数字化水电站自动化体系结构研究

李 颖，邹 颖，李 俊

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明650051）

自2006年我国建成第1座数字化变电站云南曲靖翠峰变电站以来[1]，数字化变电站在我国发展迅速，目前在电网各种电压等级中都有着广泛的建设。相比数字化变电站，数字化水电站的建设相对迟缓，至今国内几家主要科研单位、设计院对数字化水电站进行了研究，但尚未有成熟的行业解决方案[2]，少数几个水电站进行了数字化通信的尝试，也还没有建成真正意义上的全数字化水电站。现阶段尽早研究并确定数字化水电站自动化体系结构，有利于加快数字化水电站的建设，对促进水电站自动化各子系统的数字化技术发展有着较为重要的意义。

1 当前水电站自动化体系结构

目前的水电站自动化体系是以计算机监控系统为核心，同时设置分布的智能电子设备或系统，独立完成调速、励磁、公用辅助设备控制及继电保护等任务，上述智能电子设备或系统与计算机监控系统主要以开关量、模拟量通过大量的电缆进行数据交换，协同完成电站整体的监控和保护任务，该体系结构见图1。

图1 当前水 电站自动化体系结构图

计算机监控系统采用分层、分布、开放式系统结构，分为电厂控制级和现地控制级，两级之间通过高速以太网进行连接。电厂级也称为上位机系统，负责全厂设备的集中监控，其设备包括服务器、工作站、时钟同步装置、网络设备、大屏幕系统等，通常布置在中控室或计算机室；现地控制级又称为下位机系统，主要负责对机组、开关站、公用设备、厂用电和坝区等设备实施监控，其设备一般包括机组LCU、开关站LCU、公用LCU和坝区LCU，LCU主要由PLC、触摸屏、同期装置、测量计量设备等组成，通常布置在被监控设备附近[3]。

调速器系统、励磁系统、公用辅助设备控制系统及继电保护系统等设置独立的智能电子设备，具备控制器、输入输出模块、通信模块等器件，以开关量、模拟量形式通过大量电缆采集现场信息并接收计算机监控系统控制命令，完成数据采集、逻辑判别、顺序控制、闭环控制等工作，实现电站赋予的相应自动化功能，同时又以开关量、模拟量形式通过大量电缆外送状态信息和故障信息给监控系统及其余相关系统。

目前的水电站自动化体系结构经过多年的发展已经比较成熟和固定，能够实现水电站的自动监控需要，但也存在以下一些不足：

（1）主要以开关量、模拟量形式传输信号，信号范围和内容受到限制，不能实现完整采集；

（2）底层现地设备和元件与智能电子设备之间需采用大量电缆连接，投资大、施工时间长，同时受电磁干扰、易发热等风险较大；

（3）各智能电子设备之间采用总线通信时，难以保证一致性，经常需要增加协议转换器等中间设备；

（4）现地LCU功能过于集中，一旦发生故障，影响非常巨大。

正是由于上述缺点，计算机监控系统难以采集到足够信息，无法建立信息数据一体化平台，开展状态检修辅助决策、全生命周期管理等高级应用功能，从而无法顺利建立数字化水电站、智能化水电站，影响了智能电网的全面建设。

2 数字化变电站自动化体系结构

数字化变电站自动化体系采用分层、分布、开放式网络结构，整站自动化体系纵向采用3层2网布局，由站控层、间隔层、过程层以及网络设备构成。站控层设备主要包括：主机/操作员工作站、五防工作站、通信管理机、调度通信工作站、时钟同步装置、网络通信设备、大屏显示系统以及打印机等，间隔层设备按照间隔配置，主要包括测控装置、保护装置、故障录波装置、安稳设备等智能设备，过程层设备主要包括智能终端、电子式互感器、合并单元等。数字化变电站自动化体系结构见图2。

图2 典型220 kV数字化变电站自动化体系结构图（网采网跳）

站控层主要功能是通过站控层高速网络汇集全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，并定时将数据转入历史数据库；同时按需要将有关实时数据信息送往上级调度；接受上级调度的控制和调节命令并下发到间隔层、过程层予以执行；完成全站开关操作闭锁控制；对变电站实现现地监控、人机联系；完成对间隔层、过程层二次设备的在线维护、参数修改等[4]。

间隔层主要功能是汇总间隔层内各类设备的实时数据信息；完成各种保护、自动控制、逻辑控制功能的运算、判别、发令；完成各个间隔操作闭锁以及同期功能的判别；执行数据的承上启下通信传输，同时完成与过程层及站控层的网络通信等。

过程层设备主要功能是完成实时运行电气量的采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行等[5]。

站控层网络连接站控层设备和间隔层设备，完成变电站各功能节点相关数据的交换传输。

过程层网络连接间隔层设备和过程层设备，完成开关量、模拟量、控制量等信息的交互传输。

3 数字化水电站自动化体系结构

鉴于数字化变电站经过数年的技术发展和工程应用后被证实较为成熟可靠，同时其技术优势又能解决目前水电站自动化体系所面临的主要矛盾和问题。所以，应该遵循水电站的特点借鉴数字化变电站的技术经验来寻求数字化水电站解决方案。

按照这一思路，数字化水电站自动化体系应是分层、分布式的开放架构，并按照3层2网的方式设计：

从逻辑概念上和物理概念上整个电站自动化系统划分为3层：站控层、单元层和过程层，不同层之间设备、同层内设备之间均采用IEC61850通信标准进行数字化通信。

3层次间设置2个网络：站控层设备和单元层设备之间设置MMS通信规约的站控层网络，以实现站控层内部以及站控层与单元层之间的数据传输；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[6]。

数字化水电站按照不同功能或区域的具体要求配置分布式自动化子系统（或IED），各子系统（或IED）之间具备实现深层次信息共享和互操作的能力。

站控层主要设备包括服务器、操作员工作站、同步对时系统等设备，其主要功能是通过网络汇集全站机电设备的实时信息，不断刷新实时数据库，定时将数据转入历史数据库；按需要将有关实时数据信息送往电网调度及流域集控中心；接受上级调度的控制和调节命令下发到单元层、过程层执行；具有站内现地监控、人机联系功能；具有对单元层、过程层二次设备的在线维护、参数修改等功能[7]。

单元层主要设备包括机组LCU、调速器装置、励磁装置、公用辅机系统控制装置、继电保护装置、测控装置、安全自动装置、电能计量装置等，其主要功能是汇总过程层各类设备的实时信息；完成各种自动控制、保护、逻辑控制功能的运算、判别、发令；完成各个单元的操作闭锁以及同期功能的判别；执行数据的承上启下通信传输功能，同时完成与过程层及站控层的网络通信功能。

过程层主要设备包括电子式互感器、合并单元、智能终端、自动化元件及其采集装置等，其主要功能是完成电气量、非电气量的实时采集、设备运行状态的实时监测、控制命令的执行等[8]。

图3对过程层网络采用的网采网跳方式进行示意，实际建设时还有直采直跳、直采网跳、网采直跳等3种方式可以选择，就4种方式而言，网采网跳是最具优势的一种方式，能充分发挥数字化水电站数字化、网络化通信的优势。

图3 数字化水电站自动化体系结构图

4 结语

数字化水电站自动化体系结构将左右数字化水电站发展的方向，本文立足当前水电站自动化体系结构和特点，结合数字化变电站的自动化体系现状，提出了数字化水电站自动化体系结构，以供业内参考、抛砖引玉。同时，在数字化水电站的建设实践中宜根据工程自身特点、技术发展水平及安全性先进性的综合考量，来最终确定这一体系结构。