智能水電廠現地設備研究與設計

[南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106]

0 引言

“建設以特高壓電網為主干網架，各級電網協調發展，具有信息化、自動化、互動化特征的堅強智能電網”是國家電網的發展戰略[1]。智能電網規劃了包括發電、輸電、變電、配電、用電、調度六個環節。智能水電廠是智能電網發電環節的重要組成部分，智能化是水電廠建設的必然趨勢。同時，《智能水電廠技術導則》推薦IEC61850成為水電廠智能化建設的通信標準IEC61850-7-410和IEC61850-7-510部分對水電廠建模及原理都進行了更詳盡的闡述。目前，國內水電廠進行智能化改造主要集中在廠站層的一體化軟件平臺，現地設備通過智能網關作為IED接入廠站層系統，實現了一種過渡方案，但影響了系統間數據采集和共享的實時性，影響了可靠性。因此，迫切需要研發智能水電廠現地設備，提高設備性能，降低設備成本，提升水電廠智能化水平。

1 現地設備

智能水電廠基于IEC61850標準從邏輯上分為廠站層、單元層和過程層[2]。廠站層主要由服務器、操作員站、工程師站和通信機等構成一體化管控平臺。單元層由若干個子系統組成，如現地控制單元、繼電保護系統、勵磁系統、調速系統、狀態監測系統等。過程層由電流互感器、電壓互感器、合并單元、智能終端、智能傳感器、變送器、閥門等構成，完成一次設備的信息采集及執行機構的驅動。

智能水電廠現地設備即為實現水電廠現地層各子系統功能的裝置。本文研究與設計的現地設備主要包括現地控制單元的主測控裝置及智能終端、智能同期裝置、智能交采測速裝置、智能調速器裝置等。

1.1 現地設備的功能

智能水電廠現地設備在被控對象附近布置，實現對被控對象的生產過程的監視，接收命令或根據預先設計的程序邏輯實現控制功能。

智能水電廠現地設備支持IEC61850通信，通過冗余的廠站層MMS網絡與一體化平臺通信，作為MMS服務端將遙信、遙測信息上傳給一體化平臺，并接收其下發的遙控、遙調命令，實現機組開停機、功率調節、斷路器分合、泵閥啟停等。

智能現地設備與智能終端，以及彼此之間通過過程層冗余GOOSE網通信，實現狀態采集與信息交互；通過過程層冗余SV網絡訂閱合并單元發布的電流、電壓信號，實現電氣量采集。

智能現地設備在智能水電廠中發揮著承上啟下的作用，根據水電廠計算機監控系統的安全和可靠性要求，即使廠站層一體化平臺退出運行，智能現地設備仍然可以保證水電廠正常生產，因此智能現地設備的重要性不言而喻。

智能水電廠現地設備的功能及通信結構示意如圖1所示。

圖1 智能水電廠現地設備通信結構Fig.1 Communication structure of local equipment in the smart hydropower station

1.2 相比常規水電廠現地設備的新特征

常規水電廠的自動化系統分為監控上位機和現地設備兩層，其中現地設備主要由監控LCU、勵磁、調速、保護等子系統的裝置組成。監控LCU采用PLC作為控制核心，通過以太網基于ModbusTCP協議與上位機系統通信，同時，通過硬接線或串口通信與勵磁、調速、保護裝置子系統間交互。監控LCU在現地設備中發揮通信中轉和協調者的角色。常規水電廠現地設備的系統結構如圖2所示。

相比常規水電廠，智能現地設備支持IEC61850通信，實現設備的網絡化；裝置間通過光纖通信，減少了開關量、模擬量信號處理模塊，節省信號電纜，避免長電纜引入的電磁干擾；現地設備通過SV通信訂閱合并單元電氣量采集信息，簡化裝置模擬量采集設計，同時可利用數字式光PT、CT，充分發揮其抗飽和的性能優勢。

圖2 常規水電廠現地設備系統結構Fig.2 System structure of local equipment in traditional hydropower station

智能現地設備基于IEC61850標準，實現統一建模、統一通信協議，解決常規水電廠通信協議眾多，協議轉換工作量大的問題，有利于實現不同子系統間的信息共享和互操作。

1.3 與智能變電站測控裝置的差異

智能變電站先于智能水電廠發展，測控裝置趨于成熟，對IEC61850通信支持程度高，但結合智能水電廠現地設備的需求，智能變電站的測控裝置無法替代智能水電廠現地設備。

首先，智能變電站測控裝置主要控制對象為變壓器、斷路器、隔離開關，被控對象行為一致性高，控制邏輯相對固定，而智能水電廠的主要被控對象為水輪機、發電機、輔助設備等，因水頭差異等因素導致機組、輔機較為多樣化，開停機、功率調節的控制邏輯差異性很大，無法采用幾種固定的程序實現，因此需要智能現地設備支持可編程，方便現場試驗，優化控制流程。

