智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備研究與設(shè)計(jì)

[南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106]

0 引言

“建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為主干網(wǎng)架，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”是國(guó)家電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略[1]。智能電網(wǎng)規(guī)劃了包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度六個(gè)環(huán)節(jié)。智能水電廠是智能電網(wǎng)發(fā)電環(huán)節(jié)的重要組成部分，智能化是水電廠建設(shè)的必然趨勢(shì)。同時(shí)，《智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則》推薦IEC61850成為水電廠智能化建設(shè)的通信標(biāo)準(zhǔn)IEC61850-7-410和IEC61850-7-510部分對(duì)水電廠建模及原理都進(jìn)行了更詳盡的闡述。目前，國(guó)內(nèi)水電廠進(jìn)行智能化改造主要集中在廠站層的一體化軟件平臺(tái)，現(xiàn)地設(shè)備通過智能網(wǎng)關(guān)作為IED接入廠站層系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一種過渡方案，但影響了系統(tǒng)間數(shù)據(jù)采集和共享的實(shí)時(shí)性，影響了可靠性。因此，迫切需要研發(fā)智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備，提高設(shè)備性能，降低設(shè)備成本，提升水電廠智能化水平。

1 現(xiàn)地設(shè)備

智能水電廠基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)從邏輯上分為廠站層、單元層和過程層[2]。廠站層主要由服務(wù)器、操作員站、工程師站和通信機(jī)等構(gòu)成一體化管控平臺(tái)。單元層由若干個(gè)子系統(tǒng)組成，如現(xiàn)地控制單元、繼電保護(hù)系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。過程層由電流互感器、電壓互感器、合并單元、智能終端、智能傳感器、變送器、閥門等構(gòu)成，完成一次設(shè)備的信息采集及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)。

智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備即為實(shí)現(xiàn)水電廠現(xiàn)地層各子系統(tǒng)功能的裝置。本文研究與設(shè)計(jì)的現(xiàn)地設(shè)備主要包括現(xiàn)地控制單元的主測(cè)控裝置及智能終端、智能同期裝置、智能交采測(cè)速裝置、智能調(diào)速器裝置等。

1.1 現(xiàn)地設(shè)備的功能

智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備在被控對(duì)象附近布置，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的生產(chǎn)過程的監(jiān)視，接收命令或根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的程序邏輯實(shí)現(xiàn)控制功能。

智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備支持IEC61850通信，通過冗余的廠站層MMS網(wǎng)絡(luò)與一體化平臺(tái)通信，作為MMS服務(wù)端將遙信、遙測(cè)信息上傳給一體化平臺(tái)，并接收其下發(fā)的遙控、遙調(diào)命令，實(shí)現(xiàn)機(jī)組開停機(jī)、功率調(diào)節(jié)、斷路器分合、泵閥啟停等。

智能現(xiàn)地設(shè)備與智能終端，以及彼此之間通過過程層冗余GOOSE網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)采集與信息交互；通過過程層冗余SV網(wǎng)絡(luò)訂閱合并單元發(fā)布的電流、電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電氣量采集。

智能現(xiàn)地設(shè)備在智能水電廠中發(fā)揮著承上啟下的作用，根據(jù)水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的安全和可靠性要求，即使廠站層一體化平臺(tái)退出運(yùn)行，智能現(xiàn)地設(shè)備仍然可以保證水電廠正常生產(chǎn)，因此智能現(xiàn)地設(shè)備的重要性不言而喻。

智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備的功能及通信結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備通信結(jié)構(gòu)Fig.1 Communication structure of local equipment in the smart hydropower station

1.2 相比常規(guī)水電廠現(xiàn)地設(shè)備的新特征

常規(guī)水電廠的自動(dòng)化系統(tǒng)分為監(jiān)控上位機(jī)和現(xiàn)地設(shè)備兩層，其中現(xiàn)地設(shè)備主要由監(jiān)控LCU、勵(lì)磁、調(diào)速、保護(hù)等子系統(tǒng)的裝置組成。監(jiān)控LCU采用PLC作為控制核心，通過以太網(wǎng)基于ModbusTCP協(xié)議與上位機(jī)系統(tǒng)通信，同時(shí)，通過硬接線或串口通信與勵(lì)磁、調(diào)速、保護(hù)裝置子系統(tǒng)間交互。監(jiān)控LCU在現(xiàn)地設(shè)備中發(fā)揮通信中轉(zhuǎn)和協(xié)調(diào)者的角色。常規(guī)水電廠現(xiàn)地設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

