智能化水电站总体设计方案探讨

马力+何璐+张超+靳卫安

摘 要：本文在智能化水电站建设目标与发展现状分析的前提下，并根据目前国内水电站建设的实际情况，参考智能化变电站由数字化变电站逐步过渡到智能化变电站的发展过程，首次完整地提出了全智能化、综合型和过渡型三种总体设计方案，满足了不同类型、不同阶段和不同规模水电站的智能化设计和建设的实际需求，对智能化水电站的设计、建设及相关标准编制工作具有重要的指导意义。

关键词：智能化 站控层 单元层

中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（b）-0074-03

随着技术进步和全球新能源、分布式能源的发展，智能电网已成为未来世界电力系统发展的方向，水电站作为智能电网电源布点的重要成员，以其高效灵活的调频、调峰和事故备用能力以及绿色能源的显著优势，将成为智能电网建设中不可忽视的环节。

相对于已趋于成熟的智能化变电站的推广发展，智能化水电站的发展刚刚起步，水电站的智能化相关研究还处于初级阶段，有关智能水电站的定义、目标及框架还十分模糊，国家相关标准规范尚处于空白阶段，这是现阶段智能化水電站建设最大的现实困难。本文在分析了现阶段的智能化水电站发展现状的基础上，提出智能化水电站的建设目标和整体设计方案，对于我国全面推进水电站智能化建设进入工程实践阶段具有较大的实际意义和科技进步意义。

1 智能化水电站的定义与发展现状

1.1 智能化水电站的定义

智能化水电站是遵循厂网协调发展要求，以信息数字化、通信网络化、集成标准化、运管一体化、业务互动化、运行最优化、决策智能化为特征，采用先进的智能电子装置及智能设备，自动完成采集、测量、控制、保护等基本功能，构建基于一体化平台的经济运行、在线分析决策支持、安全防护多系统联动的智能应用的新型水电站[1]。

1.2 智能化水电站发展现状

目前智能化水电站相关技术已成为水电行业发展的前沿和热点，国内白山、松江河水电站作为国内首批智能化水电站试点改造工程，首次实现了IEC61850（包括IEC 61970、IEC60870等系列标准）在水电厂的应用。

但我国智能化水电站建设仍处于技术探索和经验积累的初级阶段，行业内缺乏智能化水电站的相关规范、规程性文件；水电站的监控、励磁、调速、辅控等系统尚未出现完全智能化产品，水电站特有的设备（主机、阀门、闸门等）的智能型开发工作尚未展开；缺乏完整的智能化水电站体系结构和典型方案。这些因素制约了国内智能化水电站的发展和实施，尤其是对照国网智能电网建设规划（其2010-2015年的全面建设阶段已基本进入收官阶段），智能化水电站建设进程相对滞后很多。本文针对目前国内水电站的现状及发展智能化水电站的需求，提出了智能化水电站总体设计方案。

2 智能化水电站总体设计方案

参考智能化变电站由数字化变电站逐步过渡到智能化变电站的发展过程，本文提出现阶段智能化水电站的总体设计方案需要是一个不断发展和完善的过程。以最终的智能化水电站的发展目标，综合考虑目前的现实条件和制约因素，提出以下满足不同阶段和现实需求的智能化水电站总体设计方案：全智能化方案（理想方案）、综合方案（现实方案）、过渡方案（改造方案）。

2.1 全智能化方案

智能化方案是水电站智能化发展的最终目标，它将是生产制造行业、运行管理水平等都达到较高水平，各方条件都发展成熟后的必然选择，也是最理想化的方案。

2.1.1 全智能化方案系统结构

全智能化方案下的水电站系统结构为：纵向按IEC 61850标准构建三层两网的标准体系架构，整个架构划分为站控层、单元层和过程层三层，并构建站控层网络（MMS网）和过程层网络（GOOSE网、SV网）；横向划分为安全I区、安全II区和管理信息大区，根据国内安全[2015]36号文要求智能化水电站将采取横向隔离、纵向加密的安全防护策略。

站控层网络应采用1000Mbps或更高速度的工业以太网，以IEC61850-8-1通信协议为主，网络拓扑结构可根据实际状况选用星型、环型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厂站层子网；过程层网络应采用100Mbps或更高速度的工业以太网，采用IEC 61850-9-2和GOOSE通信协议，SV和GOOSE可根据实际需求进行共网或单独组网设置，网络拓扑结构可根据实际状况选用星型的单网或双网结构，根据实际需要可在单元内设置多个过程层子网。

2.1.2 全智能化方案系统结构分析

（1）站控层结构。

智能化水电站站控层将建成综合数据信息共享平台和综合智能分析管理系统为基础的电站一体化管控平台，系统内安装全厂统一的“智能水电厂一体化管控系统”软件，以符合IEC61850、IEC61970标准的水电标准通信总线为基础，水电厂设备一体化建模、分布式应用服务管理为核心，建立各区统一的集智能水电厂数据中心、基础服务、一体化应用为一体的综合管控平台，实现电站全景数据展示、业务协同互动和智能决策支持功能，并完成电厂各功能子系统应用功能。

（2）单元层、过程层结构。

智能化水电站中单元划分为：1#～n#机组单元（每台机组划分为1个单元）、1#～n#公用及厂用电单元（按区域公用及厂用电设备分布状况划分，包括坝区等场所）、1#～n#开关站间隔单元（按开关站间隔划分）。

