基于IEC 61850标准的智能水电站探究与实践

何　滔，卢玉龙，晋　健，汪文元

（国电大渡河沙坪水电建设有限公司，四川 乐山 614000）

0　引言

IEC61850标准是由国际电工委员会于2004年颁布的、应用于变电站通信网络和系统的国际标准。目前，虽然IEC 61850标准在电网侧已得到了广泛应用，实现了智能变电站的工程运作标准化，但是在水电行业里，此标准的应用仍处于探索阶段。近年来，随着变电站的成功应用，白山、云峰、猴子岩等少数水电站进行了IEC 61850标准的初步探索工作，并取得了一定的实效，但是在PLC端的模型构建几乎都少有涉及。而沙南水电站则是直接采用IEC 61850标准将监控系统上位机与机组LCU、公用LCU、大坝LCU、智能开关站、机组辅控系统、公用辅控系统通信，在通信统一性、数据灵活性与网络可扩展性方面作出了较大的突破[1]。

本文通过对智能水电站的探究，以沙南水电站为例宏观分析了IEC 61850标准的特性与应用，以及此协议对水电行业的作用和影响。

1　沙南水电站对智能化的探索

随着新一代信息技术的突飞猛进，以信息化和工业化融合为基本特征的新一轮科技革命和产业变革正持续发展。面对信息化带来的战略机遇，国家提倡大力开发低碳技术，推广高效节能技术，积极发展新能源和可再生能源，加强智能电网的建设[2]。由此，国家电网公司提出加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，以信息化、自动化、互动化为特征的坚强智能电网。

我国十六大提出“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”，《电力发展“十三五”规划（2016～2020）年》提出，建设“互联网+”智能水电站理念。国电大渡河流域水电开发有限公司积极响应国家政策，认真贯彻落实中国国电集团公司“创新国电”核心战略，推动“双创”工作的开展，围绕智能电站建设开展技术创新，以“智慧工程”、“智慧电厂”、“智慧检修”、“智慧调度”为核心打造“智慧大渡河”，并率先在国内启动智慧企业建设[3]。

目前，基于IEC 61850标准的智能变电站已成功应用，水电站作为电网发电环节的重要组成部分，在智能电网规划和发展的统一要求下，向智能化水电站方向发展以适应全新电网的要求将是一个必然的趋势和全新的目标[4]。而沙南水电站拥有国内最大单机容量的灯泡贯流式机组，在“智慧大渡河”的背景下，以此为试点工程，大胆创新，尝试建设国内第1座全新意义的智能水电站。为适应智能电站的建设，规范统一的通信标准也就成了沙南水电站的灵魂。IEC 61850以其针对水电站提出的IEC61850-7-410协议为智能水电站的建设提供了一个强大而灵活的工具，解决了沙南水电站建设中的互联和互操作等关键技术。

2　面向智能水电站的IEC 61850特性分析

2.1　IEC 61850的可行性

IEC61850标准是一个十分庞大的标准体系，它不仅仅是一个通信协议标准，也是电力系统实现自动化的一种新方法。虽然相较于变电站，水电站设备数量多、现场环境恶劣、运行流程复杂、控制方式繁冗，实现数据共享、保证通信稳定可靠的难度大大增加，但是，目前已具备一定的条件支撑此标准体系在水电行业的应用。例如智能断路器、智能调速器、智能保护装置、智能励磁等众多智能化设备的面世；其次，IEC 61850具有面向对象统一建模、面向未来通信的可扩展架构、采用了抽象通信服务接口、具有特殊通信服务映射技术的特点以及2016年国家能源局正式颁布了《智能水电厂技术导则》行业标准，使得智能水电站的建设已具备条件，同时也成为水电行业内探索与研究的焦点。

