李 文，梁 庚，崔青汝

（1.國能智深控制技術(shù)有限公司，北京市 102209；2. 北京市電站自動化工程技術(shù)研究中心，北京市 102209；3.華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院，北京市 102206；4.國電新能源技術(shù)研究院有限公司，北京市 102209）

0 引言

我國“雙碳”目標的制定，使水電在未來能源建設(shè)將發(fā)揮更加重要的作用，逐漸成為電力生產(chǎn)的主要力量。水電站作為電網(wǎng)中的重要節(jié)點，參與大區(qū)域的調(diào)度、調(diào)峰等任務(wù)。為進一步提高水電站的生產(chǎn)效率、運行安全和快速響應(yīng)能力，水電站的生產(chǎn)運行將逐漸向具備自學(xué)習(xí)、自尋優(yōu)、自適應(yīng)、自組織、自恢復(fù)特征的智能化方向發(fā)展，逐步實現(xiàn)“無人值班、少人值守”的現(xiàn)代化生產(chǎn)模式。泛在感知、通信協(xié)同、智能運行是智能發(fā)電運行控制的基本要素[1]。從廠級到區(qū)域級的控制和運行協(xié)同日益成為一種極為重要的生產(chǎn)形式，如流量調(diào)度、泄洪控制等都需要一定范圍內(nèi)的協(xié)同。但由于早期和新建的水電站的在建設(shè)和功能以及國產(chǎn)化技術(shù)等方面的差異，廣泛存在設(shè)備老化、技術(shù)落后、現(xiàn)行系統(tǒng)與相關(guān)標準和規(guī)范提升嚴重脫節(jié)、多系統(tǒng)、多設(shè)備的協(xié)同顯著不足等主要問題，對運行安全和事故預(yù)防都帶來一定程度的影響和隱患，已不能滿足水電智能化發(fā)展的需求[2-4]?？刂葡到y(tǒng)高效、靈活地集成在水電智能化中具有越來越重要的作用[5]。同時，關(guān)乎國計民生的工業(yè)領(lǐng)域重大裝備和控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化是大勢所趨。我國現(xiàn)有水電站控制系統(tǒng)有相當比例采用的是國外產(chǎn)品，對其逐步實施國產(chǎn)化替代和改造也是未來水電建設(shè)的主要方向之一。

EDPF-NT Plus（水電增強版）分散控制系統(tǒng)是國能智深全新研制的面向水電站控制的中大型分散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化全面提升性能和擴展功能，可實現(xiàn)對大規(guī)模復(fù)雜水電系統(tǒng)的高性能監(jiān)控、對第三方設(shè)備的開放集成和管控一體化的更高監(jiān)控模式，滿足從水輪機組級監(jiān)控到全廠綜合監(jiān)控的各層次控制信息化需求[6-11]。尤其是在水電機組控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化改造和替代方面，EDPF-NT Plus開發(fā)了基于虛擬DPU和EIO的靈活、高效的通信接口和系統(tǒng)集成技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)通信、應(yīng)用實現(xiàn)上充分兼容現(xiàn)有國外品牌的水電控制系統(tǒng)產(chǎn)品，并在工程實踐中得到成功應(yīng)用，在水電控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化改造中探索出了一條行之有效的新途徑。

1 面向水電國產(chǎn)化改造的EDPF-NT Plus關(guān)鍵技術(shù)

EDPF-NT Plus（水電增強版）為配合水電智能化技術(shù)的實現(xiàn)，新增簡報瀏覽和統(tǒng)計功能，所有涉及報警、設(shè)備運行狀態(tài)變換信息、現(xiàn)場監(jiān)測量越限、控制指令下發(fā)等信息均能在簡報窗口中以滾動條目的形式呈現(xiàn)給操作人員，便于運行人員監(jiān)盤；開發(fā)了AGC/AVC（自動發(fā)電控制/自動電壓控制）高級應(yīng)用功能，可實現(xiàn)負荷曲線有功功率控制模式和給定無功方式控制全廠無功負荷分配；基于電壓曲線的母線電壓控制方式；設(shè)計了調(diào)頻功能和機組啟停操作指導(dǎo)功能；新增過程數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和動態(tài)瀏覽功能，使用實時趨勢瀏覽器可以充分滿足對某些特殊點進行監(jiān)測的需要[11]。

