葛洲坝电站智能化建设的研究和实践

张家治

（葛洲坝电厂，湖北 宜昌 443002）

葛洲坝电站智能化建设的研究和实践

张家治

（葛洲坝电厂，湖北 宜昌 443002）

摘要：IEC61850、IEC61850-7-410国际标准的相继颁布和实施，为我国智能化水电站建设提供了有力的技术支撑。本论文深入阐述了IEC61850标准的主要内容、特点、基本概念以及发展趋势，并以葛洲坝电站智能化建设为例子，详细介绍了葛洲坝电站智能化建设的整体框架，分析了传统机组信息模型和智能电站机组信息模型的区别，展现了智能水电站机组信息模型的优点。最后，从4个方面详细分析了葛洲坝电站机组信息模型的应用情况，并对IEC61850标准在智能水电站建设的发展方向进行了展望。

关键词：IEC61850；葛洲坝电站；智能水电站；监控；模型

0　引言

近几年，随着全球气候逐步恶化、温室效应加剧、传统能源日益短缺、金融危机蔓延，为了解决环境与发展的矛盾，抢占未来经济及科技发展的制高点，造福子孙后代，各国不约而同地将目光集中于发展智能电网。

坚强智能电网是包括发电、输电、变电、配电、用电、调度等各个环节，是一个完整的智能电力系统。水电站作为电网的发电环节，其智能化与否直接决定了智能电网的战略能否成功实现。智能水电站是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现发电厂的可靠、安全、经济、高效、环境友好的目标。

葛洲坝电厂“十二五”发展规划明确提出了“建设智能电站，保持行业领先”的目标，要求以建设智能电站为重点，加快设备改造，实现电站的安全、节能、环保、高效。

1　IEC61850概述

当前电力系统中，对变电站自动化的要求越来越高，为方便变电站中各种IED的管理以及设备间的互联，就需要一种通用的通信方式来实现。IEC61850提出了一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规范的输出，实现系统的无缝连接。

IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，它是由国际电工委员会第57技术委员会 (IECTC57)的3个工作组10，11，12(WG10/11/12)负责制定的。此标准参考和吸收了已有的许多相关标准，其中主要有：IEC 60870-5-101远动通信协议标准；IEC60870-5-103继电保护信息接口标准；UCA2.0(Utility Communication Architecture2.0)(由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系)；ISO/IEC9506制造商信息规范MMS(ManufacturingMessage Specification)。

1.1 IEC61850标准的特点

IEC61850标准吸收了多种国际最先进的新技术，并且大量引用了目前正在使用的多个领域内的其他国际标准，形成了以下突出的技术特点。

（1）定义了变电站的信息分层结构

变电站通信网络和系统协议IEC61850标准草案提出了变电站内信息分层的概念，将变电站的通信体系分为3个层次，即变电站层、间隔层和过程层，并且定义了层和层之间的通信接口。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范 (MMS)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)以太网或光纤网。在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。变电站内的智能电子设备(IED，测控单元和继电保护)均采用统一的协议，通过网络进行信息交换。

（2）采用了面向对象的数据建模技术

IEC61850标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机/服务器结构数据模型。每个IED包含一个或多个服务器，每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。从通信而言，IED同时也扮演客户的角色。任何一个客户可通过抽象通信服务接口（ACSI）和服务器通信可访问数据对象。

（3）数据自描述

该标准定义了采用设备名、逻辑节点名、实例编号和数据类名建立对象名的命名规则；采用面向对象的方法，定义了对象之间的通信服务，比如，获取和设定对象值的通信服务，取得对象名列表的通信服务，获得数据对象值列表的服务等。面向对象的数据自描述在数据源就对数据本身进行自我描述，传输到接收方的数据都带有自我说明，不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作。由于数据本身带有说明，所以传输时可以不受预先定义限制，简化了对数据的管理和维护工作。

