智能水电厂主设备状态监测建模分析

卢 彦 林， 曹 伦， 王 伟

(阿坝水电开发有限公司，四川 黑水 624000)

0 引 言

水电厂主设备包含水轮发电机组、变压器、断路器等，其运行性态直接决定着水电厂及电网的安全性和稳定性。水电厂主设备状态监测系统通过对振动、摆度、压力脉动等机组状态监测量以及变压器油色谱、GIS 局部放电等变电设备某个或多个状态的参数进行自动、实时、连续的监视和测量，实现水电机组及变电设备主要部件运行状态的在线监测、越限告警、专项分析与辅助诊断。传统的水电厂设备状态监测系统厂家众多，实力发展水平不一，尚未建立一套标准的通信体系，导致不同自动化设备难以实现互联互通，无法实现真正的数据共享和信息集成。

IEC61850规范是适用于现代电力系统自动化网络的主要规范，主要包括功能与设备模型的的通信要求、通信配置定义语句、基本网络架构和模型、通信服务映射技术等十个章节,其特征为通信服务独立于基础网络和应用层协议，并通过使用面向对象的设备模型技术和面向未来通信网络的可拓展结构，使整个体系结构具有可扩展性，从而实现信息共享、功能交互以及调度协调[1]。智能水电厂采用IEC61850规范水电厂信息模型原理，形成一套适合于研究目前中小流域水电厂群运营特点和电网调度模式的综合信息系统模型，通过提供基于IEC61850、IEC61970规范的统一网络总线，设计智能水电厂过程级网络和厂站级网络，以便研究不同规模水电厂智能电子装置的典型配置和部署方案，提出一体化管控平台及各类智能应用组件的规范化接口，建立智能水电厂调试、运维及智能设备测试技术体系，提出实现流域水电厂群一体化管控的运维管理模式，是水电自动化发展最重要的方向[2]。

目前，智能水电厂技术导则、水电厂建模思想与导则、智能水电厂公共信息模型技术要求等标准已规定了智能水电厂的建设方向、体系架构和技术要求，这些标准为智能化水电厂建设奠定了坚实的理论基础[3]。通过将IEC61850标准应用于智能水电厂状态监测系统，根据标准对系统进行分析建模，对优化和统一设备间信息交互通信协议、提高设备生产数据互联互通和共享利用水平和提升状态监测自动化设备的运行维护效率具有重要现实意义[4]。

1 IEC 61850信息模型

传统的通信标准和通信协议没有模型的概念，所有信息都是与规约报文组织方式一一对应，通用性及自定义性不强。遵循IEC61850标准体系，利用SCL语言构建的信息模型可以映射到不同的通信协议，适应通信技术的发展。通过模型配置，可以任意根据实际情况配置系统的通信内容，优化通信量。基于IEC61850标准的模型主要包括数据模型和服务模型。

1.1 数据模型

数据模型包括电子智能设备(Intelligent Electronic Device，简称IED)、逻辑设备 (Logical Device，简称LD)、逻辑节点LN(Logical Node，简称LN)、数据对象DO(Data Object，简称DO)和数据属性DA(Data Attribute，简称DA)。IEC61850数据模型的层次结构图见图1。

IED是实际的物理设备外部可见的行为；LD是虚拟出来的设备，聚合LN和数据，一个物理设备根据应用功能分为一个或多个LD。LN是描述系统功能的基本单位，是数据对象的容器。LN包含若干DO，DO包含LN所有的信息；DA从属于DO，是模型中信息的最小承载单元，对信息模型的一切操作都归结到对DA的读写上。

图1 IEC61850数据模型层次结构图

1.2 服务模型

服务模型是对外部提供的基于数据模型的访问接口，IEC61850服务模型示意图见图2。

服务模型包括：数据集(Data Set)、替代(Substitution)、报告控制块(Report Control Block)、日志控制块(Log Control Block)、定制组控制块(Setting Group Control Block)、通用变电站事件控制块(GOOSE Control Block)、采样值传输控制块(Sampled Value Control Block)、控制(Control)以及文件传输(File)。

