IEC 61850在水电站的探索与应用

李继业

（雅砻江流域水电开发两河口水力发电厂，四川 甘孜 627450）

目前智能变电站已广泛采用IEC 61850通信规约，智能变电站的建设的成功案例为IEC 61850在电力系统中的应用奠定了基础。近年来，随着大数据、物联网技术的不断成熟，智能电厂的建设势在必行。IEC 61850规范了设备、系统间的通信规约，减少了系统间不同的通信协议，打破接口壁垒，减少接口设备，使系统间数据采集具有了操作性。

水电站相对于变电站来说，对象的信息量巨大，数据类型多，对于通信的实时性要求严格，这就需要在网络架构和硬件配置上进行大量的优化。

1 网络架构

1.1 传统网络架构

传统水电站的网络架构是将所有的辅助控制系统信号通过硬接线与现地LCU相连，通过现地LCU的CPU处理后统一上送至监控系统，存在硬回路接线较多，部分线路过长干扰源多信号频繁跳变的，现地LCU作为一个小主站，控制对象多、判断流程多、信号处理负载量大运行周期长，一旦CPU故障或通信故障后将影响其所有连接设备的监控，不同厂商的设备通信协议不同，调试工作复杂工期长。

1.2 扁平化网络架构

智能水电站采用扁平化的网络架构（图1），将所有系统接入监控主网，均通过IEC 61850统一建模，通过网络通信的方式进行系统间的数据交换，辅助设备数据不经现地LCU直接送至监控系统，进而大大降低了CPU的负荷及内存使用率，辅助设备直接与上位机通信降低了对现地LCU的依赖程度，网络上的各系统之间可以互取数据而不要硬接线连接，扁平化的网络结构能够消除系统间的信息孤岛，实现数据共享，大大减少了硬接线的数量和传感器的重复配置，节约了资源，减少了后期维护量，提高了信号的品质。通信协议统一后设备可以即插即用，避免了繁杂的调试工作，提高设备平均无故障时间，为设备可靠运行提供了保证。上位机可以不通过现地LCU直接对各系统进行控制，提高了设备的响应速度。

图1 监控系统网络架构

2 整体设计

2.1 系统配置

场站层监控软件采用基于南瑞NC3.0开发的IMC平台，基于IMC平台的监控系统软件是具有跨平台能力、全面支持异构平台的多层分布式计算机监控系统软件，可以与使用IEC 61850协议的设备通过网络直接连接。

现地LCU和辅助控制系统采用施耐德M580系列PLC，在CPU槽架上配置支持IEC 61850协议的NOP通信模块，NOP模块通过背板与CPU通信并通过光纤连接至交换机，从而使PLC接入监控主网，部分系统的控制器模块本身支持IEC 61850协议，直接与监控主网进行连接。

2.2 基于IEC 61850建模及配置

将每个系统、设备全部的测点信息及控制量生成一个CID文件，CID文件中包括测点类别、测点名称、数据地址，在IMC平台的配置文件中增加IEC 61850协议模板，通过数据库中的驱动配置增加该对象的驱动，导入对象的CID文件模型解析后进行数据建模（图2），自动生成对象数据库，每个对象均要创建一个对应的驱动，数据库信号顺序按照驱动配置顺序进行排列。

图2 数据库建模

支持IEC 61850的系统作为服务端的同时可以作为客户端，当系统间需要数据互取时，将需要的测点单独生成一个CID文件，并将CID文件下载至需要获取数据的CPU中，PLC将模型数据信息与实际测点进行映射，客户端在需要数据时向服务端进行数据请求，服务端根据客户端的请求组织报文进行响应，取消了系统间的硬接线，提高了系统可靠性。

3 问题及解决思路

3.1 建模信号类别单一

水电站监控系统数据库中信号类别有开入量、开出量、SOE量、模入量、模出量、温度量、控制量，现在的CID文件类型只有模入量、SOE量、控制量、模出量，将温度量划分为模入量，将开入量、开出量划分为SOE量，对于机组LCU来说每一类信号的数量都非常多，再将不同类别的信号放在同一个组别下，为后期数据库维护增加了不少的工作量。

在生成的CID文件中没有定义相关的信号类别，而是将不同的信号类别定义为一类，导致模型导入数据库后不同类别的信号在同一树枝下，解决这个问题最根本的手段就是增加CID组态工具可生成的信号类别，或者在生成的CID文件中批量更改信号类别并在IMC的驱动配置工具中增加相应的识别程序，从而在建模时对不同类别的信号进行自动分类。

3.2 信息量不足

IEC 61850协议的应用实现了将系统及设备的所有信息上送，为大数据分析和智能电厂的建设提供了数据基础，但CID文件只包含了测点描述、类别和数据地址，数据库建模后只有对应信号的部分信息，其他配置信息需要人为手动逐一进行修改，数据库建立的工作量并未有显著的减少。

CID文件只包含信号的基本信息，CID组态工具的功能还不够强大，要减少数据库建模后的工作量就要增加CID的内容，同时优化IMC平台建模功能，在生成CID文件时人为增加信号要包含的信息，在数据库建模时自动识别匹配配置信息。

3.3 通信时延

在使用施耐德NOP模件作为通信接口的系统中，测试发现普通开关量上送延时3 s左右、SOE时间上送延时5 s左右、上位机下行命令存在丢失现象。试验发现NOP的通信时延较大、性能较差，不能满足监控系统功能要求。将NOP固件版本升级后，通信时延问题得到改善但未达到要求。

NOP模块优先处理Modbus TCP协议，后处理IEC 61850协议，Modbus读写数据量较大，会增加NOP的运行负载，避免同时使用Modbus TCP协议和IEC 61850协议，将部分使用Modbus TCP协议的设备通过其他接口接入，不再经过NOP读取数据。同时针对数据量大的系统将NOP模块的数量提高一倍，将数据通道拓宽并减少不重要的信号上送、延长周期上报数据周期等方法降低网络负载。通过一系列的改进措施，普通开关量的上送周期到达毫秒级、下行指令未丢失，但是同一模件中SOE动作，每点上送时间近300 ms，同一模件多点动作要依次上送，时间较长不满足实时性的要求。在满足监控系统实时性要求的情况下，实现大量数据上送就要使用高性能的NOP模件。

3.4 对象一对一建模

使用IEC 61850协议组网的系统都是一个独立的系统，均要在数据库中建立一对一的驱动，电站中同类的100多个小系统若需接入监控系统就要在数据库中建立100多个驱动，带来的是巨大的数据库维护量。

使用IEC 61850协议的系统只能单独建模，不能经交换机汇集后统一建模，若使用IEC 61850协议，可将多个系统接入一个支持IEC 61850协议的现地控制单元，经过现地控制单元汇集处理数据后建模上送监控系统；或者开发具有汇集多个系统数据后统一建模的通信管理装置实现多系统统一建模上送的功能。

4 结语

目前智能水电站的建设在探索中不断前进，该大型水电站在使用IEC 61850通信协议打造现代化智能水电站上做出了积极的探索和实践，为水电站智能化发展提供了有益的参考。