智能化水电站体系架构的分析

冯汉夫，李希哲，马 力，刘 珊，司青花，石 爽 ，张若愚

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;2 西安理工大学,西安 710048；3.太原理工大学，太原 030024)

0 前 言

面对如今能源紧缺和环境污染的双重压力，世界各国对智能电网都寄予很大期望。国网公司也已明确提出“发展以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，以信息化、自动化、互动化为特征，自主创新、国际领先的坚强智能电网”，这标志着中国智能电网战略已经全面启动。

水电站作为发电环节的重要部分，其智能化的建设将是今后的主要发展方向，同时，水电站的智能化建设和改造对于水电行业也是刻不容缓的。目前正在运行的水电站大都是在智能电网、智能化水电站目标提出前就已经完成设计、建设并投入运行的传统水电站。因此，水电站的改造建设也将迎来智能化大发展的新机遇。智能化水电站的建设目标是以加强智能化电网为服务对象，以源网协调发展的“无人值班”(少人值守)模式为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，包括水电站的状态检修系统、经济运行系统、大坝观测系统、信息统一平台、监控系统和基础自动化系统等各个环节，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代水电站。其中，基于IEC61850标准的无缝实时通信系统将为实现智能水电站的通信信息平台提供技术支持[1]。

1 IEC 61850标准

IEC61850是国际电工委员会TC57在总结UCA2.0的美国经验和IEC60870系列标准的欧洲经验基础上提出的关于未来变电站自动化系统的通信体系标准，它制定了适合于变电站自动化系统的系统配置、数据模型、通信服务和映射等内容。同时IEC61850 标准的系统配置、通信服务和映射的方法也可适用于不同类型的电力自动化通信网络和系统中，数据信息模型则与设备功能和业务对象密切相关，需要针对不同的设备和功能进行不同的信息对象建模，以便能够适用于其它类型的电力生产自动化中[2-3]。

2 与水电站相关的内容

2007年8月颁布的IEC61859-7-410 Communication networks and systems for power utility automation -Part-7-410：Hydroelectric power plants- Communication for monitoring and control(电力自动化通信网络和系统，第7-410部分：水力发电厂监视和控制用通信)。该标准作为IEC61850系列标准的一部分，它定义了IEC61850用于水电站时需要的附加公用数据种类、逻辑节点以及数据对象。为智能化水电站的建设提供了一个强大而灵活的工具，解决了智能化水电站建设中的互联和互操作等关键技术问题。

2012年3月发布的IEC61850-7-510是水电站监控通信标准，它对如何利用IEC61850-7-410和其他IEC61850系列标准中规定的逻辑节点定义建立水电站(包括抽水蓄能电站)复杂控制功能的模型提供了说明，此标准将进一步规范、统一智能水电站的建设[4]。

而IEC61850该部分定义的逻辑节点和数据对象属于下列应用领域：

(1) 电气功能,包括LN和DO，用于各种控制功能，主要与发电机的励磁系统有关。这一组里新定义的LN和DO并不是只针对水电站的，也可用在大型发电站。

(2) 机械功能,包括与水轮机及附属设备有关的功能，原本用在水电站，也可用在其他领域。

(3) 水文功能,包括与水流、大坝和水库控制与管理相关的功能，本来是水电站的特定功能，但现在有关水文管理的数据类型也可以用在自来水管理系统。

(4) 传感器,包括电站需要测量的特定数据[5]。

3 智能化水电站体系结构

3.1 体系结构

智能化水电站的自动化体系应该是一种无缝连接的开放式结构，其特征是采用基于IEC61850标准，通过设备的功能接口抽象和通信的标准化，为自动化系统提供了一个开放的统一平台，满足不同类型监测、保护、控制与调节设备的集成和交互。

由于水电站内控制对象众多且过程控制比较复杂，通常考虑选择分层分布这种集中与分散相结合的体系结构是比较合适的。智能水电站自动化体系的架构应采用纵向分层、横向分层的理念，实现系统横向集成、纵向贯通、信息共享和交互操作，最终达到消除通信异构和信息孤岛的目的。系统总体结构应是以一体化平台为核心，可靠的高速光纤传输网络为物理主干，水电标准通信总线为基础，水电公共信息模型为支撑的面向服务的分布式结构。