2 水电厂主设备状态监测系统建模

智能水电厂主设备状态监测系统是智能水电厂的重要组成部分，系统包括现地的智能状态监测装置和厂站层的上位机状态监测平台。现地智能状态监测装置是实现水电机组、主变压器等主设备的运行安全保护与运行性态在线精确测量的技术保证，同时也为上位机状态监测平台提供数据来源，其体系架构、设备组成及功能部署要求充分体现了智能水电厂信息数字化和通信网络化这两大主要特征[5]。

2.1 系统体系架构

智能水电厂主设备状态监测系统体系架构图见图3。

智能水电厂主设备状态监测相关软硬件设备处于安全II区，主要由处于单元层的机组状态监测数据采集单元、变电设备状态监测单元，以及处于厂站层的状态监测平台组成。单元层设备完成各类设备状态监测传感器信号量的采集与计算、实时监测与告警、现地数据管理和分析试验等功能，并将采集、计算、分析后的各类设备状态监测信息，通过II区单元层和厂站层之间的MMS网上传给安全II区的状态监测平台进行分析应用。

图2 IEC61850服务模型示意图

图3 智能水电厂主设备状态监测系统体系架构图

2.2 信息建模原则

智能水电厂主设备状态监测系统涉及的设备种类复杂，构建过程中根据IEC61850信息模型建模并结合系统自身特点，其信息模型总体结构设计按照以下思路构建。

一个物理设备即一个IED，建模为一个装置对象。这个对象是一个最高层次的容器，每个物理设备至少包含一个LD对象。

IEC61850标准中没有规范具体LD的划分，遵循IEC61850-7-4及国网公司智能变电站、智能水电厂相关规定，把某些具有公共特性的LN组合成一个LD：公用LD，实例名为“LD0”；测量LD，实例名为“MEAS”；保护LD，实例名为“PROT”；控制LD，实例名为“CTRL”；录波LD，实例名为“RCD”；监测LD，实例名为“MONT”。

需要通信的每个最小功能单元建模为一个逻辑节点对象，属于同一功能对象的DO和DA都放在同一个LN中，为了规范模型结构，IEC61850标准预先定义了部分LN模型，如果标准的逻辑节点类不满足功能对象要求，可进行逻辑节点类扩展或者新建逻辑节点类。

2.3 状态监测系统建模

依据上述IEC61850标准信息建模原则，结合智能水电厂主设备状态监测系统组成，单元层的智能状态监测设备分别建立独立的IED模型，具体包括：发电机状态监测装置IED、水轮机状态监测装置IED、变压器/电抗器状态监测装置IED、断路器/GIS状态监测装置IED以及电容型设备状态监测装置IED。

2.3.1 发电设备状态监测装置IED建模

发电设备状态监测装置主要包括发电机和水轮机的状态监测装置，两种装置是独立的建模对象，分别为发电机状态监测装置IED和水轮机状态监测装置IED。这两类IED都包括MONT和RCD两个LD。

监测逻辑设备MONT中主要包含以下几类逻辑节点。

(1)振动/摆度监测逻辑节点SVBR，该LN表征旋转设备振动/摆度监测，反映振动/摆度运行状态，振动/摆度类测点信息如上下机架振动、定子机架振动、定子铁芯振动、机组轴向位移、水导摆度以及顶盖振动等都建模为SVBR的实例。

(2)压力脉动监测逻辑节点SPRS，蜗壳进口压力脉动、顶盖下压力脉动、导叶出水口压力脉动、尾水管进出水口压力脉动等测点建模为SPRS的实例。

(3)转速监测逻辑节点TRTN，该LN表征键相传感器测量机组转速，键相信息测点建模为TRTN的实例。

(4)平均气隙/磁场强度相对值计算逻辑节点SPOS，该LN表征空气间隙传感器采集的平均气隙相对值和磁通量传感器采集的平均磁场强度/磁通密度绝对值，空气间隙测点和磁通量测点建模为SPOS的实例。

