宋彬彬， 趙延青

(1.東南大學(xué)成賢學(xué)院，南京 210032； 2.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210032)

基于IEC61850通信協(xié)議的電廠智能化監(jiān)控系統(tǒng)

宋彬彬1， 趙延青2

(1.東南大學(xué)成賢學(xué)院，南京 210032； 2.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210032)

介紹了IEC61850通信協(xié)議，并結(jié)合IEC61850通信協(xié)議在水電站智能化中的特點(diǎn)，制定了松江河發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)智能化改造方案，即在原有的LCU設(shè)備基礎(chǔ)上加裝規(guī)約轉(zhuǎn)換設(shè)備，將機(jī)組LCU設(shè)備通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為IEC61850協(xié)議，接入智能化統(tǒng)一信息平臺(tái)。經(jīng)改造后，全站智能化設(shè)備將處于一個(gè)統(tǒng)一、開(kāi)放的數(shù)據(jù)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了水電站一次設(shè)備和二次智能電子裝置的數(shù)字化通信，以及智能裝置之間的互操作，在IEC61850過(guò)渡階段且能夠保持與傳統(tǒng)水電站站內(nèi)設(shè)備兼容。

IEC61850；通信協(xié)議；智能化水電廠；監(jiān)控系統(tǒng)；規(guī)約轉(zhuǎn)換設(shè)備

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)供電可靠性及電能質(zhì)量的要求日益提高，智能電網(wǎng)已成為目前國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。中國(guó)自2011年始，要求所有新建變電站全面按照智能變電站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，對(duì)已建成的重點(diǎn)樞紐變電站及中心變電站逐步進(jìn)行智能化改造。水電站作為電網(wǎng)發(fā)電環(huán)節(jié)的重要組成部分，在智能電網(wǎng)規(guī)劃和發(fā)展的統(tǒng)一要求下，其智能化建設(shè)將是今后的發(fā)展方向和全新的目標(biāo)。智能水電站對(duì)于水電行業(yè)建設(shè)也將是一項(xiàng)刻不容緩的重要工作。

智能化水電廠是建立在集成、統(tǒng)一、可靠的軟硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)自動(dòng)獲得電站運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備狀況信息，采用可靠的控制方法、數(shù)據(jù)分析技術(shù)和智能化的決策支持技術(shù)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)水庫(kù)與機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高水電廠效率，實(shí)現(xiàn)效益最大化。因此，本文以松江河發(fā)電廠的設(shè)備條件，以及原有的通信規(guī)約為基礎(chǔ)，闡述了IEC61850通信協(xié)議在松江河水電廠智能化改造的結(jié)構(gòu)、功能和網(wǎng)絡(luò)接口上的應(yīng)用。

1 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

1.1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)背景

為了達(dá)到互操作、自由配置、變電站與電網(wǎng)相協(xié)調(diào)等目的，從20世紀(jì)90年代起，歐洲和美國(guó)同時(shí)開(kāi)展了統(tǒng)一遠(yuǎn)動(dòng)與變電站通信規(guī)范的研究工作。為了避免兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相互沖突，在IEEE和IEC的共同協(xié)調(diào)下，IEC決定以UCA2.0數(shù)據(jù)模型和服務(wù)為基礎(chǔ)，將UCA的研究結(jié)果納入IEC標(biāo)準(zhǔn)，建立世界范圍的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)IEC61850。

1.2 IEC61850協(xié)議的特點(diǎn)

1) 支持不同制造廠生產(chǎn)的智能電子設(shè)備(IEDs)互操作。

2) 支持不同制造廠生產(chǎn)的智能電子設(shè)備(IEDs)互換性，即無(wú)需改變系統(tǒng)中其他元件就能夠?qū)崿F(xiàn)不同制造廠供應(yīng)的設(shè)備之間相互替代的能力。

