IEC61850在公伯峽電廠勵(lì)磁系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬曉君，桑 路，王樹元，石曉丹，竇志奇，劉 哲

（青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810008）

0 引言

伴隨著智能電網(wǎng)的深入建設(shè)，眾多新建電站、設(shè)備改造電站也在自動(dòng)化和信息化時(shí)代的帶動(dòng)下，向智能化方向邁進(jìn)。IEC61850由于其眾多的優(yōu)點(diǎn)，如通信的無(wú)縫連接、自動(dòng)化性能自定義規(guī)范化等，已在智能化變電站中取得了巨大的成功，也驗(yàn)證了將不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備高效連接成為一個(gè)整體的方案是可行的，并且使得這些設(shè)備具備良好的互操作性，也因此使得IEC61850成為目前智能化水電廠建設(shè)中首選的通信協(xié)議。

1 IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)概述

IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)的全稱是變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)(Communication Networks and Systems in Substations)，它規(guī)范了變電站內(nèi)智能電子設(shè)備（IED）之間的通信行為和相關(guān)的系統(tǒng)要求[1]。

IEC61850 的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)不同廠商產(chǎn)品之間能夠互操作；滿足變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（SAS）功能和性能的要求、靈活配置，將功能自由分配到裝置中。

為達(dá)到這些目的，IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)一方面采用面向?qū)ο蠼５姆绞?，使得電站自?dòng)化設(shè)備的模型中包含了大量自描述信息；另一方面，標(biāo)準(zhǔn)定義了完善的信息交換格式和信息交換行為，使得通信雙方可以以標(biāo)準(zhǔn)的方式相互獲得配置信息[2]。

2 EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)IEC61850通信介紹

EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)是廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司研發(fā)的第六代勵(lì)磁系統(tǒng)。依托高性能、高可靠的嵌入式計(jì)算機(jī)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)，采用分布式控制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的操作、顯示、狀態(tài)和故障監(jiān)測(cè)等智能一體化[3]。為了適應(yīng)完整的智能化水電廠建設(shè)需求，在現(xiàn)有EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)的硬件平臺(tái)架構(gòu)基礎(chǔ)上添加了 IEC61850軟件協(xié)議棧，以此實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)以IEC61850為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)外通信，響應(yīng)請(qǐng)求時(shí)間間隔<100 ms。

EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)IEC61850通信可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)(MV : measurable value)、遙 信(SPS : single point status)、遙控(SPC : controllable single point)、遙調(diào)(APC : controllable analog process value)4個(gè)部分。遙測(cè)信息包含機(jī)端電壓、勵(lì)磁電流等測(cè)量值；遙信信息包含勵(lì)磁系統(tǒng)通道運(yùn)行、手自動(dòng)方式等開關(guān)量；遙控包含勵(lì)磁系統(tǒng)開停機(jī)等控制信息；遙調(diào)則是包含無(wú)功調(diào)節(jié)、參數(shù)調(diào)節(jié)等設(shè)定值設(shè)定。遙測(cè)和遙信采用報(bào)告形式輸出，每條報(bào)告最多100個(gè)信號(hào)。

2.1 IEC61850通信建模

以IEC61850 Ed2.0版本為基礎(chǔ)，根據(jù)IEC 61850-7-500-2010、IEC 61850-7-501-2010 定 義的基本LN類和CDC類為基礎(chǔ)進(jìn)行建模，即每個(gè)需要通信的最小功能按一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)LN（logical node，LN）建模，再將這些邏輯節(jié)點(diǎn)分配給相應(yīng)的邏輯設(shè)備LD（logical device，LD）。勵(lì)磁主要的LD包含公用LD，實(shí)例名為“LD0”、測(cè)量LD，實(shí)例名為“MEAS”、保護(hù)LD，實(shí)例名為“PORT”、控制LD，實(shí)例名為“CTRL”，各種不同的LD設(shè)備最終構(gòu)成智能電子設(shè)備IED（Intelligent Electronic Device，IED）[4]，如圖1所示。最終生成實(shí)例配置文件server.cid。