(5)局部放电监测逻辑节点SPDC，该LN表征局部传感器特征值，定子局放测点建模为SPDC的实例。

(6)录波逻辑设备RCD中主要包含录波逻辑节点RDRE，该LN记录振摆和压力脉动传感器波形以及空气间隙和磁场强度传感器波形，相应的测点建模为RDRE的实例。

发电设备状态监测装置的测点根据上面6种主要的逻辑节点类型，分别进行逻辑节点的实例化，发电机状态监测装置中，针对立式机组的典型传感器布置为安装9个低频速度传感器用来监测上机架水平/垂直振动、下机架水平/垂直振动、顶盖水平/垂直振动，安装6个电涡流位移传感器用来监测上导X/Y方向摆度、下导X/Y方向摆度和水导X/Y方向摆度，可以将其实例化为SVBR 1- SVBR 15。其他传感器测点也进行类似的逻辑节点实例化，最终所有测点都对应为实例化的逻辑节点，这些实例化的逻辑节点再根据建模原则组成实例化的逻辑设备，逻辑设备再组成发电设备状态监测装置IED的模型。

2.3.2 变电设备状态监测装置IED建模

变电设备状态监测装置模型主要包括变压器/电抗器状态监测装置IED、断路器/GIS状态监测装置IED以及电容型设备状态监测装置IED。这三类IED都只包括MONT一个LD。

监测逻辑设备MONT中主要包含以下几类逻辑节点。

(1)局部放电监测逻辑节点SPDC，变压器局部放电测点和断路器局部放电测点都建模为SPDC的实例。

(2)液体绝缘介质监测逻辑节点SIML，油中溶解气体监测测点建模为SIML的实例。

(3)无相别相关测量逻辑节点MMXN，铁芯电流和电压监测测点都建模为MMXN的实例。

(4)套管监测逻辑节点ZBSH，套管监测测点建模为ZBSH的实例。

(5)有载调压分接头监测逻辑节点SLTC，有压分接开关测点建模为SLTC的实例。

(6)气体绝缘介质监测逻辑节点SIMG，SF6气体监测测点建模为SIMG的实例。

(7)电容器逻辑节点ZCAP，电容性设备监测测点建模为ZCAP的实例。

(8)避雷器逻辑节点ZSAR，避雷器监测测点建模为ZSAR的实例。

变电设备状态监测装置的测点根据上面8种主要的逻辑节点类型，分别进行逻辑节点的实例化，变压器监测装置和断路器监测装置中都包含局部放电信号，可以将其分别实例化为SPDC 1和SPDC 2，最终所有测点都对应为实例化的逻辑节点。这些实例化的逻辑节点再根据建模原则组成实例化的逻辑设备，逻辑设备再组成变电设备状态监测装置IED的模型。

3 结 语

简要介绍了IEC61850标准和智能水电厂概念，重点剖析了信息模型的组成和层次关系，针对水电厂主设备状态监测系统，通过梳理系统结构图，提出将单元层智能状态监测装置划分为不同的IED的信息建模思路，依据智能水电厂公共信息模型技术要求，重点选取了测点相关的逻辑节点类完成了数据建模。

后续的建模工作主要包括梳理系统内各个IED之间的网络通信情况，确定GOOSE网和MMS网上的数据信息，完善信息模型的数据集、报告控制块、GOOSE控制块以及GOOSE订阅块，通过IEC61850标准提供各项的ACSI服务，实现IED之间的互联互通。

作为智能水电厂集成标准化及决策智能化的重要体现，水电厂主设备状态监测系统通过对各个现地智能装置进行IEC61850建模，通过建立统一标准的数字信息模型，便于不同自动化设备实现互联互通，生产过程数据有效共享和利用，从而实现提高生产维护效率和降低改造成本。