IEC 61850在水電站的探索與應用

李繼業(yè)

（雅礱江流域水電開發(fā)兩河口水力發(fā)電廠，四川 甘孜 627450）

目前智能變電站已廣泛采用IEC 61850通信規(guī)約，智能變電站的建設(shè)的成功案例為IEC 61850在電力系統(tǒng)中的應用奠定了基礎(chǔ)。近年來，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，智能電廠的建設(shè)勢在必行。IEC 61850規(guī)范了設(shè)備、系統(tǒng)間的通信規(guī)約，減少了系統(tǒng)間不同的通信協(xié)議，打破接口壁壘，減少接口設(shè)備，使系統(tǒng)間數(shù)據(jù)采集具有了操作性。

水電站相對于變電站來說，對象的信息量巨大，數(shù)據(jù)類型多，對于通信的實時性要求嚴格，這就需要在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和硬件配置上進行大量的優(yōu)化。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

傳統(tǒng)水電站的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是將所有的輔助控制系統(tǒng)信號通過硬接線與現(xiàn)地LCU相連，通過現(xiàn)地LCU的CPU處理后統(tǒng)一上送至監(jiān)控系統(tǒng)，存在硬回路接線較多，部分線路過長干擾源多信號頻繁跳變的，現(xiàn)地LCU作為一個小主站，控制對象多、判斷流程多、信號處理負載量大運行周期長，一旦CPU故障或通信故障后將影響其所有連接設(shè)備的監(jiān)控，不同廠商的設(shè)備通信協(xié)議不同，調(diào)試工作復雜工期長。

1.2 扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

智能水電站采用扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（圖1），將所有系統(tǒng)接入監(jiān)控主網(wǎng)，均通過IEC 61850統(tǒng)一建模，通過網(wǎng)絡(luò)通信的方式進行系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，輔助設(shè)備數(shù)據(jù)不經(jīng)現(xiàn)地LCU直接送至監(jiān)控系統(tǒng)，進而大大降低了CPU的負荷及內(nèi)存使用率，輔助設(shè)備直接與上位機通信降低了對現(xiàn)地LCU的依賴程度，網(wǎng)絡(luò)上的各系統(tǒng)之間可以互取數(shù)據(jù)而不要硬接線連接，扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠消除系統(tǒng)間的信息孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，大大減少了硬接線的數(shù)量和傳感器的重復配置，節(jié)約了資源，減少了后期維護量，提高了信號的品質(zhì)。通信協(xié)議統(tǒng)一后設(shè)備可以即插即用，避免了繁雜的調(diào)試工作，提高設(shè)備平均無故障時間，為設(shè)備可靠運行提供了保證。上位機可以不通過現(xiàn)地LCU直接對各系統(tǒng)進行控制，提高了設(shè)備的響應速度。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 整體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)配置

場站層監(jiān)控軟件采用基于南瑞NC3.0開發(fā)的IMC平臺，基于IMC平臺的監(jiān)控系統(tǒng)軟件是具有跨平臺能力、全面支持異構(gòu)平臺的多層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件，可以與使用IEC 61850協(xié)議的設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)直接連接。

現(xiàn)地LCU和輔助控制系統(tǒng)采用施耐德M580系列PLC，在CPU槽架上配置支持IEC 61850協(xié)議的NOP通信模塊，NOP模塊通過背板與CPU通信并通過光纖連接至交換機，從而使PLC接入監(jiān)控主網(wǎng)，部分系統(tǒng)的控制器模塊本身支持IEC 61850協(xié)議，直接與監(jiān)控主網(wǎng)進行連接。

2.2 基于IEC 61850建模及配置

將每個系統(tǒng)、設(shè)備全部的測點信息及控制量生成一個CID文件，CID文件中包括測點類別、測點名稱、數(shù)據(jù)地址，在IMC平臺的配置文件中增加IEC 61850協(xié)議模板，通過數(shù)據(jù)庫中的驅(qū)動配置增加該對象的驅(qū)動，導入對象的CID文件模型解析后進行數(shù)據(jù)建模（圖2），自動生成對象數(shù)據(jù)庫，每個對象均要創(chuàng)建一個對應的驅(qū)動，數(shù)據(jù)庫信號順序按照驅(qū)動配置順序進行排列。

圖2 數(shù)據(jù)庫建模

支持IEC 61850的系統(tǒng)作為服務端的同時可以作為客戶端，當系統(tǒng)間需要數(shù)據(jù)互取時，將需要的測點單獨生成一個CID文件，并將CID文件下載至需要獲取數(shù)據(jù)的CPU中，PLC將模型數(shù)據(jù)信息與實際測點進行映射，客戶端在需要數(shù)據(jù)時向服務端進行數(shù)據(jù)請求，服務端根據(jù)客戶端的請求組織報文進行響應，取消了系統(tǒng)間的硬接線，提高了系統(tǒng)可靠性。