（4）信息模型与通信协议独立

IEC61850标准总结了变电站内信息传输所必需的通信服务，设计了独立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口（ASCI）。在IEC61850-7-2中，建立了标准兼容服务器所必须提供的通信服务的模型，包括服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型和数据集模型。客户通过ACSI，由专用通信服务映射（SCSM）映射到所采用的具体协议栈，例如制造报文规范（MMS）等。IEC61850标准使用ACSI和SCSM技术，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾，即当网络技术发展时只要改动SCSM，而不需要修改ACSI。

1.2 IEC61850标准的发展趋势

IEC61850先进的设计思想、面向对象的信息建模技术、面向未来需求的开放性使得IEC61850标准在全世界范围内得到了广泛应用。为适应这种变化，从 2007年起，IEC TC57 WG10工作组对原有IEC61850的1、4、5、6、7-2、7-3、7-4、8-1、9-2、10等部分进行了修订。

IEC61850标准第2版的名称已由“变电站内通信网络和系统（Communication Networksand Systems in Substations）”改为“公用电力事业自动化的通讯网络和系统（Communication Networks and Systems for Power Utility Automation）”，明确将IEC61850标准的覆盖范围延伸至变电站以外的所有公用电力应用领域。与第1版相比，IEC61850-9-1部分在第2版中被废除，另外新增多个相关的标准或技术规范。

2　葛洲坝电站智能化建设整体框架

按照智能水电站的标准和要求，系统网络结构可以分为3层，按照“过程层”、“间隔层”、“站控层”的结构层次布置。逻辑上有3层设备、2层网络（站控层网为MMS网、过程层网为GOOSE网和SV网）组成。站控层网络、过程网络物理上相互独立，减少相互之间的影响。

葛洲坝电站智能化改造以IEC61850为标准、以统一现地数据总线为基础，无缝集成智能组件，实现各种智能化的高级应用功能，体现了智能水电厂信息化、自动化、互动化的特征，达到一次设备智能化、二次设备网络化的目标。

葛洲坝智能水电站系统的结构布置和层次如图1所示。

图1智能电站机组信息模型图

2.1站控层建设

站控层设备主要布置在中控室内和监控机房内，由冗余实时数据服务器、冗余历史数据服务器、磁盘阵列、多套操作员工作站、工程师工作站、冗余调度通讯服务器、冗余梯调通讯服务器、厂内通讯工作站、语音报警及ONCALL工作站、与其他辅助系统的智能接口工作站、网络打印机等设备组成。

本层设备需要完成实时数据处理、历史数据存储与备份、提供运行的人机联系界面，实现管理控制间隔层、过程层设备等功能，形成全厂监控、管理中心，并与梯调、调度中心、厂内其他系统通信，以及与其他智能系统数据交换。

系统以双局域网（MMS网）为核心，实现各服务器、工作站功能分担，数据分散处理，各工作站/服务器在系统中处于平等地位。将大江区域、二江区域通过4台高速交换机连成一个网络。

站控层设备以IEC61850标准接入MMS网，直接从MMS网读取LCU、调速器、励磁调节器、保护装置等信息。

考虑到智能化改造的阶段性和延续性，保留了站控层设备与智能PLC的常规点对点网络通讯，实现MMS网与常规网络的协同运行。

站控层系统计算机采用高性能的UNIX服务器或UNIX工作站，64位UNIX操作系统，保证主系统的安全稳定运行；操作员站、工程师站、通信服务器、电话语音报警站等其他计算机选用UNIX工作站。

2.2间隔层建设

间隔层设备主要布置在现地设备层，包括发电机层、保护室、公用系统室等。应用到水电站一般称之为单元层，由机组LCU、机组保护装置、调速器、励磁调节器等设备组成。

本层设备完成对被监控设备的就地数据的采集及监控功能，其设计能保证当它与主站级系统脱离后仍然能在当地实现对有关设备的监视和控制功能。当其与主站级恢复联系后又能自动地服从主站级系统的控制和管理。

间隔层设备对上通过MMS网和主站进行通信，对下不仅能实时自动采集SV网和GOOSE网的瞬时电气量数据，实现对智能一次设备的监控，还需要能采集不具备智能功能的常规数据，例如压力、油位、温度等经过变送器采集的常规数据。

