基于虚拟DPU和EIO技术的水电控制系统国产化改造应用

李 文，梁 庚，崔青汝

（1.国能智深控制技术有限公司，北京市 102209；2. 北京市电站自动化工程技术研究中心，北京市 102209；3.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京市 102206；4.国电新能源技术研究院有限公司，北京市 102209）

0 引言

我国“双碳”目标的制定，使水电在未来能源建设将发挥更加重要的作用，逐渐成为电力生产的主要力量。水电站作为电网中的重要节点，参与大区域的调度、调峰等任务。为进一步提高水电站的生产效率、运行安全和快速响应能力，水电站的生产运行将逐渐向具备自学习、自寻优、自适应、自组织、自恢复特征的智能化方向发展，逐步实现“无人值班、少人值守”的现代化生产模式。泛在感知、通信协同、智能运行是智能发电运行控制的基本要素[1]。从厂级到区域级的控制和运行协同日益成为一种极为重要的生产形式，如流量调度、泄洪控制等都需要一定范围内的协同。但由于早期和新建的水电站的在建设和功能以及国产化技术等方面的差异，广泛存在设备老化、技术落后、现行系统与相关标准和规范提升严重脱节、多系统、多设备的协同显著不足等主要问题，对运行安全和事故预防都带来一定程度的影响和隐患，已不能满足水电智能化发展的需求[2-4]。控制系统高效、灵活地集成在水电智能化中具有越来越重要的作用[5]。同时，关乎国计民生的工业领域重大装备和控制系统的国产化是大势所趋。我国现有水电站控制系统有相当比例采用的是国外产品，对其逐步实施国产化替代和改造也是未来水电建设的主要方向之一。

EDPF-NT Plus（水电增强版）分散控制系统是国能智深全新研制的面向水电站控制的中大型分散控制系统，系统通过集成化、智能化、网络化全面提升性能和扩展功能，可实现对大规模复杂水电系统的高性能监控、对第三方设备的开放集成和管控一体化的更高监控模式，满足从水轮机组级监控到全厂综合监控的各层次控制信息化需求[6-11]。尤其是在水电机组控制系统的国产化改造和替代方面，EDPF-NT Plus开发了基于虚拟DPU和EIO的灵活、高效的通信接口和系统集成技术，在网络通信、应用实现上充分兼容现有国外品牌的水电控制系统产品，并在工程实践中得到成功应用，在水电控制系统的国产化改造中探索出了一条行之有效的新途径。

1 面向水电国产化改造的EDPF-NT Plus关键技术

EDPF-NT Plus（水电增强版）为配合水电智能化技术的实现，新增简报浏览和统计功能，所有涉及报警、设备运行状态变换信息、现场监测量越限、控制指令下发等信息均能在简报窗口中以滚动条目的形式呈现给操作人员，便于运行人员监盘；开发了AGC/AVC（自动发电控制/自动电压控制）高级应用功能，可实现负荷曲线有功功率控制模式和给定无功方式控制全厂无功负荷分配；基于电压曲线的母线电压控制方式；设计了调频功能和机组启停操作指导功能；新增过程数据实时监测和动态浏览功能，使用实时趋势浏览器可以充分满足对某些特殊点进行监测的需要[11]。

EDPF-NT Plus系统的在国产化替代方面的关键技术主要包括：

（1）具有完全自主研发的国产化软件组态开发环境，从而从源头上有效解决了控制系统的安全问题。软件开放性和标准化程度高，组态和监控软件具有跨平台的特性，同时支持Windows、Linux及安全操作系统。

（2）采用虚拟控制器（虚拟DPU）和智能化的EIO通信技术，在通信技术、数据交互上充分兼容现有的国外品牌的现场控制层设备，实现场站层与现场控制层的无缝连接和高速数据传送，同时在虚拟DPU还可实现高级运算功能、全激励式仿真，同时方便组态和调试；智能化的EIO支持部分数据处理和运算功能前置，显著增强了控制回路的实时性和可靠性。

（3）系统数据网络支持PROFIBUS DP-V0/V1/V2现场总线协议，支持DP主站、网段冗余配置；AI、AO模块还支持HART协议；提供有统一的现场总线设备管理软件（AMS），为设备的组态、维护、检修提供了很大的便利。