①机组单元。

机组单元采用完全遵照智能化体系全智能化结构，将过程层现地设备的信号采集和操控功能完全本体化和近过程化，即在过程层完成数字化、网络化功能任务，主要采用合并单元、智能终端等智能设备完成包括机组在内的各种设备的信号采集和本体操控等功能。这种方式下，单元层设备主要包括：机组测控装置、继电保护装置、发变组故障录波、机组状态监测系统等装置。其中发变组故障录波、机组状态监测系统考虑在安全II区统一接入站控层，改变了常规水电站中机组LCU作为单元管理中心主机的模式结构，在单元层实现了分布式控制模式，不同的智能装置负责不同的功能要求实现详细的功能分布式功能结构。endprint

②公用及厂用单元。

公用及厂用电单元采用完全遵照智能化体系全智能化结构，将过程层现地设备的信号采集和操控功能完全本体化和近过程化，即在过程层完成数字化、网络化功能任务。公用及厂用电单元配置新型水电站测控单元，过程层主要使用智能终端实现信号采集任务。

③开关站间隔单元。

开关站间隔单元结构采用全智能化结构，同时可参照智能化变电站相关的具体设计模式。

2.2 综合方案

综合方案是水电站智能化根据现实条件和制约因素，在其发展过程中提出的一个现实解决方案，它将具有智能化水电站主要特征和各项高级功能要求，同时又根据现实条件的限制，尤其是智能化设备发展水平的限制因素，对全智能化方案中部分结构实施调整变通性方案。

综合方案的体系结构、网络结构、厂站层主要配置与全智能化方案的要求是完全一致的，单元层各单元划分也是一致的。各單元层内部结构具有一些差别。

2.2.1 机组单元

保留常规水电站中机组LCU设备，但对其提出改造和瘦身的要求，单元层还需配置测控装置、继电保护装置、故障录波等装置，依据IEC61850标准体系组建单元内过程层SV网和GOOSE网。改造后的机组LCU负责控制及信号的采集、转换、处理和传送等功能，其他电气测量和开关操控将由测控装置完成。机组LCU必须完全符合IEC61850标准体系，以满足智能化结构的互操作性要求，主要采用远程I/O的方式进行现地信号的采集以实现近过程化的要求（减少电缆），机组LCU与远程I/O及过程层的智能装置之间通过SV和GOOSE网进行数据交换，与站控层之间通过MMS网进行数据交换。

2.2.2 公用单元

保留常规水电站中公用及厂用电LCU，组建过程层SV网和GOOSE网，LCU与站控层之间主要通过MMS网进行数据交换。

2.2.3 开关站间隔单元结构与全智能化方案要求相同

综合方案中各过程层设备尽量采用电子（光学）互感器、智能终端以及合并单元等设备以实现数字化、网络化，特殊情况下亦可考虑配置常规互感器+采集器的配置形式，继电保护、系统安稳装置等设备采用综合型继电保护配置方式。

2.3 过渡方案

过渡方案是为已建成水电站进行智能化改造所提出来的方案，它是在保证已投运电站安全、不间断运行的前提下，对水电站进行结构和性能优化，重点解决智能化水电站一体化管控平台的应用，实现电站站控层设备及网络智能化的过渡方案，是为已投运电站具有智能化改造要求但又无法进行彻底改造（现地设备智能化将影响电站不间断安全运行）条件下所提出的改造方案

过渡方案的体系结构是三层两网结构，但仅仅要求厂站层网络结构和厂站层主要设备配置采取与全智能化方案一致的要求，对单元层和过程层的设备和网络不再做智能化的严格要求，即不再设置过程层GOOSE网和SV网，各单元层网络和设备可保持电站现状采用常规模式。

2.3.1 机组单元

要求机组LCU提供符合IEC61850标准的对外通信接口，机组LCU与本单元内过程层设备可采用传统现场总线和I/O方式采集信号，建议机组LCU尽量采用远程I/O的方式进行现地信号的采集以实现近过程化的要求（减少电缆），单元层内配置的继电保护装置、故障录波装置尽量采取直接与站控层网络连接方式，不再另行设置测控单元。

2.3.2 公用单元

要求公用及厂用电LCU提供符合IEC61850标准的对外通信接口，LCU与站控层之间主要通过MMS网进行数据交换。LCU与本单元内过程层设备可采用传统现场总线和I/O方式采集信号，尽量采用远程I/O的方式进行现地信号的采集以实现近过程化的要求（减少电缆）。

过渡方案中各过程层设备将采用常规互感器，不再配置智能终端以及合并单元等智能化设备，继电保护、系统安稳装置等设备仅仅要求符合IEC61850标准的对外通信接口，采用过渡型的继电保护配置方式。

3 结语

智能化水电站是智能电网发电环节的重要组成部分，其智能化建设是国家建设坚强电网的必然趋势和发展方向。本文在智能化水电站发展现状分析的前提下，根据目前国内水电站建设的实际情况，参考智能化变电站由数字化变电站逐步过渡到智能化变电站的发展过程，首次完整地提出了全智能化、综合型和过渡型三种总体设计方案，解决了常规水电站二次电缆用量大、抗干扰性差等实际问题，简化了设备配置和二次接线，减少了水电站建设、安装和调试工作量，满足了不同类型、不同阶段和不同规模水电站的智能化设计和建设的实际需求，为智能化水电站的设计提供了理论依据和技术支撑，对智能化水电站的设计、建设及相关标准编制工作具有重要的指导意义。

参考文献

[1] 水电站智能化技术规范（送审稿）[Z].国家电网公司，2013.

[2] 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（4）：1-5.endprint