相比常規(guī)水電廠，智能現(xiàn)地設(shè)備支持IEC61850通信，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化；裝置間通過光纖通信，減少了開關(guān)量、模擬量信號(hào)處理模塊，節(jié)省信號(hào)電纜，避免長(zhǎng)電纜引入的電磁干擾；現(xiàn)地設(shè)備通過SV通信訂閱合并單元電氣量采集信息，簡(jiǎn)化裝置模擬量采集設(shè)計(jì)，同時(shí)可利用數(shù)字式光PT、CT，充分發(fā)揮其抗飽和的性能優(yōu)勢(shì)。

圖2 常規(guī)水電廠現(xiàn)地設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure of local equipment in traditional hydropower station

智能現(xiàn)地設(shè)備基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一建模、統(tǒng)一通信協(xié)議，解決常規(guī)水電廠通信協(xié)議眾多，協(xié)議轉(zhuǎn)換工作量大的問題，有利于實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)間的信息共享和互操作。

1.3 與智能變電站測(cè)控裝置的差異

智能變電站先于智能水電廠發(fā)展，測(cè)控裝置趨于成熟，對(duì)IEC61850通信支持程度高，但結(jié)合智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備的需求，智能變電站的測(cè)控裝置無法替代智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備。

首先，智能變電站測(cè)控裝置主要控制對(duì)象為變壓器、斷路器、隔離開關(guān)，被控對(duì)象行為一致性高，控制邏輯相對(duì)固定，而智能水電廠的主要被控對(duì)象為水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、輔助設(shè)備等，因水頭差異等因素導(dǎo)致機(jī)組、輔機(jī)較為多樣化，開停機(jī)、功率調(diào)節(jié)的控制邏輯差異性很大，無法采用幾種固定的程序?qū)崿F(xiàn)，因此需要智能現(xiàn)地設(shè)備支持可編程，方便現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，優(yōu)化控制流程。

其次，不同的機(jī)組容量，其測(cè)點(diǎn)數(shù)量變化很大；不同的機(jī)組類型，相應(yīng)的油、水、氣系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)類型存在較大差異。采用幾種典型裝置組合無法滿足要求，從而決定了智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備的I/O需要可以靈活配置。

2 智能現(xiàn)地設(shè)備的需求及解決方案

通過上述分析，智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備需要支持IEC61850通信、用戶二次編程開發(fā)、I/O測(cè)點(diǎn)靈活配置的功能。相對(duì)常規(guī)水電廠的現(xiàn)地設(shè)備，最為關(guān)鍵的需求是IEC61850通信和建模功能開發(fā)。

在智能水電廠改造的過渡方案中，采用PLC擴(kuò)展IEC61850通信轉(zhuǎn)換模塊，但PLC最初設(shè)計(jì)并沒有考慮對(duì)IEC61850通信的支持，其背板總線的通信瓶頸限制了其通信的實(shí)時(shí)性，而規(guī)約轉(zhuǎn)換也降低了通信數(shù)據(jù)的處理效率。因此，需要全新的設(shè)計(jì)，優(yōu)化對(duì)IEC61850通信的支持。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將抽象通信服務(wù)接口（ACSI）定義的數(shù)據(jù)模型和服務(wù)模型通過特定通信服務(wù)映射（SCSM）對(duì)應(yīng)到MMS、GOOSE、SV通信協(xié)議[3]。其中MMS基于TCP/IP協(xié)議棧，而GOOSE、SV實(shí)時(shí)性要求高，直接映射到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層。如圖3所示。

圖3 IEC61850特定通訊服務(wù)映射Fig.3 Specific communication service mapping of IEC61850

2.1 MMS通信

MMS通信即制造報(bào)文規(guī)范（Manufacturing Message Specification），基于TCP/IP協(xié)議，采用客戶端/服務(wù)端通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)集、報(bào)告、日志、遙控、定值組、文件等服務(wù)功能。

為實(shí)現(xiàn)MMS通信，智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備硬件上需要提供以太網(wǎng)接口，軟件上支持TCP/IP協(xié)議棧，提供文件系統(tǒng)。因此，硬件選擇相對(duì)成熟并在通信、電力行業(yè)廣泛應(yīng)的PowerPC處理器，其提供豐富的通信接口，軟件基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧和文件系統(tǒng)進(jìn)行MMS通信開發(fā)。