（4）采用了主动防御型式的信息安全解决方案，为工业控制的数据安全提供了可靠的保障。

EDPF-NT Plus（水电增强版）可适用于各类规模的机组，通过先进的网络通信和高效、灵活的EIO技术与水电厂现有的PLC控制装置以及远程子系统构成复合式的开放系统，从而满足各类规模、低成本的水电控制系统改造的应用需求。

以某水电厂的水轮机组控制为例，EDPF-NT Plus（水电增强版）网络结构如图1所示。

图1 面向水电控制的EDPF-NT Plus系统架构Figure 1 Architecture for hydropower oriented EDPF-NT Plus

EDPF-NT Plus系统包括厂级监控层和现地监控层。厂级监控层包括工程师站、操作员站、历史站、接口站、通信服务器、GPS时钟同步系统等。现地监控层中按照面向子系统的方式采用若干现地控制单元LCU来控制各个子系统，如发电机变压器组、开关站、厂用电、闸门控制等。LCU由基础控制单元PLC、IO模块组以及各种智能设备如同期装置、温度巡检装置等组成。主控级配备多台光纤以太网高速交换机，实现主控级设备和现地控制级设备的连接。现地控制单元各设备分别通过A、B对等的两套网络接口与光纤以太网高速交换机连接。网络接口采用高可靠性的工业级接口，任一设备出现通信故障不会影响其他模块的正常通信，可确保厂级监控级与现地控制设备以及现地控制设备间的可靠性。同时配备有配置事故落门停机和紧急停机处理的现地设备。

2 EDPF-NT Plus中的虚拟DPU与EIO技术

虚拟DPU是EDPF-NT Plus中的特色技术，通过在工程师站或运行员站上使用特殊进程实现实际分布式处理单元（DPU）即过程控制站的全部功能。在虚拟DPU上可运行与实际DPU完全相同的实时数据库和组态程序，可将原系统中的控制组态整体移植到上位机中，再配合EIO技术来灵活、高效实现与现有国外品牌的现场控制单元的数据通信，可显著缩短开发周期，加快系统国产化改造的进程。

EIO 即扩展 I/O，应用于EDPF-NT Plus与第三方系统的通信。一个虚拟DPU通过EIO可同时与多个第三方系统通信。实现形式可基于以太网或串口通信，通信协议为 Modbus over TCP/IP 或 Modbus RTU。

在实际应用中，将根据不同需求采用不同的通信方案：

（1）基于以太网通信：通信协议为 Modbus over TCP/IP，EDPF-NT Plus系统与每个第三方系统均可视为网络上的一个通信结点，每个结点需明确指定 IP 地址和端口号，配置文件中应明确定义每个通信结点的 IP 和端口号。

（2）基于串口通信：通信协议为 Modbus RTU，EDPFNT Plus与第三方系统之间通过串口服务器作为转接接口。串口服务器一端通过以太网和 EDPF-NT Plus 连接，另一端则通过 RS485 和第三方系统连接。串口服务器通常具有多个连接端口，每个端口连接一个第三方系统。一个串口服务器具有一个 IP 地址，每个端口具有自己的端口号，应用中需要定义每个端口的波特率、停止位、奇偶校验等信息。基于串口的通信如图2所示。

图2 基于EIO的通信Figure 2 System comunication with EIO

设备、任务、虚拟卡件是 EIO 通信中三个重要概念。

设备：指与 DCS 通信的第三方系统，通常把一个第三方系统定义为一个设备。一个DPU可以同时和多个设备通信，设备之间彼此独立。在实际应用中需要事先确定与DCS通信的设备个数，同时为每个设备定义：设备编号、设备描述、通信协议、工作模式、通信地址、通信超时、任务间间隔周期、异步输入任务执行周期、缓冲区配置、任务个数、是否连发指令。

任务指DCS与每个第三方系统通信的一次事务处理，一次事务处理完成一次通信。DCS与每个第三方系统的通信由一个或多个任务完成。任务分为输入任务和输出任务，输入任务配有“执行周期”，输出任务配有“控制区”。EIO根据输入任务的执行周期在执行时间到达时按顺利执行同周期内的所有输入任务，输出任务只有在EIO收到来自DPU的输出指令才会执行，而且只执行对应控制周期的输出任务。

