摘要：網絡化、智能化是將來水電站調速器發(fā)展的方向，本文從葛洲壩智能調速器的設計出發(fā)，給出了調速器在網絡拓撲、硬件結構等方面的設計方案，闡述了調速器在網絡通訊的冗余及可靠性方面的設計思路，提出了調速器的網絡對時方案，介紹了采用IEC61850通訊的數(shù)據(jù)結構等。研究表明：新一代調速器解決了調速器和監(jiān)控系統(tǒng)設備聯(lián)接和系統(tǒng)聯(lián)網問題，滿足智能化水電站的建設要求，為今后智能水電站調速器的設計提供較高的參考價值。

關鍵詞：智能化網絡通訊冗余IEC61850規(guī)約網絡對時

0、概述

當前，智能化水電站的建設方心未艾，代表電力工業(yè)將來的發(fā)展方向，而可靠的網絡通信是智能化水電站建設基礎。這就要求相應的電站基礎設備調速系統(tǒng)具有高速可靠的通信網絡，冗余可靠的設計，高級的控制策略以及方便靈活的通訊接口，實現(xiàn)發(fā)電廠機組的可靠、安全、經濟運行[1]。然而目前國內已經投產和正在設計的調速器產品，大都沒有意識到當前電網智能化環(huán)境的特殊要求，在以太網通訊接口、GPS對時、現(xiàn)場總線方面大多沒有充分考慮[2]。

本文通過南瑞集團公司為三峽集團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調速器，介紹了調速系統(tǒng)控制核心的硬件配置、網絡冗余方案、與外部設備的通訊聯(lián)絡，網絡對時方法等，為將來智能化水電廠調速器的設計和推廣應用打下良好基礎。

1、控制系統(tǒng)及網絡結構

統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺是智能水電站的一個基本特征。水電站現(xiàn)地級包括監(jiān)控、調速器、勵磁、輔機系統(tǒng)等不同設備。水電站目前的一體化平臺將現(xiàn)地數(shù)據(jù)采集和測量按“過程層”、“間隔層”、“站控層”的結構層次布置，采用兩層網絡：站控層網采用MMS網、過程層網采用GOOSE網和SV網組成。全站網絡采用高速光纖以太網組成[3]。

站控層由監(jiān)控系統(tǒng)主機（操作員站）和智能設備接口機等構成，智能設備接口機可將調速系統(tǒng)、監(jiān)控LCU設備等接入站控層MMS網，監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)管理控制間隔層、過程層設備以及其它設備功能，形成全站監(jiān)控、管理中心，并能與遠方調度中心通信，通信標準符合DL/T860（IEC61850）[3]。

考慮上述統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺結構，我們設計的調速系統(tǒng)控制和通訊結構如下圖1所示：首先調速系統(tǒng)的控制核心選用貝加萊公司最先進的X20CP3586控制器，兩套控制系統(tǒng)冗余配置（見圖中冗余X20控制器），配置相應的公用IO模塊，該模塊由模擬量輸入（X20AI4622）/輸出(X20AO4622)模塊、開關量輸入(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速系統(tǒng)有功功率、導葉槳葉開度、水頭等模擬量采集；模出模塊完成導葉、槳葉、轉速等模擬量輸出并上送監(jiān)控；開關量輸入則完成機組開機、停機、并網、負荷增減等指令，完成調速系統(tǒng)對機組的序列控制，開關量輸出則完成調速器的狀態(tài)和故障報警輸出，供監(jiān)控集中監(jiān)視；測頻模塊完成機組轉速、電網頻率的采集，脈沖模塊則完成調速器機械系統(tǒng)步進電機的控制。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)完成調速器的所有控制功能。

圖1：調速系統(tǒng)控制和通訊冗余結構圖

前面已經強調，網絡通訊及其可靠性是智能化水電站建設的重要要求，我們在系統(tǒng)網絡通訊上進行了詳細設計，參見圖1，首先兩套控制器之間采用以太網POWERLINK通訊方式，雙機同步通訊，數(shù)據(jù)實時共享，一套系統(tǒng)故障（如斷電、程序出錯、模塊故障）自動切換到另一套，無需人工干預。兩套控制器和公用IO模塊之間也采用以太網POWERLINK通訊，誰為主機誰自動控制IO設備。兩套控制器和監(jiān)控上位機的通訊采用IEC61850協(xié)議接入MMS網，其方式為：采用貝加萊PC810工控機作為通訊網關設備，安裝IEC61850轉換協(xié)議實現(xiàn)與MMS網的通訊，以太網A和B通過通訊網關，分別連接到控制器1和2，這樣任何1路網關故障或網絡連接節(jié)點斷開，均不影響控制器與MMS網的通訊，從而實現(xiàn)雙網交叉冗余模式。另外，我們還設計了調速器和監(jiān)控及HOMIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的備用通道，在IO模塊上擴展了兩個串行接口，可以實現(xiàn)與上述設備的實時通訊。這樣即使網絡完全中斷，我們也可以采用備用通道與上位機交換數(shù)據(jù)，可見系統(tǒng)通訊的可靠性非常高。