圖1 IED模型

2.2 IEC61850通信實(shí)現(xiàn)的MMS服務(wù)器配置

MMS服務(wù)器配置由3部分組成:IED配置單元（IEC61850 Server Setting Unit）、通 信 配 置 單 元（Communication Setting Unit）、I/O映射（I/Omapping）[5]。

IED配置單元即IEC61850通信建模章節(jié)生成的配置文件server.cid。其完整結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ICD模型

通信配置是在hw.cfg文件（hardware configure）完成。在hw.cfg中可修改網(wǎng)口IP地址子網(wǎng)掩碼網(wǎng)關(guān)、以及使能NTP對(duì)時(shí)功能等相關(guān)信息。

motetsec0subnetmask0gateway0分別對(duì)應(yīng)網(wǎng)口1的IP地址子網(wǎng)掩碼網(wǎng)關(guān)，同理，motetsec1subnetmask1gateway1對(duì) 應(yīng) 網(wǎng) 口2，motetsec2subnetmask2gateway2對(duì)應(yīng)網(wǎng)口3，ntpServer是ntp對(duì)時(shí)的時(shí)鐘源IP，ntpEnable = true,即代表投入ntp對(duì)時(shí)功能。

通過hw.cfg配置，實(shí)現(xiàn)了IEC61850客戶端與IED設(shè)備之間的數(shù)據(jù)連接。

hw.cfg部分代碼如下：

channel IIU

{

motetsec0 = "10.37.49.220"

motetsec1 = "10.1.5.2"

motetsec2 = "10.1.6.2"

ntpServer = "10.1.1.2"

mutilcast = "239.1.1.220"

subnetmask0 = "255.255.255.0"

subnetmask1 = "255.255.255.0"

subnetmask2 = "255.255.255.0"

gateway0 = "10.1.5.1"

gateway1 = "10.1.6.1"

routeip0 = "10.1.1.0"

routeip1 = "10.1.2.0"

mutilPort = 8898

mbtcpPort = 502

ntpEnable = true

mutiEnable = false

routeEable= true

debugNet = motetsec0

}

I/O映射即將HIIU寄存器中的數(shù)據(jù)映射到協(xié)議棧PIS-10，進(jìn)行程序處理，進(jìn)而完成網(wǎng)絡(luò)通信。如圖3所示。

圖3 I//O映射

最終勵(lì)磁系統(tǒng)將這些符合IEC61850定義的抽象的數(shù)據(jù)類型映射到MMS的通信報(bào)文中，通過TCP/IP協(xié)議來與上層的智能化設(shè)備通信，如圖4所示。

圖4 通信傳輸

3 IEC61850通信在公伯峽水電廠勵(lì)磁系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 IEC61850在水電站勵(lì)磁系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案

EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)IEC61850通信在公伯峽電站使用了遙測(cè)、遙信模型。

勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部使用CAN通信方式實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器、功率柜、滅磁柜數(shù)據(jù)共享，并將可靠性、實(shí)時(shí)性要求低的模擬量、開關(guān)量通過485通信送到通信協(xié)議轉(zhuǎn)換板（HIIU），可靠性、實(shí)時(shí)性要求高的模擬量、開關(guān)量通過UDP通信送到通信協(xié)議轉(zhuǎn)換板（HIIU）。在確保勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部工作穩(wěn)定可靠的情況下，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，并大量地減少了外部接線[6]，配置方案如圖5所示的。

圖5 IEC61850方案

3.2 基于IEC61850通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

該方案可采用雙網(wǎng)冗余的結(jié)構(gòu)，雙網(wǎng)之間分別配置一個(gè)線路，兩線路處于不同的局域網(wǎng)中，以提高系統(tǒng)的可靠性。

也可以通過路由方式，將兩個(gè)線路處于一個(gè)局域網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)雙路冗余，公伯峽水電站采用的即是這種通信方案。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖6所示。

圖6 公伯峽水電站勵(lì)磁至監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

HIIU為勵(lì)磁系統(tǒng)協(xié)議轉(zhuǎn)換板，AB網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)外通信，IP為10.*.5.210.*.6.2。

