基于IEC61850通信協議的電廠智能化監控系統

宋彬彬， 趙延青

(1.東南大學成賢學院，南京 210032； 2.國電南京自動化股份有限公司，南京 210032)

基于IEC61850通信協議的電廠智能化監控系統

宋彬彬1， 趙延青2

(1.東南大學成賢學院，南京 210032； 2.國電南京自動化股份有限公司，南京 210032)

介紹了IEC61850通信協議，并結合IEC61850通信協議在水電站智能化中的特點，制定了松江河發電廠監控系統智能化改造方案，即在原有的LCU設備基礎上加裝規約轉換設備，將機組LCU設備通信協議轉換為IEC61850協議，接入智能化統一信息平臺。經改造后，全站智能化設備將處于一個統一、開放的數據平臺上，實現了水電站一次設備和二次智能電子裝置的數字化通信，以及智能裝置之間的互操作，在IEC61850過渡階段且能夠保持與傳統水電站站內設備兼容。

IEC61850；通信協議；智能化水電廠；監控系統；規約轉換設備

隨著經濟的發展，對供電可靠性及電能質量的要求日益提高，智能電網已成為目前國內外電網發展的趨勢。中國自2011年始，要求所有新建變電站全面按照智能變電站技術標準建設，對已建成的重點樞紐變電站及中心變電站逐步進行智能化改造。水電站作為電網發電環節的重要組成部分，在智能電網規劃和發展的統一要求下，其智能化建設將是今后的發展方向和全新的目標。智能水電站對于水電行業建設也將是一項刻不容緩的重要工作。

智能化水電廠是建立在集成、統一、可靠的軟硬件平臺基礎上，通過應用先進的傳感和測量技術自動獲得電站運行狀態和設備狀況信息，采用可靠的控制方法、數據分析技術和智能化的決策支持技術，用來實現水庫與機組的安全經濟運行，提高水電廠效率，實現效益最大化。因此，本文以松江河發電廠的設備條件，以及原有的通信規約為基礎，闡述了IEC61850通信協議在松江河水電廠智能化改造的結構、功能和網絡接口上的應用。

1 IEC61850 標準簡介

1.1 IEC61850標準背景

為了達到互操作、自由配置、變電站與電網相協調等目的，從20世紀90年代起，歐洲和美國同時開展了統一遠動與變電站通信規范的研究工作。為了避免兩個標準相互沖突，在IEEE和IEC的共同協調下，IEC決定以UCA2.0數據模型和服務為基礎，將UCA的研究結果納入IEC標準，建立世界范圍的統一標準IEC61850。

1.2 IEC61850協議的特點

1) 支持不同制造廠生產的智能電子設備(IEDs)互操作。

2) 支持不同制造廠生產的智能電子設備(IEDs)互換性，即無需改變系統中其他元件就能夠實現不同制造廠供應的設備之間相互替代的能力。

1.3 IEC61850協議組成

IEC61850是一個龐大的通信協議體系,主要包括系列文檔4 部分。

1) 系統部分。

2) 配置部分。

3) 數據模型、通信服務和映射部分。

4) 測試部分。

1.4 IEC61850協議在水電廠中的應用

2007年8月IECTC57技術委員會第18工作組公布將IEC61850-7-410作為水電站智能化監控的通信標準, 其全稱為“電力系統自動化通信網絡和系統-水力發電廠監控通信”。基于IEC61850 標準建立全站統一的數據模型和數據通信平臺被稱為智能化水電站信息平臺，可以實現水電站內一次設備和二次智能電子裝置的數字化通信, 確保智能裝置之間的互操作性。盡管水電廠設備與裝置分布的地理范圍較廣, 不同機組的采集與控制系統需要鋪設大量的電纜使之相互連接，但在水電廠采用IEC61850 通信技術后，通過信號的現地采集和光纖傳輸，便可以應用少量的光纜取代大量的電纜，減少電纜的投資與鋪設電纜施工的成本，提高二次回路可靠性、經濟效益和設備使用效益。

