基于IEC61850的水電廠PLC冗余設(shè)備接入方法與實現(xiàn)

謝文君，郗發(fā)剛，宋美艷，陳映喜，歐 靖

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 210002；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214；3.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是由國際電工委員會第57 技術(shù)委員會于2003 年頒布的，該標(biāo)準(zhǔn)使變電站中來自不同廠商的智能電子裝置（IED）實現(xiàn)了互操作。IEC 61850第二版將水電廠、分布式能源等納入到標(biāo)準(zhǔn)中，為此在IEC 61850-7-4的基礎(chǔ)上，補充了分別用于水電廠和分布式能源的信息建模規(guī)范文件，制定了相應(yīng)的邏輯節(jié)點列表及定義。基于IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的水電廠信息模型的建立，是智能水電廠建設(shè)的核心技術(shù)之一。

大中型水電監(jiān)控系統(tǒng)中對于通信網(wǎng)絡(luò)、PLC等均需要雙網(wǎng)雙套配置，設(shè)備和測點數(shù)量大，通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，這給站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用功能開發(fā)和通信穩(wěn)定運行帶來了不小的挑戰(zhàn)。如何在保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行的情況下，簡化應(yīng)用功能接口開發(fā)，是監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)保障。

本文研究了基于IEC61850的PLC冗余設(shè)備接入方法和實現(xiàn)技術(shù)，主要針對冗余數(shù)據(jù)的處理和接口簡化、冗余設(shè)備間的無縫切換實現(xiàn)切換延時最小化同時保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)正確性、完整性及在線版本管控等關(guān)鍵技術(shù)。

1 基于通信鏈路管理的冗余數(shù)據(jù)處理

常規(guī)的IEC61850冗余設(shè)備接入方案，監(jiān)控系統(tǒng)通信前置模塊作為客戶端接入所有IEC61850設(shè)備，對于互為主備的兩臺或多臺PLC設(shè)備，前置模塊獨立建模并接入所有設(shè)備，將所有數(shù)據(jù)解析后送到電力監(jiān)控SCADA或其他應(yīng)用模塊，由應(yīng)用模塊實現(xiàn)對主備數(shù)據(jù)的冗余處理。在實現(xiàn)過程中，該方案存在以下問題：①將所有設(shè)備同時在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)建模增大了監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)存開銷，影響系統(tǒng)整體性能；②應(yīng)用模塊通過主備設(shè)備的切換實現(xiàn)冗余數(shù)據(jù)的處理，增加了應(yīng)用模塊開發(fā)的復(fù)雜性。為了解決以上問題，本文采用了基于通信鏈路管理的冗余數(shù)據(jù)處理策略，通過主備PLC的數(shù)據(jù)模型復(fù)用，將數(shù)據(jù)的冗余處理在通信環(huán)節(jié)實現(xiàn)。

1.1 主備冗余設(shè)備組態(tài)

為實現(xiàn)IEC61850數(shù)據(jù)接入，需要在水電監(jiān)控系統(tǒng)前置通信模塊客戶端建立IEC61850模型及測點與模型映射關(guān)系，在PLC設(shè)備服務(wù)端建模階段，冗余PLC設(shè)備組的兩臺設(shè)備應(yīng)采用相同的CID模型，在導(dǎo)入水電監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)數(shù)據(jù)庫時，冗余設(shè)備組作為一臺服務(wù)端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)組態(tài)，每臺設(shè)備自身的IEDName和IP地址信息作為屬性配置在共享數(shù)據(jù)模型中。在監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用功能模塊開發(fā)及監(jiān)控系統(tǒng)畫面信息展示時，只需要從數(shù)據(jù)庫中讀取冗余設(shè)備組共享的唯一數(shù)據(jù)模型和測點信息，簡化了所有應(yīng)用模塊功能開發(fā)。

1.2 通信模塊架構(gòu)及數(shù)據(jù)處理

圖1為監(jiān)控系統(tǒng)的IEC61850客戶端通信子系統(tǒng)架構(gòu)圖，通信模塊由應(yīng)用數(shù)據(jù)接口模塊、IEC61850通信模型、通信鏈路管理模塊等組成，圖中PLC設(shè)備A和PLC設(shè)備B為互為主備。在系統(tǒng)初始化階段，IEC61850數(shù)據(jù)處理模塊建立唯一的冗余設(shè)備A、B共享通信模型，通信鏈路管理模塊與主備設(shè)備均建立通信鏈路，冗余設(shè)備組的兩臺設(shè)備所有數(shù)據(jù)報文通過通信鏈路管理模塊進(jìn)行冗余處理，經(jīng)過冗余處理的唯一數(shù)據(jù)依據(jù)IEC61850模型數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后通過應(yīng)用數(shù)據(jù)接口模塊與監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用功能模塊交互數(shù)據(jù)。

