基于IEC61850的水電廠PLC冗余設備接入方法與實現

謝文君，郗發剛，宋美艷，陳映喜，歐 靖

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 210002；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214；3.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

IEC 61850標準是由國際電工委員會第57 技術委員會于2003 年頒布的，該標準使變電站中來自不同廠商的智能電子裝置（IED）實現了互操作。IEC 61850第二版將水電廠、分布式能源等納入到標準中，為此在IEC 61850-7-4的基礎上，補充了分別用于水電廠和分布式能源的信息建模規范文件，制定了相應的邏輯節點列表及定義。基于IEC61850 標準的水電廠信息模型的建立，是智能水電廠建設的核心技術之一。

大中型水電監控系統中對于通信網絡、PLC等均需要雙網雙套配置，設備和測點數量大，通信網絡復雜，這給站內監控系統的應用功能開發和通信穩定運行帶來了不小的挑戰。如何在保障系統穩定運行的情況下，簡化應用功能接口開發，是監控系統穩定運行的基礎保障。

本文研究了基于IEC61850的PLC冗余設備接入方法和實現技術，主要針對冗余數據的處理和接口簡化、冗余設備間的無縫切換實現切換延時最小化同時保證關鍵數據正確性、完整性及在線版本管控等關鍵技術。

1 基于通信鏈路管理的冗余數據處理

常規的IEC61850冗余設備接入方案，監控系統通信前置模塊作為客戶端接入所有IEC61850設備，對于互為主備的兩臺或多臺PLC設備，前置模塊獨立建模并接入所有設備，將所有數據解析后送到電力監控SCADA或其他應用模塊，由應用模塊實現對主備數據的冗余處理。在實現過程中，該方案存在以下問題：①將所有設備同時在監控系統內建模增大了監控系統的內存開銷，影響系統整體性能；②應用模塊通過主備設備的切換實現冗余數據的處理，增加了應用模塊開發的復雜性。為了解決以上問題，本文采用了基于通信鏈路管理的冗余數據處理策略，通過主備PLC的數據模型復用，將數據的冗余處理在通信環節實現。

1.1 主備冗余設備組態

為實現IEC61850數據接入，需要在水電監控系統前置通信模塊客戶端建立IEC61850模型及測點與模型映射關系，在PLC設備服務端建模階段，冗余PLC設備組的兩臺設備應采用相同的CID模型，在導入水電監控系統組態數據庫時，冗余設備組作為一臺服務端設備進行數據組態，每臺設備自身的IEDName和IP地址信息作為屬性配置在共享數據模型中。在監控系統應用功能模塊開發及監控系統畫面信息展示時，只需要從數據庫中讀取冗余設備組共享的唯一數據模型和測點信息，簡化了所有應用模塊功能開發。

1.2 通信模塊架構及數據處理

圖1為監控系統的IEC61850客戶端通信子系統架構圖，通信模塊由應用數據接口模塊、IEC61850通信模型、通信鏈路管理模塊等組成，圖中PLC設備A和PLC設備B為互為主備。在系統初始化階段，IEC61850數據處理模塊建立唯一的冗余設備A、B共享通信模型，通信鏈路管理模塊與主備設備均建立通信鏈路，冗余設備組的兩臺設備所有數據報文通過通信鏈路管理模塊進行冗余處理，經過冗余處理的唯一數據依據IEC61850模型數據進行解析，然后通過應用數據接口模塊與監控系統應用功能模塊交互數據。

1.3 通信鏈路管理策略

通信鏈路管理模塊管理IEC61850客戶端通信子系統與所有PLC設備的通信連接，在初始化階段根據冗余設備IP地址生成互為主備的冗余通信鏈路組，在主備鏈路切換過程中，如果重新進行IEC61850報告控制塊使能操作，會延長切換數據上送時間，且存在SOE數據丟失的風險，為縮短切換延時，并保證數據的正確性和完整性，所有設備間通信鏈路都建立應用層連接，接收并處理數據。互為主備的通信鏈路組在值班鏈路終端或者設備主備狀態發生改變時，通信鏈路管理模塊將進行冗余通信鏈路組間的主備切換。

2 冗余設備間的切換

通過通信鏈路管理模塊可以實現完整的冗余數據處理和主備切換功能，但是由監控系統對應用層網絡連接的判斷通常采用秒級的應用層報文作為心跳，針對設備或者網絡的異常需要秒級的延時才能完成切換。針對不同的設備故障狀態，為了實現更快的故障切換，需要從PLC設備上實現故障診斷和切換操作，并由PLC設備主動觸發主備切換。

為實現故障快速診斷，在冗余的設備A和B之間提供硬接線和點對點網絡連接，交互設備間的實時運行狀態，實現由設備端觸發的主備運行狀態信息上送。針對硬件故障、電路異常通過硬接線電源監測可以實現毫秒級的故障診斷；通過點對點的網絡通信心跳報文，在設備運行異常時可以實現幾十毫秒級的故障診斷。表1所示為不同故障狀態時的故障診斷方式和切換時間。

表1 故障切換方式和時間

在PLC的CID模型文本中對冗余PLC設備組的運行狀態建模，在PLC設備檢測到運行狀態變化時，通過變化觸發報告實時上送監控系統，監控系統對鏈路數據源實時切換，從而實現設備異常時毫秒級的切換。以下為PLC的CID模型文本中對冗余設備組的設備運行狀態建模：

…

…

為保證在切換過程中的數據正確性和完整性，需要對備用鏈路SOE數據進行緩存，緩存數據時長大于切換最大時長，在發生主備鏈路切換時，備用鏈路緩存數據通過緩存數據接口上送緩存SOE數據，與監控系統歷史數據進行比對，切換期間未正確上送的數據重新觸發告警并存入歷史庫，實現對數據的無縫記錄。

3 在線版本監測

冗余PLC設備組在監控系統上共享模型組態數據，在系統調試和運維過程中，應確認監控系統和冗余設備組的主備設備的IEC61850模型一致，在系統調試和運維的工程組態過程中，可能存在人為造成模型不一致的風險，因此實現對數據模型版本的在線監測是系統正確運行的保障。

為實現模型版本信息在線監測，需要在建模時在CID中生成對應的版本信息configRev，版本信息模型如下：

…

…

在監控系統導入模型CID文本時，解析configRev信息，記錄在對應設備數據庫版本信息屬性中；在水電監控系統IEC61850客戶端通信模塊與PLC設備建立應用層連接后，首先讀取configRev信息，與數據中版本信息進行比對，如版本信息不一致，通過告警窗提示版本不一致告警，并對存在版本不一致的鏈路數據丟棄處理。

4 結束語

水電廠智能化是未來水電廠管理提升的方向，隨著IEC61850在大中型水電站監控系統的廣泛應用，IEC61850建模、大容量數據處理、通信可靠性將是系統智能化發展的基礎。本文基于IEC61850的PLC冗余設備接入方法解決了冗余數據處理、故障設備數據無縫切換、在線版本監測等數據接入系列問題，提供了完整的解決方案，該方案已在某大型水電監控系統上實現并投入運行，取得了良好的效果，為水電監控系統的高效穩定運行提供了有力保障。