其次，不同的機組容量，其測點數量變化很大；不同的機組類型，相應的油、水、氣系統的測點類型存在較大差異。采用幾種典型裝置組合無法滿足要求，從而決定了智能水電廠現地設備的I/O需要可以靈活配置。

2 智能現地設備的需求及解決方案

通過上述分析，智能水電廠現地設備需要支持IEC61850通信、用戶二次編程開發、I/O測點靈活配置的功能。相對常規水電廠的現地設備，最為關鍵的需求是IEC61850通信和建模功能開發。

在智能水電廠改造的過渡方案中，采用PLC擴展IEC61850通信轉換模塊，但PLC最初設計并沒有考慮對IEC61850通信的支持，其背板總線的通信瓶頸限制了其通信的實時性，而規約轉換也降低了通信數據的處理效率。因此，需要全新的設計，優化對IEC61850通信的支持。

IEC61850標準將抽象通信服務接口（ACSI）定義的數據模型和服務模型通過特定通信服務映射（SCSM）對應到MMS、GOOSE、SV通信協議[3]。其中MMS基于TCP/IP協議棧，而GOOSE、SV實時性要求高，直接映射到以太網的數據鏈路層。如圖3所示。

圖3 IEC61850特定通訊服務映射Fig.3 Specific communication service mapping of IEC61850

2.1 MMS通信

MMS通信即制造報文規范（Manufacturing Message Specification），基于TCP/IP協議，采用客戶端/服務端通信機制，實現IEC61850標準的數據集、報告、日志、遙控、定值組、文件等服務功能。

為實現MMS通信，智能水電廠現地設備硬件上需要提供以太網接口，軟件上支持TCP/IP協議棧，提供文件系統。因此，硬件選擇相對成熟并在通信、電力行業廣泛應的PowerPC處理器，其提供豐富的通信接口，軟件基于嵌入式Linux操作系統的TCP/IP協議棧和文件系統進行MMS通信開發。

2.2 GOOSE、SV通信

GOOSE、SV采用訂閱者/發布者的通信機制，采用組播方式。GOOSE發送時間間隔不固定，數據發生變化，發送間隔就會設置為最小，接著發送間隔會逐漸增大，直到事件狀態穩定，GOOSE報文變為固定間隔重復發送。SV采用固定間隔實時傳輸三相電路、三相電壓數字采樣信息。針對每周波80點采樣，每秒鐘產生4000份SV報文。GOOSE、SV的共同特征就是短時間內會產生大量報文，對于不是自身訂閱的報文需要過濾，減輕裝置的CPU處理負擔。GOOSE、SV發布的報文中都有唯一的組播MAC地址、APPID信息，因此報文過濾可以基于MAC地址進行。

2.3 報文同步

智能水電廠現地設備需要采用不同合并單元的SV報文進行二次重采樣計算，進行同期合閘導前角判斷，因此SV報文的同步尤為重要。報文同步需要精準的時鐘對時處理，目前能夠提供對時精度在1μs以內的方法有IEC61588網絡對時、秒脈沖（1PPS）、IRIG-B碼[4]。其中IRIG-B碼是電力系統應用最為廣泛和成熟的對時方式，其基于實時硬脈沖信號，包含的時間信息較為豐富，是智能現地設備較好的報文同步方案。

3 智能現地設備的硬件設計

智能水電廠現地設備實現測控、同期、交采、測速、調速等功能，并支持IEC61850通信，雖然功能需求多樣，但經分析歸類，可以實現硬件通用平臺統一設計，通過軟件設計實現功能差異化。硬件功能采用模塊化設計，主要包括電源、CPU、通信處理、開關量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出等，根據功能需求進行模塊組合構成裝置機箱，并配以液晶顯示面板，展示裝置實時狀態，接收按鍵選擇操作。

其中CPU模塊主要運行智能現地裝置的功能，支持MMS、GOOSE、SV通信，通信處理模塊主要支持GOOSE、SV通信，兩者是智能現地設備中的重要部件，采用統一平臺設計，簡化硬件生產和維護。CPU模塊采用PowerPC處理器運行Linux操作系統，在其上實現智能現地設備的各種功能和MMS通信；采用FPGA設計通信協處理器，實現GOOSE訂閱/發布和SV訂閱，并解碼IRIG-B獲取對時脈沖信息，實現裝置對時。PowerPC處理器與FPGA協處理器之間通過雙端口RAM進行信息交互，相對通信接口信息吞吐量大，實時性更好。CPU模塊的結構如圖4所示。

圖4 CPU模塊結構示意Fig.4 Structure diagram of CPU module

3.1 主裝置與智能終端結合

由于水電廠機組差異，現地智能測控裝置的測點數量、類型變化較大，需要根據具體電廠進行I/O測點配置。為兼顧智能現地設備統一平臺與I/O測點靈活可配的需求，智能測控裝置采用主測控裝置與智能終端相結合的設計。

