摘要：網(wǎng)絡(luò)化、智能化是將來水電站調(diào)速器發(fā)展的方向，本文從葛洲壩智能調(diào)速器的設(shè)計(jì)出發(fā)，給出了調(diào)速器在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、硬件結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)計(jì)方案，闡述了調(diào)速器在網(wǎng)絡(luò)通訊的冗余及可靠性方面的設(shè)計(jì)思路，提出了調(diào)速器的網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方案，介紹了采用IEC61850通訊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。研究表明：新一代調(diào)速器解決了調(diào)速器和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)接和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)問題，滿足智能化水電站的建設(shè)要求，為今后智能水電站調(diào)速器的設(shè)計(jì)提供較高的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能化網(wǎng)絡(luò)通訊冗余IEC61850規(guī)約網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)

0、概述

當(dāng)前，智能化水電站的建設(shè)方心未艾，代表電力工業(yè)將來的發(fā)展方向，而可靠的網(wǎng)絡(luò)通信是智能化水電站建設(shè)基礎(chǔ)。這就要求相應(yīng)的電站基礎(chǔ)設(shè)備調(diào)速系統(tǒng)具有高速可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，冗余可靠的設(shè)計(jì)，高級(jí)的控制策略以及方便靈活的通訊接口，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠機(jī)組的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。然而目前國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)和正在設(shè)計(jì)的調(diào)速器產(chǎn)品，大都沒有意識(shí)到當(dāng)前電網(wǎng)智能化環(huán)境的特殊要求，在以太網(wǎng)通訊接口、GPS對(duì)時(shí)、現(xiàn)場總線方面大多沒有充分考慮[2]。

本文通過南瑞集團(tuán)公司為三峽集團(tuán)葛洲壩水電廠最新開發(fā)的基于X203586控制器的雙冗余水輪機(jī)調(diào)速器，介紹了調(diào)速系統(tǒng)控制核心的硬件配置、網(wǎng)絡(luò)冗余方案、與外部設(shè)備的通訊聯(lián)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方法等，為將來智能化水電廠調(diào)速器的設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

1、控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)是智能水電站的一個(gè)基本特征。水電站現(xiàn)地級(jí)包括監(jiān)控、調(diào)速器、勵(lì)磁、輔機(jī)系統(tǒng)等不同設(shè)備。水電站目前的一體化平臺(tái)將現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集和測量按“過程層”、“間隔層”、“站控層”的結(jié)構(gòu)層次布置，采用兩層網(wǎng)絡(luò)：站控層網(wǎng)采用MMS網(wǎng)、過程層網(wǎng)采用GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)組成。全站網(wǎng)絡(luò)采用高速光纖以太網(wǎng)組成[3]。

站控層由監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)（操作員站）和智能設(shè)備接口機(jī)等構(gòu)成，智能設(shè)備接口機(jī)可將調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控LCU設(shè)備等接入站控層MMS網(wǎng)，監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管理控制間隔層、過程層設(shè)備以及其它設(shè)備功能，形成全站監(jiān)控、管理中心，并能與遠(yuǎn)方調(diào)度中心通信，通信標(biāo)準(zhǔn)符合DL/T860（IEC61850）[3]。

考慮上述統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)控制和通訊結(jié)構(gòu)如下圖1所示：首先調(diào)速系統(tǒng)的控制核心選用貝加萊公司最先進(jìn)的X20CP3586控制器，兩套控制系統(tǒng)冗余配置（見圖中冗余X20控制器），配置相應(yīng)的公用IO模塊，該模塊由模擬量輸入（X20AI4622）/輸出(X20AO4622)模塊、開關(guān)量輸入(X20DI9371)/輸出(X20DO9322)模塊、測頻和脈沖輸出模塊（X20DS1319）、串行通信模塊(X20IF1086)組成，模擬量輸入模塊完成調(diào)速系統(tǒng)有功功率、導(dǎo)葉槳葉開度、水頭等模擬量采集；模出模塊完成導(dǎo)葉、槳葉、轉(zhuǎn)速等模擬量輸出并上送監(jiān)控；開關(guān)量輸入則完成機(jī)組開機(jī)、停機(jī)、并網(wǎng)、負(fù)荷增減等指令，完成調(diào)速系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的序列控制，開關(guān)量輸出則完成調(diào)速器的狀態(tài)和故障報(bào)警輸出，供監(jiān)控集中監(jiān)視；測頻模塊完成機(jī)組轉(zhuǎn)速、電網(wǎng)頻率的采集，脈沖模塊則完成調(diào)速器機(jī)械系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的控制。通訊模塊則完成與監(jiān)控、電站HOMIS系統(tǒng)的通訊。由此組成系統(tǒng)完成調(diào)速器的所有控制功能。

