向家壩水電站PCC調速器控制系統通信策略研究與應用

李初輝，常占鋒，常中原

（向家壩水力發電廠，四川 宜賓 644612）

0 前言

向家壩水電站是金沙江下游河段規劃的最末一個梯級電站，以發電為主，由左岸壩后電站和右岸地下電站組成，各裝設4臺單機容量888.9 MW的混流式水輪發電機組，其單機容量為世界第一。向家壩水電站機組除承擔電網腰荷，還參與四川主網的調峰。因此，機組的調速器必須具有高可靠性、高穩定性、高響應性，要滿足以上要求，對于調速器控制系統的通信提出更高地標準，需要結合PCC控制器的硬件配置，提出更適應的通信策略，為巨型機組安全、可靠、優質運行提供保障。

1 調速器控制系統的組成

1.1 系統組成

向家壩水電站機組調速器控制系統主要指調速器的電氣控制部分，主控制器由兩套獨立、相同的貝加萊PCC控制器組成，分別與相應的液壓機構相配合，各自獨立實現全部控制功能，達到調節性能要求，兩套主控制器相互冗余，無擾動切換，配置公共的人機畫面接口，實現對控制過程的監視和干預，具體系統結構可參見圖1。

圖1 向家壩水電站調速器控制系統結構示意圖

1.2 PCC控制器的網絡通信功能以及特點

（1）Ethernet以太網

Ethernet是目前廣泛運用于工業生產過程控制和監測的網絡，其技術成熟、價格低廉、使用靈活、維護簡單、速度優越。貝加萊2000系列控制器均帶有以太網接口，為數據通信提供了良好的接口。

（2）Ethernet PowerLink

Ethernet PowerLink簡稱EPL，是針對Ethernet在工控領域存在的一些弊端，貝加萊公司在其基礎上，開發了新的協議—EPL。EPL使用標準以太網IEEE802.3u(Fast Ethernet)作為傳輸媒介，傳輸速率100 Mb/s，實時數據傳輸周期最小達200μs，網絡站點之間精確同步，抖動小于1μs，可同時傳輸實時和非實時數據。EPL基本上是一個循環運行的等時同步系統，即所有的系統數據在同一個時間長度內生成、交換和處理，而事件控制系統（狀態改變）僅當事件發生或狀態改變時交換數據。EPL采用SCNM機制，有效避免沖突發生。

（3）局域網CAN

局域網CAN是一種在自動化領域廣泛使用的多線路協議和有效的支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN總線只包括OSI基準模型的最低兩層，即數據鏈路層和物理層。其物理層采用雙線差動形式，可以抑制輸入共模噪聲的影響，有利于CAN總線在噪聲強度大的場合工作。CAN協議廢除了傳統的站地址代碼，而以對通信數據塊進行編碼代之，數據塊的標志碼相當于以前的地址，報文內容有標識符命名，標識符并不能指出報文傳送的目地地址，但描述數據的含義。

（4）Automation NET

Automation NET用于控制系統和Automation Studio（貝加萊PCC控制器的專用操作系統）之間的通信，以及提供在網絡上與其它站之間透明的網絡通信。Automation Studio的編程和診斷功能都是在PC上運行的，Automation NET可以通過串口、CAN通信、Ethernet通信使控制器和Automation Studio建立網絡連接。在進行通信時，應根據不同的通信方式進行相應的設置。

（5）Profibus現場總線

Profibus代表過程現場總線，用來實現該總線能夠連接的I/O元件，如PCC、PC、傳感器之間的通信。Profibus為多主多從網絡，采用的是廣播地址或多播地址的傳輸方式，它的協議包括兩部分：（1）Profibus DP-分布的I/O系統；（2）ProfibusFMS-現場總線信息規范，是為現場的通用通信功能所設計的協議。

