淺析小型水電站電力通信自動化問題

曾正奎

（四川久隆水電開發(fā)有限公司，四川 雅安625400）

0 引言

隨著計算機通信技術的發(fā)展，水電廠各種儀表、設備和輔機系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化日趨完善，現(xiàn)地層設備的互聯(lián)方式也從以往的I/O通道發(fā)展到現(xiàn)在更多地采用通信方式互聯(lián)。近期，結(jié)合承擔的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)工程，對當前水電站數(shù)字化設備的通信運行狀況及特性進行了分析研究和總結(jié)，最終實現(xiàn)水電站電力通信自動化。

目前大中型水電站已普遍采用了計算機監(jiān)控技術，該技術是水電站綜合自動化技術的基礎。然而由于計算機監(jiān)控技術的實施需要一定的技術和資金的支持，小型水電站對該項技術的應用則剛剛起步[1]。因此，研究小型水電站電力通信自動化現(xiàn)狀問題具有超前意識，對之后通信自動化的發(fā)展有很強的指導意義。

1 現(xiàn)狀地層設備互聯(lián)通信方式

現(xiàn)地層設備的互聯(lián)通信可以增加數(shù)據(jù)采集的靈活性和數(shù)量、節(jié)省大量電纜、減少施工時間，目前常用的通信互聯(lián)方式包括串行通信、現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)通信方式。

1.1 串行通信接口

串行通信接口RS232/485/422是目前監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元與外圍系統(tǒng)和設備連接的主要通信接口方式。

除參與控制的設備需直接接入主PLC控制器外，監(jiān)控系統(tǒng)一般均通過配置通信工作站、嵌入式智能通信裝置、串口轉(zhuǎn)現(xiàn)場總線設備等，提供8～16個串行口接入現(xiàn)場串行通信設備，并通過網(wǎng)絡接口連接監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡。

目前，水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場設備通信時沒有統(tǒng)一的通信規(guī)約，由于各生產(chǎn)廠家的規(guī)約不同，在實際通信中很難做到標準化，工作量較大。

1.2 現(xiàn)場總線網(wǎng)

根據(jù)國際電工委員會(IEC)的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡，它的關鍵標志是能支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通信。

目前世界上存在著大約40余種現(xiàn)場總線，每種總線大都有其應用的領域，且其應用領域存在彼此滲透。

1.3 工業(yè)以太網(wǎng)

目前工業(yè)以太網(wǎng)還主要應用在監(jiān)控廠站層與現(xiàn)地層的互聯(lián)，而在現(xiàn)場設備互聯(lián)仍主要采用現(xiàn)場總線技術。隨著技術的發(fā)展，以太網(wǎng)技術正以其開放性以及性能和成本優(yōu)勢迅速地進入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級網(wǎng)絡?；谝蕴W(wǎng)的工業(yè)以太網(wǎng)總線目前已有ProfiNet、ModbusTCP、EthernetIP三種形式。

2 現(xiàn)狀運行情況分析

（1）監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)的接口和通訊監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器及勵磁系統(tǒng)的接口方式有兩種：常規(guī)接口方式和通訊接口方式。

常規(guī)接口方式，即通過I/O與現(xiàn)地控制單元LCU連接，通過開關量接點和模擬量信號監(jiān)視裝置的運行狀態(tài)，同時也通過開關量接點或模出信號對裝置進行操作和調(diào)節(jié)控制。通訊接口方式，由LCU通過串口通訊接口或現(xiàn)場總線與微機調(diào)速器、勵磁裝置通訊接口連接，監(jiān)視裝置的運行狀態(tài)，對裝置實施控制和完成功率調(diào)節(jié)。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)與交流采樣和電能量采集裝置的接口和通訊。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)與電能量采集裝置的接口目前也有兩種方式，一種是接點脈沖方式將電量信息接入現(xiàn)地控制單元，由監(jiān)控系統(tǒng)進行脈沖的累加統(tǒng)計；另一種是通過通訊的方式上傳電量數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等給監(jiān)控系統(tǒng)。

交流采樣和電能量采集裝置與監(jiān)控系統(tǒng)的接口通訊規(guī)約一般都支持Modbus規(guī)約，電能量采集裝置支持DL/T719-2000電力系統(tǒng)電能累計量傳輸配套標準和DL/T645-1997多功能電表通訊規(guī)約。交流采樣裝置支持現(xiàn)場總線通信，由于現(xiàn)場總線通信速率較快，可完全滿足水電廠機組實時控制的要求。

（3）監(jiān)控系統(tǒng)與微機保護、故障錄波裝置的接口和通訊。

監(jiān)控系統(tǒng)與微機保護、故障錄波裝置的接口目前也有兩種方式，一種是I/O開關接點方式將重要的信息接入監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元，另一種是通過通訊的方式上送更多的信息給監(jiān)控系統(tǒng)。