2.2　IEC 61850的必然性与优越性

近年来国家提倡大力开发水电、风电、太阳能等清洁能源，水电站的建设迎来了崭新的机遇，但由于受数据定义、数据范围和精度限制，传统通信协议已不能满足水电站设备智能化与网络化的应用需求。由于基于IEC 61850标准进行数据通信的智能水电站具有传输光纤化、数据扩展简易化、全厂数据共享互动化的优势，因此，在后期可通过硬件升级、技术更新、网络互动等方案，支撑可靠而准确的数字化信息交换、资源实时共享。最终实现基于水电公共信息模型、插件式应用组件等，由数据中心、基础服务、基础应用构成的一体化平台，为机组的操作提供科学指导。通过设备联动、优化决策以降低发电成本、提高上网电量、减少设备故障为目的，实现电厂的安全、经济运行和节能增效，为实现“智慧大渡河”的企业愿景保驾护航。

3　IEC 61850在沙南水电站的应用

3.1　网络架构设计

根据沙南水电站的技术特点、信息流向及管理流程，其网络架构以现地设备智能化、二次设备网络化、通信系统标准化、信息建模统一化、管控中心一体化为基础，横向划分为生产控制大区（包括安全一区、安全二区）和管理信息大区（即安全三区），纵向划分为过程层、单元层和厂站层。沙南水电站以计算机监控系统为中心，对电站其他分散设置的自动化系统进行集中管理的松散联合方式，并逐步过渡至以电站智能决策控制中心为核心的分层分布式体系结构，实现电站统一化、科学化、智能化运行管理模式，为电站优化经济运行、安全生产、科学管理提供有力保障[5]。

沙南水电站采用两层网络设计，分别由厂站层MMS网和过程层GOOSE网组成。其中厂站层与单元层之间采用交换式以太网，传输介质为屏蔽双绞线。单元层与过程层之间也采用交换式以太网，传输介为用屏蔽双绞线和光纤。为保障系统的可靠性、稳定性，各层均采用双网冗余配置（图1）。

图1　沙南水电站网络架构规划

3.2　IEC 61850在PLC端的模型构建

统一建模是IEC 61850工程化的核心内容，由于标准中关于装置数据模型的实现有很大的灵活性，装置内同一点数据可以用不同的数据定义和不同的方式上送，所以不同厂家的装置模型实现会有较大差异，实现统一建模不仅可以解决不同厂家装置的不兼容问题，也利于工程调试和日后的工程维护[6]，为实现不同厂家装置互动化的条件，沙南水电站在招投标阶段已对不同厂家做出了明确要求，不仅应具备IEC 61850通信条件，同时还必须以IEC 61850-7-500-2010、IEC 61850-7-501-2010 定义的基本LN类和CDC类为基础进行建模。

目前，开关站设备建模技术已趋于成熟，而基于PLC控制系统的I/O设备建模与应用是一个全新的领域，固本文主要针对这方面进行阐述。沙南水电站PLC控制系统选用法国施耐德产品，采用UnityPro XL V11.0-151207应用程序与Modicon IEC 61850 Configuration Tool插件（IEDCT）相配合完成MMS服务器配置。

MMS配置单元主要由通信配置单元（Communication Setting）、IED 配置单元 （IEC61850 Server Setting）、I/O映射（I/O Mapping）3部分组成。第1步是进行通信配置，在进行配置前需将CPU版本升级为03.30以上。通信配置主要是通过定义在CPU中140 NOP85000（NOP）模块所占用内存的起始地址，在IEDCT内进行IP地址设置和为模块启用NTP时间同步功能，这样NOP模块便实现了IEC61850客户端与IED设备之间进行数据连接的桥梁作用。第2步进行IED配置，首先通过配置逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性完成IEC数据模型自定义；然后在应用设置单元中完成四遥信号测点描述；接着在数据集单元进行测点分类打包；通过报文控制单元关联已创建的数据集，定义报文ID、设置报文的触发条件、选择发送的报文中包含哪些信息从而完成测点上送配置；同时考虑到电力系统的重要性，便于事故追忆，对重要信号采用事件顺序记录是必然的，因此对此类信号应在ERT数据集中进行独立打包配置。第3步I/O映射单元配置，用户将自定义的数据映射到CPU的内存地址中，被用户程序所使用并在UnityNOP模块的配置单元中更新IEDCT中的配置，IEC 61850的数据即会自动地映射到PAC%MW的内存地址中。当完成MMS服务器配置后便可通过IED配置单元导出实例配置文件（CID）供厂站层使用。