1.3 通信鏈路管理策略

通信鏈路管理模塊管理IEC61850客戶端通信子系統(tǒng)與所有PLC設(shè)備的通信連接，在初始化階段根據(jù)冗余設(shè)備IP地址生成互為主備的冗余通信鏈路組，在主備鏈路切換過程中，如果重新進(jìn)行IEC61850報告控制塊使能操作，會延長切換數(shù)據(jù)上送時間，且存在SOE數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險，為縮短切換延時，并保證數(shù)據(jù)的正確性和完整性，所有設(shè)備間通信鏈路都建立應(yīng)用層連接，接收并處理數(shù)據(jù)?；橹鱾涞耐ㄐ沛溌方M在值班鏈路終端或者設(shè)備主備狀態(tài)發(fā)生改變時，通信鏈路管理模塊將進(jìn)行冗余通信鏈路組間的主備切換。

2 冗余設(shè)備間的切換

通過通信鏈路管理模塊可以實現(xiàn)完整的冗余數(shù)據(jù)處理和主備切換功能，但是由監(jiān)控系統(tǒng)對應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)連接的判斷通常采用秒級的應(yīng)用層報文作為心跳，針對設(shè)備或者網(wǎng)絡(luò)的異常需要秒級的延時才能完成切換。針對不同的設(shè)備故障狀態(tài)，為了實現(xiàn)更快的故障切換，需要從PLC設(shè)備上實現(xiàn)故障診斷和切換操作，并由PLC設(shè)備主動觸發(fā)主備切換。

為實現(xiàn)故障快速診斷，在冗余的設(shè)備A和B之間提供硬接線和點對點網(wǎng)絡(luò)連接，交互設(shè)備間的實時運行狀態(tài)，實現(xiàn)由設(shè)備端觸發(fā)的主備運行狀態(tài)信息上送。針對硬件故障、電路異常通過硬接線電源監(jiān)測可以實現(xiàn)毫秒級的故障診斷；通過點對點的網(wǎng)絡(luò)通信心跳報文，在設(shè)備運行異常時可以實現(xiàn)幾十毫秒級的故障診斷。表1所示為不同故障狀態(tài)時的故障診斷方式和切換時間。

表1 故障切換方式和時間

在PLC的CID模型文本中對冗余PLC設(shè)備組的運行狀態(tài)建模，在PLC設(shè)備檢測到運行狀態(tài)變化時，通過變化觸發(fā)報告實時上送監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)對鏈路數(shù)據(jù)源實時切換，從而實現(xiàn)設(shè)備異常時毫秒級的切換。以下為PLC的CID模型文本中對冗余設(shè)備組的設(shè)備運行狀態(tài)建模：

…

…

為保證在切換過程中的數(shù)據(jù)正確性和完整性，需要對備用鏈路SOE數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，緩存數(shù)據(jù)時長大于切換最大時長，在發(fā)生主備鏈路切換時，備用鏈路緩存數(shù)據(jù)通過緩存數(shù)據(jù)接口上送緩存SOE數(shù)據(jù)，與監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，切換期間未正確上送的數(shù)據(jù)重新觸發(fā)告警并存入歷史庫，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的無縫記錄。

3 在線版本監(jiān)測

冗余PLC設(shè)備組在監(jiān)控系統(tǒng)上共享模型組態(tài)數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)調(diào)試和運維過程中，應(yīng)確認(rèn)監(jiān)控系統(tǒng)和冗余設(shè)備組的主備設(shè)備的IEC61850模型一致，在系統(tǒng)調(diào)試和運維的工程組態(tài)過程中，可能存在人為造成模型不一致的風(fēng)險，因此實現(xiàn)對數(shù)據(jù)模型版本的在線監(jiān)測是系統(tǒng)正確運行的保障。

為實現(xiàn)模型版本信息在線監(jiān)測，需要在建模時在CID中生成對應(yīng)的版本信息configRev，版本信息模型如下：

…

…

在監(jiān)控系統(tǒng)導(dǎo)入模型CID文本時，解析configRev信息，記錄在對應(yīng)設(shè)備數(shù)據(jù)庫版本信息屬性中；在水電監(jiān)控系統(tǒng)IEC61850客戶端通信模塊與PLC設(shè)備建立應(yīng)用層連接后，首先讀取configRev信息，與數(shù)據(jù)中版本信息進(jìn)行比對，如版本信息不一致，通過告警窗提示版本不一致告警，并對存在版本不一致的鏈路數(shù)據(jù)丟棄處理。

4 結(jié)束語

水電廠智能化是未來水電廠管理提升的方向，隨著IEC61850在大中型水電站監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，IEC61850建模、大容量數(shù)據(jù)處理、通信可靠性將是系統(tǒng)智能化發(fā)展的基礎(chǔ)。本文基于IEC61850的PLC冗余設(shè)備接入方法解決了冗余數(shù)據(jù)處理、故障設(shè)備數(shù)據(jù)無縫切換、在線版本監(jiān)測等數(shù)據(jù)接入系列問題，提供了完整的解決方案，該方案已在某大型水電監(jiān)控系統(tǒng)上實現(xiàn)并投入運行，取得了良好的效果，為水電監(jiān)控系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行提供了有力保障。