贝加莱基于冗余网络通讯技术的智能化水轮机调速器设计

摘   要：网络化、智能化是将来水电站调速器发展的方向，本文从葛洲坝智能调速器的设计出发，给出了调速器在网络拓扑、硬件结构等方面的设计方案，阐述了调速器在网络通讯的冗余及可靠性方面的设计思路，提出了调速器的网络对时方案，介绍了采用IEC61850通讯的数据结构等。研究表明：新一代调速器解决了调速器和监控系统设备联接和系统联网问题，满足智能化水电站的建设要求，为今后智能水电站调速器的设计提供较高的参考价值。 关键词：智能化 网络通讯 冗余  IEC61850规约  网络对时   0、概述 当前，智能化水电站的建设方心未艾，代表电力工业将来的发展方向，而可靠的网络通信是智能化水电站建设基础。这就要求相应的电站基础设备调速系统具有高速可靠的通信网络，冗余可靠的设计，高级的控制策略以及方便灵活的通讯接口，实现发电厂机组的可靠、安全、经济运行[1]。然而目前国内已经投产和正在设计的调速器产品，大都没有意识到当前电网智能化环境的特殊要求，在以太网通讯接口、GPS对时、现场总线方面大多没有充分考虑[2]。 本文通过南瑞集团公司为三峡集团葛洲坝水电厂最新开发的基于X20 3586控制器的双冗余水轮机调速器，介绍了调速系统控制核心的硬件配置、网络冗余方案、与外部设备的通讯联络，网络对时方法等，为将来智能化水电厂调速器的设计和推广应用打下良好基础。 1、控制系统及网络结构  统一数据平台是智能水电站的一个基本特征。水电站现地级包括监控、调速器、励磁、辅机系统等不同设备。水电站目前的一体化平台将现地数据采集和测量按“过程层”、“间隔层”、“站控层”的结构层次布置，采用两层网络：站控层网采用MMS网、过程层网采用GOOSE网和SV网组成。全站网络采用高速光纤以太网组成[3]。 站控层由监控系统主机（操作员站）和智能设备接口机等构成， 智能设备接口机可将调速系统、监控LCU设备等接入站控层MMS网，监控系统，实现管理控制间隔层、过程层设备以及其它设备功能，形成全站监控、管理中心，并能与远方调度中心通信，通信标准符合 DL/T860（IEC61850）[3]。 考虑上述统一数据平台结构，我们设计的调速系统控制和通讯结构如下图1所示：首先调速系统的控制核心选用贝加莱公司最先进的X20CP3586控制器，两套控制系统冗余配置（见图中冗余X20控制器），配置相应的公用IO模块，该模块由模拟量输入（X20AI4622）/输出(X20AO4622)模块、开关量输入(X20DI9371)/输出(X20DO9322)模块、测频和脉冲输出模块（X20DS1319）、串行通信模块(X20IF1086)组成，模拟量输入模块完成调速系统有功功率、导叶桨叶开度、水头等模拟量采集；模出模块完成导叶、桨叶、转速等模拟量输出并上送监控；开关量输入则完成机组开机、停机、并网、负荷增减等指令，完成调速系统对机组的序列控制，开关量输出则完成调速器的状态和故障报警输出，供监控集中监视；测频模块完成机组转速、电网频率的采集，脉冲模块则完成调速器机械系统步进电机的控制。通讯模块则完成与监控、电站HOMIS系统的通讯。由此组成系统完成调速器的所有控制功能。 图1：调速系统控制和通讯冗余结构图 前面已经强调，网络通讯及其可靠性是智能化水电站建设的重要要求，我们在系统网络通讯上进行了详细设计，参见图1，首先两套控制器之间采用以太网POWERlink通讯方式，双机同步通讯，数据实时共享，一套系统故障（如断电、程序出错、模块故障）自动切换到另一套，无需人工干预。两套控制器和公用IO模块之间也采用以太网POWERlink通讯，谁为主机谁自动控制IO设备。两套控制器和监控上位机的通讯采用IEC61850协议接入MMS网，其方式为：采用贝加莱PC810工控机作为通讯网关设备，安装IEC61850转换协议实现与MMS网的通讯，以太网A和B通过通讯网关，分别连接到控制器1和2，这样任何1路网关故障或网络连接节点断开，均不影响控制器与MMS网的通讯，从而实现双网交叉冗余模式。另外，我们还设计了调速器和监控及HOMIS系统数据交换的备用通道，在IO模块上扩展了两个串行接口，可以实现与上述设备的实时通讯。这样即使网络完全中断，我们也可以采用备用通道与上位机交换数据，可见系统通讯的可靠性非常高。 此外，控制器和人机界面的通讯通过交换机采用以太网连接，采用贝加莱内部IMA协议，实时性和可靠性很高，除了普通的用户参数设置、信息显示功能外，还可以满足用户数据记录、存储、录波、事件登陆等高级功能。 通讯内容方面，目前监控系统可以下发功率设定值、水头、时钟等信息，可以实现调速系统的功率闭环控制、时钟校准等，调速器通过61850规约可以上送转速、导叶桨叶开度、机组有功、故障量、状态量等信息，在MMS网上可以实现共享，挂在网上的设备均可以实时获取。 2、IEC 61850网络通讯 IEC 61850标准由国际IEC委员会制定，它是在互操作性要求的基础上，主要考虑变电站内通信网络与系统的通信而建立的标准体系。