李繼業(yè)

（雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)兩河口水力發(fā)電廠，四川 甘孜 627450）

目前智能變電站已廣泛采用IEC 61850通信規(guī)約，智能變電站的建設(shè)的成功案例為IEC 61850在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，智能電廠的建設(shè)勢(shì)在必行。IEC 61850規(guī)范了設(shè)備、系統(tǒng)間的通信規(guī)約，減少了系統(tǒng)間不同的通信協(xié)議，打破接口壁壘，減少接口設(shè)備，使系統(tǒng)間數(shù)據(jù)采集具有了操作性。

水電站相對(duì)于變電站來(lái)說(shuō)，對(duì)象的信息量巨大，數(shù)據(jù)類(lèi)型多，對(duì)于通信的實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格，這就需要在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和硬件配置上進(jìn)行大量的優(yōu)化。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

傳統(tǒng)水電站的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是將所有的輔助控制系統(tǒng)信號(hào)通過(guò)硬接線與現(xiàn)地LCU相連，通過(guò)現(xiàn)地LCU的CPU處理后統(tǒng)一上送至監(jiān)控系統(tǒng)，存在硬回路接線較多，部分線路過(guò)長(zhǎng)干擾源多信號(hào)頻繁跳變的，現(xiàn)地LCU作為一個(gè)小主站，控制對(duì)象多、判斷流程多、信號(hào)處理負(fù)載量大運(yùn)行周期長(zhǎng)，一旦CPU故障或通信故障后將影響其所有連接設(shè)備的監(jiān)控，不同廠商的設(shè)備通信協(xié)議不同，調(diào)試工作復(fù)雜工期長(zhǎng)。

1.2 扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

智能水電站采用扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（圖1），將所有系統(tǒng)接入監(jiān)控主網(wǎng)，均通過(guò)IEC 61850統(tǒng)一建模，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信的方式進(jìn)行系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，輔助設(shè)備數(shù)據(jù)不經(jīng)現(xiàn)地LCU直接送至監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)而大大降低了CPU的負(fù)荷及內(nèi)存使用率，輔助設(shè)備直接與上位機(jī)通信降低了對(duì)現(xiàn)地LCU的依賴程度，網(wǎng)絡(luò)上的各系統(tǒng)之間可以互取數(shù)據(jù)而不要硬接線連接，扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠消除系統(tǒng)間的信息孤島，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，大大減少了硬接線的數(shù)量和傳感器的重復(fù)配置，節(jié)約了資源，減少了后期維護(hù)量，提高了信號(hào)的品質(zhì)。通信協(xié)議統(tǒng)一后設(shè)備可以即插即用，避免了繁雜的調(diào)試工作，提高設(shè)備平均無(wú)故障時(shí)間，為設(shè)備可靠運(yùn)行提供了保證。上位機(jī)可以不通過(guò)現(xiàn)地LCU直接對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行控制，提高了設(shè)備的響應(yīng)速度。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 整體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)配置

場(chǎng)站層監(jiān)控軟件采用基于南瑞NC3.0開(kāi)發(fā)的IMC平臺(tái)，基于IMC平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件是具有跨平臺(tái)能力、全面支持異構(gòu)平臺(tái)的多層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，可以與使用IEC 61850協(xié)議的設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接連接。

現(xiàn)地LCU和輔助控制系統(tǒng)采用施耐德M580系列PLC，在CPU槽架上配置支持IEC 61850協(xié)議的NOP通信模塊，NOP模塊通過(guò)背板與CPU通信并通過(guò)光纖連接至交換機(jī)，從而使PLC接入監(jiān)控主網(wǎng)，部分系統(tǒng)的控制器模塊本身支持IEC 61850協(xié)議，直接與監(jiān)控主網(wǎng)進(jìn)行連接。

2.2 基于IEC 61850建模及配置

將每個(gè)系統(tǒng)、設(shè)備全部的測(cè)點(diǎn)信息及控制量生成一個(gè)CID文件，CID文件中包括測(cè)點(diǎn)類(lèi)別、測(cè)點(diǎn)名稱、數(shù)據(jù)地址，在IMC平臺(tái)的配置文件中增加IEC 61850協(xié)議模板，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中的驅(qū)動(dòng)配置增加該對(duì)象的驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)入對(duì)象的CID文件模型解析后進(jìn)行數(shù)據(jù)建模（圖2），自動(dòng)生成對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)對(duì)象均要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)庫(kù)信號(hào)順序按照驅(qū)動(dòng)配置順序進(jìn)行排列。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)建模

支持IEC 61850的系統(tǒng)作為服務(wù)端的同時(shí)可以作為客戶端，當(dāng)系統(tǒng)間需要數(shù)據(jù)互取時(shí)，將需要的測(cè)點(diǎn)單獨(dú)生成一個(gè)CID文件，并將CID文件下載至需要獲取數(shù)據(jù)的CPU中，PLC將模型數(shù)據(jù)信息與實(shí)際測(cè)點(diǎn)進(jìn)行映射，客戶端在需要數(shù)據(jù)時(shí)向服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求，服務(wù)端根據(jù)客戶端的請(qǐng)求組織報(bào)文進(jìn)行響應(yīng)，取消了系統(tǒng)間的硬接線，提高了系統(tǒng)可靠性。