2 松江河發電廠智能水電站

2.1 松江河發電廠概況

松江河梯級水電站，位于頭道松花江上游支流松江河和漫江上，梯級電站由小山、雙溝、石龍三座水電站和松山引水工程以及三道松江河引水工程(未建)五部分組成。梯級電站以發電為主，三座電站總裝機510 MW，年設計發電能力8.369億kW·h。松江河梯級水電站位置如圖1所示。

2.2 松江河水電廠原自動控制系統數據平臺

原水電站監控系統的通信規約采用的是“面向點”的數據描述方法，難以實現“互操作”；數據平臺缺乏統一性，水電站各自動化系統都要與其采集和控制的設備建立獨立的信息通道，自動化系統的數據采集各自為陣，相互之間不進行橫向數據交流；數據平臺缺乏開放性，水電站各自動化系統采集數據之后，不能很好地提供給其他系統使用，數據無法充分共享；不易于系統擴充。數據共享不充分的原因主要是當前的通信規約缺乏開放性，這是問題的關鍵所在。因此，建立一個統一的、開放的數據平臺是十分必要的。

圖1 松江河發電廠電站位

3 松江河發電廠監控系統智能化改造方案

松江河發電廠監控系統智能改造的目的是建立與智能一次設備和網絡化二次設備的網絡通信，完成對被測控對象的實時監視和控制。以機組LCU為例，將水電站機組LCU數據接入規約轉換裝置，使之轉換為IEC61850-MMS協議后，接入智能化統一信息平臺。接入的LCU數據經轉換后數據滿足IEC61850協議，實現各LCU和智能化統一平臺的通信，并且轉換后的站內庫仍然按傳統水電站模式，生成對應的遙測、遙信、遙控、遙調數據，以保持在61850過渡階段與傳統水電站站內設備的兼容性。

3.1 結構設計

目前，松江河梯級電站監控系統的控制單元采用的是施奈德Quantum系列PLC，不具備IEC61850協議，需要轉換成IEC61850-MMS協議之后，方可接入智能化統一信息平臺。LCU網絡結構改造方案如圖2所示。

圖2 LCU改造網絡結構

圖2中SDX810智能轉換設備為規約轉換設備，完成各LCU數據的IEC61850規約轉換，實現各LCU和智能化統一平臺的通信；黃色線代表原監控系統I網交換機；紅色線代表原監控系統II網交換機；梯調主交換機共有2臺。

3.2 功能設計

每套LCU增加一臺SDX810規約轉換裝置，該裝置與PLC通信規約采用MODBUS/TCP/IP，同時和智能化統一信息平臺間采用IEC61850規約通信，實現各LCU PLC和智能化統一平臺之間IEC61850規約通信。

本次改造方案中PLC程序控制流程部分不做任何改動，與原監控系統通信接口部分除留有增加控制權切換外其他不做任何變動。只是在原PLC程序上增加了與新梯調監控的通信部分內容。故原則上本次現場試驗及廠內試驗不對流程過程進行檢驗，而只對流程入口部分、與新增調度上/下行數據部分進行檢驗。

針對東北電網提出水電站IEC61850轉出方式，SDX810具備如下方式：

1)支持MODBUS /TCP/IP協議與現地PLC進行通信連接，接入后的站內庫仍然按傳統水電站模式，生成對應的遙測、遙信、遙控、遙調數據。以保持在IEC61850過渡階段與傳統水電站站內設備的兼容性。將接入的PLC設備按保信測站方式選擇配置，可整設備或分組、分點配置，配置完成后系統會自動將傳統的四遙信息，映射成為相關IEC61850的LD和LN格式，形成GGIO形式及公用LD格式，其實際原理及將規約轉換器(SDX810)模擬成為一臺裝置，將對下接入的所有裝置，如保護設備、PLC設備、其它智能設備通過內部方式虛擬成為各個CPU，而各個CPU成為IEC61850模型ICD文件中的LD，如一臺PLC設備等同于一個CPU設備，一臺國電南自保護設備等同于另外一個CPU(國電南自裝置往往多CPU，但處理方式同樣，無非多幾個CPU,依次編號)。