当前, 国内外电力设备生产商都在围绕IEC 61850 开展研究和应用工作，并提出IEC 61850的发展方向是实现“即插即用”，在工业控制通信上最终实现“一个世界、一种技术、一个标准” [4]。 本项目采用贝加莱公司提供的PC810工控机和南瑞集团公司自主研发的IEC 61850通信软件系统，在葛洲坝新一代调速器上进行了应用。它采用分层分布式体系、面向对象的建模技术，使得数据对象的自描述成为可能。按照61850规约，我们建立了调速器功率控制、水位控制、开度控制逻辑节点，设计了功率给定、水头设定等数据模型，开发了调速器上送的转速、功率、导叶桨叶开度、故障量、状态量数据结构，对上述数组进行了描述，为调速器与电站监控系统的互操作和系统无缝集成提供了有效通道，实现了由传统通信协议向“IEC 61850标准”的转化升级，为未来全面实现智能化水电站系统奠定了技术基础。 3、网络对时  调速器的对时非常关键，内部及外部产生的重要信号变化都需要记录较精确的时钟信息，特别是当系统发生故障时，只有在统一精确的时钟系统的控制下才能准确地记录下事件动作的先后时间，从而为分析事故原因，事故类型，事故发生发展过程提供可靠依据。 现行的GPS卫星时钟同步系统支持硬对时（脉冲节点PPS、PPM、PPH）、软对时（串口报文）、编码对时（IRIG-B、DCF77）和网络NTP对时，可满足国内外不同设备的对时接口要求。网络对时是以通讯报文的方式实现的，这个时间是包括年、月、日、时、分、秒、毫秒在内的完整时间。由于网络对时实现起来比较方便，因此被广泛采用[5]。在本工程中调速器拟采用网络软对时的方式进行GPS对时。 GPS时钟源从GPS卫星上获取标准时钟信号信息，将这些信息在网络中传输，电站设置1台对时服务器，安装对时软件，调速器X20控制器和服务器进行物理以太网连接，将服务器时钟源作为SNTP服务器，调速器X20控制器作为SNTP客户端，作为SNTP服务器的GPS时钟源将时间信号在网络中传输，作为SNTP客户端的调速器控制器将接收时间信号，这样就可以使调速器与标准时间源同步。作为SNTP客户端的调速器通信协议可以通过在软件中调用相应的功能模块实现。 另外我们还考虑了对时备用通道，即通过监控上位机MMS网，可以下发时钟信息给调速器，包含年月日、时分秒，秒以下时间则可以通过调速器内部时钟获得（最小5毫秒）。 4、结语 智能化、数字化是将来水电站自动化发展的方向，调速器作为其中重要的组成部分，必须充分满足和适应当前技术发展的需要，本文从葛洲坝智能调速器的设计出发，提出了调速器在网络通讯、硬件结构、网络对时等方面的设计思路，新一代调速器将全面支持IEC 61850通讯协议体系，解决了调速器和监控系统设备联接和系统联网问题，满足智能化水电站的建设要求，为今后智能水电站调速器的设计提供较高的参考价值。 目前，葛洲坝电厂三套智能调速器已经完成了生产和制造，2014年2月底完成了用户的出厂验收，并已发往现场，即将开始安装调试，我们期待新一代调速器能顺利投运，为电站实现智能化打下良好基础。 参考文献 [1] 李朝晖等，水电机组数字化及其应用研究[C]，中国水力发电工程学会电力系统自动化专委会2007年年会暨学术交流会论文集，p134-137 [2] 蔡卫江等，数字化水电站中智能水轮机调速器的设计思路[J]，电气技术，2010年8月，P43-45。 [3] 张亚楠等，数字化变电站与水电站自动化系统[C]，2009中国水电控制设备论文集，P380-390。 [4] 陈安伟编，IEC61850在变电站中的工程应用[M]，中国电力出版社，2012年6月，P15-16。 [5] 胡巨等，SNTP对时方式在数字化变电站中应用[C]，电力自动化设备，2009年第3期，P24-26。 作者简介 蔡卫江（1970生），硕士，高级工程师，1992年参加工作，在国网电力科学研究院工作至今，主要从事水电站水轮机调速、自动化控制装置等的研究和设计工作。 贝加莱（B&R）工业自动化是一家全球性自动化领导厂商，专业致力于创新自动化前沿技术，总部位于奥地利，目前已在全球68个国家设立了分支机构，拥有166个办事处。“完美自动化”与“您的全球自动化合作伙伴”是贝加莱工业自动化的使命与追求。 1996年8月，贝加莱工业自动化（上海）有限公司正式落户中国上海，本地化的销售与精湛的技术队伍为中国客户带来更迅捷的服务响应。十几年来，贝加莱（中国）一直专注于为国内用户提供高品质的自动化全线产品和优秀的技术解决方案。现在，贝加莱的产品和方案已广泛应用于机械自动化领域，如包装、印刷、塑料、纺织、食品饮料、机床、半导体、制药等行业；以及过程自动化领域，如电力、冶金、市政、交通、石油、化工和水泥等行业。目前，贝加莱产品已通过ISO 9001、UL、TÜV、GOST-R等国际认证，产品质量、性能等受到了用户的普遍赞誉，赢得了信誉。如今，贝加莱（中国）已成立了北京、广州、济南、西安、成都和沈阳办事处，上海及各办事处建立了完备的技术培训中心，以及分布在全国的大学联合实验室。