数字化水电站自动化元件解决方案研究

王录永，吴明波，李 颖

（1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明650051；2.华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明，650214）

智能电网[1]就是电网的智能化，是当今世界电力、能源产业发展变革的体现，世界上科技水平较高的国家均对智能电网的研究和建设给予高度的重视和支持。目前智能电网建设已上升为我国的国家战略，被先后列入了国家“十二五”、“十三五”发展规划。智能电网的核心是实现电网的数字化，只有实现了电网各环节信息采集、传递和控制方面的高度数字化才可能完成电网的各项高级应用，进而实现电网的智能化。电网的数字化包含了电网的发电、输电、配电、用电各个环节，水电站作为发电环节的重要组成部分，实现其数字化是十分必要的。随着IEC61850标准的发布和引入，配电环节的变电站数字化技术已经非常成熟，在我国已经有了广泛的应用，在数字化变电站[2，3]的基础上，国内相关机构纷纷展开数字化水电站[4，5]的相关研究和建设，然而与变电站相比，水电站现地设备存在大量用于自动控制的自动化元件难以进行数字化传输，因此实现自动化元件信号的数字化传输和共享对建设数字化水电站，进而实现智能电网具有十分重要的意义。

1 水电站自动化元件及信号采集方式

1.1 水电站自动化元件的功能及分类

自动化元件是实现水电站自动控制最基础的元件，它担负着监测设备状态、发送报警信号、执行相关自动操作等任务。随着水电站自动控制水平要求的提高，自动化元件在水电站中的地位也变得越来越重要，自动化元件的质量和可靠性关系到水电站的安全运行，也影响着整个电站的综合自动化水平和各种功能的发挥。

水电站自动化元件一般根据水电站的机组容量、结构型式、全厂的安全经济运行、自动化程度等要求进行配置。根据自动化元件的作用，可以细分为采集元件和执行元件。自动化采集元件是指采集温度、液位、压力、流量、物位、转速等非电量信息供各系统设备反馈控制、状态监测或越限报警使用的现地传感器元件。水电站常用的自动化采集元件主要包括：流量开关、油混水报警器、液位计、温度计、差压变送器、液位变送器、压力变送器、行程开关、主令开关、位置传感器、测速探头、PT100测温电阻等。自动化执行元件是指接收远程信号命令执行相关动作的现地元件，主要有电磁阀、电动阀等，水电站常用执行元件包括检修围带控制电磁阀、润滑水电磁阀、刹车投退电磁阀等。

1.2 当前水电站自动化元件信号采集方式和缺点

当前水电站中自动化元件多集中在水轮发电机组部分和主变压器部分，其数量众多、类型多样且布置分散，为便于接线，一般将自动化元件信号引接至现地单个或多个端子箱内的转接端子进行集中，之后再转送监控系统或其他需要信号的系统，自动化元件信号的接入和转出全部采用电缆完成，采集方式如图1所示。

图1 当前水电站机组自动化元件信号采集方式

当前自动化元件采集传输方式结构简单，便于管理和查线，端子箱内不需供电，但也存在着一些缺点：①自动化元件信号不能共享，许多测点需重复配置以满足多系统使用，造成元件数量增加。②自动化元件数量众多且布置分散，特别是机组部分，造成现地转接端子箱进出电缆过多，电缆桥架负担重。③自动化元件需求的电缆截面、芯数、类型各不相同，施工难度大。④DC 24 V电源和模拟量信号采用电缆传输且距离较长，信号易受干扰。

2 数字化水电站对自动化元件信号采集方式的要求

数字化水电站以IEC61850标准为基础，采用3层2网结构，3层指站控层、单元层、过程层，2网指站控层网络（MMS）、过程层网络（GOOSE网和SV网）。数字化水电站中设备的数据采集、传输、共享均通过网络传输实现，自动化元件信号也应满足网络传输的要求，通过光缆直接将信号发布至过程层的GOOSE网，供电站单元层各系统使用。但目前绝大多数类型的自动化元件无法支持IEC61850标准，无法直接将信号发布至GOOSE网。

3 数字化水电站自动化元件信号采集解决方案

3.1 主变压器部分自动化元件信号采集方式

水电站的主变压器与变电站的主变压器情况十分相似，参考数字化变电站的实施方案，数字化水电站也可以采用主变本体智能终端[6，7]来采集主变压器区域的自动化元件信号，并将其发布至GOOSE网用于各系统共享，采集方式如图2所示。

图2 主变自动化元件采集方式

3.2 水轮发电机组自动化元件信号采集方式

相对于主变压器部分，水轮发电机组的自动化元件数量更大、类型更复杂、安装环境更差，其对侧需求的信号系统也更多，仅靠单台智能终端无法满足其采集的需要，如果采用多台智能终端，虽然能满足信号采集的需求，但引入过多的设备会使系统变得复杂，降低运行的效率和可靠性。当前水电站现地控制中，可编程控制器（PLC）应用已经非常成熟，作为控制领域的核心设备，随着近几年数字化变电站的发展和数字化水电站概念的提出，目前国内外厂家先后推出支持IEC61850标准的PLC产品并有所应用，其可靠性已经得到证明。

参考数字化变电站智能终端和当前水电站现地控制单元（LCU）的模式，可利用支持IEC61850标准的PLC构成现地数字化采集单元，通过电缆接收自动化元件的开关量、模拟量信号，将开关量、模拟量信号编译成IEC61850 GOOSE报文并通过光纤发布至GOOSE网，采集方式如图3所示。

图3 数字化水电站机组自动化元件信号采集方式

数字化采集单元内设置支持IEC61850通信标准GOOSE网的PLC，并按需配置开关量输入模块、模拟量输入模块、RTD温度量输入模块、开关量输出模块、电源模块等。为保证可靠性，数据采集单元中的PLC及电源模块也可采用冗余设置，并将采集的信息上送GOOSE双网。数字化采集单元可根据电站需要分层、分区域设置，宜与现地转接箱合并布置在现地机组自动化元件集中的区域，对下实现自动化元件的信号现地采集和控制，对上接入IEC61850 GOOSE网，与监控、调速器等系统进行通信。

4 结束语

数字化采集单元能够满足数字化水电站对自动化元件信号采集和控制的需求，同时具有以下优点：①数字化采集单元可将单个自动化元件信号发布至GOOSE网供多系统共享，解决了元件重复配置的问题；②数字化采集单元内的DC 24 V电源模块可就近供自动化元件使用，从而可以避免低电压电源供电线路过长易受干扰的情况；③数字化采集单元采集机组瓦温、油温后，可利用内部的PLC对运行温度进行逻辑判断，并将机组温度报警及事故停机信号发布至机组GOOSE网；④数字化采集单元布置在现地，与自动化元件连接电缆较短，受干扰的可能性小，经济性也较好。

利用数字化采集单元来实现自动化元件数字化的方式原理简单、可靠性高，具有较高的可行性。数字化采集单元采用模块化结构易于扩展，可根据实际接入信号类型及数量灵活配置相应的输入、输出模块，其输入、输出回路总数不受限制。自动化元件数字化后，减少了二次电缆的使用量，简化了系统结构，降低了施工难度，提高了水电站的自动化水平。