现根据IEC61850标准中定义变电站的信息分层结构的模式，综合考虑水电站自身的特点，提出智能化水电站的自动化体系可按3层2网的方式设计。

从逻辑概念上和物理概念上整个水电站自动化系统划分为3层：站控层(厂站控制层)、单元层(单元控制层)和过程层(过程控制层)3层。其中，站控层主要包括水电站实时监控和管理、水情水调、水文与气象、大坝安全监测、机电设备状态监测与分析、安全防护、通信系统综合管理、工业电视、火灾报警和对时系统等功能；单元层主要负责采集本单元内过程层所有实时数据信息，对所有数据进行运算、存储及转发，实现系统信息数据的承上启下功能，并实施对现地设备的控制、操作(闭锁、同期等)、保护及监测等功能；过程层主要是完成电站现地生产过程的测量、控制、保护、计量、状态监测以及其信息数据的采集、分配、变换、传输等功能。3个层次之间设置2个网络：① 单元层设备和站控层设备之间设置MMS(含部分GOOSE)通信规约的站控层网络，以实现站控层内部以及站控层与间隔层之间的数据传输；② 在单元层设备和过程层设备之间设置SV和GOOSE通信规约的过程层网络，实现单元层设备与过程层设备之间的数据传输。详细结构形式如图1所示[6]。

3.2 网络结构

IEC61850 作为智能电网重要标准体系已在智能变电站成功运用，并取得良好效果，同时随着水电站监控通信标准IEC61850-7-410、510的发布，这些将成为智能化水电站建设数据对象模型的有力标准支撑。

智能化水电站自动化系统应统一组网采用IEC61850(DL/T 860)通信标准，基于IEC61850标准进行整体网络结构的构建，实现全站各类自动化系统无缝连接的开放式结构，通过设备的功能接口抽象和通信的标准化，为自动化系统提供了一个开放的统一平台，满足不同类型监测、保护、控制与调节设备的集成和交互。

图1 智能水电站体系结构图

在智能水电站中，由于采用了智能设备直接上网的新型分布式通信模式，突破了传统模式下现地通信装置性能和可靠性的系统瓶颈，避免了现地通信装置失效导致系统整体功能失效的问题。因此，从整体角度来看，这种新型的分布式通信模式与传统的通信方式相比可靠性更高，其结构如图2所示。

(1) 站控层网络

站控层网络采用满足IEC61850标准要求的交互式以太网，主要传输MMS报文和GOOSE报文，满足站控层设备之间、单元层设备之间以及站控层设备和单元层设备之间的信息数据互联传输。

站控层网络应采用1 000 Mbps或更高速度的工业以太网，采用IEC61850-8-1通信协议，通信介质考虑光纤和双绞线结合使用的方式，网络拓扑结构可根据实际状况选用星形、环形或综合性的冗余结构，根据实际需要可在不同单元内设置各单元内站控层子网(智能化变电站中的间隔层网络，也就是在单元内设置子交换机的概念，其目的就是减少单元层设备与站控层网中心交换机直连光缆的数量和以及中心交换机端口数的要求，在常规水电站计算机监控系统中这种方式也是经常采用的)。

图2 智能水电站3层体系架构框图

根据横向安全分区的要求和规定，站控层网络及相应设备严格划分为安全Ⅰ区、安全Ⅱ区和管理信息大区3个大区。安全Ⅰ区和安全Ⅱ区之间设置硬件防火墙进行安全隔离，安全Ⅱ区和管理信息大区之间设置物理隔离设备进行安全隔离，一体化平台采用分布式结构，分别布置于3个大区。完成相应的实时生产监控、电站智能决策调度管理、电站生产信息综合管理的各项功能。