1.3 IEC61850協(xié)議組成

IEC61850是一個(gè)龐大的通信協(xié)議體系,主要包括系列文檔4 部分。

1) 系統(tǒng)部分。

2) 配置部分。

3) 數(shù)據(jù)模型、通信服務(wù)和映射部分。

4) 測(cè)試部分。

1.4 IEC61850協(xié)議在水電廠中的應(yīng)用

2007年8月IECTC57技術(shù)委員會(huì)第18工作組公布將IEC61850-7-410作為水電站智能化監(jiān)控的通信標(biāo)準(zhǔn), 其全稱為“電力系統(tǒng)自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)-水力發(fā)電廠監(jiān)控通信”。基于IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)建立全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)通信平臺(tái)被稱為智能化水電站信息平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)水電站內(nèi)一次設(shè)備和二次智能電子裝置的數(shù)字化通信, 確保智能裝置之間的互操作性。盡管水電廠設(shè)備與裝置分布的地理范圍較廣, 不同機(jī)組的采集與控制系統(tǒng)需要鋪設(shè)大量的電纜使之相互連接，但在水電廠采用IEC61850 通信技術(shù)后，通過(guò)信號(hào)的現(xiàn)地采集和光纖傳輸，便可以應(yīng)用少量的光纜取代大量的電纜，減少電纜的投資與鋪設(shè)電纜施工的成本，提高二次回路可靠性、經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)備使用效益。

2 松江河發(fā)電廠智能水電站

2.1 松江河發(fā)電廠概況

松江河梯級(jí)水電站，位于頭道松花江上游支流松江河和漫江上，梯級(jí)電站由小山、雙溝、石龍三座水電站和松山引水工程以及三道松江河引水工程(未建)五部分組成。梯級(jí)電站以發(fā)電為主，三座電站總裝機(jī)510 MW，年設(shè)計(jì)發(fā)電能力8.369億kW·h。松江河梯級(jí)水電站位置如圖1所示。

2.2 松江河水電廠原自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)

原水電站監(jiān)控系統(tǒng)的通信規(guī)約采用的是“面向點(diǎn)”的數(shù)據(jù)描述方法，難以實(shí)現(xiàn)“互操作”；數(shù)據(jù)平臺(tái)缺乏統(tǒng)一性，水電站各自動(dòng)化系統(tǒng)都要與其采集和控制的設(shè)備建立獨(dú)立的信息通道，自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集各自為陣，相互之間不進(jìn)行橫向數(shù)據(jù)交流；數(shù)據(jù)平臺(tái)缺乏開(kāi)放性，水電站各自動(dòng)化系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)之后，不能很好地提供給其他系統(tǒng)使用，數(shù)據(jù)無(wú)法充分共享；不易于系統(tǒng)擴(kuò)充。數(shù)據(jù)共享不充分的原因主要是當(dāng)前的通信規(guī)約缺乏開(kāi)放性，這是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。因此，建立一個(gè)統(tǒng)一的、開(kāi)放的數(shù)據(jù)平臺(tái)是十分必要的。

圖1 松江河發(fā)電廠電站位

3 松江河發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)智能化改造方案

松江河發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)智能改造的目的是建立與智能一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信，完成對(duì)被測(cè)控對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。以機(jī)組LCU為例，將水電站機(jī)組LCU數(shù)據(jù)接入規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置，使之轉(zhuǎn)換為IEC61850-MMS協(xié)議后，接入智能化統(tǒng)一信息平臺(tái)。接入的LCU數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)滿足IEC61850協(xié)議，實(shí)現(xiàn)各LCU和智能化統(tǒng)一平臺(tái)的通信，并且轉(zhuǎn)換后的站內(nèi)庫(kù)仍然按傳統(tǒng)水電站模式，生成對(duì)應(yīng)的遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)數(shù)據(jù)，以保持在61850過(guò)渡階段與傳統(tǒng)水電站站內(nèi)設(shè)備的兼容性。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，松江河梯級(jí)電站監(jiān)控系統(tǒng)的控制單元采用的是施奈德Quantum系列PLC，不具備IEC61850協(xié)議，需要轉(zhuǎn)換成IEC61850-MMS協(xié)議之后，方可接入智能化統(tǒng)一信息平臺(tái)。LCU網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改造方案如圖2所示。

