冗余通信網(wǎng)絡(luò)在水電站調(diào)速器中的應用

宋香杰，唐國平，雷鳳玲

（中國長江電力股份有限公司葛洲壩電廠，湖北 宜昌443002）

調(diào)速器作為水電站設(shè)備的重要組成部分，在智能化和數(shù)字化的共同要求下，調(diào)速器運行信息的采集、控制信號的下發(fā)等有了更高的目標。更高目標的實現(xiàn)需要調(diào)速器設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架合理、通信過程快速可靠、控制邏輯準確無誤，這樣才能更好的實現(xiàn)機組的穩(wěn)定安全高效運行[1]。本文以水電站新投運調(diào)速器的重要控制硬件、通信網(wǎng)絡(luò)方案、與監(jiān)控系統(tǒng)等外圍設(shè)備的通信連接、SNTP對時等內(nèi)容為重點，介紹了實際應用情況，為電站后續(xù)投運調(diào)速器通信網(wǎng)絡(luò)的選型和優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

1 重要控制硬件和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

調(diào)速器運行信息數(shù)據(jù)是水電站整體運行信息數(shù)據(jù)的重要組成部分。水電站數(shù)據(jù)平臺采用“三層兩網(wǎng)”式結(jié)構(gòu)設(shè)置，間隔層和過程層設(shè)備通過通信網(wǎng)絡(luò)接入站控層MMS網(wǎng)，上送運行數(shù)據(jù)給站控層以及接受站控層的控制，組成電站的監(jiān)控。站控層還負責溝通上級調(diào)度部門，完成電站的宏觀調(diào)控[2]。調(diào)速器系統(tǒng)作為受控設(shè)備的重要部分之一，對于電站監(jiān)控和調(diào)節(jié)很有意義，好的調(diào)速器系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)對提高電站監(jiān)控運行有很大意義。

水電站新投運調(diào)速器重要控制硬件見下頁圖1所示：調(diào)速器主要控制模件選用貝加萊公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，其中控制器選用的是X20 CP0482，兩套控制模件互為備用，每套控制器配置一套獨立的IO模塊，IO模塊由模擬量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出 、測頻模塊、通信模塊、電源模塊等組成。每套控制器與各自的IO模塊之間采用底板連接，控制穩(wěn)定性很高。模入模件采集有功功率、有功功率給定、導葉輪葉開度等模擬量；模出模件輸出導葉、輪葉、導葉輪葉給定、有功功率、有功功率給定、轉(zhuǎn)速等模擬量；開入模件采集開機令、合閘令、遠方增減令、停機令、模式切換令等指令；開出模件輸出調(diào)速器狀態(tài)和故障，控制高速開關(guān)閥，提供回路控制用接點；測頻模件采集機組頻率、齒盤信號、電網(wǎng)頻率信號；通信模件實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、調(diào)速器網(wǎng)關(guān)的通信連接；電源模件提供模件供電電源，實現(xiàn)與調(diào)速器觸摸屏通信連接。

調(diào)速器配置的2套冗余控制器之間采用串口通信方式，2套控制器間同步通信（見圖2），可以實現(xiàn)2套控制器間數(shù)據(jù)比較等功能。2套控制器之間可進行自動和手動切換，2套控制器之間的切換回路獨立運行，手動切換簡單可靠，自動切換邏輯清晰明了，切換可靠，運行過程中體現(xiàn)出很好的實用性和準確性。

通過IEC61850協(xié)議實現(xiàn)2套控制器與監(jiān)控上位機之間的通信，實現(xiàn)方法為：采用2套網(wǎng)關(guān)服務(wù)器作為中間通信轉(zhuǎn)換設(shè)備，IEC61850協(xié)議的轉(zhuǎn)換和實現(xiàn)均在網(wǎng)關(guān)服務(wù)器中進行，從而實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)上位機的通信連接。每套控制器均通過串口與A/B兩套網(wǎng)關(guān)服務(wù)器連接，A/B套網(wǎng)關(guān)與A/B套以太網(wǎng)交換機間用網(wǎng)線對應連接，可以看出，即使其中一路網(wǎng)關(guān)故障，也不會影響控制器與上位機網(wǎng)的通信（見圖 3）。

圖1 調(diào)速器重要控制硬件

圖2 調(diào)速器A/B機同步通信

圖3 調(diào)速器IEC61850通信

除了IEC61850通信之外，每套控制器均通過串口與LCU（現(xiàn)地控制單元）連接，其中主機作為通信主體，LCU通過串口采集調(diào)速器相應運行信息，此路通信信息最終通過LCU與上位機間的通信上送給監(jiān)控上位機，實現(xiàn)上位機對調(diào)速器的數(shù)據(jù)采集和信息下發(fā)。每套控制器均通過串口與在線監(jiān)測系統(tǒng)連接，其中主機作為通信主體，在線監(jiān)測系統(tǒng)通過串口采集調(diào)速器相應運行信息，實現(xiàn)對調(diào)速器的在線監(jiān)視。每套控制器均通過串口與調(diào)速器觸摸屏連接，在觸摸屏上可以顯示兩套控制器的運行信息，方便運行維護人員進行人機交互工作，在觸摸屏上運維人員可以進行調(diào)速器運行狀態(tài)查詢和參數(shù)設(shè)置等常見工作（見圖4）。