由于IEC61850主要用于分布式的智能装置互联，因此在智能水电站的站控层管理信息大区，需要实现一体化管控系统与工业电视系统、网管系统、消防系统等软件系统的相互通信时，应该选用 IEC61970 标准作为上述多个系统之间的通信协议，采用Web Service的方式实现多个系统之间的信息集成和服务集成。这些外部接口的通信网关必须完成IEC61850和IEC61970标准模型转换任务，即实现智能化电站系统内部的IEC61850 SCL模型转为对外的IEC61970 CIM模型接口要求。

水电站站控层网络与集控中心站控层网络之间可直接采用IEC61850标准MMS协议进行通信。水电站计算机网络和流域集控中心计算机网络与上级电力调度部门之间的通信协议应遵循IEC 60870-5-104(103)。

站控层设备宜采用IEC61588网络对时，亦可采用IRIG-B、1pps对时方式。

(2) 过程层网络

过程层网络采用满足IEC 61850标准要求的交互式以太网，主要传输SV报文和GOOSE报文，满足单元层设备和过程层设备之间的信息数据互联传输。

过程层网络应采用100 Mbps或更高速度的工业以太网，采用IEC 61850-9-2和GOOSE通信协议，通信介质考虑光纤和双绞线结合使用的方式，网络拓扑结构可根据实际状况宜选用星形的单网或双网结构，根据实际需要可在单元内设置多个过程层子网。

根据横向安全分区的要求和规定，安全Ⅰ内各个单元内实时生产监控保护过程里的监控、测量、保护、合并单元、智能装置(终端、组件)等设备按单元划分通过相应过程层网络信息数据互联传输，并通过安全Ⅰ区内站控层网络相关设备接入一体化平台相关设备；安全Ⅱ区中状态监测、水情测报等独立功能系统，要求以IEC 61850标准接口接入安全Ⅱ区站控层网络，对安全Ⅱ区中各独立功能系统不再明确规定过程网络的要求，在满足IEC 61850系统建模和通信接口要求的基础上，其系统内部通信网络可根据实际需求灵活考虑。

过程层网络可采用SV网和GOOSE网共同组网方式，亦可采用SV网和GOOSE网分别独立组网的方式。特殊的智能单元、保护装置(水电站中机组事故停机回路、落进水口闸门)与智能终端设备之间可采用点对点通信方式接入SV数据。

单元层和过程层设备宜采用IEC61588网络对时，亦可采用IRIG-B、1pps对时方式[7]。

4 结 语

随着水电站智能化技术的不断完善，越来越多的水电站相继启动了智能化建设的规划和试点探索。但水电站智能化研究还处于初级阶段，技术标准与规范差距较大。作为智能电网的主要标准，随着IEC61850不断完善和补充水电站信息建模等相关内容以及在水电站中的适应性不断提高，IEC61850标准将成为智能化水电站的必然选择。而智能变电站建设取得的大量成果，也完全可以指导水电站智能化建设和改造，它们都是电力系统中的重要环节，有很多共同之处，而且智能变电站的技术基本成熟，已进入推广应用阶段。中国智能化水电站的建设与改造，必定存在一个不断探索和创新的过程。

参考文献:

[1] 冯汉夫,石爽,马琴,等.智能化水电站建设的思考[J].水电自动化与大坝监测,2010,34(6):1-5.

[2] 马凯.数字化保护动模测试系统研究与开发[D].山东大学,2009.

[3] 吴琴芳,陈恳.IEC61850与数字化变电站的应用研究[J].电气技术,2009,(2):59-62.

[4] 刘书玉,梁国才.智能水电站应用IEC61850标准的探讨[C]//中国水力发电工程学会自动化专委会换届大会暨全国水电厂自动化技术2012年度学术交流研讨会论文集.2012:1-6.

[5] 韩桂芬,袁宁平.IEC 61850与数字化水电站[C]//2010全国水电自动化技术学术交流研讨会论文集.2010:1-8.

[6] 王德宽,张毅,刘晓波.智能水电厂自动化系统总体构想[J].水电自动化与大坝监测,2011,35(01):5-9 .

[7] 刘观标,李晓斌,李永红.智能水电厂的体系结构[J].水电自动化与大坝监测,2011,35(01):1-4 .