摘 要：網絡化、智能化是將來水電站調速器發展的方向，本文從葛洲壩智能調速器的設計出發，給出了調速器在網絡拓撲、硬件結構等方面的設計方案，闡述了調速器在網絡通訊的冗余及可靠性方面的設計思路，提出了調速器的網絡對時方案，介紹了采用IEC61850通訊的數據結構等。研究表明：新一代調速器解決了調速器和監控系統設備聯接和系統聯網問題，滿足智能化水電站的建設要求，為今后智能水電站調速器的設計提供較高的參考價值。
關鍵詞：智能化 網絡通訊 冗余 IEC61850規約 網絡對時
0、概述
當前，智能化水電站的建設方心未艾，代表電力工業將來的發展方向，而可靠的網絡通信是智能化水電站建設基礎。這就要求相應的電站基礎設備調速系統具有高速可靠的通信網絡，冗余可靠的設計，高級的控制策略以及方便靈活的通訊接口，實現發電廠機組的可靠、安全、經濟運行[1]。然而目前國內已經投產和正在設計的調速器產品，大都沒有意識到當前電網智能化環境的特殊要求，在以太網通訊接口、GPS對時、現場總線方面大多沒有充分考慮[2]。
本文通過南瑞集團公司為三峽集團葛洲壩水電廠最新開發的基于X20 3586控制器的雙冗余水輪機調速器，介紹了調速系統控制核心的硬件配置、網絡冗余方案、與外部設備的通訊聯絡，網絡對時方法等，為將來智能化水電廠調速器的設計和推廣應用打下良好基礎。
1、控制系統及網絡結構
統一數據平臺是智能水電站的一個基本特征。水電站現地級包括監控、調速器、勵磁、輔機系統等不同設備。水電站目前的一體化平臺將現地數據采集和測量按“過程層”、“間隔層”、“站控層”的結構層次布置，采用兩層網絡：站控層網采用MMS網、過程層網采用GOOSE網和SV網組成。全站網絡采用高速光纖以太網組成[3]。
站控層由監控系統主機（操作員站）和智能設備接口機等構成， 智能設備接口機可將調速系統、監控LCU設備等接入站控層MMS網，監控系統，實現管理控制間隔層、過程層設備以及其它設備功能，形成全站監控、管理中心，并能與遠方調度中心通信，通信標準符合 DL/T860（IEC61850）[3]。
考慮上述統一數據平臺結構，我們設計的調速系統控制和通訊結構如下圖1所示：首先調速系統的控制核心選用貝加萊公司最先進的X20CP3586控制器，兩套控制系統冗余配置（見圖中冗余X20控制器），配置相應的公用IO模塊，該模塊由模擬量輸入（X20AI4622）/輸出(X20AO4622)模塊、開關量輸入(X20DI9371)/輸出(X20DO9322)模塊、測頻和脈沖輸出模塊（X20DS1319）、串行通信模塊(X20IF1086)組成，模擬量輸入模塊完成調速系統有功功率、導葉槳葉開度、水頭等模擬量采集；模出模塊完成導葉、槳葉、轉速等模擬量輸出并上送監控；開關量輸入則完成機組開機、停機、并網、負荷增減等指令，完成調速系統對機組的序列控制，開關量輸出則完成調速器的狀態和故障報警輸出，供監控集中監視；測頻模塊完成機組轉速、電網頻率的采集，脈沖模塊則完成調速器機械系統步進電機的控制。通訊模塊則完成與監控、電站HOMIS系統的通訊。由此組成系統完成調速器的所有控制功能。
圖1：調速系統控制和通訊冗余結構圖
前面已經強調，網絡通訊及其可靠性是智能化水電站建設的重要要求，我們在系統網絡通訊上進行了詳細設計，參見圖1，首先兩套控制器之間采用以太網POWERLINK通訊方式，雙機同步通訊，數據實時共享，一套系統故障（如斷電、程序出錯、模塊故障）自動切換到另一套，無需人工干預。兩套控制器和公用IO模塊之間也采用以太網POWERLINK通訊，誰為主機誰自動控制IO設備。兩套控制器和監控上位機的通訊采用IEC61850協議接入MMS網，其方式為：采用貝加萊PC810工控機作為通訊網關設備，安裝IEC61850轉換協議實現與MMS網的通訊，以太網A和B通過通訊網關，分別連接到控制器1和2，這樣任何1路網關故障或網絡連接節點斷開，均不影響控制器與MMS網的通訊，從而實現雙網交叉冗余模式。另外，我們還設計了調速器和監控及HOMIS系統數據交換的備用通道，在IO模塊上擴展了兩個串行接口，可以實現與上述設備的實時通訊。這樣即使網絡完全中斷，我們也可以采用備用通道與上位機交換數據，可見系統通訊的可靠性非常高。
此外，控制器和人機界面的通訊通過交換機采用以太網連接，采用貝加萊內部IMA協議，實時性和可靠性很高，除了普通的用戶參數設置、信息顯示功能外，還可以滿足用戶數據記錄、存儲、錄波、事件登陸等高級功能。
通訊內容方面，目前監控系統可以下發功率設定值、水頭、時鐘等信息，可以實現調速系統的功率閉環控制、時鐘校準等，調速器通過61850規約可以上送轉速、導葉槳葉開度、機組有功、故障量、狀態量等信息，在MMS網上可以實現共享，掛在網上的設備均可以實時獲取。
2、IEC 61850網絡通訊
IEC 61850標準由國際IEC委員會制定，它是在互操作性要求的基礎上，主要考慮變電站內通信網絡與系統的通信而建立的標準體系。當前, 國內外電力設備生產商都在圍繞IEC 61850 開展研究和應用工作，并提出IEC 61850的發展方向是實現“即插即用”，在工業控制通信上最終實現“一個世界、一種技術、一個標準” [4]。
