基于IEC-61850的數(shù)字化調(diào)速器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

李慧音，張世玲，戴 驅(qū)

（1.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明650051；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明650214）

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備的日新月異，變電站的數(shù)字化技術(shù)（滿足IEC-61850通信標(biāo)準(zhǔn)）已趨成熟，而水電站領(lǐng)域則暫未出現(xiàn)完整且成熟的數(shù)字化解決方案。本文參考數(shù)字化變電站的設(shè)計(jì)方案[1]，依據(jù)《DL/T 1547-2016智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則》，基于“一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，符合IEC-61850通信標(biāo)準(zhǔn)”的思路，將數(shù)字化水電站設(shè)計(jì)為“過(guò)程層”、“單元層”、“站控層”和過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)（GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)）、站控層網(wǎng)絡(luò)（MMS網(wǎng)）的3層2網(wǎng)結(jié)構(gòu)層次[2]（后文提及的數(shù)字化均以IEC-61850為基礎(chǔ)）。

水輪機(jī)調(diào)速器作為水電站的重要控制設(shè)備，位于數(shù)字化水電站的單元層[2]，其主要任務(wù)是根據(jù)負(fù)荷的改變，相應(yīng)改變水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)（導(dǎo)葉、槳葉或噴嘴）的開(kāi)度調(diào)節(jié)過(guò)機(jī)流量，以使水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速（或負(fù)荷）維持在某一預(yù)定值，或按某一預(yù)定的規(guī)律變化。由于水輪機(jī)調(diào)速器對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組安全、可靠運(yùn)行具有舉足輕重的作用，并直接影響著電力系統(tǒng)向用戶供電的質(zhì)量及可靠性，因此，水輪機(jī)調(diào)速器一直是電力系統(tǒng)自動(dòng)控制的重要組成部分。因現(xiàn)階段數(shù)字化變電站已有完整的解決方案，數(shù)字化水電站的關(guān)鍵在于調(diào)速器系統(tǒng)與勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，其他系統(tǒng)的方案可參考數(shù)字化變電站實(shí)施，經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外主流調(diào)速器系統(tǒng)廠家的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)因PLC/PCC技術(shù)發(fā)展的限制，暫無(wú)可全面支持IEC-61850標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，針對(duì)該現(xiàn)狀，本文提出了一種調(diào)速器系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方案，在數(shù)字化水電站的設(shè)計(jì)中具有重大的意義。

1 調(diào)速器數(shù)字化實(shí)施方案

與傳統(tǒng)水電站相比，數(shù)字化調(diào)速器系統(tǒng)位于中間層，該系統(tǒng)需通過(guò)MMS網(wǎng)連接上位機(jī)，通過(guò)SV網(wǎng)連接數(shù)字化互感器/合并單元，通過(guò)GOOSE網(wǎng)與過(guò)程層現(xiàn)地元件和中間層設(shè)備進(jìn)行連接，因此完全數(shù)字化的調(diào)速器需支持并適應(yīng)“兩網(wǎng)”站控層網(wǎng)（MMS網(wǎng)）及過(guò)程層網(wǎng)（GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)）的建設(shè)，全面融入IEC-61850通信標(biāo)準(zhǔn)體系，使“二量”（模擬量、開(kāi)關(guān)量）的傳輸以數(shù)字化的傳輸方式來(lái)進(jìn)行。

調(diào)速器系統(tǒng)的數(shù)字化主要分為3部分，詳見(jiàn)圖1。

（1）站控層的數(shù)字化：要求上位機(jī)滿足IEC-61850通信標(biāo)準(zhǔn)的要求，可通過(guò)MMS網(wǎng)與數(shù)字化調(diào)速器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（2）單元層的數(shù)字化：要求單元層設(shè)備即調(diào)速器實(shí)現(xiàn)與GOOSE、SV和MMS網(wǎng)的連接，現(xiàn)階段已有實(shí)現(xiàn)部分IEC-61850服務(wù)的調(diào)速器裝置，該裝置與上位機(jī)雙向數(shù)據(jù)交換的功能已實(shí)現(xiàn)，可支持MMS網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)；因當(dāng)前的調(diào)速器及PLC/PCC產(chǎn)品均不支持SV網(wǎng)，且僅有部分產(chǎn)品支持GOOSE網(wǎng)，如何實(shí)現(xiàn)與GOOSE網(wǎng)及與SV網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換是調(diào)速器系統(tǒng)數(shù)字化的難點(diǎn)。