2.2 GOOSE、SV通信

GOOSE、SV采用訂閱者/發(fā)布者的通信機(jī)制，采用組播方式。GOOSE發(fā)送時(shí)間間隔不固定，數(shù)據(jù)發(fā)生變化，發(fā)送間隔就會(huì)設(shè)置為最小，接著發(fā)送間隔會(huì)逐漸增大，直到事件狀態(tài)穩(wěn)定，GOOSE報(bào)文變?yōu)楣潭ㄩg隔重復(fù)發(fā)送。SV采用固定間隔實(shí)時(shí)傳輸三相電路、三相電壓數(shù)字采樣信息。針對(duì)每周波80點(diǎn)采樣，每秒鐘產(chǎn)生4000份SV報(bào)文。GOOSE、SV的共同特征就是短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量報(bào)文，對(duì)于不是自身訂閱的報(bào)文需要過濾，減輕裝置的CPU處理負(fù)擔(dān)。GOOSE、SV發(fā)布的報(bào)文中都有唯一的組播MAC地址、APPID信息，因此報(bào)文過濾可以基于MAC地址進(jìn)行。

2.3 報(bào)文同步

智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備需要采用不同合并單元的SV報(bào)文進(jìn)行二次重采樣計(jì)算，進(jìn)行同期合閘導(dǎo)前角判斷，因此SV報(bào)文的同步尤為重要。報(bào)文同步需要精準(zhǔn)的時(shí)鐘對(duì)時(shí)處理，目前能夠提供對(duì)時(shí)精度在1μs以內(nèi)的方法有IEC61588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)、秒脈沖（1PPS）、IRIG-B碼[4]。其中IRIG-B碼是電力系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛和成熟的對(duì)時(shí)方式，其基于實(shí)時(shí)硬脈沖信號(hào)，包含的時(shí)間信息較為豐富，是智能現(xiàn)地設(shè)備較好的報(bào)文同步方案。

3 智能現(xiàn)地設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備實(shí)現(xiàn)測(cè)控、同期、交采、測(cè)速、調(diào)速等功能，并支持IEC61850通信，雖然功能需求多樣，但經(jīng)分析歸類，可以實(shí)現(xiàn)硬件通用平臺(tái)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能差異化。硬件功能采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括電源、CPU、通信處理、開關(guān)量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出等，根據(jù)功能需求進(jìn)行模塊組合構(gòu)成裝置機(jī)箱，并配以液晶顯示面板，展示裝置實(shí)時(shí)狀態(tài)，接收按鍵選擇操作。

其中CPU模塊主要運(yùn)行智能現(xiàn)地裝置的功能，支持MMS、GOOSE、SV通信，通信處理模塊主要支持GOOSE、SV通信，兩者是智能現(xiàn)地設(shè)備中的重要部件，采用統(tǒng)一平臺(tái)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化硬件生產(chǎn)和維護(hù)。CPU模塊采用PowerPC處理器運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，在其上實(shí)現(xiàn)智能現(xiàn)地設(shè)備的各種功能和MMS通信；采用FPGA設(shè)計(jì)通信協(xié)處理器，實(shí)現(xiàn)GOOSE訂閱/發(fā)布和SV訂閱，并解碼IRIG-B獲取對(duì)時(shí)脈沖信息，實(shí)現(xiàn)裝置對(duì)時(shí)。PowerPC處理器與FPGA協(xié)處理器之間通過雙端口RAM進(jìn)行信息交互，相對(duì)通信接口信息吞吐量大，實(shí)時(shí)性更好。CPU模塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 CPU模塊結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure diagram of CPU module

3.1 主裝置與智能終端結(jié)合

由于水電廠機(jī)組差異，現(xiàn)地智能測(cè)控裝置的測(cè)點(diǎn)數(shù)量、類型變化較大，需要根據(jù)具體電廠進(jìn)行I/O測(cè)點(diǎn)配置。為兼顧智能現(xiàn)地設(shè)備統(tǒng)一平臺(tái)與I/O測(cè)點(diǎn)靈活可配的需求，智能測(cè)控裝置采用主測(cè)控裝置與智能終端相結(jié)合的設(shè)計(jì)。