本項目采用貝加萊公司提供的PC810工控機和南瑞集團公司自主研發的IEC 61850通信軟件系統，在葛洲壩新一代調速器上進行了應用。它采用分層分布式體系、面向對象的建模技術，使得數據對象的自描述成為可能。按照61850規約，我們建立了調速器功率控制、水位控制、開度控制邏輯節點，設計了功率給定、水頭設定等數據模型，開發了調速器上送的轉速、功率、導葉槳葉開度、故障量、狀態量數據結構，對上述數組進行了描述，為調速器與電站監控系統的互操作和系統無縫集成提供了有效通道，實現了由傳統通信協議向“IEC 61850標準”的轉化升級，為未來全面實現智能化水電站系統奠定了技術基礎。
3、網絡對時
調速器的對時非常關鍵，內部及外部產生的重要信號變化都需要記錄較精確的時鐘信息，特別是當系統發生故障時，只有在統一精確的時鐘系統的控制下才能準確地記錄下事件動作的先后時間，從而為分析事故原因，事故類型，事故發生發展過程提供可靠依據。
現行的GPS衛星時鐘同步系統支持硬對時（脈沖節點PPS、PPM、PPH）、軟對時（串口報文）、編碼對時（IRIG-B、DCF77）和網絡NTP對時，可滿足國內外不同設備的對時接口要求。網絡對時是以通訊報文的方式實現的，這個時間是包括年、月、日、時、分、秒、毫秒在內的完整時間。由于網絡對時實現起來比較方便，因此被廣泛采用[5]。在本工程中調速器擬采用網絡軟對時的方式進行GPS對時。
GPS時鐘源從GPS衛星上獲取標準時鐘信號信息，將這些信息在網絡中傳輸，電站設置1臺對時服務器，安裝對時軟件，調速器X20控制器和服務器進行物理以太網連接，將服務器時鐘源作為SNTP服務器，調速器X20控制器作為SNTP客戶端，作為SNTP服務器的GPS時鐘源將時間信號在網絡中傳輸，作為SNTP客戶端的調速器控制器將接收時間信號，這樣就可以使調速器與標準時間源同步。作為SNTP客戶端的調速器通信協議可以通過在軟件中調用相應的功能模塊實現。
另外我們還考慮了對時備用通道，即通過監控上位機MMS網，可以下發時鐘信息給調速器，包含年月日、時分秒，秒以下時間則可以通過調速器內部時鐘獲得（最小5毫秒）。
4、結語
智能化、數字化是將來水電站自動化發展的方向，調速器作為其中重要的組成部分，必須充分滿足和適應當前技術發展的需要，本文從葛洲壩智能調速器的設計出發，提出了調速器在網絡通訊、硬件結構、網絡對時等方面的設計思路，新一代調速器將全面支持IEC 61850通訊協議體系，解決了調速器和監控系統設備聯接和系統聯網問題，滿足智能化水電站的建設要求，為今后智能水電站調速器的設計提供較高的參考價值。
目前，葛洲壩電廠三套智能調速器已經完成了生產和制造，2014年2月底完成了用戶的出廠驗收，并已發往現場，即將開始安裝調試，我們期待新一代調速器能順利投運，為電站實現智能化打下良好基礎。
參考文獻
[1] 李朝暉等，水電機組數字化及其應用研究[C]，中國水力發電工程學會電力系統自動化專委會2007年年會暨學術交流會論文集，p134-137
[2] 蔡衛江等，數字化水電站中智能水輪機調速器的設計思路[J]，電氣技術，2010年8月，P43-45。
[3] 張亞楠等，數字化變電站與水電站自動化系統[C]，2009中國水電控制設備論文集，P380-390。
[4] 陳安偉編，IEC61850在變電站中的工程應用[M]，中國電力出版社，2012年6月，P15-16。
[5] 胡巨等，SNTP對時方式在數字化變電站中應用[C]，電力自動化設備，2009年第3期，P24-26。
作者簡介
蔡衛江（1970生），碩士，高級工程師，1992年參加工作，在國網電力科學研究院工作至今，主要從事水電站水輪機調速、自動化控制裝置等的研究和設計工作。
貝加萊（B&R）工業自動化是一家全球性自動化領導廠商，專業致力于創新自動化前沿技術，總部位于奧地利，目前已在全球68個國家設立了分支機構，擁有166個辦事處。“完美自動化”與“您的全球自動化合作伙伴”是貝加萊工業自動化的使命與追求。
1996年8月，貝加萊工業自動化（上海）有限公司正式落戶中國上海，本地化的銷售與精湛的技術隊伍為中國客戶帶來更迅捷的服務響應。十幾年來，貝加萊（中國）一直專注于為國內用戶提供高品質的自動化全線產品和優秀的技術解決方案。現在，貝加萊的產品和方案已廣泛應用于機械自動化領域，如包裝、印刷、塑料、紡織、食品飲料、機床、半導體、制藥等行業；以及過程自動化領域，如電力、冶金、市政、交通、石油、化工和水泥等行業。目前，貝加萊產品已通過ISO 9001、UL、TÜV、GOST-R等國際認證，產品質量、性能等受到了用戶的普遍贊譽，贏得了信譽。如今，貝加萊（中國）已成立了北京、廣州、濟南、西安、成都和沈陽辦事處，上海及各辦事處建立了完備的技術培訓中心，以及分布在全國的大學聯合實驗室。
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