2)支持IEC61850標準指導系統建模和數據描述，能夠建立與智能一次設備和網絡化二次設備的網絡通信，完成對被測控對象的實時監視和控制。支持IEC61970標準建立面向對象的組件模型接口，實現與高級應用以及外系統的實時或非實時數據應用集成。

3)支持采用Oracle、MySQL、SyBase、DB2等大型數據庫進行軟件平臺的數據存儲、檢索與管理，實現商用數據庫與實時系統數據庫的無縫連接，充分發揮數據庫平臺的性能。

4)支持J2EE架構，由應用服務器、Web服務器、中間件、應用組件構成數據服務平臺。對外接口滿足IEC61970接口規范，支持基于簡單對象訪問協議(簡稱SOAP)的XML Web Service組件模型。支持Java技術進行開發。

5)支持千兆以太網、多網等先進的TCP/IP網絡技術，實現海量數據實時采集、傳輸和刷新，保障網絡實時和信息安全。

6)完成IED設備實例配置描述文件(CID文件)的制作工作，協助與統一信息平臺廠家完成系統整體參數化配置文件(SCD文件)的制作和備份工作。

整個系統的核心在于：首先保證傳統四遙數據的無縫接入，然后，通過規約轉換器配置將整個SDX810自描述為一臺站內設備，生成相關ICD文件，將接入的設備虛擬成為LD，測點組虛擬成為LN，使得規約轉換設備同樣得到模型描述。

3.3 接口設計

每臺規約轉換裝置SDX810配置有4個網口，其中2個網口作為與PLC的雙網通信，另外2個網口作為與智能化統一平臺IEC61850規約通信。SDX810裝置與QUANTUM PLC通信采用標準的MODBUS/TCP/IP規約，以雙溝電站1號機組為例，網絡結構如圖3所示。

3.4 將通信數據送至SDX810裝置的PLC程序

1)

2) (*給SDX810對時。寫到time_sdx810結構里，格式同SOE，地址為%mw7042*)

3) TIME_TEMP := BCD_TO_INT(SHR (AND (%SW50,16#FF00),8));

圖3 網絡接口結構圖

4) SECOND_TO_SDX810:= INT_TO_UINT(TIME_TEMP*1000);

6) time_sdx810.MS_LOW := UINT_TO_BYTE(SECOND_TO_SDX810 MOD 256);

7) time_sdx810.MS_HIGH := UINT_TO_BYTE(SECOND_TO_SDX810/256);

8) time_sdx810.MIN := INT_TO_BYTE(BCD_TO_INT(AND (%SW51,16#00FF)));

9) time_sdx810.HOUR := INT_TO_BYTE(BCD_TO_INT(SHR (AND (%SW51,16#FF00),8)));

10) time_sdx810.DAY := INT_TO_BYTE(BCD_TO_INT(AND (%SW52,16#00FF)));

11) time_sdx810.MON := INT_TO_BYTE(BCD_TO_INT(SHR (AND (%SW52,16#FF00),8)));

12) time_sdx810.YEAR := INT_TO_BYTE(SUB_INT(BCD_TO_INT (%SW53),2000));

33) (*SOE量上送至SDX810,將SOE量由原存放地址%MW391～%MW394復制到

34) 和SDX810通信協商好SOE量存放地址%MW7002～%MW7005,

35) IEC_BMD為PLC程序中具備復制功能的功能塊*)

36) IEC_BMDI(4,391,4,4,7002);

38) (*DI量上送至SDX810,將DI量由原存放地址%I1～%I288復制到

39) 和SDX810通信協商好DI量存放地址%MW7006～%MW7023,

40) COPY_AREBOOL_ARINT為PLC程序中具備復制功能的功能塊*)

41) SDX810_DI:=COPY_AREBOOL_ARINT (IN := %i1:288,

42) P1 := 0,

43) N := 288,

44) P2 := 0);

46) (*DO量上送至SDX810,將DO量由原存放地址%M1～%M128復制到

47) 和SDX810通信協商好DI量存放地址%MW7024～%MW7031,

48) COPY_AREBOOL_ARINT為PLC程序中具備復制功能的功能塊*)

