基于水電智能化現地控制單元的思考與探索

劉 宇

（1.五凌電力有限公司近尾洲水電廠，湖南 衡陽 421127；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

隨著水電智能化一體管控平臺的日趨成熟，以IEC 61850國際通信標準，利用平臺數據共享優勢、智能化輔控設備和元器件的長足發展，未來的監控系統控制單元一定會被通信接口設備所替代，既現地控制單元將會以通信單元形式存在，智能化元器件、開關、刀閘、輔控、勵磁、保護、調速器之間將會形成數據共享，由智能化一體管控平臺所管控，這將大大減化電纜的使用量，使設備維護、改造更為方便快捷。

但由于智能化元器件及輔控設備發展緩慢，加之各廠家技術壁壘仍然存在，PLC控制單元使用穩定，監控系統現地控制單元短時間還不能擺脫PLC控制器的使用，針對這種情況，部分廠家已著手利用實時以太網組網方式，運用IEC 61850通信協議將監控PLC、勵磁、保護、調速器有效聯系起來。

2 實時以太網融合應用于新型現地控制單元

隨著信息技術與運營技術的不斷融合，對于統一網絡架構的需求變得迫切。智能制造、工業物聯網、大數據的發展，都使得這一融合變得更為緊迫。而IT與OT對于通信的不同需求也導致了在很長一段時間，融合這兩個領域出現了很大的障礙：互聯網與信息化領域的數據需要更大的帶寬，而對于工業而言，實時性與確定性則是問題的關鍵。這些數據通常無法在同一網絡中傳輸。因此，尋找一個統一的解決方案已成為產業融合的必然需求。

時間敏感型網絡（timesensitive network，TSN）是目前國際產業界正在積極推動的全新工業通信技術。時間敏感型網絡允許周期性與非周期性數據在同一網絡中傳輸，使得標準以太網具有確定性傳輸的優勢，并通過廠商獨立的標準化進程，已成為廣泛聚焦的關鍵技術。目前，IEEE、IEC等組織均在制定基于TSN的工業應用網絡的底層互操作性標準與規范。

TSN有一個服務等級(class of service,CoS)的概念。對TSN網絡而言，不同優先級的服務對應了0（最低）～7(最高）這8個優先級，傳輸類型分別對應"基礎、最大努力、卓越努力、嚴苛應用、延時和抖動小于100 ms的視頻、延時和抖動小于10 ms的音頻、內部網絡控制、網絡控制"。可見，TSN以太網完全可以統一水電廠各網絡。

目前，在工業領域，包括Moxa、研華、貝加萊、三菱、西門子、施耐德、羅克韋爾等主流廠商已經推出其基于TSN的產品。貝加萊推出新的TSN交換機、PLC，而三菱則采用了TSN技術的伺服驅動器。未來，TSN將成為工業控制現場的主流總線。TSN的意義對于工業而言并非僅僅是實時性，而在于通過TSN實現了從控制到整個工廠的連接。TSN是IEEE的標準，更具有“中立性”，因而得到了廣泛的支持。未來，TSN將會成為工業通信的共同選擇。因此，應搭設設備間TSN環網，用于機組設備間各類控制信號的傳輸，也可傳輸非實時的設備狀態信息甚至機組視頻數據。

鑒于目前繼電保護和勵磁裝置廠商主要以IEC 61850 GOOSE/SV為通信協議，具有高實時性和高可靠的要求。IEC 61850標準是電力系統自動化領域全球唯一的通用標準。它通過標準的規定，實現了智能變電站的工程運作標準化。使得智能變電站的工程實施變得規范、統一和透明。不論是哪個系統集成商建立的智能變電站工程都可以通過SCD（系統配置）文件了解整個變電站的結構和布局，對于智能化變電站發展具有不可替代的作用。目前廠家的IEC 61850 GOOSE/SV協議均運行于專門開發的交換機上，還未測試運行于混合型TSN網絡的性能，因此，繼電保護和勵磁應搭設專門的星型GOOSE網。LCU內部IO通信具有高可靠要求，應按照設備廠商要求組件LCU內部IO環網。

