宋彬彬， 赵延青

(1.东南大学成贤学院，南京 210032； 2.国电南京自动化股份有限公司，南京 210032)

基于IEC61850通信协议的电厂智能化监控系统

宋彬彬1， 赵延青2

(1.东南大学成贤学院，南京 210032； 2.国电南京自动化股份有限公司，南京 210032)

介绍了IEC61850通信协议，并结合IEC61850通信协议在水电站智能化中的特点，制定了松江河发电厂监控系统智能化改造方案，即在原有的LCU设备基础上加装规约转换设备，将机组LCU设备通信协议转换为IEC61850协议，接入智能化统一信息平台。经改造后，全站智能化设备将处于一个统一、开放的数据平台上，实现了水电站一次设备和二次智能电子装置的数字化通信，以及智能装置之间的互操作，在IEC61850过渡阶段且能够保持与传统水电站站内设备兼容。

IEC61850；通信协议；智能化水电厂；监控系统；规约转换设备

随着经济的发展，对供电可靠性及电能质量的要求日益提高，智能电网已成为目前国内外电网发展的趋势。中国自2011年始，要求所有新建变电站全面按照智能变电站技术标准建设，对已建成的重点枢纽变电站及中心变电站逐步进行智能化改造。水电站作为电网发电环节的重要组成部分，在智能电网规划和发展的统一要求下，其智能化建设将是今后的发展方向和全新的目标。智能水电站对于水电行业建设也将是一项刻不容缓的重要工作。

智能化水电厂是建立在集成、统一、可靠的软硬件平台基础上，通过应用先进的传感和测量技术自动获得电站运行状态和设备状况信息，采用可靠的控制方法、数据分析技术和智能化的决策支持技术，用来实现水库与机组的安全经济运行，提高水电厂效率，实现效益最大化。因此，本文以松江河发电厂的设备条件，以及原有的通信规约为基础，阐述了IEC61850通信协议在松江河水电厂智能化改造的结构、功能和网络接口上的应用。

1 IEC61850 标准简介

1.1 IEC61850标准背景

为了达到互操作、自由配置、变电站与电网相协调等目的，从20世纪90年代起，欧洲和美国同时开展了统一远动与变电站通信规范的研究工作。为了避免两个标准相互冲突，在IEEE和IEC的共同协调下，IEC决定以UCA2.0数据模型和服务为基础，将UCA的研究结果纳入IEC标准，建立世界范围的统一标准IEC61850。

1.2 IEC61850协议的特点

1) 支持不同制造厂生产的智能电子设备(IEDs)互操作。

2) 支持不同制造厂生产的智能电子设备(IEDs)互换性，即无需改变系统中其他元件就能够实现不同制造厂供应的设备之间相互替代的能力。

1.3 IEC61850协议组成

IEC61850是一个庞大的通信协议体系,主要包括系列文档4 部分。

1) 系统部分。

2) 配置部分。

3) 数据模型、通信服务和映射部分。

4) 测试部分。

1.4 IEC61850协议在水电厂中的应用

2007年8月IECTC57技术委员会第18工作组公布将IEC61850-7-410作为水电站智能化监控的通信标准, 其全称为“电力系统自动化通信网络和系统-水力发电厂监控通信”。基于IEC61850 标准建立全站统一的数据模型和数据通信平台被称为智能化水电站信息平台，可以实现水电站内一次设备和二次智能电子装置的数字化通信, 确保智能装置之间的互操作性。尽管水电厂设备与装置分布的地理范围较广, 不同机组的采集与控制系统需要铺设大量的电缆使之相互连接，但在水电厂采用IEC61850 通信技术后，通过信号的现地采集和光纤传输，便可以应用少量的光缆取代大量的电缆，减少电缆的投资与铺设电缆施工的成本，提高二次回路可靠性、经济效益和设备使用效益。