圖2 LCU改造網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2中SDX810智能轉(zhuǎn)換設(shè)備為規(guī)約轉(zhuǎn)換設(shè)備，完成各LCU數(shù)據(jù)的IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)各LCU和智能化統(tǒng)一平臺(tái)的通信；黃色線代表原監(jiān)控系統(tǒng)I網(wǎng)交換機(jī)；紅色線代表原監(jiān)控系統(tǒng)II網(wǎng)交換機(jī)；梯調(diào)主交換機(jī)共有2臺(tái)。

3.2 功能設(shè)計(jì)

每套LCU增加一臺(tái)SDX810規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置，該裝置與PLC通信規(guī)約采用MODBUS/TCP/IP，同時(shí)和智能化統(tǒng)一信息平臺(tái)間采用IEC61850規(guī)約通信，實(shí)現(xiàn)各LCU PLC和智能化統(tǒng)一平臺(tái)之間IEC61850規(guī)約通信。

本次改造方案中PLC程序控制流程部分不做任何改動(dòng)，與原監(jiān)控系統(tǒng)通信接口部分除留有增加控制權(quán)切換外其他不做任何變動(dòng)。只是在原PLC程序上增加了與新梯調(diào)監(jiān)控的通信部分內(nèi)容。故原則上本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及廠內(nèi)試驗(yàn)不對(duì)流程過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)，而只對(duì)流程入口部分、與新增調(diào)度上/下行數(shù)據(jù)部分進(jìn)行檢驗(yàn)。

針對(duì)東北電網(wǎng)提出水電站IEC61850轉(zhuǎn)出方式，SDX810具備如下方式：

1)支持MODBUS /TCP/IP協(xié)議與現(xiàn)地PLC進(jìn)行通信連接，接入后的站內(nèi)庫(kù)仍然按傳統(tǒng)水電站模式，生成對(duì)應(yīng)的遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)數(shù)據(jù)。以保持在IEC61850過(guò)渡階段與傳統(tǒng)水電站站內(nèi)設(shè)備的兼容性。將接入的PLC設(shè)備按保信測(cè)站方式選擇配置，可整設(shè)備或分組、分點(diǎn)配置，配置完成后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將傳統(tǒng)的四遙信息，映射成為相關(guān)IEC61850的LD和LN格式，形成GGIO形式及公用LD格式，其實(shí)際原理及將規(guī)約轉(zhuǎn)換器(SDX810)模擬成為一臺(tái)裝置，將對(duì)下接入的所有裝置，如保護(hù)設(shè)備、PLC設(shè)備、其它智能設(shè)備通過(guò)內(nèi)部方式虛擬成為各個(gè)CPU，而各個(gè)CPU成為IEC61850模型ICD文件中的LD，如一臺(tái)PLC設(shè)備等同于一個(gè)CPU設(shè)備，一臺(tái)國(guó)電南自保護(hù)設(shè)備等同于另外一個(gè)CPU(國(guó)電南自裝置往往多CPU，但處理方式同樣，無(wú)非多幾個(gè)CPU,依次編號(hào))。

2)支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)系統(tǒng)建模和數(shù)據(jù)描述，能夠建立與智能一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信，完成對(duì)被測(cè)控對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。支持IEC61970標(biāo)準(zhǔn)建立面向?qū)ο蟮慕M件模型接口，實(shí)現(xiàn)與高級(jí)應(yīng)用以及外系統(tǒng)的實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)用集成。

3)支持采用Oracle、MySQL、SyBase、DB2等大型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行軟件平臺(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索與管理，實(shí)現(xiàn)商用數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的無(wú)縫連接，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)的性能。

4)支持J2EE架構(gòu)，由應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器、中間件、應(yīng)用組件構(gòu)成數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)。對(duì)外接口滿足IEC61970接口規(guī)范，支持基于簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議(簡(jiǎn)稱SOAP)的XML Web Service組件模型。支持Java技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

5)支持千兆以太網(wǎng)、多網(wǎng)等先進(jìn)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、傳輸和刷新，保障網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)和信息安全。