3 機組設備間TSN環網設計

除了調速器、勵磁、LCU之間的控制令、關鍵狀態信號，其他數據均應接入機組設備間TSN環網。環網具有高速自愈的特性，千兆TSN環網可同時承載各種類型的應用。LCU、調速器、油壓裝置、漏油裝置、主供水閥控制柜之間的一般信息，均應接入該網，取代信號電纜，該網絡采用帶銅電源線的光纜組建，每個設備接入該網只需采用兩根光纜。

4 主控GOOSE環網設計和SV信號

機組搭建星型雙冗余GOOSE網，采用專門的交換機。繼電保護裝置、勵磁裝置、LCU、調速器接入此網，用于機組控制流程點量和信號的傳送。該網絡也應采用帶銅電源線的光纜組建，每個設備接入該網只用采用兩根光纜。機端和中性點智能終端采用點對點的方式將電流電壓SV數據送至繼電保護和勵磁裝置。

5 LCU內部IO環網設計

LCU內部PLC主機架和IO機架之間，按照設備廠家搭建專門的工業以太網，滿足高速高可靠的數據傳輸要求。該網絡也應采用帶銅電源線的光纜組建，每個設備接入該網只用采用兩根光纜。主控GOOSE環網，主要用來機組核心控制，傳輸核心控制令和控制信號，連接上邊的設備有LCU主控、發電機勵磁裝置、發電機保護裝置、調速器。對TSN環網，主要劃分為5個VLan，優先級0的VLan 2個（TSN01、TSN02），優先級為1的VLan 1個（TSN11），優 先 級 為2的VLan 1個（TSN21），優 先 級 為3的VLan 1個（TS31）。TSN01用 于ModBus/TCP控 制和信號傳輸。TSN02用于備用GOOSE，在主控GOOSE環網故障時候，將設備切至該網。TSN11、TSN21、TS31用于其他信息。

6 網絡設備配置

配置優化支持IEC 61850 GOOSE的交換機4臺，置于機組LCU柜、發電機勵磁柜、調速器柜、發電機保護柜，實現IEC 61850 GOOSE環網。用鎧裝網線或光纜連接LCU、調速器、勵磁裝置、發電機保護裝置。

發電機勵磁和保護裝置的SV信號采用機端/中性點-發電機保護/勵磁點對點方式實現IEC 61850 SV通信。設置發電機電壓電流采集合并單元，實現保護裝置和勵磁裝置電流電壓實時數字采集。配置優化支持IEC 61850 SV的交換機兩臺，置于發電機保護和機端中性點，作為擴展用途。

配置TSN交換機若干臺，實現通過機組TSN環網，將非電量模擬量、數字量與其他系統集成，同時互聯信息和必要的視頻信息。主要互聯的設備包括：壓油槽及控制系統、漏油箱及控制系統、主供水控制系統、機組監控LCU、保護裝置、勵磁裝置。

7 現地控制單元智能化改造

現地控制屏柜支持分布式、可擴展配置。采用PLC擴展機架方式實現分布式LCU。具體內容為：

（1）發電機層主控單元（含2號機現場網絡子系統）：集成有2號機匯聚交換機1臺。設備間TSN環網交換機1臺，分布式GOOSE環網交換機4臺。PLC主站和擴展機架1套，用于發電機層信號量采集。同時，配置水機后備保護、發電機自動準同期裝置1套、測速裝置及傳感器2套、手準單元1套。

（2）上導測控箱1面，用于上導自動化元件信號的接入。接入LCU內部RIO光纖環網。

圖1 系統拓撲圖

（3）風洞測控箱1面，用于風洞自動化元件信號的接入。

（4）水輪機層測控箱1面，用于水輪機層自動化元件信號接入。接入LCU內部RIO光纖環網。

（5）廠用室測控柜1面，配置RIO機架，配備交流采樣表、功率變送器等。接入LCU內部RIO光纖環網。廠用室測控柜內部主要功能單元布置如表1。

表1

（6）分布于各輔機柜的獨立DIO微型模塊5個，分別對壓油槽油位、漏油箱油位，頂蓋排水水位及報警等進行獨立測量。接入機組設備間TSN網。

8 結束語

水電智能化一體管控平臺下的新型現地控制單元建設沒有樣板可循，但匯聚了很多智慧化思路和方法，為今后水電智能化電廠現地控制單元的發展提供了新方案，必將推動今后智能化電廠建設朝著互聯、共享、簡約、安全的方向邁進，