（3）過(guò)程層的數(shù)字化：要求CT、PT及現(xiàn)地元件輸出的數(shù)據(jù)均數(shù)字化，CT、PT要求與合并單元相連接（電子式互感器通過(guò)光纜連接，電磁式互感器通過(guò)電纜連接），電流、電壓數(shù)據(jù)數(shù)字化后通過(guò)光纜與SV網(wǎng)交換機(jī)連接；現(xiàn)地元件則要求經(jīng)電纜連接至智能終端，將開(kāi)關(guān)量或模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并經(jīng)光纜傳輸至GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)交換機(jī)。

圖1 數(shù)字化調(diào)速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵點(diǎn)分析

建設(shè)數(shù)字化水電站的前提是所有設(shè)備的基本功能必須滿足要求。調(diào)速器作為水電站調(diào)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備，是一個(gè)對(duì)實(shí)時(shí)控制要求極為嚴(yán)格的系統(tǒng)[4]，數(shù)字化建設(shè)后，調(diào)速器的調(diào)節(jié)原理和控制方式未變，僅數(shù)據(jù)采集和輸出由原本的電纜傳輸改變?yōu)椴捎没贗EC-61850標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性將決定調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能。對(duì)互感器采樣數(shù)據(jù)的延時(shí)進(jìn)行有效、準(zhǔn)確的分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模擬量采樣數(shù)據(jù)的同步工作尤為重要。為論證調(diào)速器數(shù)字化的可行性，下文將對(duì)調(diào)速器的實(shí)時(shí)性和可靠性進(jìn)行分析。

調(diào)速器系統(tǒng)從MMS網(wǎng)上采集的數(shù)據(jù)為有功功率給定和水位信息，該部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性可滿足需求；部分開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)采集自GOOSE網(wǎng)，因GOOSE網(wǎng)快速響應(yīng)的特性，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r(shí)非常小，對(duì)調(diào)節(jié)性能也無(wú)影響；因此網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)性的瓶頸在于SV網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集，要求采樣的總延時(shí)盡可能短，而且要求延時(shí)盡可能的穩(wěn)定，不能跳變。

調(diào)速器對(duì)于互感器采樣數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇是一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。電流、電壓模擬量數(shù)據(jù)的傳輸方式是指電子式互感器采樣得到的數(shù)據(jù)通過(guò)合并單元上送至電站各不同數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采樣的方式，有組網(wǎng)模式（網(wǎng)采）和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式（直采）兩種。組網(wǎng)模式見(jiàn)圖2，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式見(jiàn)圖3。在數(shù)字化水電站中，電流、電壓互感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)包含3部分：①電子式互感器和合并單元等器件本身的延時(shí)，主要包含采樣延時(shí)（采樣、調(diào)節(jié)、A/D轉(zhuǎn)換等）、重采樣延時(shí)（合并單元將各個(gè)帶有時(shí)標(biāo)的不同時(shí)刻采集得到的信息量同步成同一時(shí)刻的信息量）、定時(shí)發(fā)送延時(shí)，這部分延時(shí)時(shí)間用t1表示；②數(shù)據(jù)傳輸方式所帶來(lái)的延時(shí)，用t2表示；③數(shù)據(jù)在傳輸媒介中傳輸所需的時(shí)間，用t3表示。從目前的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，第1部分和第3部分的延時(shí)比較確定，第1部分（電子互感器+合并單元）的延時(shí)基本穩(wěn)定在2 ms左右，第3部分的傳輸延時(shí)都是微秒級(jí)別（如按傳輸距離200 m來(lái)計(jì)算，傳輸耗時(shí)約1 μs），需要考慮的重點(diǎn)在于第2部分延時(shí)的確定。數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖2所示，為盡可能的保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，減少傳輸方式帶來(lái)的延時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)和提供該系統(tǒng)所需電流、電壓數(shù)據(jù)的合并單元應(yīng)連接至同一臺(tái)交換機(jī)。

