基于IEC61850的水电厂PLC冗余设备接入方法与实现
2022-05-28谢文君郗发刚宋美艳陈映喜
谢文君，郗发刚，宋美艳，陈映喜，欧 靖
（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 210002；2.华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明 650214；3.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）
0 引言
IEC 61850标准是由国际电工委员会第57 技术委员会于2003 年颁布的，该标准使变电站中来自不同厂商的智能电子装置（IED）实现了互操作。IEC 61850第二版将水电厂、分布式能源等纳入到标准中，为此在IEC 61850-7-4的基础上，补充了分别用于水电厂和分布式能源的信息建模规范文件，制定了相应的逻辑节点列表及定义。基于IEC61850 标准的水电厂信息模型的建立，是智能水电厂建设的核心技术之一。
大中型水电监控系统中对于通信网络、PLC等均需要双网双套配置，设备和测点数量大，通信网络复杂，这给站内监控系统的应用功能开发和通信稳定运行带来了不小的挑战。如何在保障系统稳定运行的情况下，简化应用功能接口开发，是监控系统稳定运行的基础保障。
本文研究了基于IEC61850的PLC冗余设备接入方法和实现技术，主要针对冗余数据的处理和接口简化、冗余设备间的无缝切换实现切换延时最小化同时保证关键数据正确性、完整性及在线版本管控等关键技术。
1 基于通信链路管理的冗余数据处理
常规的IEC61850冗余设备接入方案，监控系统通信前置模块作为客户端接入所有IEC61850设备，对于互为主备的两台或多台PLC设备，前置模块独立建模并接入所有设备，将所有数据解析后送到电力监控SCADA或其他应用模块，由应用模块实现对主备数据的冗余处理。在实现过程中，该方案存在以下问题：①将所有设备同时在监控系统内建模增大了监控系统的内存开销，影响系统整体性能；②应用模块通过主备设备的切换实现冗余数据的处理，增加了应用模块开发的复杂性。为了解决以上问题，本文采用了基于通信链路管理的冗余数据处理策略，通过主备PLC的数据模型复用，将数据的冗余处理在通信环节实现。
1.1 主备冗余设备组态
为实现IEC61850数据接入，需要在水电监控系统前置通信模块客户端建立IEC61850模型及测点与模型映射关系，在PLC设备服务端建模阶段，冗余PLC设备组的两台设备应采用相同的CID模型，在导入水电监控系统组态数据库时，冗余设备组作为一台服务端设备进行数据组态，每台设备自身的IEDName和IP地址信息作为属性配置在共享数据模型中。在监控系统应用功能模块开发及监控系统画面信息展示时，只需要从数据库中读取冗余设备组共享的唯一数据模型和测点信息，简化了所有应用模块功能开发。
1.2 通信模块架构及数据处理
图1为监控系统的IEC61850客户端通信子系统架构图，通信模块由应用数据接口模块、IEC61850通信模型、通信链路管理模块等组成，图中PLC设备A和PLC设备B为互为主备。在系统初始化阶段，IEC61850数据处理模块建立唯一的冗余设备A、B共享通信模型，通信链路管理模块与主备设备均建立通信链路，冗余设备组的两台设备所有数据报文通过通信链路管理模块进行冗余处理，经过冗余处理的唯一数据依据IEC61850模型数据进行解析，然后通过应用数据接口模块与监控系统应用功能模块交互数据。
1.3 通信链路管理策略
通信链路管理模块管理IEC61850客户端通信子系统与所有PLC设备的通信连接，在初始化阶段根据冗余设备IP地址生成互为主备的冗余通信链路组，在主备链路切换过程中，如果重新进行IEC61850报告控制块使能操作，会延长切换数据上送时间，且存在SOE数据丢失的风险，为缩短切换延时，并保证数据的正确性和完整性，所有设备间通信链路都建立应用层连接，接收并处理数据。互为主备的通信链路组在值班链路终端或者设备主备状态发生改变时，通信链路管理模块将进行冗余通信链路组间的主备切换。
2 冗余设备间的切换
通过通信链路管理模块可以实现完整的冗余数据处理和主备切换功能，但是由监控系统对应用层网络连接的判断通常采用秒级的应用层报文作为心跳，针对设备或者网络的异常需要秒级的延时才能完成切换。针对不同的设备故障状态，为了实现更快的故障切换，需要从PLC设备上实现故障诊断和切换操作，并由PLC设备主动触发主备切换。
为实现故障快速诊断，在冗余的设备A和B之间提供硬接线和点对点网络连接，交互设备间的实时运行状态，实现由设备端触发的主备运行状态信息上送。针对硬件故障、电路异常通过硬接线电源监测可以实现毫秒级的故障诊断；通过点对点的网络通信心跳报文，在设备运行异常时可以实现几十毫秒级的故障诊断。表1所示为不同故障状态时的故障诊断方式和切换时间。
表1 故障切换方式和时间
在PLC的CID模型文本中对冗余PLC设备组的运行状态建模，在PLC设备检测到运行状态变化时，通过变化触发报告实时上送监控系统，监控系统对链路数据源实时切换，从而实现设备异常时毫秒级的切换。以下为PLC的CID模型文本中对冗余设备组的设备运行状态建模：
…
…
为保证在切换过程中的数据正确性和完整性，需要对备用链路SOE数据进行缓存，缓存数据时长大于切换最大时长，在发生主备链路切换时，备用链路缓存数据通过缓存数据接口上送缓存SOE数据，与监控系统历史数据进行比对，切换期间未正确上送的数据重新触发告警并存入历史库，实现对数据的无缝记录。
3 在线版本监测
冗余PLC设备组在监控系统上共享模型组态数据，在系统调试和运维过程中，应确认监控系统和冗余设备组的主备设备的IEC61850模型一致，在系统调试和运维的工程组态过程中，可能存在人为造成模型不一致的风险，因此实现对数据模型版本的在线监测是系统正确运行的保障。
为实现模型版本信息在线监测，需要在建模时在CID中生成对应的版本信息configRev，版本信息模型如下：
…
…
在监控系统导入模型CID文本时，解析configRev信息，记录在对应设备数据库版本信息属性中；在水电监控系统IEC61850客户端通信模块与PLC设备建立应用层连接后，首先读取configRev信息，与数据中版本信息进行比对，如版本信息不一致，通过告警窗提示版本不一致告警，并对存在版本不一致的链路数据丢弃处理。
4 结束语
水电厂智能化是未来水电厂管理提升的方向，随着IEC61850在大中型水电站监控系统的广泛应用，IEC61850建模、大容量数据处理、通信可靠性将是系统智能化发展的基础。本文基于IEC61850的PLC冗余设备接入方法解决了冗余数据处理、故障设备数据无缝切换、在线版本监测等数据接入系列问题，提供了完整的解决方案，该方案已在某大型水电监控系统上实现并投入运行，取得了良好的效果，为水电监控系统的高效稳定运行提供了有力保障。
