長(zhǎng)洲水利樞紐工程內(nèi)江計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

白劍飛，鄧小剛，邢詩(shī)唯，許賀永

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自動(dòng)化研究所，北京 100038；2.大港油田供水公司，天津 300280)

長(zhǎng)洲水利樞紐工程內(nèi)江計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

白劍飛1，鄧小剛1，邢詩(shī)唯1，許賀永2

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自動(dòng)化研究所，北京 100038；2.大港油田供水公司，天津 300280)

長(zhǎng)洲水利樞紐工程內(nèi)江電站現(xiàn)地控制層采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，本文介紹了長(zhǎng)洲內(nèi)江計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元的配置、特點(diǎn)和功能。

長(zhǎng)洲內(nèi)江監(jiān)控系統(tǒng)；現(xiàn)地控制層；LCU

長(zhǎng)洲水利樞紐位于西江干流、潯江末端的長(zhǎng)洲島河段上，距梧州市區(qū)12km。長(zhǎng)洲水利樞紐工程為西江下游河段廣西境內(nèi)的最后一個(gè)梯級(jí)電站，是一座以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、灌溉等綜合利用效益的大型水利樞紐。電站分內(nèi)江廠房和外江廠房?jī)刹糠?，共裝設(shè)15臺(tái)單機(jī)容量為42MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，其中外江廠房9臺(tái)，內(nèi)江廠房6臺(tái)。發(fā)電機(jī)母線采用擴(kuò)大單元接線，每3臺(tái)發(fā)電機(jī)經(jīng)1臺(tái)變壓器升壓后接入開關(guān)站設(shè)備。

長(zhǎng)洲水利樞紐工程內(nèi)江計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式冗余多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)水電站的特點(diǎn)，總體結(jié)構(gòu)分為兩層：全廠控制層(PCL)和現(xiàn)地控制層(LCL)，兩層之間采用冗余的高速網(wǎng)絡(luò)連接。內(nèi)江現(xiàn)地控制層系統(tǒng)采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 內(nèi)江現(xiàn)地控制層

內(nèi)江現(xiàn)地控制層共有9個(gè)現(xiàn)地控制單元：

a.LCU10～15：機(jī)組LCU，分別用于10～15號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組的過(guò)程控制和相應(yīng)的調(diào)速器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器及有關(guān)輔助設(shè)備等的監(jiān)控，布置在運(yùn)行層機(jī)旁。

b.LCU19：內(nèi)江開關(guān)站LCU，用于內(nèi)江開關(guān)站設(shè)備，包括開關(guān)站的線路、斷路器、隔離開關(guān)、母線電壓互感器、主變壓器等的監(jiān)控，布置在內(nèi)江開關(guān)站繼電保護(hù)屏室。

c.LCU20：內(nèi)江廠用配電裝置LCU，用于內(nèi)江廠用配電裝置等的監(jiān)控，布置在內(nèi)江廠房繼電保護(hù)屏室。

d.LCU21：內(nèi)江公用設(shè)備及通風(fēng)空調(diào)LCU，用于內(nèi)江公用設(shè)備、通風(fēng)空調(diào)以及直流系統(tǒng)等設(shè)備的監(jiān)控，布置在內(nèi)江廠房繼電保護(hù)屏室。

1.1 配置

現(xiàn)地控制單元主要由可編程邏輯控制器(PLC)、現(xiàn)地人機(jī)接口(觸摸屏)、通信管理裝置和智能采集儀表組成。主要配置如下：

（1）主控制器。選用西門子公司S7-400H系列PLC作為L(zhǎng)CU的主控制器。S7-400H采用冗余結(jié)構(gòu)，包括冗余的CPU、供電模件和CPU通信同步模塊等。不僅具有S7-400系統(tǒng)共有的I/O能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、程序執(zhí)行速度快、強(qiáng)大的通訊能力外，避免由于單個(gè)CPU故障造成系統(tǒng)癱瘓，無(wú)擾動(dòng)切換，不會(huì)丟失任何信息。具有高程度的可靠性和容錯(cuò)能力。PLC主要完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制等功能。主要模件包括中央處理單元CPU模件，通信模件，開關(guān)量輸入、輸出模件，模擬量輸入、輸出模件。

（2）現(xiàn)地人機(jī)接口單元。LCU現(xiàn)地人機(jī)接口單元選用法國(guó)施耐德公司的XBTG6330，具有高可靠性、防塵、抗震、抗電磁干擾等優(yōu)良性能。觸摸屏與PLC通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，可實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)地實(shí)時(shí)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和數(shù)據(jù)以及快速、方便的完成對(duì)電站機(jī)組、開關(guān)設(shè)備和輔助系統(tǒng)設(shè)備的操作。