此外，控制器和人機界面的通訊通過交換機采用以太網連接，采用貝加萊內部IMA協(xié)議，實時性和可靠性很高，除了普通的用戶參數(shù)設置、信息顯示功能外，還可以滿足用戶數(shù)據(jù)記錄、存儲、錄波、事件登陸等高級功能。

通訊內容方面，目前監(jiān)控系統(tǒng)可以下發(fā)功率設定值、水頭、時鐘等信息，可以實現(xiàn)調速系統(tǒng)的功率閉環(huán)控制、時鐘校準等，調速器通過61850規(guī)約可以上送轉速、導葉槳葉開度、機組有功、故障量、狀態(tài)量等信息，在MMS網上可以實現(xiàn)共享，掛在網上的設備均可以實時獲取。

2、IEC61850網絡通訊

IEC61850標準由國際IEC委員會制定，它是在互操作性要求的基礎上，主要考慮變電站內通信網絡與系統(tǒng)的通信而建立的標準體系。當前,國內外電力設備生產商都在圍繞IEC61850開展研究和應用工作，并提出IEC61850的發(fā)展方向是實現(xiàn)“即插即用”，在工業(yè)控制通信上最終實現(xiàn)“一個世界、一種技術、一個標準”[4]。

本項目采用貝加萊公司提供的PC810工控機和南瑞集團公司自主研發(fā)的IEC61850通信軟件系統(tǒng)，在葛洲壩新一代調速器上進行了應用。它采用分層分布式體系、面向對象的建模技術，使得數(shù)據(jù)對象的自描述成為可能。按照61850規(guī)約，我們建立了調速器功率控制、水位控制、開度控制邏輯節(jié)點，設計了功率給定、水頭設定等數(shù)據(jù)模型，開發(fā)了調速器上送的轉速、功率、導葉槳葉開度、故障量、狀態(tài)量數(shù)據(jù)結構，對上述數(shù)組進行了描述，為調速器與電站監(jiān)控系統(tǒng)的互操作和系統(tǒng)無縫集成提供了有效通道，實現(xiàn)了由傳統(tǒng)通信協(xié)議向“IEC61850標準”的轉化升級，為未來全面實現(xiàn)智能化水電站系統(tǒng)奠定了技術基礎。

3、網絡對時

調速器的對時非常關鍵，內部及外部產生的重要信號變化都需要記錄較精確的時鐘信息，特別是當系統(tǒng)發(fā)生故障時，只有在統(tǒng)一精確的時鐘系統(tǒng)的控制下才能準確地記錄下事件動作的先后時間，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)星時鐘同步系統(tǒng)支持硬對時（脈沖節(jié)點PPS、PPM、PPH）、軟對時（串口報文）、編碼對時（IRIG-B、DCF77）和網絡NTP對時，可滿足國內外不同設備的對時接口要求。網絡對時是以通訊報文的方式實現(xiàn)的，這個時間是包括年、月、日、時、分、秒、毫秒在內的完整時間。由于網絡對時實現(xiàn)起來比較方便，因此被廣泛采用[5]。在本工程中調速器擬采用網絡軟對時的方式進行GPS對時。

GPS時鐘源從GPS衛(wèi)星上獲取標準時鐘信號信息，將這些信息在網絡中傳輸，電站設置1臺對時服務器，安裝對時軟件，調速器X20控制器和服務器進行物理以太網連接，將服務器時鐘源作為SNTP服務器，調速器X20控制器作為SNTP客戶端，作為SNTP服務器的GPS時鐘源將時間信號在網絡中傳輸，作為SNTP客戶端的調速器控制器將接收時間信號，這樣就可以使調速器與標準時間源同步。作為SNTP客戶端的調速器通信協(xié)議可以通過在軟件中調用相應的功能模塊實現(xiàn)。

另外我們還考慮了對時備用通道，即通過監(jiān)控上位機MMS網，可以下發(fā)時鐘信息給調速器，包含年月日、時分秒，秒以下時間則可以通過調速器內部時鐘獲得（最小5毫秒）。

4、結語

智能化、數(shù)字化是將來水電站自動化發(fā)展的方向，調速器作為其中重要的組成部分，必須充分滿足和適應當前技術發(fā)展的需要，本文從葛洲壩智能調速器的設計出發(fā)，提出了調速器在網絡通訊、硬件結構、網絡對時等方面的設計思路，新一代調速器將全面支持IEC61850通訊協(xié)議體系，解決了調速器和監(jiān)控系統(tǒng)設備聯(lián)接和系統(tǒng)聯(lián)網問題，滿足智能化水電站的建設要求，為今后智能水電站調速器的設計提供較高的參考價值。

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

作者簡介

蔡衛(wèi)江（1970生），碩士，高級工程師，1992年參加工作，在國網電力科學研究院工作至今，主要從事水電站水輪機調速、自動化控制裝置等的研究和設計工作。