基于水電智能化現(xiàn)地控制單元的思考與探索

劉 宇

（1.五凌電力有限公司近尾洲水電廠，湖南 衡陽 421127；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

隨著水電智能化一體管控平臺(tái)的日趨成熟，以IEC 61850國際通信標(biāo)準(zhǔn)，利用平臺(tái)數(shù)據(jù)共享優(yōu)勢(shì)、智能化輔控設(shè)備和元器件的長足發(fā)展，未來的監(jiān)控系統(tǒng)控制單元一定會(huì)被通信接口設(shè)備所替代，既現(xiàn)地控制單元將會(huì)以通信單元形式存在，智能化元器件、開關(guān)、刀閘、輔控、勵(lì)磁、保護(hù)、調(diào)速器之間將會(huì)形成數(shù)據(jù)共享，由智能化一體管控平臺(tái)所管控，這將大大減化電纜的使用量，使設(shè)備維護(hù)、改造更為方便快捷。

但由于智能化元器件及輔控設(shè)備發(fā)展緩慢，加之各廠家技術(shù)壁壘仍然存在，PLC控制單元使用穩(wěn)定，監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元短時(shí)間還不能擺脫P(yáng)LC控制器的使用，針對(duì)這種情況，部分廠家已著手利用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)組網(wǎng)方式，運(yùn)用IEC 61850通信協(xié)議將監(jiān)控PLC、勵(lì)磁、保護(hù)、調(diào)速器有效聯(lián)系起來。

2 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)融合應(yīng)用于新型現(xiàn)地控制單元

隨著信息技術(shù)與運(yùn)營技術(shù)的不斷融合，對(duì)于統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求變得迫切。智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展，都使得這一融合變得更為緊迫。而IT與OT對(duì)于通信的不同需求也導(dǎo)致了在很長一段時(shí)間，融合這兩個(gè)領(lǐng)域出現(xiàn)了很大的障礙：互聯(lián)網(wǎng)與信息化領(lǐng)域的數(shù)據(jù)需要更大的帶寬，而對(duì)于工業(yè)而言，實(shí)時(shí)性與確定性則是問題的關(guān)鍵。這些數(shù)據(jù)通常無法在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸。因此，尋找一個(gè)統(tǒng)一的解決方案已成為產(chǎn)業(yè)融合的必然需求。

時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)（timesensitive network，TSN）是目前國際產(chǎn)業(yè)界正在積極推動(dòng)的全新工業(yè)通信技術(shù)。時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)允許周期性與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸，使得標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)具有確定性傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，并通過廠商獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，已成為廣泛聚焦的關(guān)鍵技術(shù)。目前，IEEE、IEC等組織均在制定基于TSN的工業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的底層互操作性標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。

TSN有一個(gè)服務(wù)等級(jí)(class of service,CoS)的概念。對(duì)TSN網(wǎng)絡(luò)而言，不同優(yōu)先級(jí)的服務(wù)對(duì)應(yīng)了0（最低）～7(最高）這8個(gè)優(yōu)先級(jí)，傳輸類型分別對(duì)應(yīng)"基礎(chǔ)、最大努力、卓越努力、嚴(yán)苛應(yīng)用、延時(shí)和抖動(dòng)小于100 ms的視頻、延時(shí)和抖動(dòng)小于10 ms的音頻、內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制、網(wǎng)絡(luò)控制"?？梢?，TSN以太網(wǎng)完全可以統(tǒng)一水電廠各網(wǎng)絡(luò)。

目前，在工業(yè)領(lǐng)域，包括Moxa、研華、貝加萊、三菱、西門子、施耐德、羅克韋爾等主流廠商已經(jīng)推出其基于TSN的產(chǎn)品。貝加萊推出新的TSN交換機(jī)、PLC，而三菱則采用了TSN技術(shù)的伺服驅(qū)動(dòng)器。未來，TSN將成為工業(yè)控制現(xiàn)場的主流總線。TSN的意義對(duì)于工業(yè)而言并非僅僅是實(shí)時(shí)性，而在于通過TSN實(shí)現(xiàn)了從控制到整個(gè)工廠的連接。TSN是IEEE的標(biāo)準(zhǔn)，更具有“中立性”，因而得到了廣泛的支持。未來，TSN將會(huì)成為工業(yè)通信的共同選擇。因此，應(yīng)搭設(shè)設(shè)備間TSN環(huán)網(wǎng)，用于機(jī)組設(shè)備間各類控制信號(hào)的傳輸，也可傳輸非實(shí)時(shí)的設(shè)備狀態(tài)信息甚至機(jī)組視頻數(shù)據(jù)。

