智能水电站的研究与发展

吴凯

摘 要：智能电网是我国电网发展的一个新方向，水电站是我国电力系统的重要组成部分，是电网智能化建设的重要环节。介绍了智能变电站的结构体系、技术特点，分析了IEC61850标准在智能变电站中的应用。针对国内外水电站的建设现状，探讨我国智能水电站的特征，分析IEC61850在智能水电站中的应用，为水电站的智能化建设及改造奠定基础。

关键词：智能水电站 智能电网 智能变电站 IEC61850 数字化

中图分类号：TV73 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0001-03

水利发电作为清洁能源，在我国能源结构中占有重要的地位，近年来，水电产业得到了飞速发展。常规水电站存在可靠性差，维护工作量大，通信规约种类繁多等诸多不足，各系统之间通信困难，易受电磁干扰等，已不能满足供电安全性和可靠性的要求，更不利于提高运行管理水平和自动化水平，严重影响了水电站的安全可靠运行。

智能变电站基于先进的互感器技术、通信技术和计算机技术，采用统一开放的IEC61850通信协议，实现了所有设备的无缝对接，提高了系统设备工作效率，保证了信息的可靠性、完整性和实时性。智能变电站具有无可比拟的优越性，水电站的智能化改造及建设势在必行[1]。

本文主要介绍智能变电站的基本结构，技术特点，分析IEC61850标准在智能变电站中的应用。针对国内外水电站的研究现状和特征，探讨基于IEC61850的智能水电站的建设，为今后水电站的智能化改造及建设提供借鉴。

1 智能变电站的基本结构

智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑，采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以先进的计算机技术，通信技术为基础，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级应用功能[2]。高速以太网、非常规互感器、智能化开关技术以及IEC61850协议的应用，对智能变电站的体系结构产生了重大的影响。常规变电站分为站控层和间隔层两层，两层之间基本实现数字化通信，但通信标准较复杂，如RS485，串口，以太网等，协议之间转换较为复杂。智能变电站的系统结构继承了分层分布式变电站结构的优点，按照DL/T 860标准，变电站分为三层，即站控层、间隔层和过程层，分别通过站控层网络和过程层网络进行通信。智能变电站体系结构如图1所示。

站控层包括后台主机，图形显示终端，自动化和通信对时等系统，完成数据采集和监视控制（SCADA），站域控制、广域控制、状态监测、智能话告警等高级功能。间隔层设备包括保护测控等二次设备，光纤通信取代了传统的硬接线，实现了二次系统网络化，过程层由变压器、断路器等一次设备及其智能组件构成，包括合并单元、智能终端、电压电流互感器等，共同完成电能的分配和变换等功能。

2 智能变电站的技术特点

目前常规变电站自动化系统装置之间相对独立，缺乏整体的协调和功能优化，存在投资大，二次设备配合复杂、信息无法共享，缺乏统一的标准和规范，兼容性差，易受干扰等问题[3]。智能变电站采用统一的模式建立数据模型和功能模型，通信采用统一的IEC61850协议，数据间实现了无缝交换，信息的可靠性、完整性和实时性都能得到保证，采用光纤以太网通信，构建统一的信息共享平台，真正实现了变电站的数字化和信息化管理，具有诸多技术特征。

2.1 一、二次设备

智能化变电站的显著的特点是一次设备智能化和二次设备网络化。采用智能单元和合并单元等装置，自动完成采样、分合闸、告警等功能，使一次设备真正智能化。用光纤代替常规站中的电缆，采用光纤传输采样值、开关量、控制命令等信息，不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口。通过网络真正实现了数据共享，常规功能装置以逻辑功能模块的形式存在。

2.2 系统建模标准化

为顺利实现一次设备智能化和二次设备网络化，国际电工委员会制定了IEC618

50标准，从模型、配置、通信服务、互操作方式、数据流程和格式各方面建立了一个智能化变电站的体系，通信的可靠性和实时性，系统的自动化水平都大幅提高，统一了各类厂家智能变电站产品的标准，以实现兼容性和互操作性，不同设备厂家使用了各自扩展的信息时也能保证设备之间的互操作性，减少重复建设和投资，提高了设备的利用效率。

2.3 高级功能在智能变电站中的应用

智能变电站除了能完成变电站的基本功能之外，还可根据需要完成诸多高级功能，例如设备状态可视化，智能告警及分析决策，故障信息综合分析决策，支撑经济运行与优化控制，站域控制，与外部系统交互信息等。

2.3.1 程序化操作

变电站程控操作是指站内智能设备按照操作票的执行顺序要求自动的完成操作票，并对其进行校验，无需操作人员的参与[5]。实际操作时只需要变电站内运行人员或调度运行人员根据操作要求选择一条顺控操作命令，操作票的执行和操作过程的校验由智能设备自动完成。

智能化变电站内实现了顺控操作，真正达到了无人值班，无人看守，无人直接参与的要求，达到变电站“减员增效”的目的[4]。同时通过顺控操作，操作人员无需直接参与操作过程，最大限度的保证了人员的安全。采用编程的方法，也最大限度地减少了操作失误，缩短操作时间，提高变电站的智能程度和安全运行水平。

2.3.2 设备状态监测

智能变电站中，通过网络平台，可以准确地获取有效的电网运行状态数据、各种智能电子装置（IED）的故障和状态信息，将采集到的数据上传至站内数据平台，站控层负责变电站内各种监测数据的收集、可视化展示、分析，实现对主要设备的数字化控制、测量、记录、监视等，为电网设备全寿命周期综合优化管理提供基础数据的支撑，形成设备在线监测数据平台，通过成熟的电力设备故障诊断算法对设备故障进行诊断和评估分析，提出合理的运行方式和检修计划。