2 松江河发电厂智能水电站

2.1 松江河发电厂概况

松江河梯级水电站，位于头道松花江上游支流松江河和漫江上，梯级电站由小山、双沟、石龙三座水电站和松山引水工程以及三道松江河引水工程(未建)五部分组成。梯级电站以发电为主，三座电站总装机510 MW，年设计发电能力8.369亿kW·h。松江河梯级水电站位置如图1所示。

2.2 松江河水电厂原自动控制系统数据平台

原水电站监控系统的通信规约采用的是“面向点”的数据描述方法，难以实现“互操作”；数据平台缺乏统一性，水电站各自动化系统都要与其采集和控制的设备建立独立的信息通道，自动化系统的数据采集各自为阵，相互之间不进行横向数据交流；数据平台缺乏开放性，水电站各自动化系统采集数据之后，不能很好地提供给其他系统使用，数据无法充分共享；不易于系统扩充。数据共享不充分的原因主要是当前的通信规约缺乏开放性，这是问题的关键所在。因此，建立一个统一的、开放的数据平台是十分必要的。

图1 松江河发电厂电站位

3 松江河发电厂监控系统智能化改造方案

松江河发电厂监控系统智能改造的目的是建立与智能一次设备和网络化二次设备的网络通信，完成对被测控对象的实时监视和控制。以机组LCU为例，将水电站机组LCU数据接入规约转换装置，使之转换为IEC61850-MMS协议后，接入智能化统一信息平台。接入的LCU数据经转换后数据满足IEC61850协议，实现各LCU和智能化统一平台的通信，并且转换后的站内库仍然按传统水电站模式，生成对应的遥测、遥信、遥控、遥调数据，以保持在61850过渡阶段与传统水电站站内设备的兼容性。

3.1 结构设计

目前，松江河梯级电站监控系统的控制单元采用的是施奈德Quantum系列PLC，不具备IEC61850协议，需要转换成IEC61850-MMS协议之后，方可接入智能化统一信息平台。LCU网络结构改造方案如图2所示。

图2 LCU改造网络结构

图2中SDX810智能转换设备为规约转换设备，完成各LCU数据的IEC61850规约转换，实现各LCU和智能化统一平台的通信；黄色线代表原监控系统I网交换机；红色线代表原监控系统II网交换机；梯调主交换机共有2台。

3.2 功能设计

每套LCU增加一台SDX810规约转换装置，该装置与PLC通信规约采用MODBUS/TCP/IP，同时和智能化统一信息平台间采用IEC61850规约通信，实现各LCU PLC和智能化统一平台之间IEC61850规约通信。

本次改造方案中PLC程序控制流程部分不做任何改动，与原监控系统通信接口部分除留有增加控制权切换外其他不做任何变动。只是在原PLC程序上增加了与新梯调监控的通信部分内容。故原则上本次现场试验及厂内试验不对流程过程进行检验，而只对流程入口部分、与新增调度上/下行数据部分进行检验。

针对东北电网提出水电站IEC61850转出方式，SDX810具备如下方式：

1)支持MODBUS /TCP/IP协议与现地PLC进行通信连接，接入后的站内库仍然按传统水电站模式，生成对应的遥测、遥信、遥控、遥调数据。以保持在IEC61850过渡阶段与传统水电站站内设备的兼容性。将接入的PLC设备按保信测站方式选择配置，可整设备或分组、分点配置，配置完成后系统会自动将传统的四遥信息，映射成为相关IEC61850的LD和LN格式，形成GGIO形式及公用LD格式，其实际原理及将规约转换器(SDX810)模拟成为一台装置，将对下接入的所有装置，如保护设备、PLC设备、其它智能设备通过内部方式虚拟成为各个CPU，而各个CPU成为IEC61850模型ICD文件中的LD，如一台PLC设备等同于一个CPU设备，一台国电南自保护设备等同于另外一个CPU(国电南自装置往往多CPU，但处理方式同样，无非多几个CPU,依次编号)。