虚拟卡件类似传统IO卡件，用户可以使用这些虚拟卡件进行组态，在相应卡件上创建通信测点。

3 水电控制系统改造中虚拟DPU与EIO技术的应用

大渡河深溪沟水电站为坝式电站，是大渡河干流规划的梯级电站，也是瀑布沟水电站的反调节电站。设计最大坝高49m，水库正常蓄水位660m，总库容约3200多万m3，安装4×165MW流转桨式水能发电机组，总装机容量660MW，额定水头30m，最大水头40m，最小水头20.1m。电站发电机变压器组成扩大单元接线方式，发电机通过离相封闭母线与主变压器低压侧连接，输出额定电压为 15.75kV，中性点接地。

深溪沟水电站控制系统原采用施耐德Quantum系列产品，其中4台LCU用于4台水轮机组的控制；1台LCU用于AGC/AVC控制；1台LCU用于公用系统、开关站系统以及大坝系统的控制。在本项目中引入EDPF- NT Plus水电专用系统来实现国产化替代和改造，在运行员站中使用虚拟DPU通过EIO与现场LCU通信，实现部分国产化产品、设备的系统集成。系统的配置信息如下：

（1）通信对象：DCS 与 PLC 之间的通信（EDPF- NT Plus系统工作在主站，PLC 工作在从站，从站 ID 默认为 1）。

（2）通信测点信息与卡件配置信息如表 1 所示。

表1 通信测点信息与卡件配置Table 1 Information for measurements and configuration for interface cards

（3）批量建点。根据深溪沟水电站提供的通信测点清单中的点描述以及之前规划好的卡件，可使用批量建点的方式创建通信测点。如果出现协议地址不连续的情况，则要求把对应的通道空置，不需要建点。

（4）配置通信任务。

以配置IoDevice1为例，配置文件 eio.conf 中的具体配置如下所示：

[General]

IoDeviceCnt=2 //与两个 PLC 设备通信，所以此值设为 2

[IoDevice1]

DeviceId=1 // 默认的从站 ID 号

Desc=LCU1//1号机组的描述

modbus=ModbuRTU，modbustcp=Modbus over TCP，simu=simulator

protocol=modbustcp //本次通信使用 modbus over tcp 协议；1：master，0：slave

master=1// 本次通信，DCS 工作在主站模式

LocalIp=172.101.1.98//本地 IP 地址

LocalPort=556134//本地端口号

RemoteIp=172.101.1.11//PLC 通信端的 IP 地址

RemotePort=502//PLC 通信端的端口号（Modbus over tcp服务端默认端口号）

；Redundant network or peer

LocalIp_index，LocalPort_index，RemoteIp_index，RemotePort_index，e.g：

LocalIp_2=172.101.2.98//冗余本地 IP 地址

LocalPort_2=556135//冗余本地端口

RemoteIp_2=172.101.2.11//冗余通信端的 IP 地址

RemotePort_2=502//冗余通信端的端口号

Timeout=1000//每个任务通信的超时时间 1000ms，通信中，如果 DCS 发送一个报文后在 1000ms内后不到任何对方的应答，通信属超时

Delay=10//每个任务间隔周期为 10ms

；PeriodNo为输出任务需要配置该配置项，定义输出任务属于哪个控制；区，a，b，c，d，e；Period为异步通信的执行周期，单位为ms

Period=10//异步通信的执行周期为 10ms

sendCont=1//启动设备 1 中的连发功能

SubTask=11//设备 1 中的任务数

；buf_cnt

bufcnt=1//需配置 1 个缓冲区

[IoDevice1_buf1]

SlaveId=1//默认的从站 ID 号

；type，1：coils，2：input status，3：holding registers，4：input registers.

type=3//可对 4x 的地址进行操作

；unitcnt：the number of coils/input status/registers

unitCnt=1981//缓冲区的长度

startAddr=6000//缓冲区的起始寄存器号

[IoDevice1_SubTask1]

SlaveId=1//默认的从站 ID 号

FuncCode=3//使用功能码 3 读取数据

StartReg=6621//读取指定的起始寄存器地址

RegCnt=125//该任务读取 125 个寄存器

[IoDevice1_SubTask2]

…

[IoDevice1_SubTask14]

…

4 结束语

我国现有水电站控制系统逐步实施国产化替代和改造是未来水电发展的主要方向。EDPF-NT Plus采用基于虚拟DPU和EIO的灵活、高效的通信接口和系统集成技术，在上位机中通过部署虚拟DPU，采用EIO技术并配合使用多设备、多任务灵活配置，实现了对现有水电站控制系统的部分国产化替代和改造，在实践中取得了很好的应用效果。