圖2 數(shù)字化調(diào)速器系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸示意圖（組網(wǎng)模式）

圖3 數(shù)字化調(diào)速器系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸示意圖（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式）

若采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸模式，則合并單元輸出的數(shù)字量采樣值直接通過(guò)多根網(wǎng)線或是光纖送至各系統(tǒng)的采樣單元，該環(huán)節(jié)內(nèi)不經(jīng)過(guò)交換機(jī)，延時(shí)約為2 ms。當(dāng)采取組網(wǎng)模式時(shí)，合并單元輸出的數(shù)字量采樣值信號(hào)需經(jīng)過(guò)交換機(jī)共享至過(guò)程層總線，而這一過(guò)程會(huì)產(chǎn)生延時(shí)的不穩(wěn)定性，當(dāng)合并單元和調(diào)速器系統(tǒng)連接至同一個(gè)交換機(jī)且保證網(wǎng)絡(luò)帶寬合理（SV網(wǎng)上的數(shù)據(jù)量不存在故障情況下爆炸式增長(zhǎng)的情況），延時(shí)僅為交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間，t2為10μs，信號(hào)在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)間t3非常短，t2和t3可以忽略，僅考慮t1，延時(shí)約為2 ms。經(jīng)過(guò)比較可發(fā)現(xiàn)，合理的組網(wǎng)模式相比直采模式的延時(shí)并未有明顯增加，但組網(wǎng)模式下需配置的設(shè)備較少，接線更為簡(jiǎn)潔，資源可得到更為合理的配置和利用，數(shù)字化程度更高。

從上文分析可見(jiàn)，數(shù)字量采樣值經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r(shí)約為2 ms，傳統(tǒng)調(diào)速器系統(tǒng)中，互感器數(shù)據(jù)進(jìn)入功率變送器后經(jīng)處理傳輸至PLC/PCC，延時(shí)約為200～300 ms，因此網(wǎng)絡(luò)傳輸互感器數(shù)據(jù)不影響調(diào)速器系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。

傳統(tǒng)調(diào)速器系統(tǒng)功率變送器多為雙套配置，輸入為雙重化，但在同一時(shí)刻僅有1套PLC/PCC輸出數(shù)據(jù)，因此輸出為單套且只能采用單根電纜傳輸，在該電纜出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)調(diào)速器系統(tǒng)會(huì)癱瘓，其可靠性較低。數(shù)字化調(diào)速器系統(tǒng)的SV網(wǎng)采用雙網(wǎng)配置，PLC/PCC以及互感器均雙重化配置，輸出數(shù)據(jù)也連接至雙重化配置的網(wǎng)絡(luò)，可靠性高。

傳統(tǒng)調(diào)速器與數(shù)字化調(diào)速器的對(duì)比如表1所示。

表1 傳統(tǒng)調(diào)速器與數(shù)字化調(diào)速器對(duì)比

3 結(jié)論及展望

目前有部分調(diào)速器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的設(shè)備已具備了與站控層之間的MMS網(wǎng)通信能力，并且已經(jīng)在已投運(yùn)的電站中得到實(shí)踐檢驗(yàn)，但目前的數(shù)字化調(diào)速器還不具備支持過(guò)程層GOOSE/SV網(wǎng)通信功能，該功能需進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)方可實(shí)現(xiàn)。本文提出的方案在保證甚至提高調(diào)速器各方面性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)滿足IEC-61850通信標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化信息交互，減少了二次電纜的用量，簡(jiǎn)化了二次回路，抗干擾性能增強(qiáng)，為數(shù)字化水電站的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。