鑒于目前繼電保護(hù)和勵(lì)磁裝置廠商主要以IEC 61850 GOOSE/SV為通信協(xié)議，具有高實(shí)時(shí)性和高可靠的要求。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域全球唯一的通用標(biāo)準(zhǔn)。它通過標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，實(shí)現(xiàn)了智能變電站的工程運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)化。使得智能變電站的工程實(shí)施變得規(guī)范、統(tǒng)一和透明。不論是哪個(gè)系統(tǒng)集成商建立的智能變電站工程都可以通過SCD（系統(tǒng)配置）文件了解整個(gè)變電站的結(jié)構(gòu)和布局，對(duì)于智能化變電站發(fā)展具有不可替代的作用。目前廠家的IEC 61850 GOOSE/SV協(xié)議均運(yùn)行于專門開發(fā)的交換機(jī)上，還未測試運(yùn)行于混合型TSN網(wǎng)絡(luò)的性能，因此，繼電保護(hù)和勵(lì)磁應(yīng)搭設(shè)專門的星型GOOSE網(wǎng)。LCU內(nèi)部IO通信具有高可靠要求，應(yīng)按照設(shè)備廠商要求組件LCU內(nèi)部IO環(huán)網(wǎng)。

3 機(jī)組設(shè)備間TSN環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)

除了調(diào)速器、勵(lì)磁、LCU之間的控制令、關(guān)鍵狀態(tài)信號(hào)，其他數(shù)據(jù)均應(yīng)接入機(jī)組設(shè)備間TSN環(huán)網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)具有高速自愈的特性，千兆TSN環(huán)網(wǎng)可同時(shí)承載各種類型的應(yīng)用。LCU、調(diào)速器、油壓裝置、漏油裝置、主供水閥控制柜之間的一般信息，均應(yīng)接入該網(wǎng)，取代信號(hào)電纜，該網(wǎng)絡(luò)采用帶銅電源線的光纜組建，每個(gè)設(shè)備接入該網(wǎng)只需采用兩根光纜。

4 主控GOOSE環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)和SV信號(hào)

機(jī)組搭建星型雙冗余GOOSE網(wǎng)，采用專門的交換機(jī)。繼電保護(hù)裝置、勵(lì)磁裝置、LCU、調(diào)速器接入此網(wǎng)，用于機(jī)組控制流程點(diǎn)量和信號(hào)的傳送。該網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)采用帶銅電源線的光纜組建，每個(gè)設(shè)備接入該網(wǎng)只用采用兩根光纜。機(jī)端和中性點(diǎn)智能終端采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式將電流電壓SV數(shù)據(jù)送至繼電保護(hù)和勵(lì)磁裝置。

5 LCU內(nèi)部IO環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)

LCU內(nèi)部PLC主機(jī)架和IO機(jī)架之間，按照設(shè)備廠家搭建專門的工業(yè)以太網(wǎng)，滿足高速高可靠的數(shù)據(jù)傳輸要求。該網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)采用帶銅電源線的光纜組建，每個(gè)設(shè)備接入該網(wǎng)只用采用兩根光纜。主控GOOSE環(huán)網(wǎng)，主要用來機(jī)組核心控制，傳輸核心控制令和控制信號(hào)，連接上邊的設(shè)備有LCU主控、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置、發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置、調(diào)速器。對(duì)TSN環(huán)網(wǎng)，主要?jiǎng)澐譃?個(gè)VLan，優(yōu)先級(jí)0的VLan 2個(gè)（TSN01、TSN02），優(yōu)先級(jí)為1的VLan 1個(gè)（TSN11），優(yōu) 先 級(jí) 為2的VLan 1個(gè)（TSN21），優(yōu) 先 級(jí) 為3的VLan 1個(gè)（TS31）。TSN01用 于ModBus/TCP控 制和信號(hào)傳輸。TSN02用于備用GOOSE，在主控GOOSE環(huán)網(wǎng)故障時(shí)候，將設(shè)備切至該網(wǎng)。TSN11、TSN21、TS31用于其他信息。