EDPF-NT Plus系統(tǒng)的在國產(chǎn)化替代方面的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

（1）具有完全自主研發(fā)的國產(chǎn)化軟件組態(tài)開發(fā)環(huán)境，從而從源頭上有效解決了控制系統(tǒng)的安全問題。軟件開放性和標準化程度高，組態(tài)和監(jiān)控軟件具有跨平臺的特性，同時支持Windows、Linux及安全操作系統(tǒng)。

（2）采用虛擬控制器（虛擬DPU）和智能化的EIO通信技術(shù)，在通信技術(shù)、數(shù)據(jù)交互上充分兼容現(xiàn)有的國外品牌的現(xiàn)場控制層設(shè)備，實現(xiàn)場站層與現(xiàn)場控制層的無縫連接和高速數(shù)據(jù)傳送，同時在虛擬DPU還可實現(xiàn)高級運算功能、全激勵式仿真，同時方便組態(tài)和調(diào)試；智能化的EIO支持部分數(shù)據(jù)處理和運算功能前置，顯著增強了控制回路的實時性和可靠性。

（3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)支持PROFIBUS DP-V0/V1/V2現(xiàn)場總線協(xié)議，支持DP主站、網(wǎng)段冗余配置；AI、AO模塊還支持HART協(xié)議；提供有統(tǒng)一的現(xiàn)場總線設(shè)備管理軟件（AMS），為設(shè)備的組態(tài)、維護、檢修提供了很大的便利。

（4）采用了主動防御型式的信息安全解決方案，為工業(yè)控制的數(shù)據(jù)安全提供了可靠的保障。

EDPF-NT Plus（水電增強版）可適用于各類規(guī)模的機組，通過先進的網(wǎng)絡(luò)通信和高效、靈活的EIO技術(shù)與水電廠現(xiàn)有的PLC控制裝置以及遠程子系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)合式的開放系統(tǒng)，從而滿足各類規(guī)模、低成本的水電控制系統(tǒng)改造的應(yīng)用需求。

以某水電廠的水輪機組控制為例，EDPF-NT Plus（水電增強版）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 面向水電控制的EDPF-NT Plus系統(tǒng)架構(gòu)Figure 1 Architecture for hydropower oriented EDPF-NT Plus

EDPF-NT Plus系統(tǒng)包括廠級監(jiān)控層和現(xiàn)地監(jiān)控層。廠級監(jiān)控層包括工程師站、操作員站、歷史站、接口站、通信服務(wù)器、GPS時鐘同步系統(tǒng)等。現(xiàn)地監(jiān)控層中按照面向子系統(tǒng)的方式采用若干現(xiàn)地控制單元LCU來控制各個子系統(tǒng)，如發(fā)電機變壓器組、開關(guān)站、廠用電、閘門控制等。LCU由基礎(chǔ)控制單元PLC、IO模塊組以及各種智能設(shè)備如同期裝置、溫度巡檢裝置等組成。主控級配備多臺光纖以太網(wǎng)高速交換機，實現(xiàn)主控級設(shè)備和現(xiàn)地控制級設(shè)備的連接。現(xiàn)地控制單元各設(shè)備分別通過A、B對等的兩套網(wǎng)絡(luò)接口與光纖以太網(wǎng)高速交換機連接。網(wǎng)絡(luò)接口采用高可靠性的工業(yè)級接口，任一設(shè)備出現(xiàn)通信故障不會影響其他模塊的正常通信，可確保廠級監(jiān)控級與現(xiàn)地控制設(shè)備以及現(xiàn)地控制設(shè)備間的可靠性。同時配備有配置事故落門停機和緊急停機處理的現(xiàn)地設(shè)備。

2 EDPF-NT Plus中的虛擬DPU與EIO技術(shù)

虛擬DPU是EDPF-NT Plus中的特色技術(shù)，通過在工程師站或運行員站上使用特殊進程實現(xiàn)實際分布式處理單元（DPU）即過程控制站的全部功能。在虛擬DPU上可運行與實際DPU完全相同的實時數(shù)據(jù)庫和組態(tài)程序，可將原系統(tǒng)中的控制組態(tài)整體移植到上位機中，再配合EIO技術(shù)來靈活、高效實現(xiàn)與現(xiàn)有國外品牌的現(xiàn)場控制單元的數(shù)據(jù)通信，可顯著縮短開發(fā)周期，加快系統(tǒng)國產(chǎn)化改造的進程。