2)支持IEC61850标准指导系统建模和数据描述，能够建立与智能一次设备和网络化二次设备的网络通信，完成对被测控对象的实时监视和控制。支持IEC61970标准建立面向对象的组件模型接口，实现与高级应用以及外系统的实时或非实时数据应用集成。

3)支持采用Oracle、MySQL、SyBase、DB2等大型数据库进行软件平台的数据存储、检索与管理，实现商用数据库与实时系统数据库的无缝连接，充分发挥数据库平台的性能。

4)支持J2EE架构，由应用服务器、Web服务器、中间件、应用组件构成数据服务平台。对外接口满足IEC61970接口规范，支持基于简单对象访问协议(简称SOAP)的XML Web Service组件模型。支持Java技术进行开发。

5)支持千兆以太网、多网等先进的TCP/IP网络技术，实现海量数据实时采集、传输和刷新，保障网络实时和信息安全。

6)完成IED设备实例配置描述文件(CID文件)的制作工作，协助与统一信息平台厂家完成系统整体参数化配置文件(SCD文件)的制作和备份工作。

整个系统的核心在于：首先保证传统四遥数据的无缝接入，然后，通过规约转换器配置将整个SDX810自描述为一台站内设备，生成相关ICD文件，将接入的设备虚拟成为LD，测点组虚拟成为LN，使得规约转换设备同样得到模型描述。

3.3 接口设计

每台规约转换装置SDX810配置有4个网口，其中2个网口作为与PLC的双网通信，另外2个网口作为与智能化统一平台IEC61850规约通信。SDX810装置与QUANTUM PLC通信采用标准的MODBUS/TCP/IP规约，以双沟电站1号机组为例，网络结构如图3所示。

3.4 将通信数据送至SDX810装置的PLC程序

1)

2) (*给SDX810对时。写到time_sdx810结构里，格式同SOE，地址为%mw7042*)

3) TIME_TEMP := BCD_TO_INT(SHR (AND (%SW50,16#FF00),8));

图3 网络接口结构图

4) SECOND_TO_SDX810:= INT_TO_UINT(TIME_TEMP*1000);

6) time_sdx810.MS_LOW := UINT_TO_BYTE(SECOND_TO_SDX810 MOD 256);

7) time_sdx810.MS_HIGH := UINT_TO_BYTE(SECOND_TO_SDX810/256);

8) time_sdx810.MIN := INT_TO_BYTE(BCD_TO_INT(AND (%SW51,16#00FF)));

9) time_sdx810.HOUR := INT_TO_BYTE(BCD_TO_INT(SHR (AND (%SW51,16#FF00),8)));

10) time_sdx810.DAY := INT_TO_BYTE(BCD_TO_INT(AND (%SW52,16#00FF)));

11) time_sdx810.MON := INT_TO_BYTE(BCD_TO_INT(SHR (AND (%SW52,16#FF00),8)));

12) time_sdx810.YEAR := INT_TO_BYTE(SUB_INT(BCD_TO_INT (%SW53),2000));

33) (*SOE量上送至SDX810,将SOE量由原存放地址%MW391～%MW394复制到

34) 和SDX810通信协商好SOE量存放地址%MW7002～%MW7005,

35) IEC_BMD为PLC程序中具备复制功能的功能块*)

36) IEC_BMDI(4,391,4,4,7002);

38) (*DI量上送至SDX810,将DI量由原存放地址%I1～%I288复制到

39) 和SDX810通信协商好DI量存放地址%MW7006～%MW7023,

40) COPY_AREBOOL_ARINT为PLC程序中具备复制功能的功能块*)

41) SDX810_DI:=COPY_AREBOOL_ARINT (IN := %i1:288,

42) P1 := 0,

43) N := 288,

44) P2 := 0);

46) (*DO量上送至SDX810,将DO量由原存放地址%M1～%M128复制到

47) 和SDX810通信协商好DI量存放地址%MW7024～%MW7031,

48) COPY_AREBOOL_ARINT为PLC程序中具备复制功能的功能块*)