2.3.3 故障综合分析决策及智能告警系统

系统发生事故时，会有大量信号上传，值班人员往往很难给出正确的判断。在智能变电站中，基于全站设备对象，建立状态和功能模型，建立故障信息综合分析决策及智能告警系统，在电网发生事故、保护动作、装置故障、异常报警等情况下，通过整合分析站内包括事件顺序记录信号、保护及故障录波等信号，进行推理判断并提供原因及处理方案。同时通过实时在线分析变电站运行状态，自动报告变电站异常并提出故障处理指导，实现基于管理、检修和实时运行一体化的告警系统。

3 IEC61850标准体系

为实现智能变电站的高级应用，同时为解决不同厂家的不同智能电子设备的互操作性难题，国际电工委员会制定并出台了IEC61850通信标准。IEC61850标准建立了统一的信息建模体系，实现即插即用，自动配置，建立信息系统的有机配合，减少设备重复建设，实现资源节约，是实现智能变电站的核心技术之一。

IEC61850标准明确提出了面向对象的建模方法，提出信息分层，采用网络通信建立无缝通信系统，避免了复杂的协议转换，已成为无缝通信系统传输协议的基础，对智能变电站的建设和改造有着重要的指导作用。此外，IEC61850也在原有变电站自动化系统模型的基础上，向风能、水电、配电等其他领域拓展。

4 智能化水电站

经过30多年的发展，我国水电站建设取得了诸多成绩，新建或改造电站普遍实现了无人值班或少人值守模式，国际先进水平的监控、保护和监测等自动化系统得到了广泛的应用，智能诊断等高级技术的研究和实际应用已取得了较好的成果，部分自动化系统也已实现信息化和数字化采集，水电站整体自动化水平已经达到或接近世界领先水平。但目前我国水电站中使用的通信规约种类繁多，各种自动化系统之间信息的通信困难，影响电厂的安全运行[6]。智能水电站是水电站发展的必然趋势，相对传统水电站来说，智能化水电站的转变不仅仅在二次系统的数字化，也不仅仅是计算机监控系统的升级，它涉及水电站各种机械、电气设备，以及各种新设备、新技术、新思路的应用，将使电站的运行管理模式出现较大的转变和提升。

智能水电站建立在集成、统一、可靠的软硬件平台基础上，通过应用先进的传感和测量技术自动获得电站运行和设备状况信息，采用可靠的控制方法、数据分析技术和智能化的决策支持技术，满足电网要求，实现水库与机组的安全经济运行，提高水电厂水能利用率，实现效益最大化。

4.1 智能水电站的基本特征

智能水电站以数字化为基础，采用先进的传感技术，使用可靠的智能化电力设备、智能仪表和现场总线技术，将设备状态信息和控制信息数字化，以此作为智能电站的信息源，实现设备数字化管理。以计算机实时闭环监控系统、电站设备在线监测分析系统、生产和技术管理信息系统三大技术为保障，以电站设备数字化、信息共享网络化、数据应用智能化为特征，达到电站本质安全、效益最优、环境和谐、特征指标行业领先。电站设备数字化，信息共享网络化，是指要建设标准统一的数据信息网络平台，实现各自动化系统之间、系统与数据采集之间的互联，实现全厂跨安全分区的生产自动化系统、管理信息化系统等应用系统之间的数据统一交换与存储共享，达到“系统分散，数据集中”的要求。数据应用智能化，是指充分利用设备信息数据，辅助专家智能系统，通过在线仿真、智能趋势报警、远方监控等技术途径，实现对数据的智能应用，最终达到风险可预测、状态可控制、故障自修复，实现安全、经济、高效。

4.2 IEC61850在智能水电站中的应用

随着智能变电站建设的不断推进，IEC61850在水利发电，风力发电中的相关标准也逐步出台。IEC于2007年8月颁布了IEC61850-7-410标准。该标准是IEC61850系列标准的一部分，对比智能变电站，智能水电站也分为三层结构，即站控层、间隔层和过程层。但水电站的机组情况千变万化，要远比变电站的间隔复杂，因此，智能水电站的层次划分和控制方式难度也较大[7]。在进行IED建模时，定义了需要附加的和水电站有关的公用数据种类、逻辑节点以及数据对象。包括与发电机的励磁系统有关的功能，与水轮机及附属设备有关的功能等。在逻辑节点K组，定义了与水流、大坝和水库控制与管理有关功能的对象，虽然是水电厂特殊的，这里定义的 LN和DO也可以用于其它类型的公用水管理系统[8]。这些丰富的逻辑节点和数据对象，为智能水电站的配置提供了强大和灵活的工具。

IEC61850标准规定了智能水电站系统间和功能间的交换标准，进一步优化了为系统互联，设备间的互操作，彻底解决了水电站间规约复杂，通信困难，干扰严重的问题。

5 结论

本文介绍了智能变电站的结构体系，技术特点，分析IEC61850标准在智能变电站中的应用。探讨基于IEC61850的智能水电站的建设，为今后水电站的智能化改造及建设提供借鉴。IEC61850标准以及智能变电站的发展为我国水电站的发展指明了方向，必将在我国水利发电站中发挥重大作用。

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