向家坝水电站PCC调速器控制系统通信策略研究与应用

李初辉，常占锋，常中原

（向家坝水力发电厂，四川 宜宾 644612）

0 前言

向家坝水电站是金沙江下游河段规划的最末一个梯级电站，以发电为主，由左岸坝后电站和右岸地下电站组成，各装设4台单机容量888.9 MW的混流式水轮发电机组，其单机容量为世界第一。向家坝水电站机组除承担电网腰荷，还参与四川主网的调峰。因此，机组的调速器必须具有高可靠性、高稳定性、高响应性，要满足以上要求，对于调速器控制系统的通信提出更高地标准，需要结合PCC控制器的硬件配置，提出更适应的通信策略，为巨型机组安全、可靠、优质运行提供保障。

1 调速器控制系统的组成

1.1 系统组成

向家坝水电站机组调速器控制系统主要指调速器的电气控制部分，主控制器由两套独立、相同的贝加莱PCC控制器组成，分别与相应的液压机构相配合，各自独立实现全部控制功能，达到调节性能要求，两套主控制器相互冗余，无扰动切换，配置公共的人机画面接口，实现对控制过程的监视和干预，具体系统结构可参见图1。

图1 向家坝水电站调速器控制系统结构示意图

1.2 PCC控制器的网络通信功能以及特点

（1）Ethernet以太网

Ethernet是目前广泛运用于工业生产过程控制和监测的网络，其技术成熟、价格低廉、使用灵活、维护简单、速度优越。贝加莱2000系列控制器均带有以太网接口，为数据通信提供了良好的接口。

（2）Ethernet PowerLink

Ethernet PowerLink简称EPL，是针对Ethernet在工控领域存在的一些弊端，贝加莱公司在其基础上，开发了新的协议—EPL。EPL使用标准以太网IEEE802.3u(Fast Ethernet)作为传输媒介，传输速率100 Mb/s，实时数据传输周期最小达200μs，网络站点之间精确同步，抖动小于1μs，可同时传输实时和非实时数据。EPL基本上是一个循环运行的等时同步系统，即所有的系统数据在同一个时间长度内生成、交换和处理，而事件控制系统（状态改变）仅当事件发生或状态改变时交换数据。EPL采用SCNM机制，有效避免冲突发生。

（3）局域网CAN

局域网CAN是一种在自动化领域广泛使用的多线路协议和有效的支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线只包括OSI基准模型的最低两层，即数据链路层和物理层。其物理层采用双线差动形式，可以抑制输入共模噪声的影响，有利于CAN总线在噪声强度大的场合工作。CAN协议废除了传统的站地址代码，而以对通信数据块进行编码代之，数据块的标志码相当于以前的地址，报文内容有标识符命名，标识符并不能指出报文传送的目地地址，但描述数据的含义。

（4）Automation NET

Automation NET用于控制系统和Automation Studio（贝加莱PCC控制器的专用操作系统）之间的通信，以及提供在网络上与其它站之间透明的网络通信。Automation Studio的编程和诊断功能都是在PC上运行的，Automation NET可以通过串口、CAN通信、Ethernet通信使控制器和Automation Studio建立网络连接。在进行通信时，应根据不同的通信方式进行相应的设置。

（5）Profibus现场总线

Profibus代表过程现场总线，用来实现该总线能够连接的I/O元件，如PCC、PC、传感器之间的通信。Profibus为多主多从网络，采用的是广播地址或多播地址的传输方式，它的协议包括两部分：（1）Profibus DP-分布的I/O系统；（2）ProfibusFMS-现场总线信息规范，是为现场的通用通信功能所设计的协议。