2 數據通信策略研究與應用

2.1 控制通信數據需求分析

調速器控制系統的數據來源有多種，主要分成：

（1）信號通過硬接線接入DI、AI模塊，進行數據采集，比如導葉主接反饋；

（2）監控系統自動或手動下發給調速器控制參數，比如有功設值；

（3）觸摸屏人工手動設置的數據，比如各種通道設置數據；

（4）A、B套控制器熱備交換數據；

（5）液壓控制柜通信的命令；

（6）調試期間，調試人員的調試命令；

（7）擴展系統的數據請求等。

同時，系統數據請求同樣有多種，主要有：

1）觸摸屏HMI畫面顯示的數據請求；

2）監控系統控制反饋數據，現地LCU及上位機畫面顯示數據請求；

3）A、B套控制器熱備交換數據請求；

4）液壓柜的被控命令；

5）調試期間，調試機的請求數據；

6）為將來擴展系統提供的數據等。

針對上述多種數據請求和數據來源，如何進行數據通信策略選擇，直接影響調速器過程控制的高效和準確。

2.2 通信策略研究與應用

結合控制器的系統結構、接口特點和數據通信要求，研究和制定向家壩電站機組調速器控制系統具體的通信策略，具體通信策略設計可參見圖2與表1。

圖2 調速器控制系統通信策略示意圖

（1）A、B套控制器熱備數據交換通過EPL協議實現。不僅充分利用貝加萊控制器提供的資源，而且保證兩套控制器數據的同步性，為無擾切換提供數據基礎。通信鏈路為A、B套控制器通過雙絞線連接至網絡交換機，實現數據交換。

（2）觸摸屏無人操作時，數據主要為顯示，通信方式為定時收發，固定數據長度；有人操作時，數據除了顯示，還有部分是設置和控制命令，數據長度不固定，而且兩套控制器需要同時能夠連接至觸摸屏HMI。因此，通信鏈路為通過雙絞線連接觸摸屏HMI至網絡交換機，協議選擇基于以太網的Modbus協議，滿足通信實時性和實際設備接口要求。

（3）對于監控系統，調速器相當于其下位機，接受命令和反饋自身運行狀況，實現調速器狀態的遠程操作和監視。這就要求調速器與監控系統通信鏈路無差錯、接受數據準確、響應及時。因此，進行設計時，充分運用已有資源進行冗余設計，一方面由觸摸屏HMI進行調速信息轉發至LCU，協議采用基于RS485接口的Modbus協議，同時增加由控制器經過網絡交換機將信息發送至LCU，協議采用基于以太網的Modbus協議。

表1 調速器控制系統通信接口及協議

（4）調速器需要獲取液壓部分控制信息，進行導葉控制。由于液壓部分控制由專門PLC完成，A、B套控制器及觸摸屏HMI都需要從液壓控制PLC獲取信息，因此在進行通信設計時，可以將液壓控制PLC接入至網絡交換機，同時滿足三者的數據請求要求，通信協議同樣為基于以太網的Modbus協議。

（5）貝加萊控制器配有專門協議方便調試，通信接口包括RS232、USB、Ethernet等多種，極大方便通信接口的分配和設備的調試。

（6）向家壩電站是一個新建電站，可能在運行期間需要進行技術改造和設備添加，因此需要預留一定的通信接口為后續設備接入做好準備，接口的形式盡量做到多樣化。

3 通信的特點

向家壩水電站機組調速控制系統的通信策略主要有以下幾個特點：

（1）充分利用新技術，結合控制系統的結構設計，采用貝加萊PCC最新的技術成果，運用到實際的生產過程，有效解決了雙機熱備的數據同步難題。

（2）運用基于Modbus協議的以太網技術,利用網絡交換機，解決了數據的交叉收發難題和控制器接口的限制。

（3）對于和發電生產關系密切的通信鏈路，采用了冗余設計，確保了通信的可靠，提高信息傳輸的穩定性。

（4）考慮了系統的擴展性，為后續的系統或者設備，預留了充足的接口，方便系統或設備的接入，提高系統的擴展性。

4 結語

智能化是水電廠發展方向，智能化以通信網絡為基礎，水力聯系和電力聯系為紐帶、能源轉換控制設備為載體、安全經濟運行為目標，融合仿真、控制和信息三位一體技術實現水電站的運行控制和管理，這就要求相應的調速系統具有高速的通信網絡，高級的通信策略，實現機組的可靠、安全、經濟運行。本文就向家壩電廠巨型機組調速控制系統的現狀出發，分析并選取了適用的通信策略，并對可能出現的優化提出一些建議，提供一些參考。

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