圖1：調(diào)速系統(tǒng)控制和通訊冗余結(jié)構(gòu)圖

前面已經(jīng)強(qiáng)調(diào)，網(wǎng)絡(luò)通訊及其可靠性是智能化水電站建設(shè)的重要要求，我們?cè)谙到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊上進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，參見圖1，首先兩套控制器之間采用以太網(wǎng)POWERLINK通訊方式，雙機(jī)同步通訊，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，一套系統(tǒng)故障（如斷電、程序出錯(cuò)、模塊故障）自動(dòng)切換到另一套，無需人工干預(yù)。兩套控制器和公用IO模塊之間也采用以太網(wǎng)POWERLINK通訊，誰為主機(jī)誰自動(dòng)控制IO設(shè)備。兩套控制器和監(jiān)控上位機(jī)的通訊采用IEC61850協(xié)議接入MMS網(wǎng)，其方式為：采用貝加萊PC810工控機(jī)作為通訊網(wǎng)關(guān)設(shè)備，安裝IEC61850轉(zhuǎn)換協(xié)議實(shí)現(xiàn)與MMS網(wǎng)的通訊，以太網(wǎng)A和B通過通訊網(wǎng)關(guān)，分別連接到控制器1和2，這樣任何1路網(wǎng)關(guān)故障或網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點(diǎn)斷開，均不影響控制器與MMS網(wǎng)的通訊，從而實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)交叉冗余模式。另外，我們還設(shè)計(jì)了調(diào)速器和監(jiān)控及HOMIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的備用通道，在IO模塊上擴(kuò)展了兩個(gè)串行接口，可以實(shí)現(xiàn)與上述設(shè)備的實(shí)時(shí)通訊。這樣即使網(wǎng)絡(luò)完全中斷，我們也可以采用備用通道與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)，可見系統(tǒng)通訊的可靠性非常高。

此外，控制器和人機(jī)界面的通訊通過交換機(jī)采用以太網(wǎng)連接，采用貝加萊內(nèi)部IMA協(xié)議，實(shí)時(shí)性和可靠性很高，除了普通的用戶參數(shù)設(shè)置、信息顯示功能外，還可以滿足用戶數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)、錄波、事件登陸等高級(jí)功能。

通訊內(nèi)容方面，目前監(jiān)控系統(tǒng)可以下發(fā)功率設(shè)定值、水頭、時(shí)鐘等信息，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的功率閉環(huán)控制、時(shí)鐘校準(zhǔn)等，調(diào)速器通過61850規(guī)約可以上送轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉槳葉開度、機(jī)組有功、故障量、狀態(tài)量等信息，在MMS網(wǎng)上可以實(shí)現(xiàn)共享，掛在網(wǎng)上的設(shè)備均可以實(shí)時(shí)獲取。

2、IEC61850網(wǎng)絡(luò)通訊

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)由國際IEC委員會(huì)制定，它是在互操作性要求的基礎(chǔ)上，主要考慮變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的通信而建立的標(biāo)準(zhǔn)體系。當(dāng)前,國內(nèi)外電力設(shè)備生產(chǎn)商都在圍繞IEC61850開展研究和應(yīng)用工作，并提出IEC61850的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)“即插即用”，在工業(yè)控制通信上最終實(shí)現(xiàn)“一個(gè)世界、一種技術(shù)、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)”[4]。

本項(xiàng)目采用貝加萊公司提供的PC810工控機(jī)和南瑞集團(tuán)公司自主研發(fā)的IEC61850通信軟件系統(tǒng)，在葛洲壩新一代調(diào)速器上進(jìn)行了應(yīng)用。它采用分層分布式體系、面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，使得數(shù)據(jù)對(duì)象的自描述成為可能。按照61850規(guī)約，我們建立了調(diào)速器功率控制、水位控制、開度控制邏輯節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了功率給定、水頭設(shè)定等數(shù)據(jù)模型，開發(fā)了調(diào)速器上送的轉(zhuǎn)速、功率、導(dǎo)葉槳葉開度、故障量、狀態(tài)量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)上述數(shù)組進(jìn)行了描述，為調(diào)速器與電站監(jiān)控系統(tǒng)的互操作和系統(tǒng)無縫集成提供了有效通道，實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)通信協(xié)議向“IEC61850標(biāo)準(zhǔn)”的轉(zhuǎn)化升級(jí)，為未來全面實(shí)現(xiàn)智能化水電站系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