3.3　人机交互系统

沙南水电站采取与施耐德、南瑞集团联合开发的模式进行人机交互平台建设，使用NC2000 Version 3.0.0（NC3.0）计算机监控系统为平台进行IEC61850协议接入。其核心是如何将不同厂家单元层设备以IEC61850协议接入厂站层监控系统主机，其中数据库是基础，通过导入并解析不同厂家CID文件形成，完成监控系统与全站设备通信与交互。

首先是不同厂商按照IEC 61850标准进行设备建模，同时对四遥信号描述以运行人员为核心进行修改，形成CID文件，然后通过NC 3.0系统根据所提供的CID进行数据库规划、驱动程序配置，最终使用CID文件中数据集名、装置数据库与数据类型映射的方法自动生成与装置模型等价的四遥信号。此时，数据库便在上位机形成，再经过数据库的配置与优化，友好的人机交互系统便得以形成。

4　问题与建议

沙南水电站是国内首座完全基于IEC 61850标准的智能水电站，2017年已成功投入运行。由于水电站智能化的实现是个新领域，虽有相关国际标准以及行业标准体系可支撑，但缺少具体、可操作性的实例工程[7]，因此在安装调试过程中也积累了一些实例经验。①为高效、准确的进行模型建立，建议由运行人员对模型测点描述进行标准化定义，由维护人员对测点进行审查并分类增加备用测点，这样可防止重复修改CID，便于后期设备维护以及改造。②由于部分智能设备采用标准化配置，导致上送测点过于冗杂，因此，在进行装置配置阶段应将无关测点删除或屏蔽。③在通信匹配上，建议将导出的CID文件手动匹配IP地址，再进行模型解析以防止出现数据丢包的现象。④由于设备更新迅速，建议在进行PLC硬件选型上优先选择最新产品。⑤因为智能水电站网络化程度非常高，所以对网络传输介质应严格测试，并做好网络切换、单网运行、光口发射/接收功率电平测试等重要实验。

5　结语

随着经济的发展、社会的进步、科技和信息化水平的提高以及全球资源和环境问题的日益突出，电站的发展面临新课题和新挑战。而传统水电站向智能化水电站方向全面发展以适应全新电网的要求将是一个必然的趋势，其中IEC 61850协议的应用将成为关键技术，沙南电站以IEC 61850标准完成的监控系统建设，成功实现了IEC 61850在智能水电站的应用，是对国内水电站应用此标准和相关技术的有益尝试和探索，将对国内水电厂智能化建设起到很好的推动和示范作用。

参考文献：

[1]杨新民,陈丰,曾卫东,等.智能电站的概念及结构[J/OL].热力发电,2015,44(11)：10-13.

[2]温家宝.政府工作报告[M].北京：人民出版社,2010.

[3]涂扬举.水电企业如何建设智慧企业[J].能源,2016,21(8)：96-97.

[4]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(06)：1-5.

[5]吴维宇.智能水电厂技术导则[M].北京：中国电力出版社,2016.

[6]王聪,张毅,文正国.基于IEC 61850标准的水电厂监控系统信息建模[J].水电自动化与大坝监测,2012,36(06)：1-4，8.

[7]李忠明,庞敏,袁珂俊,等.基于IEC 61850标准的传统水电站智能化改造关键技术研究 [J].华电技术,2012,34(12)：21-24，80.