间隔层智能化建设是水电站智能化建设的核心，也是水电站智能化建设的难点所在。

2.3过程层建设

过程层设备主要由合并单元、智能终端、非电量现地变送器、测温电阻等构成，完成与一次设备和现场设备相关的功能，包括实时运行电气量的采集、非电气量的采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行等，即完成现场原始终端数据的采集、测量、控制。由于目前电子互感器未经过长时间运行的检验，葛洲坝电站从安全生产的角度考虑，仍然采用常规互感器，通过合并单元接入SV网。

GOOSE网实现对开关、刀闸等一次电气设备的控制量输出。

其他非电气量（压力、油位、位移、开度、振动、摆度等）、温度量的模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出信号不具备智能化条件，通过接入按功能分层分布式的PLC来实现数字化。

3　葛洲坝智能电站机组信息模型的设计

3.1传统机组信息模型介绍

传统机组信息模型如图2所示，它的专业界限比较清楚，二次设备有LCU、调速器、励磁控制器、机组保护装置，二次设备间主要依靠控制电缆连接。主站只和LCU通讯，其他二次设备只能通过硬接线将信息送给LCU，再由LCU通过通讯统一上送给主站，运行人员监视的设备信息量有限。而且LCU和主站间通讯主要采用MODBUS或其他协议，这些协议需要对点号的排序，一旦设备改造后，LCU侧和主站侧改动工作量极大，不易于维护。

在机组控制方面，对机组的有功、无功调节主要是监控系统主站将有功值、无功值下发到LCU，LCU进行PID调节闭环，将调节控制指令通过继电器输出给调速器、励磁控制器的控制回路，调节环节较多，中间延时较大，故障率增多，不能快速精确地进行负荷调节。

3.2智能电站机组信息模型介绍

图2传统机组信息模型图

智能电站机组信息模型打破了传统的专业界限，它是一种面向对象的分层建模方式，通过规范信息模型和信息交换方法，使得设备的互联互通变得简单，如图1所示。根据IEC61850标准面向对象的设计方法，将机组LCU、调速器、励磁调节器、机组保护等装置抽象为一个或多个IED，每个IED的信息模型包含5个层次，即Server（服务器）、Logical Device（逻辑设备）、Logical Node（逻辑节点）、Data（数据）以及DA（Data Attribute，数据属性）。一般情况下一台物理装置建模为一个IED，每个IED包含一个或多个服务器，每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备，每个逻辑设备包含一组逻辑节点，每个逻辑节点又包含多个数据，每个数据拥有多个数据属性。如图3所示。

图3 IED分层信息模型

葛洲坝电站间隔层(单元层)主要设备为LCU装置、调速器装置、励磁调节器装置、机组保护装置，均以IEC61850标准建模。各二次设备按照IEC61850标准将全面的信息上送给站控层，并直接接受站控层的命令。如在机组有功、无功调节方面，由站控层主站通过AGC/AVC计算后将有功值、无功值分别直接下发给调速器、励磁调节器，调速器、励磁调节器自动进行PID计算，进行功率闭环。由于不再需要通过LCU中转，大大提高了设备响应速度。

与传统机组信息模型相比，智能机组信息模型主要优点有如下几方面：

（1）实现了各专业的二次设备互联互通，消除了信息孤岛，使得数据可以共享，不再需要重复配备传感器。

（2）实现了站控层直接控制间隔层设备，效率更高，响应速度更快。

（3）设备间采取网络连接，大量减少了各种控制或信号电缆，节约了资源，降低了成本。

（4）由于间隔层设备已按照IEC61850标准建模，使得设备实现了即插即用，更换设备再也不要进行复杂的通讯调试工作，降低了人力成本。

（5）由于是采用网络连接，间隔层、过程层设备上送信息量可以大大增加，使得设备自检信息能实施上送，实现了设备的可控在控。

（6）由于所有信息均上送至站控层，使得站控层人工智能开发成为可能，如趋势分析功能、运行分析功能、事故专家诊断功能等。

4　智能水电站机组信息模型的应用分析

4.1机组调节过程分析

评判机组信息模型好坏的一个重要方面就是机组调节控制是否快速准确，而水电站调节最频繁、调节精度要求最高的是自动发电控制（AGC）和自动电压控制（AVC）。

AGC计算出单机出力后，传统机组信息模型是直接下发给LCU，LCU进行PID闭环再将增减负荷指令下发给调速器，中间环节较多，不利于负荷调节的快速响应。而12F机组由于采用的是新的机组信息模型，直接通过MMS网下发给调速器，调速器自己进行功率闭环调节，减少了LCU的中间环节，使得负荷调节更迅速。

