孔凡场
（吉林松江河水力发电有限责任公司134500）
摘要:我国中小型水电站已实现了“少人值班”的综合自动化系统，并在逐步实现“水电站现场完全无人值班”的运行模式。对中小型水电站自动化系统的发展作了初步的探讨出了数字化水电站的技术方案。
关键词:中小型水电站;少人值班;完全无人值班;数字化水电站
1概述
中小型水电站采用计算机监控技术已经有20余年的历史，近年来，由于工业以太网及可编程控制器KGC的成熟和发展，更使水电站的自动化技术趋于完善，其自动控制水平与可靠性得到了进一步的提高。
中小型水电站由于控制设备较为复杂，发展速度比变电站落后一个节拍，但也已经从“少人值班”发展到了“完全无人值班。可以预料，下一步的发展一定是走“数字化水电站”的道路。
2“少人值班”模式
中小型水电站从20世纪90年代开始采用计算机监控技术，限于当时的技术水平，采用的是现场总线的控制方式，并采用RS485的通信接口。这种控制模式完成了从继电器控制的机电模式转换为计算机控制的模式，实际上完成了一次技术发展的飞跃，用计算机技术代替了继电器控制技术。这种初期的计算机技术通信速率慢，一般都是采用4800bps，与调度中心的通信则采用了载波技术。这种网络结构简单、投资不大、容易掌握，所以便于推广，但是载波机的误码率较高。
经过10余年的发展，计算机以太网通信技术的进步及PLC性能和可靠性的提高，使水电站的控制水平有了长足的发展，水电站还可以安装工业视频系统，能远程监视其运行状态。目前水电站“少人值班”自动化技术都是采用以太网作控制网络，这种网络不但通信速率可达、100Mbps，可靠性也大大地提高。与调度中心的通信则采用了光纤通信，误码率大大地降低，通信速率可达1000Mbps，在传输数据的同时，还可以传输图像和声音(见图1)。
3“完全无人值班”模式
中小型水电站“完全无人值班”自动化技术在我国是2009年才提出来的2010年在湖南省慈利县赵家垭水电站实现了我国第一座小型完全无人值班水电站;水电站没有运行值班人员，但留有保安值班人员，运行值班人员在距水电站50KM外的慈利县水务局远程监控中心值班。2012年在陕西省宁强县二郎坝梯级水电站实现了梯级水电站的“完全无人值班”自动化远程控制技术。各水电站的计算机网络和远程监控中心的计算机网络都按双星型以太网设计，各水电站和远程监控中心的通信则采用了光纤环形网络，不但保证了远程控制的可靠性，同时还可传输各水电站的视频图像。
为了实现完全无人值班，水电站的一次设备采用了优质设备，二次网络及关键设备采用了冗余设计，而且制定了相适应的水电站无人值班管理制度(见图2)。
4数字化水电站
数字化水电站是以水电站一次设备和二次设备为数字化对象，将实际的设备虚拟化，以高速光纤网络通信平台为基础，对数字化信息进行规范化、标准化，实现信息共享和互操作，满足运行安全、控制可靠、技术先进、经济运行要求的水电站。
4.1智能化的一次设备
水电站的所有一次设备均是智能化的，所谓“智能化”是指一次设备均有自我监测功能，可以自我监测自身的状态，是具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化、信息互动化特征的高压设备，包括水轮发电机的定子和转子的绝缘、温升、最高发电能力、振动、摆动、噪声、空蚀状态等;主变压器的绝缘、温升、变压器油的绝缘能力、油中气体及微水的监测、介质损耗、漏油状态、瓦斯状态、绝缘闪烁、局部放电的监测、铁芯的接地电流等;断路器的真空状态、SF6的漏气状态、分合闸时间、分合闸的速度、触头的电蚀、触头的接触电阻、触头的温升，触头电流过零的分闸、电压过零的合闸等;避雷器的泄漏电流监测、避雷器动作次数监测。传统的电磁式电流互感器和电压互感器则为电子式互感器或光电式互感器所代替;此时，数字化的互感器输出的已经不再是5A和100V，而是直接输出带时标的数字化的电流和电压的数字数据。
4.2网络化的二次系统
数字化水电站的二次设备都是光纤通信的网络化设备。按照IEC61850对网络层次结构的定义，可以分为过程层、间隔层和站控层(见图3)。
过程层是连接智能化一次设备和间隔层的基本网络层，它包括一次设备的智能控制及检测设备、电流电压互感器的合并单元、过程层的以太网交换机等设备。采用发布/订阅模式通信，主要完成传输控制装置和测保装置需要的采样值(SV:SamplingValue)和开关量(COOSE:CenericObjectOrientedSubstationEvent)的传输。
过程层的主要功能分三类:一是水电站所有运行实时的电气量检测;二是中小型水电站所有运行设备的状态参数检测;三是操作控制执行与驱动，包括闸门控制、阀门控制、水轮发电机的控制、断路器的控制等。
(2)间隔层设备包括水电站的各种控制GC[屏、保护及测控设备、测量表计等。间隔层主要为对象的统一建模、通信信息的分层、通信接口的抽象化和自描述规范等技术的应用。
它的主要任务是:
1通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库。
2按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心。
3接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行。”具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能。
4具有(或备有)站内当地监控，人机联系功能，如显示、操作、打印、报警，甚至图像、声音等多媒体功能。
5具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态、在线修改参数的功能。’具有(或备有)水电站故障自动分析和仿真操作培训功能。
数字化水电站内常规的二次设备，如有功功率的控制、电压无功控制、同期操作装置、继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信。二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，而是通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。
4.3自动化的管理系统
水电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化;数据信息分层、分流交换自动化;水电站运行发生故障时能及时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见;系统能自动发出水电站设备检修报告，即常规的水电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。换句话说，就是设备没有问题就不要去检修，直到系统自动发出设备检修报告时才去检修。
4.4IEC61850技术标准
计算机技术引入电力系统后，使电力系统的自动化水平有了长足的发展，所有的设备和仪器都在一个统一的网络工作，但也产生了一个重要的问题。这个问题就是千万家的产品要在一个计算机系统中联系在一起，必须提供各自的通信规约，这些通信规约实在是种类繁多，要这些通信规约在一个系统中统一运行起来，是一个费事、费时、技术性很强的工作。
IEC(国际电工委员会)TC57(第57技术委员会)在1994年提出要统一所有的通信规约，并在2002。年发布了第一版IEC61850<变电站通信网络和系统>的通信规约，其目标是“一个世界，一种技术，一个标准”中国等同引用为DL/860系列标准。这不仅仅是一个普通通信协议，还是一个十分庞大的标准体系。它是一个全球变电站自动化的标准，使用面向对象建模技术，使用分布、分层体系，使用抽象通信服务接口(ACSI:AbstractCommunicatioNServiceInterface)。特殊通信服务映射SCSM(SpecificComunicatioNServiceMapping)技术，使用MMS(ManufacturingMessageSpecification)技术，具有互操作性，具有面向未来的、开放的体系结构。
由于新技术的不断发展，IES(国际电工委员会)在2009年发布了第二版IEC61850，并改名为“电力企业自动化通信网络和系统”，它不但包含了变电站，还将水电站、风电站、光伏电站、生物能电站、海洋能电站等都包含了进去。第二版的IEC61850—7—410是水电站监控通信，IEC61850—7—510是水电站逻辑节点模型;这样就为数字化水电站的发展打下了坚实的基础。