冗余通信網絡在水電站調速器中的應用

宋香杰，唐國平，雷鳳玲

（中國長江電力股份有限公司葛洲壩電廠，湖北 宜昌443002）

調速器作為水電站設備的重要組成部分，在智能化和數字化的共同要求下，調速器運行信息的采集、控制信號的下發等有了更高的目標。更高目標的實現需要調速器設備的通信網絡構架合理、通信過程快速可靠、控制邏輯準確無誤，這樣才能更好的實現機組的穩定安全高效運行[1]。本文以水電站新投運調速器的重要控制硬件、通信網絡方案、與監控系統等外圍設備的通信連接、SNTP對時等內容為重點，介紹了實際應用情況，為電站后續投運調速器通信網絡的選型和優化打下基礎。

1 重要控制硬件和網絡拓撲結構

調速器運行信息數據是水電站整體運行信息數據的重要組成部分。水電站數據平臺采用“三層兩網”式結構設置，間隔層和過程層設備通過通信網絡接入站控層MMS網，上送運行數據給站控層以及接受站控層的控制，組成電站的監控。站控層還負責溝通上級調度部門，完成電站的宏觀調控[2]。調速器系統作為受控設備的重要部分之一，對于電站監控和調節很有意義，好的調速器系統通信網絡對提高電站監控運行有很大意義。

水電站新投運調速器重要控制硬件見下頁圖1所示：調速器主要控制模件選用貝加萊公司生產的產品，其中控制器選用的是X20 CP0482，兩套控制模件互為備用，每套控制器配置一套獨立的IO模塊，IO模塊由模擬量輸入、模擬量輸出、開關量輸入、開關量輸出 、測頻模塊、通信模塊、電源模塊等組成。每套控制器與各自的IO模塊之間采用底板連接，控制穩定性很高。模入模件采集有功功率、有功功率給定、導葉輪葉開度等模擬量；模出模件輸出導葉、輪葉、導葉輪葉給定、有功功率、有功功率給定、轉速等模擬量；開入模件采集開機令、合閘令、遠方增減令、停機令、模式切換令等指令；開出模件輸出調速器狀態和故障，控制高速開關閥，提供回路控制用接點；測頻模件采集機組頻率、齒盤信號、電網頻率信號；通信模件實現與監控系統、在線監測系統、調速器網關的通信連接；電源模件提供模件供電電源，實現與調速器觸摸屏通信連接。

調速器配置的2套冗余控制器之間采用串口通信方式，2套控制器間同步通信（見圖2），可以實現2套控制器間數據比較等功能。2套控制器之間可進行自動和手動切換，2套控制器之間的切換回路獨立運行，手動切換簡單可靠，自動切換邏輯清晰明了，切換可靠，運行過程中體現出很好的實用性和準確性。

通過IEC61850協議實現2套控制器與監控上位機之間的通信，實現方法為：采用2套網關服務器作為中間通信轉換設備，IEC61850協議的轉換和實現均在網關服務器中進行，從而實現與監控系統上位機的通信連接。每套控制器均通過串口與A/B兩套網關服務器連接，A/B套網關與A/B套以太網交換機間用網線對應連接，可以看出，即使其中一路網關故障，也不會影響控制器與上位機網的通信（見圖 3）。

圖1 調速器重要控制硬件

圖2 調速器A/B機同步通信

圖3 調速器IEC61850通信

除了IEC61850通信之外，每套控制器均通過串口與LCU（現地控制單元）連接，其中主機作為通信主體，LCU通過串口采集調速器相應運行信息，此路通信信息最終通過LCU與上位機間的通信上送給監控上位機，實現上位機對調速器的數據采集和信息下發。每套控制器均通過串口與在線監測系統連接，其中主機作為通信主體，在線監測系統通過串口采集調速器相應運行信息，實現對調速器的在線監視。每套控制器均通過串口與調速器觸摸屏連接，在觸摸屏上可以顯示兩套控制器的運行信息，方便運行維護人員進行人機交互工作，在觸摸屏上運維人員可以進行調速器運行狀態查詢和參數設置等常見工作（見圖4）。

圖4 調速器與LCU/在線監測/觸摸屏通信

2 SNTP對時

調速器設備的對時功能十分重要，是處理設備故障、分辨故障類型、理清和推演故障發生過程的重要基礎。設備重要的外部和內部信號產生狀態變化時均應該有準確的時標信息記錄，這樣才能保證調速器設備事件記錄的準確性和完整性。

SNTP是用于跨廣域網或局域網同步時間的協議，具有較高的精確度，在智能電站的建設中應用廣泛。SNTP作為一個簡化了的網絡傳輸協議（NTP）服務器和NTP客戶端策略，它提供了全面訪問國家時間和頻率傳播服務的機制，組織時間同步子網并且為參加子網的每一個地方時鐘調整時間。精確度一般可達1～50 ms，精度的大小取決于同步源和網絡路徑等特性[3]。本文中調速器采用網絡SNTP對時，兩套控制器與時鐘服務器之間通過交換機實現連接（見圖5）。現場中SNTP服務器為時鐘源，SNTP客戶端為調速器控制器，這樣由SNTP服務器提供時間信號，通過通信網絡的傳輸，時間信號被調速器控制器接收，從而實現校正自身時間，達到與主時鐘同步的目的。在實際調試過程中，調試操作簡單，運行效果良好，很好的滿足了調速器設備的對時需求。

圖5 調速器對時通信

3 IEC61850

IEC61850是新一代變電站自動化系統的國際標準，采用面向對象技術和獨立于網絡結構的抽象通信服務接口，大大增強了設備之間的相互操作性，可以實現不同廠家設備間的無縫連接，當前，國內外電力設備生產商都在圍繞IEC61850開展研究和應用工作，期望實現更好的工業通信控制[4]。IEC61850在水電站監控系統中運用廣泛，近年來，將IEC61850運用到調速器通信網絡中的趨勢越來越明顯，隨著智能化水電站的建設，IEC61850標準的使用范圍會更加廣泛。

本文中調速器通過兩套網關服務器設備將調速器兩套控制器與監控系統上位機連接起來（見圖3），實現了將調速器運行信息上送給上位機，同時可以將上位機下發的信號（比如水頭信號）傳遞給調速器控制器，實現了調速器控制器與監控系統上位機之間的直接通信。相比于其他通信方式，此種通信方式的數據信息通信量更大更有優勢。在IEC61850應用中有關水電站的信息模型擴展的重點是水電站內部的水力發電廠組成部件和執行機構以及其相關系統之間的通信[5]。本文中調速器對IEC61850通信協議的應用正是對上述重點的支持和探索。

4 運行情況

目前，第一套調速器已完成投運，運行情況良好。調速器的自動開停機、增減負荷、甩負荷等功能運行良好，具有很高的運行穩定性和可靠性。調速器兩套控制器與觸摸屏間通信功能正常，人機交互功能強大，使用過程中無異常情況。調速器與監控系統上位機間61850通信運行良好，未出現過通信中斷情況，通信數據顯示正常。調速器與對時服務器間通信正常，調速器事件記錄時標精度滿足要求。調速器與現地LCU間通信正常。

5 結語

調速器是水電站控制設備的重要組成部分，水電站的智能化建設必定需要調速器更加的智能化和數字化。調速器的發展必須緊跟水電站發展的方向，不斷進行技術的改進和創新，本文以新投運的調速器為例，闡述了調速器在硬件選擇、網絡通信設計、對時等方面的應用情況和運行情況，為將來更加智能化和數字化的水電站調速器應用和推廣積累了經驗。