49) SDX810_DO:=COPY_AREBOOL_ARINT (IN := %M1:128,

50) P1 := 0,

51) N := 128,

52) P2 := 0);

54) (*通信遥信量上送至SDX810,将通信遥信量由原存放地址%M1200～%M1296复制到

55) 和SDX810通信协商好DI量存放地址%MW7032～%MW7037,

56) COPY_AREBOOL_ARINT为PLC程序中具备复制功能的功能块*)

57) SDX810_DICOM:=COPY_AREBOOL_ARINT (IN := %M1200:96,

58) P1 := 0,

59) N := 96,

60) P2 := 0);

62) (*模拟量上送至SDX810,将模拟量由原存放地址%MW501～%MW564复制到

63) 和SDX810通信协商好模拟量存放地址%MW7227～%MW7290,

64) IEC_BMD为PLC程序中具备复制功能的功能块*)

65) IEC_BMDI(4,501,64,4,7227);

72) (*遥控量由SDX810写至PLC地址%MW8002～%MW8033,通过PLC功能块将%MW8002～%MW8033中值复制至%MW2443～%MW2475

73) IEC_BMD为PLC程序中具备复制功能的功能块*)

74) IEC_BMDI(4,8002,32,4,2443);

75)

4 结 语

针对松江河发电厂的设备条件，以及原有的通信规约，基于IEC61850通信协议在水电站智能化中的特点，阐述了松江河发电厂监控系统的智能改造目的，即通过采用规约转换装置实现二次智能设备和智能化统一平台的通信，并且将转换后的站内库仍然按传统水电站模式，生成对应的遥测、遥信、遥控、遥调数据，以确保在61850过渡阶段与传统水电站站内设备的兼容性以及智能装置之间的互操作性。

[1] IEC 61850-1. Communication Networks and Systems in Substations Part 1: Introduction and Overview[S].

[2] IEC 61850-7-4. Communication Networks and Systems in Substations Part 7-4: Basic Communication Structure for Substation and Feeder Equipment-Compatible Logical Node Classes and Data Classes[S].

[3] 韩桂芬，袁宁平．IEC61850与智能化水电站[J]．水电厂自动化，2011，32(1)：9-13. HAN Guifen, YUAN Ningping. IEC61850 and intelligent hydropower station[J]. Hydropower Plant Automation, 2011, 32(1): 9-13.

[4] 刘书玉，梁国才.智能水电站应用IEC61850标准的探讨[C].全国水电厂自动化技术2012年度学术交流研讨会. LIU Shuyu, LIANG Guocai. Discussion on IEC61850 standard applied in intelligent hydropower station[C]. The Annual Academic Symposium of Automation Technology of National Hydropower Plant in 2012.

(编辑 郭金光)

Intelligent supervisory system in power plant based on IEC61850 communication protocol

SONG Binbin1, ZHAO Yanqing2

(1. College of Chengxian, Southeast University, Nanjing 210032, China; 2. Guodian Nanjing Automation Co., Ltd., Nanjing 210032, China)

Introducing the IEC61850 communication protocol, this paper combines the IEC61850 communication protocol characteristics in intelligent of hydropower station to formulate the retrofit scheme of intelligent supervisory system of Songjianghe power plant. That means to convert communication protocol of unit LCU device to IEC61850 protocol through adding a protocol conversion device on the original LCU device and to get access to intelligent unified information platform. After the advancement, total station intelligent equipment will be in a unified, open data platform, which will achieve the digital communication between primary equipment and secondary intelligent electronic device of hydropower station, and interoperability between intelligent devices and keep compatible with traditional hydropower station equipments in IEC61850 transition phase.

IEC61850；communication protocol; intelligent power plant; supervisory system；protocol conversion device

2016-10-20；

2017-01-27。

宋彬彬(1983—)，女，硕士研究生，主要研究方向为电力系统及其自动化。

TV736

B

2095-6843(2017)02-0162-04