主測(cè)控裝置集成電源、CPU模件、液晶顯示，實(shí)現(xiàn)MMS、GOOSE通信和可編程邏輯運(yùn)算功能，采用6U半寬機(jī)箱式設(shè)計(jì)；智能終端采用I/O模件背板安裝設(shè)計(jì)，I/O模件根據(jù)測(cè)點(diǎn)類型分為開關(guān)量輸入、SOE、開關(guān)量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出、溫度量采集等模件，可自由配置，每個(gè)模件單獨(dú)抗靜電塑料外殼封裝，便于配置安裝。主測(cè)控裝置與智能終端間基于通信模件實(shí)現(xiàn)GOOSE通信，不同的I/O模件配置，則相應(yīng)的GOOSE模型文件隨之變化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

3.2 基于FPGA的協(xié)處理器設(shè)計(jì)

GOOSE、SV網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)存在大量并發(fā)報(bào)文，為了不接收非訂閱的報(bào)文，因此基于FPGA設(shè)計(jì)了MAC地址組播過濾模塊，一次提取多個(gè)訂閱報(bào)文，降低報(bào)文處理工作量，提高系統(tǒng)效率。通信協(xié)處理器選用FPGA，外擴(kuò)電源、時(shí)鐘、Flash、DDR、PHY芯片構(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 主裝置與智能終端結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 The system structure of the combination of the master device and the intelligent terminal

圖6 FPGA協(xié)處理器硬件結(jié)構(gòu)Fig.6 Hardware structure of FPGA coprocessor

FPGA可處理GOOSE、SV報(bào)文的接收、發(fā)送程序，并設(shè)計(jì)2個(gè)以太網(wǎng)控制器EMAC。每個(gè)EMAC由PHY數(shù)據(jù)交互控制、發(fā)送幀組織、接收幀CRC校驗(yàn)及數(shù)據(jù)濾出、緩存流量控制4個(gè)功能模塊組成。FPGA內(nèi)部功能模塊如圖7所示。

圖7 FPGA內(nèi)部功能模塊Fig.7 FPGA internal function module

4 智能現(xiàn)地設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)

智能現(xiàn)地設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)采用嵌入式固件與配置調(diào)試軟件相分離，嵌入式軟件主要實(shí)現(xiàn)各裝置的功能、IEC61850通信、液晶顯示，配置調(diào)試軟件主要實(shí)現(xiàn)IEC61850基于XML語言建模、I/O模件配置、系統(tǒng)參數(shù)組態(tài)、基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的邏輯編程開發(fā)與調(diào)試。

嵌入式軟件中GOOSE、SV、內(nèi)部高速總線通信運(yùn)行在FPGA，無操作系統(tǒng)，其通過雙端口RAM與PowerPC交互。液晶顯示與按鍵響應(yīng)運(yùn)行在液晶模塊，通過串口與PowerPC通信。運(yùn)行在PowerPC上的嵌入式軟件是智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備的主要功能，基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)開發(fā)，針對(duì)硬件通用平臺(tái)提供統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)管理，不同裝置的功能差異則由應(yīng)用層不同的線程模塊來組合實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)嵌入式軟件的統(tǒng)一設(shè)計(jì)。

例如智能主測(cè)控裝置，主要實(shí)現(xiàn)MMS通信、GOOSE通信、以太網(wǎng)通信、梯形圖/流程圖編程、自診斷、雙機(jī)熱備冗余等功能，通過上述嵌入式軟件應(yīng)用層模塊的組合即可實(shí)現(xiàn)。

圖8 軟件設(shè)計(jì)總體架構(gòu)Fig.8 The overall structure of software design

配置調(diào)試軟件運(yùn)行與PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)可視化的IEC61850面向?qū)ο蠼＃Ｐ徒馕?、梯形圖/流程圖編程，導(dǎo)出相應(yīng)的可執(zhí)行文件下載至CPU模件的Flash中，由Linux文件系統(tǒng)加載運(yùn)行。

智能現(xiàn)地裝置的軟件設(shè)計(jì)總體架構(gòu)示意如圖8所示。

5 結(jié)束語

智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備開發(fā)是智能水電廠建設(shè)不可逾越的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文對(duì)智能水電廠現(xiàn)地設(shè)備進(jìn)行了研究和分析，結(jié)合其需求特征和常規(guī)水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)地智能設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過智能主測(cè)控裝置、智能終端、智能同期裝置、智能交采測(cè)速裝置、智能調(diào)速器裝置等的開發(fā)和試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性和先進(jìn)性，為智能現(xiàn)地設(shè)備的發(fā)展提供一種思路和借鑒。

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