2 数据通信策略研究与应用

2.1 控制通信数据需求分析

调速器控制系统的数据来源有多种，主要分成：

（1）信号通过硬接线接入DI、AI模块，进行数据采集，比如导叶主接反馈；

（2）监控系统自动或手动下发给调速器控制参数，比如有功设值；

（3）触摸屏人工手动设置的数据，比如各种通道设置数据；

（4）A、B套控制器热备交换数据；

（5）液压控制柜通信的命令；

（6）调试期间，调试人员的调试命令；

（7）扩展系统的数据请求等。

同时，系统数据请求同样有多种，主要有：

1）触摸屏HMI画面显示的数据请求；

2）监控系统控制反馈数据，现地LCU及上位机画面显示数据请求；

3）A、B套控制器热备交换数据请求；

4）液压柜的被控命令；

5）调试期间，调试机的请求数据；

6）为将来扩展系统提供的数据等。

针对上述多种数据请求和数据来源，如何进行数据通信策略选择，直接影响调速器过程控制的高效和准确。

2.2 通信策略研究与应用

结合控制器的系统结构、接口特点和数据通信要求，研究和制定向家坝电站机组调速器控制系统具体的通信策略，具体通信策略设计可参见图2与表1。

图2 调速器控制系统通信策略示意图

（1）A、B套控制器热备数据交换通过EPL协议实现。不仅充分利用贝加莱控制器提供的资源，而且保证两套控制器数据的同步性，为无扰切换提供数据基础。通信链路为A、B套控制器通过双绞线连接至网络交换机，实现数据交换。

（2）触摸屏无人操作时，数据主要为显示，通信方式为定时收发，固定数据长度；有人操作时，数据除了显示，还有部分是设置和控制命令，数据长度不固定，而且两套控制器需要同时能够连接至触摸屏HMI。因此，通信链路为通过双绞线连接触摸屏HMI至网络交换机，协议选择基于以太网的Modbus协议，满足通信实时性和实际设备接口要求。

（3）对于监控系统，调速器相当于其下位机，接受命令和反馈自身运行状况，实现调速器状态的远程操作和监视。这就要求调速器与监控系统通信链路无差错、接受数据准确、响应及时。因此，进行设计时，充分运用已有资源进行冗余设计，一方面由触摸屏HMI进行调速信息转发至LCU，协议采用基于RS485接口的Modbus协议，同时增加由控制器经过网络交换机将信息发送至LCU，协议采用基于以太网的Modbus协议。

表1 调速器控制系统通信接口及协议

（4）调速器需要获取液压部分控制信息，进行导叶控制。由于液压部分控制由专门PLC完成，A、B套控制器及触摸屏HMI都需要从液压控制PLC获取信息，因此在进行通信设计时，可以将液压控制PLC接入至网络交换机，同时满足三者的数据请求要求，通信协议同样为基于以太网的Modbus协议。

（5）贝加莱控制器配有专门协议方便调试，通信接口包括RS232、USB、Ethernet等多种，极大方便通信接口的分配和设备的调试。

（6）向家坝电站是一个新建电站，可能在运行期间需要进行技术改造和设备添加，因此需要预留一定的通信接口为后续设备接入做好准备，接口的形式尽量做到多样化。

3 通信的特点

向家坝水电站机组调速控制系统的通信策略主要有以下几个特点：

（1）充分利用新技术，结合控制系统的结构设计，采用贝加莱PCC最新的技术成果，运用到实际的生产过程，有效解决了双机热备的数据同步难题。

（2）运用基于Modbus协议的以太网技术,利用网络交换机，解决了数据的交叉收发难题和控制器接口的限制。

（3）对于和发电生产关系密切的通信链路，采用了冗余设计，确保了通信的可靠，提高信息传输的稳定性。

（4）考虑了系统的扩展性，为后续的系统或者设备，预留了充足的接口，方便系统或设备的接入，提高系统的扩展性。

4 结语

智能化是水电厂发展方向，智能化以通信网络为基础，水力联系和电力联系为纽带、能源转换控制设备为载体、安全经济运行为目标，融合仿真、控制和信息三位一体技术实现水电站的运行控制和管理，这就要求相应的调速系统具有高速的通信网络，高级的通信策略，实现机组的可靠、安全、经济运行。本文就向家坝电厂巨型机组调速控制系统的现状出发，分析并选取了适用的通信策略，并对可能出现的优化提出一些建议，提供一些参考。

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