6 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置

配置優(yōu)化支持IEC 61850 GOOSE的交換機(jī)4臺(tái)，置于機(jī)組LCU柜、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁柜、調(diào)速器柜、發(fā)電機(jī)保護(hù)柜，實(shí)現(xiàn)IEC 61850 GOOSE環(huán)網(wǎng)。用鎧裝網(wǎng)線或光纜連接LCU、調(diào)速器、勵(lì)磁裝置、發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁和保護(hù)裝置的SV信號(hào)采用機(jī)端/中性點(diǎn)-發(fā)電機(jī)保護(hù)/勵(lì)磁點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)IEC 61850 SV通信。設(shè)置發(fā)電機(jī)電壓電流采集合并單元，實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置和勵(lì)磁裝置電流電壓實(shí)時(shí)數(shù)字采集。配置優(yōu)化支持IEC 61850 SV的交換機(jī)兩臺(tái)，置于發(fā)電機(jī)保護(hù)和機(jī)端中性點(diǎn)，作為擴(kuò)展用途。

配置TSN交換機(jī)若干臺(tái)，實(shí)現(xiàn)通過機(jī)組TSN環(huán)網(wǎng)，將非電量模擬量、數(shù)字量與其他系統(tǒng)集成，同時(shí)互聯(lián)信息和必要的視頻信息。主要互聯(lián)的設(shè)備包括：壓油槽及控制系統(tǒng)、漏油箱及控制系統(tǒng)、主供水控制系統(tǒng)、機(jī)組監(jiān)控LCU、保護(hù)裝置、勵(lì)磁裝置。

7 現(xiàn)地控制單元智能化改造

現(xiàn)地控制屏柜支持分布式、可擴(kuò)展配置。采用PLC擴(kuò)展機(jī)架方式實(shí)現(xiàn)分布式LCU。具體內(nèi)容為：

（1）發(fā)電機(jī)層主控單元（含2號(hào)機(jī)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)）：集成有2號(hào)機(jī)匯聚交換機(jī)1臺(tái)。設(shè)備間TSN環(huán)網(wǎng)交換機(jī)1臺(tái)，分布式GOOSE環(huán)網(wǎng)交換機(jī)4臺(tái)。PLC主站和擴(kuò)展機(jī)架1套，用于發(fā)電機(jī)層信號(hào)量采集。同時(shí)，配置水機(jī)后備保護(hù)、發(fā)電機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置1套、測速裝置及傳感器2套、手準(zhǔn)單元1套。

（2）上導(dǎo)測控箱1面，用于上導(dǎo)自動(dòng)化元件信號(hào)的接入。接入LCU內(nèi)部RIO光纖環(huán)網(wǎng)。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

（3）風(fēng)洞測控箱1面，用于風(fēng)洞自動(dòng)化元件信號(hào)的接入。

（4）水輪機(jī)層測控箱1面，用于水輪機(jī)層自動(dòng)化元件信號(hào)接入。接入LCU內(nèi)部RIO光纖環(huán)網(wǎng)。

（5）廠用室測控柜1面，配置RIO機(jī)架，配備交流采樣表、功率變送器等。接入LCU內(nèi)部RIO光纖環(huán)網(wǎng)。廠用室測控柜內(nèi)部主要功能單元布置如表1。

表1

（6）分布于各輔機(jī)柜的獨(dú)立DIO微型模塊5個(gè)，分別對(duì)壓油槽油位、漏油箱油位，頂蓋排水水位及報(bào)警等進(jìn)行獨(dú)立測量。接入機(jī)組設(shè)備間TSN網(wǎng)。

8 結(jié)束語

水電智能化一體管控平臺(tái)下的新型現(xiàn)地控制單元建設(shè)沒有樣板可循，但匯聚了很多智慧化思路和方法，為今后水電智能化電廠現(xiàn)地控制單元的發(fā)展提供了新方案，必將推動(dòng)今后智能化電廠建設(shè)朝著互聯(lián)、共享、簡約、安全的方向邁進(jìn)，