基于水电智能化现地控制单元的思考与探索

刘 宇

（1.五凌电力有限公司近尾洲水电厂，湖南 衡阳 421127；2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

1 引言

随着水电智能化一体管控平台的日趋成熟，以IEC 61850国际通信标准，利用平台数据共享优势、智能化辅控设备和元器件的长足发展，未来的监控系统控制单元一定会被通信接口设备所替代，既现地控制单元将会以通信单元形式存在，智能化元器件、开关、刀闸、辅控、励磁、保护、调速器之间将会形成数据共享，由智能化一体管控平台所管控，这将大大减化电缆的使用量，使设备维护、改造更为方便快捷。

但由于智能化元器件及辅控设备发展缓慢，加之各厂家技术壁垒仍然存在，PLC控制单元使用稳定，监控系统现地控制单元短时间还不能摆脱PLC控制器的使用，针对这种情况，部分厂家已着手利用实时以太网组网方式，运用IEC 61850通信协议将监控PLC、励磁、保护、调速器有效联系起来。

2 实时以太网融合应用于新型现地控制单元

随着信息技术与运营技术的不断融合，对于统一网络架构的需求变得迫切。智能制造、工业物联网、大数据的发展，都使得这一融合变得更为紧迫。而IT与OT对于通信的不同需求也导致了在很长一段时间，融合这两个领域出现了很大的障碍：互联网与信息化领域的数据需要更大的带宽，而对于工业而言，实时性与确定性则是问题的关键。这些数据通常无法在同一网络中传输。因此，寻找一个统一的解决方案已成为产业融合的必然需求。

时间敏感型网络（timesensitive network，TSN）是目前国际产业界正在积极推动的全新工业通信技术。时间敏感型网络允许周期性与非周期性数据在同一网络中传输，使得标准以太网具有确定性传输的优势，并通过厂商独立的标准化进程，已成为广泛聚焦的关键技术。目前，IEEE、IEC等组织均在制定基于TSN的工业应用网络的底层互操作性标准与规范。

TSN有一个服务等级(class of service,CoS)的概念。对TSN网络而言，不同优先级的服务对应了0（最低）～7(最高）这8个优先级，传输类型分别对应"基础、最大努力、卓越努力、严苛应用、延时和抖动小于100 ms的视频、延时和抖动小于10 ms的音频、内部网络控制、网络控制"。可见，TSN以太网完全可以统一水电厂各网络。

目前，在工业领域，包括Moxa、研华、贝加莱、三菱、西门子、施耐德、罗克韦尔等主流厂商已经推出其基于TSN的产品。贝加莱推出新的TSN交换机、PLC，而三菱则采用了TSN技术的伺服驱动器。未来，TSN将成为工业控制现场的主流总线。TSN的意义对于工业而言并非仅仅是实时性，而在于通过TSN实现了从控制到整个工厂的连接。TSN是IEEE的标准，更具有“中立性”，因而得到了广泛的支持。未来，TSN将会成为工业通信的共同选择。因此，应搭设设备间TSN环网，用于机组设备间各类控制信号的传输，也可传输非实时的设备状态信息甚至机组视频数据。

鉴于目前继电保护和励磁装置厂商主要以IEC 61850 GOOSE/SV为通信协议，具有高实时性和高可靠的要求。IEC 61850标准是电力系统自动化领域全球唯一的通用标准。它通过标准的规定，实现了智能变电站的工程运作标准化。使得智能变电站的工程实施变得规范、统一和透明。不论是哪个系统集成商建立的智能变电站工程都可以通过SCD（系统配置）文件了解整个变电站的结构和布局，对于智能化变电站发展具有不可替代的作用。目前厂家的IEC 61850 GOOSE/SV协议均运行于专门开发的交换机上，还未测试运行于混合型TSN网络的性能，因此，继电保护和励磁应搭设专门的星型GOOSE网。LCU内部IO通信具有高可靠要求，应按照设备厂商要求组件LCU内部IO环网。