49) SDX810_DO:=COPY_AREBOOL_ARINT (IN := %M1:128,

50) P1 := 0,

51) N := 128,

52) P2 := 0);

54) (*通信遙信量上送至SDX810,將通信遙信量由原存放地址%M1200～%M1296復制到

55) 和SDX810通信協商好DI量存放地址%MW7032～%MW7037,

56) COPY_AREBOOL_ARINT為PLC程序中具備復制功能的功能塊*)

57) SDX810_DICOM:=COPY_AREBOOL_ARINT (IN := %M1200:96,

58) P1 := 0,

59) N := 96,

60) P2 := 0);

62) (*模擬量上送至SDX810,將模擬量由原存放地址%MW501～%MW564復制到

63) 和SDX810通信協商好模擬量存放地址%MW7227～%MW7290,

64) IEC_BMD為PLC程序中具備復制功能的功能塊*)

65) IEC_BMDI(4,501,64,4,7227);

72) (*遙控量由SDX810寫至PLC地址%MW8002～%MW8033,通過PLC功能塊將%MW8002～%MW8033中值復制至%MW2443～%MW2475

73) IEC_BMD為PLC程序中具備復制功能的功能塊*)

74) IEC_BMDI(4,8002,32,4,2443);

75)

4 結 語

針對松江河發電廠的設備條件，以及原有的通信規約，基于IEC61850通信協議在水電站智能化中的特點，闡述了松江河發電廠監控系統的智能改造目的，即通過采用規約轉換裝置實現二次智能設備和智能化統一平臺的通信，并且將轉換后的站內庫仍然按傳統水電站模式，生成對應的遙測、遙信、遙控、遙調數據，以確保在61850過渡階段與傳統水電站站內設備的兼容性以及智能裝置之間的互操作性。

[1] IEC 61850-1. Communication Networks and Systems in Substations Part 1: Introduction and Overview[S].

[2] IEC 61850-7-4. Communication Networks and Systems in Substations Part 7-4: Basic Communication Structure for Substation and Feeder Equipment-Compatible Logical Node Classes and Data Classes[S].

[3] 韓桂芬，袁寧平．IEC61850與智能化水電站[J]．水電廠自動化，2011，32(1)：9-13. HAN Guifen, YUAN Ningping. IEC61850 and intelligent hydropower station[J]. Hydropower Plant Automation, 2011, 32(1): 9-13.

[4] 劉書玉，梁國才.智能水電站應用IEC61850標準的探討[C].全國水電廠自動化技術2012年度學術交流研討會. LIU Shuyu, LIANG Guocai. Discussion on IEC61850 standard applied in intelligent hydropower station[C]. The Annual Academic Symposium of Automation Technology of National Hydropower Plant in 2012.

(編輯 郭金光)

Intelligent supervisory system in power plant based on IEC61850 communication protocol

SONG Binbin1, ZHAO Yanqing2

(1. College of Chengxian, Southeast University, Nanjing 210032, China; 2. Guodian Nanjing Automation Co., Ltd., Nanjing 210032, China)

Introducing the IEC61850 communication protocol, this paper combines the IEC61850 communication protocol characteristics in intelligent of hydropower station to formulate the retrofit scheme of intelligent supervisory system of Songjianghe power plant. That means to convert communication protocol of unit LCU device to IEC61850 protocol through adding a protocol conversion device on the original LCU device and to get access to intelligent unified information platform. After the advancement, total station intelligent equipment will be in a unified, open data platform, which will achieve the digital communication between primary equipment and secondary intelligent electronic device of hydropower station, and interoperability between intelligent devices and keep compatible with traditional hydropower station equipments in IEC61850 transition phase.

IEC61850；communication protocol; intelligent power plant; supervisory system；protocol conversion device

2016-10-20；

2017-01-27。

宋彬彬(1983—)，女，碩士研究生，主要研究方向為電力系統及其自動化。

TV736

B

2095-6843(2017)02-0162-04