的需求，采取适合的计算机监控系统结构，以达到预期目标。需要特别注意，因为水电站智能化建设的复杂性，需要设计、研制单位、水电站、调度等各方面齐心合力，先进行试点，不断总结经验，提高智能水电站（厂）的研究与实用化水平，推进坚强智能电网的建设。

[1]智能电网建设2011年中期总结[Z].

[2]智能变电站继电保护专业调研工作总结汇报[R].

[3]刘振亚.智能电网技术[M].中国电力出版社，2010.