AVC计算出单机出力后，传统机组信息模型是直接下发给LCU，LCU进行PID闭环再将增减负荷指令下发给励磁调节器，同样由于中间环节较多，不利于负荷调节的快速响应。而12F机组由于采用的是新的机组信息模型，直接通过MMS网下发给励磁调节器，励磁调节器自己进行功率闭环调节，减少了LCU的中间环节，使得负荷调节更迅速。

4.2设备自检分析

IEC61850模型中有详细的设备诊断信息，极大方便了查找设备故障。过去一旦设备报故障，由于没有详细的诊断信息，只能等故障再现才能确定故障原因，而很多故障是在特定的条件下才出现，重复出现的几率很小，这就加大了解决问题的难度。而现在由于将所有的设备自检信息、故障信息、程序运行过程信息都上送至监控系统历史数据库保存，随时可以进行查询，这样就极大地降低了查找设备故障的难度。

4.3机组设备通用性情况分析

IEC61850代表了电力行业发展的最新趋势，是数字化、智能化电网的关键技术。IEC61850建立了统一的、面向对象的层次化信息模型，实现设备的自我描述，以适应自动化功能的扩展，满足应用开放互操作要求，使得不同厂商、不同类型的IED设备能够实现互操作。

葛洲坝电站智能水电站机组信息模型设计应用后，经过修改和完善，形成了标准的智能水电站机组信息模型。它规定了水电站智能化过程中的IED配置原则，使得机组设备通用性大大增强，任何厂家的设备均可即插即用，互联互通。

4.4机组试验过程的自动化完成

智能电站机组信息模型实现了二次设备的网络化，所有信息均在网络上共享，使得很多试验可直接在网络上获取数据，不再需要许多试验线，因而变得简单。

如传统的机组同期试验需要从出口断路器两侧引入PT信号，并监视同期合闸令、断路器返回节点，接线复杂，试验过程持续时间长，试验效果不理想。

机组智能化改造后，断路器两侧电压信号引入到了断路器合并单元、断路器位置引入到了智能终端，故障录波装置只需从SV网、GOOSE网采集信息即可完成同期试验所需所有数据，并通过矢量叠加即可获得同期包络线，以评价同期效果的好坏。同期试验不再需要任何试验接线，随时可以进行，快速、便捷、准确。

5　结语

智能水电站的打造在国内没有先例，葛洲坝电站在智能化改造方面做了积极的探索，并进行了顶层设计，多专业协同，目前项目建设已完成过半，预计在“十二五”末年即可全面完成智能化设备改造，从而达到智能化电站目标。

由于IEC61850在水电厂的应用处于刚刚起步阶段，随着时间的推移，技术将会不断发展完善，而我们的智能水电站机组信息模型亦会随着技术的发展不断修正，从而达到一个最优结果。根据葛洲坝电站智能化过程中遇到的问题和总结的经验，预计智能水电站下一步的发展方向将是过程层网络三网合一，即GOOSE、SV、IEEE1588三种共用一个网络，在确保安全的情况下，极大地简化了网络布置。

智能化水电站建设是一个系统的工作，必须不断探索、创新，并最终形成先进的具备适用性和实用性的统一方案。

参考文献：

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[2]冯汉夫，石爽，马琴，等.智能化水电站建设的思考[J].水电厂自动化.2010（6）：32-36.

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[4]韩桂芬，袁宁平.IEC61850与智能水电站[J].水电厂自动化，2011，22(6):56-63.

中图分类号：TV736

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）07-0001-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.001

收稿日期：2015-04-30

作者简介：张家治（1982-），男，工程师，从事计算机监控系统及自动化控制工作。