冗余通信网络在水电站调速器中的应用

宋香杰，唐国平，雷凤玲

（中国长江电力股份有限公司葛洲坝电厂，湖北 宜昌443002）

调速器作为水电站设备的重要组成部分，在智能化和数字化的共同要求下，调速器运行信息的采集、控制信号的下发等有了更高的目标。更高目标的实现需要调速器设备的通信网络构架合理、通信过程快速可靠、控制逻辑准确无误，这样才能更好的实现机组的稳定安全高效运行[1]。本文以水电站新投运调速器的重要控制硬件、通信网络方案、与监控系统等外围设备的通信连接、SNTP对时等内容为重点，介绍了实际应用情况，为电站后续投运调速器通信网络的选型和优化打下基础。

1 重要控制硬件和网络拓扑结构

调速器运行信息数据是水电站整体运行信息数据的重要组成部分。水电站数据平台采用“三层两网”式结构设置，间隔层和过程层设备通过通信网络接入站控层MMS网，上送运行数据给站控层以及接受站控层的控制，组成电站的监控。站控层还负责沟通上级调度部门，完成电站的宏观调控[2]。调速器系统作为受控设备的重要部分之一，对于电站监控和调节很有意义，好的调速器系统通信网络对提高电站监控运行有很大意义。

水电站新投运调速器重要控制硬件见下页图1所示：调速器主要控制模件选用贝加莱公司生产的产品，其中控制器选用的是X20 CP0482，两套控制模件互为备用，每套控制器配置一套独立的IO模块，IO模块由模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出 、测频模块、通信模块、电源模块等组成。每套控制器与各自的IO模块之间采用底板连接，控制稳定性很高。模入模件采集有功功率、有功功率给定、导叶轮叶开度等模拟量；模出模件输出导叶、轮叶、导叶轮叶给定、有功功率、有功功率给定、转速等模拟量；开入模件采集开机令、合闸令、远方增减令、停机令、模式切换令等指令；开出模件输出调速器状态和故障，控制高速开关阀，提供回路控制用接点；测频模件采集机组频率、齿盘信号、电网频率信号；通信模件实现与监控系统、在线监测系统、调速器网关的通信连接；电源模件提供模件供电电源，实现与调速器触摸屏通信连接。

调速器配置的2套冗余控制器之间采用串口通信方式，2套控制器间同步通信（见图2），可以实现2套控制器间数据比较等功能。2套控制器之间可进行自动和手动切换，2套控制器之间的切换回路独立运行，手动切换简单可靠，自动切换逻辑清晰明了，切换可靠，运行过程中体现出很好的实用性和准确性。

通过IEC61850协议实现2套控制器与监控上位机之间的通信，实现方法为：采用2套网关服务器作为中间通信转换设备，IEC61850协议的转换和实现均在网关服务器中进行，从而实现与监控系统上位机的通信连接。每套控制器均通过串口与A/B两套网关服务器连接，A/B套网关与A/B套以太网交换机间用网线对应连接，可以看出，即使其中一路网关故障，也不会影响控制器与上位机网的通信（见图 3）。

图1 调速器重要控制硬件

图2 调速器A/B机同步通信

图3 调速器IEC61850通信

除了IEC61850通信之外，每套控制器均通过串口与LCU（现地控制单元）连接，其中主机作为通信主体，LCU通过串口采集调速器相应运行信息，此路通信信息最终通过LCU与上位机间的通信上送给监控上位机，实现上位机对调速器的数据采集和信息下发。每套控制器均通过串口与在线监测系统连接，其中主机作为通信主体，在线监测系统通过串口采集调速器相应运行信息，实现对调速器的在线监视。每套控制器均通过串口与调速器触摸屏连接，在触摸屏上可以显示两套控制器的运行信息，方便运行维护人员进行人机交互工作，在触摸屏上运维人员可以进行调速器运行状态查询和参数设置等常见工作（见图4）。

图4 调速器与LCU/在线监测/触摸屏通信

2 SNTP对时

调速器设备的对时功能十分重要，是处理设备故障、分辨故障类型、理清和推演故障发生过程的重要基础。设备重要的外部和内部信号产生状态变化时均应该有准确的时标信息记录，这样才能保证调速器设备事件记录的准确性和完整性。

SNTP是用于跨广域网或局域网同步时间的协议，具有较高的精确度，在智能电站的建设中应用广泛。SNTP作为一个简化了的网络传输协议（NTP）服务器和NTP客户端策略，它提供了全面访问国家时间和频率传播服务的机制，组织时间同步子网并且为参加子网的每一个地方时钟调整时间。精确度一般可达1～50 ms，精度的大小取决于同步源和网络路径等特性[3]。本文中调速器采用网络SNTP对时，两套控制器与时钟服务器之间通过交换机实现连接（见图5）。现场中SNTP服务器为时钟源，SNTP客户端为调速器控制器，这样由SNTP服务器提供时间信号，通过通信网络的传输，时间信号被调速器控制器接收，从而实现校正自身时间，达到与主时钟同步的目的。在实际调试过程中，调试操作简单，运行效果良好，很好的满足了调速器设备的对时需求。

图5 调速器对时通信

3 IEC61850

IEC61850是新一代变电站自动化系统的国际标准，采用面向对象技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口，大大增强了设备之间的相互操作性，可以实现不同厂家设备间的无缝连接，当前，国内外电力设备生产商都在围绕IEC61850开展研究和应用工作，期望实现更好的工业通信控制[4]。IEC61850在水电站监控系统中运用广泛，近年来，将IEC61850运用到调速器通信网络中的趋势越来越明显，随着智能化水电站的建设，IEC61850标准的使用范围会更加广泛。

本文中调速器通过两套网关服务器设备将调速器两套控制器与监控系统上位机连接起来（见图3），实现了将调速器运行信息上送给上位机，同时可以将上位机下发的信号（比如水头信号）传递给调速器控制器，实现了调速器控制器与监控系统上位机之间的直接通信。相比于其他通信方式，此种通信方式的数据信息通信量更大更有优势。在IEC61850应用中有关水电站的信息模型扩展的重点是水电站内部的水力发电厂组成部件和执行机构以及其相关系统之间的通信[5]。本文中调速器对IEC61850通信协议的应用正是对上述重点的支持和探索。

4 运行情况

目前，第一套调速器已完成投运，运行情况良好。调速器的自动开停机、增减负荷、甩负荷等功能运行良好，具有很高的运行稳定性和可靠性。调速器两套控制器与触摸屏间通信功能正常，人机交互功能强大，使用过程中无异常情况。调速器与监控系统上位机间61850通信运行良好，未出现过通信中断情况，通信数据显示正常。调速器与对时服务器间通信正常，调速器事件记录时标精度满足要求。调速器与现地LCU间通信正常。

5 结语

调速器是水电站控制设备的重要组成部分，水电站的智能化建设必定需要调速器更加的智能化和数字化。调速器的发展必须紧跟水电站发展的方向，不断进行技术的改进和创新，本文以新投运的调速器为例，阐述了调速器在硬件选择、网络通信设计、对时等方面的应用情况和运行情况，为将来更加智能化和数字化的水电站调速器应用和推广积累了经验。