6)完成IED設(shè)備實(shí)例配置描述文件(CID文件)的制作工作，協(xié)助與統(tǒng)一信息平臺(tái)廠家完成系統(tǒng)整體參數(shù)化配置文件(SCD文件)的制作和備份工作。

整個(gè)系統(tǒng)的核心在于：首先保證傳統(tǒng)四遙數(shù)據(jù)的無(wú)縫接入，然后，通過(guò)規(guī)約轉(zhuǎn)換器配置將整個(gè)SDX810自描述為一臺(tái)站內(nèi)設(shè)備，生成相關(guān)ICD文件，將接入的設(shè)備虛擬成為L(zhǎng)D，測(cè)點(diǎn)組虛擬成為L(zhǎng)N，使得規(guī)約轉(zhuǎn)換設(shè)備同樣得到模型描述。

3.3 接口設(shè)計(jì)

每臺(tái)規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置SDX810配置有4個(gè)網(wǎng)口，其中2個(gè)網(wǎng)口作為與PLC的雙網(wǎng)通信，另外2個(gè)網(wǎng)口作為與智能化統(tǒng)一平臺(tái)IEC61850規(guī)約通信。SDX810裝置與QUANTUM PLC通信采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS/TCP/IP規(guī)約，以雙溝電站1號(hào)機(jī)組為例，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.4 將通信數(shù)據(jù)送至SDX810裝置的PLC程序

1)

2) (*給SDX810對(duì)時(shí)。寫(xiě)到time_sdx810結(jié)構(gòu)里，格式同SOE，地址為%mw7042*)

3) TIME_TEMP := BCD_TO_INT(SHR (AND (%SW50,16#FF00),8));

圖3 網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)圖

4) SECOND_TO_SDX810:= INT_TO_UINT(TIME_TEMP*1000);

6) time_sdx810.MS_LOW := UINT_TO_BYTE(SECOND_TO_SDX810 MOD 256);

7) time_sdx810.MS_HIGH := UINT_TO_BYTE(SECOND_TO_SDX810/256);

8) time_sdx810.MIN := INT_TO_BYTE(BCD_TO_INT(AND (%SW51,16#00FF)));

9) time_sdx810.HOUR := INT_TO_BYTE(BCD_TO_INT(SHR (AND (%SW51,16#FF00),8)));

10) time_sdx810.DAY := INT_TO_BYTE(BCD_TO_INT(AND (%SW52,16#00FF)));

11) time_sdx810.MON := INT_TO_BYTE(BCD_TO_INT(SHR (AND (%SW52,16#FF00),8)));

12) time_sdx810.YEAR := INT_TO_BYTE(SUB_INT(BCD_TO_INT (%SW53),2000));

33) (*SOE量上送至SDX810,將SOE量由原存放地址%MW391～%MW394復(fù)制到

34) 和SDX810通信協(xié)商好SOE量存放地址%MW7002～%MW7005,

35) IEC_BMD為PLC程序中具備復(fù)制功能的功能塊*)

36) IEC_BMDI(4,391,4,4,7002);

38) (*DI量上送至SDX810,將DI量由原存放地址%I1～%I288復(fù)制到

39) 和SDX810通信協(xié)商好DI量存放地址%MW7006～%MW7023,

40) COPY_AREBOOL_ARINT為PLC程序中具備復(fù)制功能的功能塊*)

41) SDX810_DI:=COPY_AREBOOL_ARINT (IN := %i1:288,

42) P1 := 0,

43) N := 288,

44) P2 := 0);

46) (*DO量上送至SDX810,將DO量由原存放地址%M1～%M128復(fù)制到

47) 和SDX810通信協(xié)商好DI量存放地址%MW7024～%MW7031,

48) COPY_AREBOOL_ARINT為PLC程序中具備復(fù)制功能的功能塊*)

49) SDX810_DO:=COPY_AREBOOL_ARINT (IN := %M1:128,

50) P1 := 0,

51) N := 128,

52) P2 := 0);