3 問(wèn)題及解決思路

3.1 建模信號(hào)類(lèi)別單一

水電站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中信號(hào)類(lèi)別有開(kāi)入量、開(kāi)出量、SOE量、模入量、模出量、溫度量、控制量，現(xiàn)在的CID文件類(lèi)型只有模入量、SOE量、控制量、模出量，將溫度量劃分為模入量，將開(kāi)入量、開(kāi)出量劃分為SOE量，對(duì)于機(jī)組LCU來(lái)說(shuō)每一類(lèi)信號(hào)的數(shù)量都非常多，再將不同類(lèi)別的信號(hào)放在同一個(gè)組別下，為后期數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)增加了不少的工作量。

在生成的CID文件中沒(méi)有定義相關(guān)的信號(hào)類(lèi)別，而是將不同的信號(hào)類(lèi)別定義為一類(lèi)，導(dǎo)致模型導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)后不同類(lèi)別的信號(hào)在同一樹(shù)枝下，解決這個(gè)問(wèn)題最根本的手段就是增加CID組態(tài)工具可生成的信號(hào)類(lèi)別，或者在生成的CID文件中批量更改信號(hào)類(lèi)別并在IMC的驅(qū)動(dòng)配置工具中增加相應(yīng)的識(shí)別程序，從而在建模時(shí)對(duì)不同類(lèi)別的信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)。

3.2 信息量不足

IEC 61850協(xié)議的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了將系統(tǒng)及設(shè)備的所有信息上送，為大數(shù)據(jù)分析和智能電廠的建設(shè)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，但CID文件只包含了測(cè)點(diǎn)描述、類(lèi)別和數(shù)據(jù)地址，數(shù)據(jù)庫(kù)建模后只有對(duì)應(yīng)信號(hào)的部分信息，其他配置信息需要人為手動(dòng)逐一進(jìn)行修改，數(shù)據(jù)庫(kù)建立的工作量并未有顯著的減少。

CID文件只包含信號(hào)的基本信息，CID組態(tài)工具的功能還不夠強(qiáng)大，要減少數(shù)據(jù)庫(kù)建模后的工作量就要增加CID的內(nèi)容，同時(shí)優(yōu)化IMC平臺(tái)建模功能，在生成CID文件時(shí)人為增加信號(hào)要包含的信息，在數(shù)據(jù)庫(kù)建模時(shí)自動(dòng)識(shí)別匹配配置信息。

3.3 通信時(shí)延

在使用施耐德NOP模件作為通信接口的系統(tǒng)中，測(cè)試發(fā)現(xiàn)普通開(kāi)關(guān)量上送延時(shí)3 s左右、SOE時(shí)間上送延時(shí)5 s左右、上位機(jī)下行命令存在丟失現(xiàn)象。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NOP的通信時(shí)延較大、性能較差，不能滿足監(jiān)控系統(tǒng)功能要求。將NOP固件版本升級(jí)后，通信時(shí)延問(wèn)題得到改善但未達(dá)到要求。

NOP模塊優(yōu)先處理Modbus TCP協(xié)議，后處理IEC 61850協(xié)議，Modbus讀寫(xiě)數(shù)據(jù)量較大，會(huì)增加NOP的運(yùn)行負(fù)載，避免同時(shí)使用Modbus TCP協(xié)議和IEC 61850協(xié)議，將部分使用Modbus TCP協(xié)議的設(shè)備通過(guò)其他接口接入，不再經(jīng)過(guò)NOP讀取數(shù)據(jù)。同時(shí)針對(duì)數(shù)據(jù)量大的系統(tǒng)將NOP模塊的數(shù)量提高一倍，將數(shù)據(jù)通道拓寬并減少不重要的信號(hào)上送、延長(zhǎng)周期上報(bào)數(shù)據(jù)周期等方法降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。通過(guò)一系列的改進(jìn)措施，普通開(kāi)關(guān)量的上送周期到達(dá)毫秒級(jí)、下行指令未丟失，但是同一模件中SOE動(dòng)作，每點(diǎn)上送時(shí)間近300 ms，同一模件多點(diǎn)動(dòng)作要依次上送，時(shí)間較長(zhǎng)不滿足實(shí)時(shí)性的要求。在滿足監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的情況下，實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)上送就要使用高性能的NOP模件。

3.4 對(duì)象一對(duì)一建模

使用IEC 61850協(xié)議組網(wǎng)的系統(tǒng)都是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，均要在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立一對(duì)一的驅(qū)動(dòng)，電站中同類(lèi)的100多個(gè)小系統(tǒng)若需接入監(jiān)控系統(tǒng)就要在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立100多個(gè)驅(qū)動(dòng)，帶來(lái)的是巨大的數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)量。

使用IEC 61850協(xié)議的系統(tǒng)只能單獨(dú)建模，不能經(jīng)交換機(jī)匯集后統(tǒng)一建模，若使用IEC 61850協(xié)議，可將多個(gè)系統(tǒng)接入一個(gè)支持IEC 61850協(xié)議的現(xiàn)地控制單元，經(jīng)過(guò)現(xiàn)地控制單元匯集處理數(shù)據(jù)后建模上送監(jiān)控系統(tǒng)；或者開(kāi)發(fā)具有匯集多個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)后統(tǒng)一建模的通信管理裝置實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)統(tǒng)一建模上送的功能。

4 結(jié)語(yǔ)

目前智能水電站的建設(shè)在探索中不斷前進(jìn)，該大型水電站在使用IEC 61850通信協(xié)議打造現(xiàn)代化智能水電站上做出了積極的探索和實(shí)踐，為水電站智能化發(fā)展提供了有益的參考。