3、網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)

調(diào)速器的對(duì)時(shí)非常關(guān)鍵，內(nèi)部及外部產(chǎn)生的重要信號(hào)變化都需要記錄較精確的時(shí)鐘信息，特別是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，只有在統(tǒng)一精確的時(shí)鐘系統(tǒng)的控制下才能準(zhǔn)確地記錄下事件動(dòng)作的先后時(shí)間，從而為分析事故原因，事故類型，事故發(fā)生發(fā)展過程提供可靠依據(jù)。

現(xiàn)行的GPS衛(wèi)星時(shí)鐘同步系統(tǒng)支持硬對(duì)時(shí)（脈沖節(jié)點(diǎn)PPS、PPM、PPH）、軟對(duì)時(shí)（串口報(bào)文）、編碼對(duì)時(shí)（IRIG-B、DCF77）和網(wǎng)絡(luò)NTP對(duì)時(shí)，可滿足國內(nèi)外不同設(shè)備的對(duì)時(shí)接口要求。網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)是以通訊報(bào)文的方式實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)時(shí)間是包括年、月、日、時(shí)、分、秒、毫秒在內(nèi)的完整時(shí)間。由于網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)實(shí)現(xiàn)起來比較方便，因此被廣泛采用[5]。在本工程中調(diào)速器擬采用網(wǎng)絡(luò)軟對(duì)時(shí)的方式進(jìn)行GPS對(duì)時(shí)。

GPS時(shí)鐘源從GPS衛(wèi)星上獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)信息，將這些信息在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，電站設(shè)置1臺(tái)對(duì)時(shí)服務(wù)器，安裝對(duì)時(shí)軟件，調(diào)速器X20控制器和服務(wù)器進(jìn)行物理以太網(wǎng)連接，將服務(wù)器時(shí)鐘源作為SNTP服務(wù)器，調(diào)速器X20控制器作為SNTP客戶端，作為SNTP服務(wù)器的GPS時(shí)鐘源將時(shí)間信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，作為SNTP客戶端的調(diào)速器控制器將接收時(shí)間信號(hào)，這樣就可以使調(diào)速器與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源同步。作為SNTP客戶端的調(diào)速器通信協(xié)議可以通過在軟件中調(diào)用相應(yīng)的功能模塊實(shí)現(xiàn)。

另外我們還考慮了對(duì)時(shí)備用通道，即通過監(jiān)控上位機(jī)MMS網(wǎng)，可以下發(fā)時(shí)鐘信息給調(diào)速器，包含年月日、時(shí)分秒，秒以下時(shí)間則可以通過調(diào)速器內(nèi)部時(shí)鐘獲得（最小5毫秒）。

4、結(jié)語

智能化、數(shù)字化是將來水電站自動(dòng)化發(fā)展的方向，調(diào)速器作為其中重要的組成部分，必須充分滿足和適應(yīng)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的需要，本文從葛洲壩智能調(diào)速器的設(shè)計(jì)出發(fā)，提出了調(diào)速器在網(wǎng)絡(luò)通訊、硬件結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)等方面的設(shè)計(jì)思路，新一代調(diào)速器將全面支持IEC61850通訊協(xié)議體系，解決了調(diào)速器和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)接和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)問題，滿足智能化水電站的建設(shè)要求，為今后智能水電站調(diào)速器的設(shè)計(jì)提供較高的參考價(jià)值。

目前，葛洲壩電廠三套智能調(diào)速器已經(jīng)完成了生產(chǎn)和制造，2014年2月底完成了用戶的出廠驗(yàn)收，并已發(fā)往現(xiàn)場，即將開始安裝調(diào)試，我們期待新一代調(diào)速器能順利投運(yùn)，為電站實(shí)現(xiàn)智能化打下良好基礎(chǔ)。

作者簡介

蔡衛(wèi)江（1970生），碩士，高級(jí)工程師，1992年參加工作，在國網(wǎng)電力科學(xué)研究院工作至今，主要從事水電站水輪機(jī)調(diào)速、自動(dòng)化控制裝置等的研究和設(shè)計(jì)工作。