向家壩水電站PCC調(diào)速器控制系統(tǒng)通信策略研究與應(yīng)用

李初輝，常占鋒，常中原

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

0 前言

向家壩水電站是金沙江下游河段規(guī)劃的最末一個(gè)梯級(jí)電站，以發(fā)電為主，由左岸壩后電站和右岸地下電站組成，各裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量888.9 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，其單機(jī)容量為世界第一。向家壩水電站機(jī)組除承擔(dān)電網(wǎng)腰荷，還參與四川主網(wǎng)的調(diào)峰。因此，機(jī)組的調(diào)速器必須具有高可靠性、高穩(wěn)定性、高響應(yīng)性，要滿足以上要求，對(duì)于調(diào)速器控制系統(tǒng)的通信提出更高地標(biāo)準(zhǔn)，需要結(jié)合PCC控制器的硬件配置，提出更適應(yīng)的通信策略，為巨型機(jī)組安全、可靠、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行提供保障。

1 調(diào)速器控制系統(tǒng)的組成

1.1 系統(tǒng)組成

向家壩水電站機(jī)組調(diào)速器控制系統(tǒng)主要指調(diào)速器的電氣控制部分，主控制器由兩套獨(dú)立、相同的貝加萊PCC控制器組成，分別與相應(yīng)的液壓機(jī)構(gòu)相配合，各自獨(dú)立實(shí)現(xiàn)全部控制功能，達(dá)到調(diào)節(jié)性能要求，兩套主控制器相互冗余，無(wú)擾動(dòng)切換，配置公共的人機(jī)畫(huà)面接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制過(guò)程的監(jiān)視和干預(yù)，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可參見(jiàn)圖1。

圖1 向家壩水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 PCC控制器的網(wǎng)絡(luò)通信功能以及特點(diǎn)

（1）Ethernet以太網(wǎng)

Ethernet是目前廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制和監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)，其技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、使用靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單、速度優(yōu)越。貝加萊2000系列控制器均帶有以太網(wǎng)接口，為數(shù)據(jù)通信提供了良好的接口。

（2）Ethernet PowerLink

Ethernet PowerLink簡(jiǎn)稱(chēng)EPL，是針對(duì)Ethernet在工控領(lǐng)域存在的一些弊端，貝加萊公司在其基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了新的協(xié)議—EPL。EPL使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3u(Fast Ethernet)作為傳輸媒介，傳輸速率100 Mb/s，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸周期最小達(dá)200μs，網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)之間精確同步，抖動(dòng)小于1μs，可同時(shí)傳輸實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。EPL基本上是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行的等時(shí)同步系統(tǒng)，即所有的系統(tǒng)數(shù)據(jù)在同一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)生成、交換和處理，而事件控制系統(tǒng)（狀態(tài)改變）僅當(dāng)事件發(fā)生或狀態(tài)改變時(shí)交換數(shù)據(jù)。EPL采用SCNM機(jī)制，有效避免沖突發(fā)生。

（3）局域網(wǎng)CAN

局域網(wǎng)CAN是一種在自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛使用的多線路協(xié)議和有效的支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線只包括OSI基準(zhǔn)模型的最低兩層，即數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。其物理層采用雙線差動(dòng)形式，可以抑制輸入共模噪聲的影響，有利于CAN總線在噪聲強(qiáng)度大的場(chǎng)合工作。CAN協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址代碼，而以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼代之，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)志碼相當(dāng)于以前的地址，報(bào)文內(nèi)容有標(biāo)識(shí)符命名，標(biāo)識(shí)符并不能指出報(bào)文傳送的目地地址，但描述數(shù)據(jù)的含義。

（4）Automation NET

Automation NET用于控制系統(tǒng)和Automation Studio（貝加萊PCC控制器的專(zhuān)用操作系統(tǒng)）之間的通信，以及提供在網(wǎng)絡(luò)上與其它站之間透明的網(wǎng)絡(luò)通信。Automation Studio的編程和診斷功能都是在PC上運(yùn)行的，Automation NET可以通過(guò)串口、CAN通信、Ethernet通信使控制器和Automation Studio建立網(wǎng)絡(luò)連接。在進(jìn)行通信時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的通信方式進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

（5）Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線

Profibus代表過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線，用來(lái)實(shí)現(xiàn)該總線能夠連接的I/O元件，如PCC、PC、傳感器之間的通信。Profibus為多主多從網(wǎng)絡(luò)，采用的是廣播地址或多播地址的傳輸方式，它的協(xié)議包括兩部分：（1）Profibus DP-分布的I/O系統(tǒng)；（2）ProfibusFMS-現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范，是為現(xiàn)場(chǎng)的通用通信功能所設(shè)計(jì)的協(xié)議。

2 數(shù)據(jù)通信策略研究與應(yīng)用

2.1 控制通信數(shù)據(jù)需求分析

調(diào)速器控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源有多種，主要分成：

（1）信號(hào)通過(guò)硬接線接入DI、AI模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，比如導(dǎo)葉主接反饋；

（2）監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)或手動(dòng)下發(fā)給調(diào)速器控制參數(shù)，比如有功設(shè)值；

（3）觸摸屏人工手動(dòng)設(shè)置的數(shù)據(jù)，比如各種通道設(shè)置數(shù)據(jù)；

（4）A、B套控制器熱備交換數(shù)據(jù)；

（5）液壓控制柜通信的命令；

（6）調(diào)試期間，調(diào)試人員的調(diào)試命令；

（7）擴(kuò)展系統(tǒng)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求等。

同時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)請(qǐng)求同樣有多種，主要有：

1）觸摸屏HMI畫(huà)面顯示的數(shù)據(jù)請(qǐng)求；

2）監(jiān)控系統(tǒng)控制反饋數(shù)據(jù)，現(xiàn)地LCU及上位機(jī)畫(huà)面顯示數(shù)據(jù)請(qǐng)求；