EIO 即擴展 I/O，應(yīng)用于EDPF-NT Plus與第三方系統(tǒng)的通信。一個虛擬DPU通過EIO可同時與多個第三方系統(tǒng)通信。實現(xiàn)形式可基于以太網(wǎng)或串口通信，通信協(xié)議為 Modbus over TCP/IP 或 Modbus RTU。

在實際應(yīng)用中，將根據(jù)不同需求采用不同的通信方案：

（1）基于以太網(wǎng)通信：通信協(xié)議為 Modbus over TCP/IP，EDPF-NT Plus系統(tǒng)與每個第三方系統(tǒng)均可視為網(wǎng)絡(luò)上的一個通信結(jié)點，每個結(jié)點需明確指定 IP 地址和端口號，配置文件中應(yīng)明確定義每個通信結(jié)點的 IP 和端口號。

（2）基于串口通信：通信協(xié)議為 Modbus RTU，EDPFNT Plus與第三方系統(tǒng)之間通過串口服務(wù)器作為轉(zhuǎn)接接口。串口服務(wù)器一端通過以太網(wǎng)和 EDPF-NT Plus 連接，另一端則通過 RS485 和第三方系統(tǒng)連接。串口服務(wù)器通常具有多個連接端口，每個端口連接一個第三方系統(tǒng)。一個串口服務(wù)器具有一個 IP 地址，每個端口具有自己的端口號，應(yīng)用中需要定義每個端口的波特率、停止位、奇偶校驗等信息。基于串口的通信如圖2所示。

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

設(shè)備、任務(wù)、虛擬卡件是 EIO 通信中三個重要概念。

設(shè)備：指與 DCS 通信的第三方系統(tǒng)，通常把一個第三方系統(tǒng)定義為一個設(shè)備。一個DPU可以同時和多個設(shè)備通信，設(shè)備之間彼此獨立。在實際應(yīng)用中需要事先確定與DCS通信的設(shè)備個數(shù)，同時為每個設(shè)備定義：設(shè)備編號、設(shè)備描述、通信協(xié)議、工作模式、通信地址、通信超時、任務(wù)間間隔周期、異步輸入任務(wù)執(zhí)行周期、緩沖區(qū)配置、任務(wù)個數(shù)、是否連發(fā)指令。

任務(wù)指DCS與每個第三方系統(tǒng)通信的一次事務(wù)處理，一次事務(wù)處理完成一次通信。DCS與每個第三方系統(tǒng)的通信由一個或多個任務(wù)完成。任務(wù)分為輸入任務(wù)和輸出任務(wù)，輸入任務(wù)配有“執(zhí)行周期”，輸出任務(wù)配有“控制區(qū)”。EIO根據(jù)輸入任務(wù)的執(zhí)行周期在執(zhí)行時間到達時按順利執(zhí)行同周期內(nèi)的所有輸入任務(wù)，輸出任務(wù)只有在EIO收到來自DPU的輸出指令才會執(zhí)行，而且只執(zhí)行對應(yīng)控制周期的輸出任務(wù)。

虛擬卡件類似傳統(tǒng)IO卡件，用戶可以使用這些虛擬卡件進行組態(tài)，在相應(yīng)卡件上創(chuàng)建通信測點。

3 水電控制系統(tǒng)改造中虛擬DPU與EIO技術(shù)的應(yīng)用

大渡河深溪溝水電站為壩式電站，是大渡河干流規(guī)劃的梯級電站，也是瀑布溝水電站的反調(diào)節(jié)電站。設(shè)計最大壩高49m，水庫正常蓄水位660m，總庫容約3200多萬m3，安裝4×165MW流轉(zhuǎn)槳式水能發(fā)電機組，總裝機容量660MW，額定水頭30m，最大水頭40m，最小水頭20.1m。電站發(fā)電機變壓器組成擴大單元接線方式，發(fā)電機通過離相封閉母線與主變壓器低壓側(cè)連接，輸出額定電壓為 15.75kV，中性點接地。