圖4 調(diào)速器與LCU/在線監(jiān)測/觸摸屏通信

2 SNTP對時

調(diào)速器設(shè)備的對時功能十分重要，是處理設(shè)備故障、分辨故障類型、理清和推演故障發(fā)生過程的重要基礎(chǔ)。設(shè)備重要的外部和內(nèi)部信號產(chǎn)生狀態(tài)變化時均應該有準確的時標信息記錄，這樣才能保證調(diào)速器設(shè)備事件記錄的準確性和完整性。

SNTP是用于跨廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)同步時間的協(xié)議，具有較高的精確度，在智能電站的建設(shè)中應用廣泛。SNTP作為一個簡化了的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議（NTP）服務(wù)器和NTP客戶端策略，它提供了全面訪問國家時間和頻率傳播服務(wù)的機制，組織時間同步子網(wǎng)并且為參加子網(wǎng)的每一個地方時鐘調(diào)整時間。精確度一般可達1～50 ms，精度的大小取決于同步源和網(wǎng)絡(luò)路徑等特性[3]。本文中調(diào)速器采用網(wǎng)絡(luò)SNTP對時，兩套控制器與時鐘服務(wù)器之間通過交換機實現(xiàn)連接（見圖5）?，F(xiàn)場中SNTP服務(wù)器為時鐘源，SNTP客戶端為調(diào)速器控制器，這樣由SNTP服務(wù)器提供時間信號，通過通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸，時間信號被調(diào)速器控制器接收，從而實現(xiàn)校正自身時間，達到與主時鐘同步的目的。在實際調(diào)試過程中，調(diào)試操作簡單，運行效果良好，很好的滿足了調(diào)速器設(shè)備的對時需求。

圖5 調(diào)速器對時通信

3 IEC61850

IEC61850是新一代變電站自動化系統(tǒng)的國際標準，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和獨立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口，大大增強了設(shè)備之間的相互操作性，可以實現(xiàn)不同廠家設(shè)備間的無縫連接，當前，國內(nèi)外電力設(shè)備生產(chǎn)商都在圍繞IEC61850開展研究和應用工作，期望實現(xiàn)更好的工業(yè)通信控制[4]。IEC61850在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中運用廣泛，近年來，將IEC61850運用到調(diào)速器通信網(wǎng)絡(luò)中的趨勢越來越明顯，隨著智能化水電站的建設(shè)，IEC61850標準的使用范圍會更加廣泛。

本文中調(diào)速器通過兩套網(wǎng)關(guān)服務(wù)器設(shè)備將調(diào)速器兩套控制器與監(jiān)控系統(tǒng)上位機連接起來（見圖3），實現(xiàn)了將調(diào)速器運行信息上送給上位機，同時可以將上位機下發(fā)的信號（比如水頭信號）傳遞給調(diào)速器控制器，實現(xiàn)了調(diào)速器控制器與監(jiān)控系統(tǒng)上位機之間的直接通信。相比于其他通信方式，此種通信方式的數(shù)據(jù)信息通信量更大更有優(yōu)勢。在IEC61850應用中有關(guān)水電站的信息模型擴展的重點是水電站內(nèi)部的水力發(fā)電廠組成部件和執(zhí)行機構(gòu)以及其相關(guān)系統(tǒng)之間的通信[5]。本文中調(diào)速器對IEC61850通信協(xié)議的應用正是對上述重點的支持和探索。

4 運行情況

目前，第一套調(diào)速器已完成投運，運行情況良好。調(diào)速器的自動開停機、增減負荷、甩負荷等功能運行良好，具有很高的運行穩(wěn)定性和可靠性。調(diào)速器兩套控制器與觸摸屏間通信功能正常，人機交互功能強大，使用過程中無異常情況。調(diào)速器與監(jiān)控系統(tǒng)上位機間61850通信運行良好，未出現(xiàn)過通信中斷情況，通信數(shù)據(jù)顯示正常。調(diào)速器與對時服務(wù)器間通信正常，調(diào)速器事件記錄時標精度滿足要求。調(diào)速器與現(xiàn)地LCU間通信正常。

5 結(jié)語

調(diào)速器是水電站控制設(shè)備的重要組成部分，水電站的智能化建設(shè)必定需要調(diào)速器更加的智能化和數(shù)字化。調(diào)速器的發(fā)展必須緊跟水電站發(fā)展的方向，不斷進行技術(shù)的改進和創(chuàng)新，本文以新投運的調(diào)速器為例，闡述了調(diào)速器在硬件選擇、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計、對時等方面的應用情況和運行情況，為將來更加智能化和數(shù)字化的水電站調(diào)速器應用和推廣積累了經(jīng)驗。