3 机组设备间TSN环网设计

除了调速器、励磁、LCU之间的控制令、关键状态信号，其他数据均应接入机组设备间TSN环网。环网具有高速自愈的特性，千兆TSN环网可同时承载各种类型的应用。LCU、调速器、油压装置、漏油装置、主供水阀控制柜之间的一般信息，均应接入该网，取代信号电缆，该网络采用带铜电源线的光缆组建，每个设备接入该网只需采用两根光缆。

4 主控GOOSE环网设计和SV信号

机组搭建星型双冗余GOOSE网，采用专门的交换机。继电保护装置、励磁装置、LCU、调速器接入此网，用于机组控制流程点量和信号的传送。该网络也应采用带铜电源线的光缆组建，每个设备接入该网只用采用两根光缆。机端和中性点智能终端采用点对点的方式将电流电压SV数据送至继电保护和励磁装置。

5 LCU内部IO环网设计

LCU内部PLC主机架和IO机架之间，按照设备厂家搭建专门的工业以太网，满足高速高可靠的数据传输要求。该网络也应采用带铜电源线的光缆组建，每个设备接入该网只用采用两根光缆。主控GOOSE环网，主要用来机组核心控制，传输核心控制令和控制信号，连接上边的设备有LCU主控、发电机励磁装置、发电机保护装置、调速器。对TSN环网，主要划分为5个VLan，优先级0的VLan 2个（TSN01、TSN02），优先级为1的VLan 1个（TSN11），优 先 级 为2的VLan 1个（TSN21），优 先 级 为3的VLan 1个（TS31）。TSN01用 于ModBus/TCP控 制和信号传输。TSN02用于备用GOOSE，在主控GOOSE环网故障时候，将设备切至该网。TSN11、TSN21、TS31用于其他信息。

6 网络设备配置

配置优化支持IEC 61850 GOOSE的交换机4台，置于机组LCU柜、发电机励磁柜、调速器柜、发电机保护柜，实现IEC 61850 GOOSE环网。用铠装网线或光缆连接LCU、调速器、励磁装置、发电机保护装置。

发电机励磁和保护装置的SV信号采用机端/中性点-发电机保护/励磁点对点方式实现IEC 61850 SV通信。设置发电机电压电流采集合并单元，实现保护装置和励磁装置电流电压实时数字采集。配置优化支持IEC 61850 SV的交换机两台，置于发电机保护和机端中性点，作为扩展用途。

配置TSN交换机若干台，实现通过机组TSN环网，将非电量模拟量、数字量与其他系统集成，同时互联信息和必要的视频信息。主要互联的设备包括：压油槽及控制系统、漏油箱及控制系统、主供水控制系统、机组监控LCU、保护装置、励磁装置。

7 现地控制单元智能化改造

现地控制屏柜支持分布式、可扩展配置。采用PLC扩展机架方式实现分布式LCU。具体内容为：

（1）发电机层主控单元（含2号机现场网络子系统）：集成有2号机汇聚交换机1台。设备间TSN环网交换机1台，分布式GOOSE环网交换机4台。PLC主站和扩展机架1套，用于发电机层信号量采集。同时，配置水机后备保护、发电机自动准同期装置1套、测速装置及传感器2套、手准单元1套。

（2）上导测控箱1面，用于上导自动化元件信号的接入。接入LCU内部RIO光纤环网。

图1 系统拓扑图

（3）风洞测控箱1面，用于风洞自动化元件信号的接入。

（4）水轮机层测控箱1面，用于水轮机层自动化元件信号接入。接入LCU内部RIO光纤环网。

（5）厂用室测控柜1面，配置RIO机架，配备交流采样表、功率变送器等。接入LCU内部RIO光纤环网。厂用室测控柜内部主要功能单元布置如表1。

表1

（6）分布于各辅机柜的独立DIO微型模块5个，分别对压油槽油位、漏油箱油位，顶盖排水水位及报警等进行独立测量。接入机组设备间TSN网。

8 结束语

水电智能化一体管控平台下的新型现地控制单元建设没有样板可循，但汇聚了很多智慧化思路和方法，为今后水电智能化电厂现地控制单元的发展提供了新方案，必将推动今后智能化电厂建设朝着互联、共享、简约、安全的方向迈进，