一般與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊接口是串行端口的，其規(guī)約是IEC60870-5-103，微機保護、故障錄波裝置的通訊接口，從目前已運行的水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的情況統(tǒng)計顯示，一般采用RS-232C或RS-485連接居多。

對于計算機監(jiān)控系統(tǒng)和電站的正常運行，除必要的事故和故障信號外，大量的裝置內(nèi)部信息對于電站的運行值班人員來說是不必要的，主要是電站保護專責及事故分析時使用。目前的發(fā)展趨勢，監(jiān)控系統(tǒng)與微機保護、故障錄波裝置等單獨組網(wǎng)，設置電站保護專責終端或保護管理機，通過數(shù)據(jù)交換服務器實現(xiàn)電站內(nèi)的信息共享。

3 電力通信自動化發(fā)展趨勢

計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)場總線主要是作為水電廠底層設備之間的通信網(wǎng)絡。由于行業(yè)應用的特點和歷史原因，在工業(yè)控制領域形成了多種現(xiàn)場總線共存的現(xiàn)實，由于現(xiàn)場總線目前種類繁多，標準不一，使其應用和推廣受到了影響。從現(xiàn)場總線技術本身來分析，它有兩個明顯的發(fā)展趨勢：

（1）尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標準；

（2）工業(yè)以太網(wǎng)走向工業(yè)控制網(wǎng)絡。

將來發(fā)展趨勢是，各種自動化元器件、各種執(zhí)行機構(gòu)通過現(xiàn)場總線（包括工業(yè)以太網(wǎng)總線）接入到控制系統(tǒng)中。在水電廠房的走線槽上只有少量的現(xiàn)場總線電纜、光纜。因為自動化元器件、執(zhí)行機構(gòu)、控制箱、接線盒就近布置在現(xiàn)場，中間通過現(xiàn)場總線連接，所需要電纜將會越來越少。現(xiàn)場總線技術在水電站監(jiān)控領域的廣泛應用體現(xiàn)了當前水電站數(shù)字化和智能化的發(fā)展方向。

近年來，工業(yè)以太網(wǎng)技術發(fā)展迅速，性能不斷提高、成本迅速降低，以太網(wǎng)技術有望介入設備低層，廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場總線技術，可是就目前而言，多種工業(yè)總線技術并存的現(xiàn)狀還會維持一段時間。大部分現(xiàn)場層設備互聯(lián)仍然會首選現(xiàn)場總線技術。

監(jiān)控系統(tǒng)的主輔一體化將是今后的發(fā)展趨勢，采用一體化設計，在產(chǎn)品性能、參數(shù)、布置、接線、控制策略上彼此銜接，主輔機控制系統(tǒng)選用同一現(xiàn)場總線，形成一個整體。輔機與主機監(jiān)控可以通過現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)交換，可以有效避免數(shù)據(jù)通信障礙，實現(xiàn)無縫的連接。輔機的信號就不必要通過電纜到主機監(jiān)控的LCU盤柜中，可以節(jié)省大量電纜費用及施工的費用，LCU盤柜的電纜數(shù)量也相應減少很多，維護量也減少很多。

總的來說，彼此數(shù)據(jù)相關性強、同步性、實時性要求高的應用情況宜用遠程IO方式較好。比如機組輔機，采用遠程IO較好。對于公用輔機，采用分布式IO較好，因為公用輔機彼此相關性很弱，而且要求彼此不相互影響為好。采用分布式IO既能滿足各自獨立，又具備數(shù)據(jù)交換性好的特點，是一種比較好的方式。對于一個實際水電廠，具體是采用LCU的遠程IO還是分布IO方式，選擇是相對的，需要根據(jù)實際情況經(jīng)過十幾年的探索總結(jié)，我們邊施工邊總結(jié)經(jīng)驗,最終在雜填土地基注漿法加固施工方面取得了一些成果。

4 結(jié)語

目前越來越多數(shù)字化和智能化設備在水電站的應用，水電站數(shù)字化設備互聯(lián)通信迅速增加，通信互聯(lián)也從串口通訊向現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)方向發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元呈現(xiàn)遠程分布與智能分布趨勢，有力地推動了我國監(jiān)控系統(tǒng)技術的發(fā)展與進步。

從現(xiàn)在來看，實現(xiàn)數(shù)字化水電站將是一個長期的過程，代表了未來發(fā)展的方向，我們應給與足夠的關注。

［1］張毅,李建輝.水電站通信運行狀況及特性分析研究[J].水電站機電技術,2010,10.

［2］小型水電站應用微機綜合自動化存在的問題[J].農(nóng)村電氣化,2000,11.

［3］肖賓.小型水電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)的探討[J].貴州水力發(fā)電,2001：61.