深溪溝水電站控制系統(tǒng)原采用施耐德Quantum系列產(chǎn)品，其中4臺LCU用于4臺水輪機組的控制；1臺LCU用于AGC/AVC控制；1臺LCU用于公用系統(tǒng)、開關(guān)站系統(tǒng)以及大壩系統(tǒng)的控制。在本項目中引入EDPF- NT Plus水電專用系統(tǒng)來實現(xiàn)國產(chǎn)化替代和改造，在運行員站中使用虛擬DPU通過EIO與現(xiàn)場LCU通信，實現(xiàn)部分國產(chǎn)化產(chǎn)品、設(shè)備的系統(tǒng)集成。系統(tǒng)的配置信息如下：

（1）通信對象：DCS 與 PLC 之間的通信（EDPF- NT Plus系統(tǒng)工作在主站，PLC 工作在從站，從站 ID 默認為 1）。

（2）通信測點信息與卡件配置信息如表 1 所示。

表1 通信測點信息與卡件配置Table 1 Information for measurements and configuration for interface cards

（3）批量建點。根據(jù)深溪溝水電站提供的通信測點清單中的點描述以及之前規(guī)劃好的卡件，可使用批量建點的方式創(chuàng)建通信測點。如果出現(xiàn)協(xié)議地址不連續(xù)的情況，則要求把對應(yīng)的通道空置，不需要建點。

（4）配置通信任務(wù)。

以配置IoDevice1為例，配置文件 eio.conf 中的具體配置如下所示：

[General]

IoDeviceCnt=2 //與兩個 PLC 設(shè)備通信，所以此值設(shè)為 2

[IoDevice1]

DeviceId=1 // 默認的從站 ID 號

Desc=LCU1//1號機組的描述

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

protocol=modbustcp //本次通信使用 modbus over tcp 協(xié)議；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//本地端口號

RemoteIp=172.101.1.11//PLC 通信端的 IP 地址

RemotePort=502//PLC 通信端的端口號（Modbus over tcp服務(wù)端默認端口號）

；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//冗余通信端的端口號

Timeout=1000//每個任務(wù)通信的超時時間 1000ms，通信中，如果 DCS 發(fā)送一個報文后在 1000ms內(nèi)后不到任何對方的應(yīng)答，通信屬超時

Delay=10//每個任務(wù)間隔周期為 10ms

；PeriodNo為輸出任務(wù)需要配置該配置項，定義輸出任務(wù)屬于哪個控制；區(qū)，a，b，c，d，e；Period為異步通信的執(zhí)行周期，單位為ms

Period=10//異步通信的執(zhí)行周期為 10ms

sendCont=1//啟動設(shè)備 1 中的連發(fā)功能

SubTask=11//設(shè)備 1 中的任務(wù)數(shù)

；buf_cnt

bufcnt=1//需配置 1 個緩沖區(qū)

[IoDevice1_buf1]

SlaveId=1//默認的從站 ID 號

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

type=3//可對 4x 的地址進行操作

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

unitCnt=1981//緩沖區(qū)的長度

startAddr=6000//緩沖區(qū)的起始寄存器號

[IoDevice1_SubTask1]

SlaveId=1//默認的從站 ID 號

FuncCode=3//使用功能碼 3 讀取數(shù)據(jù)

StartReg=6621//讀取指定的起始寄存器地址

RegCnt=125//該任務(wù)讀取 125 個寄存器

[IoDevice1_SubTask2]

…

[IoDevice1_SubTask14]

…

4 結(jié)束語

我國現(xiàn)有水電站控制系統(tǒng)逐步實施國產(chǎn)化替代和改造是未來水電發(fā)展的主要方向。EDPF-NT Plus采用基于虛擬DPU和EIO的靈活、高效的通信接口和系統(tǒng)集成技術(shù)，在上位機中通過部署虛擬DPU，采用EIO技術(shù)并配合使用多設(shè)備、多任務(wù)靈活配置，實現(xiàn)了對現(xiàn)有水電站控制系統(tǒng)的部分國產(chǎn)化替代和改造，在實踐中取得了很好的應(yīng)用效果。