3 問題及解決思路

3.1 建模信號類別單一

水電站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中信號類別有開入量、開出量、SOE量、模入量、模出量、溫度量、控制量，現(xiàn)在的CID文件類型只有模入量、SOE量、控制量、模出量，將溫度量劃分為模入量，將開入量、開出量劃分為SOE量，對于機組LCU來說每一類信號的數(shù)量都非常多，再將不同類別的信號放在同一個組別下，為后期數(shù)據(jù)庫維護增加了不少的工作量。

在生成的CID文件中沒有定義相關(guān)的信號類別，而是將不同的信號類別定義為一類，導致模型導入數(shù)據(jù)庫后不同類別的信號在同一樹枝下，解決這個問題最根本的手段就是增加CID組態(tài)工具可生成的信號類別，或者在生成的CID文件中批量更改信號類別并在IMC的驅(qū)動配置工具中增加相應的識別程序，從而在建模時對不同類別的信號進行自動分類。

3.2 信息量不足

IEC 61850協(xié)議的應用實現(xiàn)了將系統(tǒng)及設(shè)備的所有信息上送，為大數(shù)據(jù)分析和智能電廠的建設(shè)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，但CID文件只包含了測點描述、類別和數(shù)據(jù)地址，數(shù)據(jù)庫建模后只有對應信號的部分信息，其他配置信息需要人為手動逐一進行修改，數(shù)據(jù)庫建立的工作量并未有顯著的減少。

CID文件只包含信號的基本信息，CID組態(tài)工具的功能還不夠強大，要減少數(shù)據(jù)庫建模后的工作量就要增加CID的內(nèi)容，同時優(yōu)化IMC平臺建模功能，在生成CID文件時人為增加信號要包含的信息，在數(shù)據(jù)庫建模時自動識別匹配配置信息。

3.3 通信時延

在使用施耐德NOP模件作為通信接口的系統(tǒng)中，測試發(fā)現(xiàn)普通開關(guān)量上送延時3 s左右、SOE時間上送延時5 s左右、上位機下行命令存在丟失現(xiàn)象。試驗發(fā)現(xiàn)NOP的通信時延較大、性能較差，不能滿足監(jiān)控系統(tǒng)功能要求。將NOP固件版本升級后，通信時延問題得到改善但未達到要求。

NOP模塊優(yōu)先處理Modbus TCP協(xié)議，后處理IEC 61850協(xié)議，Modbus讀寫數(shù)據(jù)量較大，會增加NOP的運行負載，避免同時使用Modbus TCP協(xié)議和IEC 61850協(xié)議，將部分使用Modbus TCP協(xié)議的設(shè)備通過其他接口接入，不再經(jīng)過NOP讀取數(shù)據(jù)。同時針對數(shù)據(jù)量大的系統(tǒng)將NOP模塊的數(shù)量提高一倍，將數(shù)據(jù)通道拓寬并減少不重要的信號上送、延長周期上報數(shù)據(jù)周期等方法降低網(wǎng)絡(luò)負載。通過一系列的改進措施，普通開關(guān)量的上送周期到達毫秒級、下行指令未丟失，但是同一模件中SOE動作，每點上送時間近300 ms，同一模件多點動作要依次上送，時間較長不滿足實時性的要求。在滿足監(jiān)控系統(tǒng)實時性要求的情況下，實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)上送就要使用高性能的NOP模件。

3.4 對象一對一建模

使用IEC 61850協(xié)議組網(wǎng)的系統(tǒng)都是一個獨立的系統(tǒng)，均要在數(shù)據(jù)庫中建立一對一的驅(qū)動，電站中同類的100多個小系統(tǒng)若需接入監(jiān)控系統(tǒng)就要在數(shù)據(jù)庫中建立100多個驅(qū)動，帶來的是巨大的數(shù)據(jù)庫維護量。

使用IEC 61850協(xié)議的系統(tǒng)只能單獨建模，不能經(jīng)交換機匯集后統(tǒng)一建模，若使用IEC 61850協(xié)議，可將多個系統(tǒng)接入一個支持IEC 61850協(xié)議的現(xiàn)地控制單元，經(jīng)過現(xiàn)地控制單元匯集處理數(shù)據(jù)后建模上送監(jiān)控系統(tǒng)；或者開發(fā)具有匯集多個系統(tǒng)數(shù)據(jù)后統(tǒng)一建模的通信管理裝置實現(xiàn)多系統(tǒng)統(tǒng)一建模上送的功能。

4 結(jié)語

目前智能水電站的建設(shè)在探索中不斷前進，該大型水電站在使用IEC 61850通信協(xié)議打造現(xiàn)代化智能水電站上做出了積極的探索和實踐，為水電站智能化發(fā)展提供了有益的參考。