3）A、B套控制器熱備交換數(shù)據(jù)請(qǐng)求；

4）液壓柜的被控命令；

5）調(diào)試期間，調(diào)試機(jī)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)；

6）為將來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)等。

針對(duì)上述多種數(shù)據(jù)請(qǐng)求和數(shù)據(jù)來(lái)源，如何進(jìn)行數(shù)據(jù)通信策略選擇，直接影響調(diào)速器過(guò)程控制的高效和準(zhǔn)確。

2.2 通信策略研究與應(yīng)用

結(jié)合控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、接口特點(diǎn)和數(shù)據(jù)通信要求，研究和制定向家壩電站機(jī)組調(diào)速器控制系統(tǒng)具體的通信策略，具體通信策略設(shè)計(jì)可參見(jiàn)圖2與表1。

圖2 調(diào)速器控制系統(tǒng)通信策略示意圖

（1）A、B套控制器熱備數(shù)據(jù)交換通過(guò)EPL協(xié)議實(shí)現(xiàn)。不僅充分利用貝加萊控制器提供的資源，而且保證兩套控制器數(shù)據(jù)的同步性，為無(wú)擾切換提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通信鏈路為A、B套控制器通過(guò)雙絞線連接至網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

（2）觸摸屏無(wú)人操作時(shí)，數(shù)據(jù)主要為顯示，通信方式為定時(shí)收發(fā)，固定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；有人操作時(shí)，數(shù)據(jù)除了顯示，還有部分是設(shè)置和控制命令，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不固定，而且兩套控制器需要同時(shí)能夠連接至觸摸屏HMI。因此，通信鏈路為通過(guò)雙絞線連接觸摸屏HMI至網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，協(xié)議選擇基于以太網(wǎng)的Modbus協(xié)議，滿足通信實(shí)時(shí)性和實(shí)際設(shè)備接口要求。

（3）對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)，調(diào)速器相當(dāng)于其下位機(jī)，接受命令和反饋?zhàn)陨磉\(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)調(diào)速器狀態(tài)的遠(yuǎn)程操作和監(jiān)視。這就要求調(diào)速器與監(jiān)控系統(tǒng)通信鏈路無(wú)差錯(cuò)、接受數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、響應(yīng)及時(shí)。因此，進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，充分運(yùn)用已有資源進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，一方面由觸摸屏HMI進(jìn)行調(diào)速信息轉(zhuǎn)發(fā)至LCU，協(xié)議采用基于RS485接口的Modbus協(xié)議，同時(shí)增加由控制器經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將信息發(fā)送至LCU，協(xié)議采用基于以太網(wǎng)的Modbus協(xié)議。

表1 調(diào)速器控制系統(tǒng)通信接口及協(xié)議

（4）調(diào)速器需要獲取液壓部分控制信息，進(jìn)行導(dǎo)葉控制。由于液壓部分控制由專(zhuān)門(mén)PLC完成，A、B套控制器及觸摸屏HMI都需要從液壓控制PLC獲取信息，因此在進(jìn)行通信設(shè)計(jì)時(shí)，可以將液壓控制PLC接入至網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，同時(shí)滿足三者的數(shù)據(jù)請(qǐng)求要求，通信協(xié)議同樣為基于以太網(wǎng)的Modbus協(xié)議。

（5）貝加萊控制器配有專(zhuān)門(mén)協(xié)議方便調(diào)試，通信接口包括RS232、USB、Ethernet等多種，極大方便通信接口的分配和設(shè)備的調(diào)試。

（6）向家壩電站是一個(gè)新建電站，可能在運(yùn)行期間需要進(jìn)行技術(shù)改造和設(shè)備添加，因此需要預(yù)留一定的通信接口為后續(xù)設(shè)備接入做好準(zhǔn)備，接口的形式盡量做到多樣化。

3 通信的特點(diǎn)

向家壩水電站機(jī)組調(diào)速控制系統(tǒng)的通信策略主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）充分利用新技術(shù)，結(jié)合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用貝加萊PCC最新的技術(shù)成果，運(yùn)用到實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程，有效解決了雙機(jī)熱備的數(shù)據(jù)同步難題。

（2）運(yùn)用基于Modbus協(xié)議的以太網(wǎng)技術(shù),利用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，解決了數(shù)據(jù)的交叉收發(fā)難題和控制器接口的限制。

（3）對(duì)于和發(fā)電生產(chǎn)關(guān)系密切的通信鏈路，采用了冗余設(shè)計(jì)，確保了通信的可靠，提高信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

（4）考慮了系統(tǒng)的擴(kuò)展性，為后續(xù)的系統(tǒng)或者設(shè)備，預(yù)留了充足的接口，方便系統(tǒng)或設(shè)備的接入，提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

4 結(jié)語(yǔ)

智能化是水電廠發(fā)展方向，智能化以通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，水力聯(lián)系和電力聯(lián)系為紐帶、能源轉(zhuǎn)換控制設(shè)備為載體、安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為目標(biāo)，融合仿真、控制和信息三位一體技術(shù)實(shí)現(xiàn)水電站的運(yùn)行控制和管理，這就要求相應(yīng)的調(diào)速系統(tǒng)具有高速的通信網(wǎng)絡(luò)，高級(jí)的通信策略，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本文就向家壩電廠巨型機(jī)組調(diào)速控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀出發(fā)，分析并選取了適用的通信策略，并對(duì)可能出現(xiàn)的優(yōu)化提出一些建議，提供一些參考。

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