54) (*通信遙信量上送至SDX810,將通信遙信量由原存放地址%M1200～%M1296復(fù)制到

55) 和SDX810通信協(xié)商好DI量存放地址%MW7032～%MW7037,

56) COPY_AREBOOL_ARINT為PLC程序中具備復(fù)制功能的功能塊*)

57) SDX810_DICOM:=COPY_AREBOOL_ARINT (IN := %M1200:96,

58) P1 := 0,

59) N := 96,

60) P2 := 0);

62) (*模擬量上送至SDX810,將模擬量由原存放地址%MW501～%MW564復(fù)制到

63) 和SDX810通信協(xié)商好模擬量存放地址%MW7227～%MW7290,

64) IEC_BMD為PLC程序中具備復(fù)制功能的功能塊*)

65) IEC_BMDI(4,501,64,4,7227);

72) (*遙控量由SDX810寫(xiě)至PLC地址%MW8002～%MW8033,通過(guò)PLC功能塊將%MW8002～%MW8033中值復(fù)制至%MW2443～%MW2475

73) IEC_BMD為PLC程序中具備復(fù)制功能的功能塊*)

74) IEC_BMDI(4,8002,32,4,2443);

75)

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)松江河發(fā)電廠的設(shè)備條件，以及原有的通信規(guī)約，基于IEC61850通信協(xié)議在水電站智能化中的特點(diǎn)，闡述了松江河發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)的智能改造目的，即通過(guò)采用規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)二次智能設(shè)備和智能化統(tǒng)一平臺(tái)的通信，并且將轉(zhuǎn)換后的站內(nèi)庫(kù)仍然按傳統(tǒng)水電站模式，生成對(duì)應(yīng)的遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)數(shù)據(jù)，以確保在61850過(guò)渡階段與傳統(tǒng)水電站站內(nèi)設(shè)備的兼容性以及智能裝置之間的互操作性。

[1] IEC 61850-1. Communication Networks and Systems in Substations Part 1: Introduction and Overview[S].

[2] IEC 61850-7-4. Communication Networks and Systems in Substations Part 7-4: Basic Communication Structure for Substation and Feeder Equipment-Compatible Logical Node Classes and Data Classes[S].

[3] 韓桂芬，袁寧平．IEC61850與智能化水電站[J]．水電廠自動(dòng)化，2011，32(1)：9-13. HAN Guifen, YUAN Ningping. IEC61850 and intelligent hydropower station[J]. Hydropower Plant Automation, 2011, 32(1): 9-13.

[4] 劉書(shū)玉，梁國(guó)才.智能水電站應(yīng)用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的探討[C].全國(guó)水電廠自動(dòng)化技術(shù)2012年度學(xué)術(shù)交流研討會(huì). LIU Shuyu, LIANG Guocai. Discussion on IEC61850 standard applied in intelligent hydropower station[C]. The Annual Academic Symposium of Automation Technology of National Hydropower Plant in 2012.

(編輯 郭金光)

Intelligent supervisory system in power plant based on IEC61850 communication protocol

SONG Binbin1, ZHAO Yanqing2

(1. College of Chengxian, Southeast University, Nanjing 210032, China; 2. Guodian Nanjing Automation Co., Ltd., Nanjing 210032, China)

Introducing the IEC61850 communication protocol, this paper combines the IEC61850 communication protocol characteristics in intelligent of hydropower station to formulate the retrofit scheme of intelligent supervisory system of Songjianghe power plant. That means to convert communication protocol of unit LCU device to IEC61850 protocol through adding a protocol conversion device on the original LCU device and to get access to intelligent unified information platform. After the advancement, total station intelligent equipment will be in a unified, open data platform, which will achieve the digital communication between primary equipment and secondary intelligent electronic device of hydropower station, and interoperability between intelligent devices and keep compatible with traditional hydropower station equipments in IEC61850 transition phase.

IEC61850；communication protocol; intelligent power plant; supervisory system；protocol conversion device

2016-10-20；

2017-01-27。

宋彬彬(1983—)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。

TV736

B

2095-6843(2017)02-0162-04