EX-SW1EX-SW2為勵(lì)磁側(cè)兩個(gè)交換機(jī)，IP為10.*.5.110.*.6.1。

LCU-SW1LCU-SW2為監(jiān)控側(cè)兩個(gè)交換機(jī)，IP為10.*.1.110.*.2.1。

LCU-AK為監(jiān)控服務(wù)器，C4PRE1C5PRE1的IP分別為10.*.1.210.*.2.2。

上述*代表機(jī)組號(hào)，子網(wǎng)掩碼為255.255.0.0。

從圖6可知，①~⑦任一線路發(fā)生中斷，都能保證有一線路是正常工作的，保證了網(wǎng)路冗余的可靠性。

4 通信對(duì)點(diǎn)方法

使用IEC61850通信協(xié)議，靈活的配置、面向?qū)ο蟮慕７绞?，極大方便了設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)大量的數(shù)據(jù)也給信號(hào)對(duì)點(diǎn)帶來了新的挑戰(zhàn)，尤其是開關(guān)量存在著信號(hào)模擬繁瑣的問題，傳統(tǒng)的實(shí)況模擬效率極低，不易在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作。

我們利用EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)HIIU控制板對(duì)外同時(shí)支持標(biāo)準(zhǔn)的ModBusTCP通信協(xié)議，來對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)HIIU控制板寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)量模擬。

4.1 ModBusTCP通信協(xié)議寫寄存器示例報(bào)文[7]

表1為寫數(shù)據(jù)請(qǐng)求的代碼及對(duì)應(yīng)的含義。

表1 寫數(shù)據(jù)請(qǐng)求

表2為寫數(shù)據(jù)響應(yīng)的代碼及對(duì)應(yīng)的含義。

表2 寫數(shù)據(jù)響應(yīng)

4.2 對(duì)點(diǎn)步驟

4.2.1 對(duì)點(diǎn)前的準(zhǔn)備

通過上位機(jī)調(diào)試軟件連接HIIU板件，HIIU板件第一個(gè)網(wǎng)口IP為10.37.49.220（地址可修改），設(shè)備選擇MMG#2。連接成功后執(zhí)行Relay TestMode。，屏蔽正常工況下內(nèi)部信號(hào)輸出，即將所有寄存器數(shù)據(jù)位置0。

4.2.2 對(duì)點(diǎn)

如圖7所示，通過TCP測(cè)試工具，選擇與被控制設(shè)備同一網(wǎng)段IP，點(diǎn)擊連接，如果正常連接，軟件右下方方框會(huì)顯示10.37.49.21：58948連接服務(wù)端成功，在數(shù)據(jù)發(fā)送窗口勾選十六進(jìn)制，輸入15 01 00 0000 06 ff 06 00 a3 00 01，點(diǎn)擊發(fā)送，如果發(fā)送成功，會(huì)在數(shù)據(jù)接收窗口顯示15 01 00 00 00 06 FF 06 00 A3 00 01，表示已在地址為00 A3的寄存器寫入了數(shù)據(jù)00 01，即模擬了地址為00 A3的寄存器第一位信號(hào)點(diǎn)，依此類推，我們可以通過寫入15 01 00 00 00 06 FF 06 00 A3 00 08，模擬地址為00 A3的寄存器第4位信號(hào)點(diǎn)。更換寫入其他寄存器時(shí)，可以先對(duì)之前的寄存器置零，保證信號(hào)獨(dú)立驗(yàn)證。

圖7 ModBusTCP對(duì)點(diǎn)

5 結(jié)論

IEC61850是構(gòu)造智能化、數(shù)字化水電站的重要通信標(biāo)準(zhǔn)，也有越來越多的勵(lì)磁設(shè)備廠商在系統(tǒng)中增加了對(duì)IEC61850協(xié)議的支持，利用規(guī)約轉(zhuǎn)換的方式將IEC61850通信應(yīng)用到勵(lì)磁系統(tǒng)會(huì)是一個(gè)過渡時(shí)期做法，相信在不久的將來內(nèi)部通信也會(huì)基于IEC61850通信協(xié)議進(jìn)行連接，屆時(shí)由于不同協(xié)議之間帶來的不可避免的數(shù)據(jù)延時(shí)問題也就迎刃而解。