主測控裝置集成電源、CPU模件、液晶顯示，實現MMS、GOOSE通信和可編程邏輯運算功能，采用6U半寬機箱式設計；智能終端采用I/O模件背板安裝設計，I/O模件根據測點類型分為開關量輸入、SOE、開關量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出、溫度量采集等模件，可自由配置，每個模件單獨抗靜電塑料外殼封裝，便于配置安裝。主測控裝置與智能終端間基于通信模件實現GOOSE通信，不同的I/O模件配置，則相應的GOOSE模型文件隨之變化。系統結構設計如圖5所示。

3.2 基于FPGA的協處理器設計

GOOSE、SV網絡上同時存在大量并發報文，為了不接收非訂閱的報文，因此基于FPGA設計了MAC地址組播過濾模塊，一次提取多個訂閱報文，降低報文處理工作量，提高系統效率。通信協處理器選用FPGA，外擴電源、時鐘、Flash、DDR、PHY芯片構成，硬件結構如圖6所示。

圖5 主裝置與智能終端結合的系統結構Fig.5 The system structure of the combination of the master device and the intelligent terminal

圖6 FPGA協處理器硬件結構Fig.6 Hardware structure of FPGA coprocessor

FPGA可處理GOOSE、SV報文的接收、發送程序，并設計2個以太網控制器EMAC。每個EMAC由PHY數據交互控制、發送幀組織、接收幀CRC校驗及數據濾出、緩存流量控制4個功能模塊組成。FPGA內部功能模塊如圖7所示。

圖7 FPGA內部功能模塊Fig.7 FPGA internal function module

4 智能現地設備的軟件設計

智能現地設備的軟件設計采用嵌入式固件與配置調試軟件相分離，嵌入式軟件主要實現各裝置的功能、IEC61850通信、液晶顯示，配置調試軟件主要實現IEC61850基于XML語言建模、I/O模件配置、系統參數組態、基于IEC61131-3標準的邏輯編程開發與調試。

嵌入式軟件中GOOSE、SV、內部高速總線通信運行在FPGA，無操作系統，其通過雙端口RAM與PowerPC交互。液晶顯示與按鍵響應運行在液晶模塊，通過串口與PowerPC通信。運行在PowerPC上的嵌入式軟件是智能水電廠現地設備的主要功能，基于嵌入式Linux操作系統開發，針對硬件通用平臺提供統一的驅動管理，不同裝置的功能差異則由應用層不同的線程模塊來組合實現，從而實現嵌入式軟件的統一設計。

例如智能主測控裝置，主要實現MMS通信、GOOSE通信、以太網通信、梯形圖/流程圖編程、自診斷、雙機熱備冗余等功能，通過上述嵌入式軟件應用層模塊的組合即可實現。

圖8 軟件設計總體架構Fig.8 The overall structure of software design

配置調試軟件運行與PC機，實現可視化的IEC61850面向對象建模，模型解析、梯形圖/流程圖編程，導出相應的可執行文件下載至CPU模件的Flash中，由Linux文件系統加載運行。

智能現地裝置的軟件設計總體架構示意如圖8所示。

5 結束語

智能水電廠現地設備開發是智能水電廠建設不可逾越的一個重要環節。本文對智能水電廠現地設備進行了研究和分析，結合其需求特征和常規水電廠計算機監控系統研發、應用經驗，對現地智能設備進行設計，并通過智能主測控裝置、智能終端、智能同期裝置、智能交采測速裝置、智能調速器裝置等的開發和試驗，驗證了設計方案的可行性和先進性，為智能現地設備的發展提供一種思路和借鑒。

[1] 王益民.堅強智能電網技術標準體系研究框架[J].電力系統自動化，2010，34（22）：1-6.WANG Yiming. Research framework of strong smart grid technology standard system [J].Automation of Electric Power Systems，2010，34（22）：1-6.

[2] DL/T 1547—2016 智能水電廠技術導則[S].北京：中國電力出版社，2016.DL/T 1547-2016. Technical guide for smart hydropower plant[S].Beijing：China electric power press，2016.

[3] DL/T 860.81—2006 變電站通信網絡和系統第8-1部分：特定通信服務映射（SCSM）對MMS（ISO 9506-1和ISO 9506-2）及ISO/IEC 8802-3的映射[S].北京：中國電力出版社，2006.DL/T 860.81-2006. Communication networks and systems in substations – Part 8-1：Specific Communication Service Mapping（SCSM）– mapping to MMS（ISO 9506-1 and ISO9506-2）and to ISO/IEC 8802-3[S].Beijing ：China electric power press，2016.

[4] 姜雷，鄭玉平，艾淑云，等.基于合并單元裝置的高精度時鐘同步技術方案[J].電力系統自動化，2014，38（14）：90-94.JIANG Lei，ZHENG Yu ping，AI Shuyun et al. A highly accurate time synchronization technology scheme based on merging uint[J].Automation of Electric Power Systems，2014，38（14）：90-94.