（3）通信控制器。LCU采用臺(tái)灣MOXA公司的嵌入式通信控制器MOXA UC-7410-LX。MOXA UC7410具備8個(gè)RS-232/422/485串口和雙10/100Mbps以太網(wǎng)絡(luò)端口。該控制器通過(guò)以太網(wǎng)口與PLC連接，通過(guò)8個(gè)串行口與交流采樣裝置、電能采集裝置、勵(lì)磁、調(diào)速器和輔機(jī)等裝置進(jìn)行通信。

（4）交流采樣裝置。機(jī)組LCU采用德國(guó)SIMEASP500多功能交流采樣儀表，開關(guān)站和廠用LCU采用瑞士DAE公司ACUVIM多功能交流采樣儀表。交流采樣表通過(guò)通信控制器實(shí)現(xiàn)與PLC的通訊。

（5）同期裝置。機(jī)組LCU選用深圳智能設(shè)備公司的SID單對(duì)象微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，開關(guān)站選用8對(duì)象SID-2H微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置和SID-2型微機(jī)同期自動(dòng)選線器。

（6）水機(jī)緊急停機(jī)控制器。為提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)設(shè)置獨(dú)立的水機(jī)緊急停機(jī)控制回路，用于完成水機(jī)事故緊急停機(jī)及PLC故障情況時(shí)的手動(dòng)緊急停機(jī)。水機(jī)緊急停機(jī)回路由常規(guī)繼電器構(gòu)成，獨(dú)立于PLC。

長(zhǎng)洲水利樞紐工程內(nèi)江監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元的典型配置示意圖如圖1。

1.2 特點(diǎn)

（1）PLC采用冗余結(jié)構(gòu)，CPU模塊、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊和接口模塊均為冗余配置。雙CPU互為備用，若主用CPU因故障停止運(yùn)行，備用CPU可無(wú)擾切換為主用CPU繼續(xù)工作。保證了電站的安全、可靠運(yùn)行。

圖1 現(xiàn)地控制單元配置圖

（2）高性能的冗余PLC系統(tǒng)，CPU執(zhí)行性能高，內(nèi)存帶有自動(dòng)錯(cuò)誤探查和修復(fù)功能，可進(jìn)行自動(dòng)故障診斷和定位，主從切換平滑，模塊支持熱插拔功能。

（3）系統(tǒng)可在廠站控制層對(duì)電站機(jī)組、開關(guān)設(shè)備和輔助系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和操作控制，也可以在現(xiàn)地LCU觸摸屏上進(jìn)行操作和監(jiān)視。對(duì)PLC來(lái)說(shuō)，上位機(jī)與觸摸屏是并行關(guān)系。上位機(jī)與觸摸屏中任一方出現(xiàn)故障，都不會(huì)影響對(duì)方與PLC的通訊。

（4）PLC整個(gè)配置結(jié)構(gòu)采用SIMATIC S7－400系列414冗余CPU加遠(yuǎn)程I/O方案，冗余CPU與遠(yuǎn)程I/O通過(guò)冗余PROFIBUS-DP總線相連。

（5）PLC的遠(yuǎn)程I/O站接口模塊（IM153）具有SOE功能，通過(guò)配置快速的中斷開關(guān)量采集模塊，完成事件的順序記錄。該采集模板為具有16路24V開關(guān)量輸入，每個(gè)I/O站接口模塊（IM153）可處理128點(diǎn)開關(guān)量輸入，保證SOE的分辨率小于1ms。

（6）與GPS時(shí)鐘裝置通過(guò)NTP以太網(wǎng)對(duì)時(shí)，對(duì)時(shí)精度1ms。

2 現(xiàn)地控制層功能

每套LCU均是一套完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。與上位機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，作為監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指定的功能。當(dāng)LCU與上位機(jī)系統(tǒng)脫離時(shí)，能獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)LCU的現(xiàn)地監(jiān)控功能。

2.1 LCU基本功能

現(xiàn)地控制單元實(shí)現(xiàn)的基本功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理

PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理。采集對(duì)象主要包括：①電氣、非電氣和溫度模擬量；②開關(guān)量；③電度量。采集預(yù)處理主要有：①數(shù)據(jù)有效性、合理性判斷；②對(duì)有關(guān)模擬量前后兩次數(shù)值進(jìn)行梯度變化率檢查，當(dāng)變化梯度越限時(shí)進(jìn)行報(bào)警或其它處理；③越復(fù)限報(bào)警及記錄；④設(shè)備故障、事故及狀態(tài)異位報(bào)警及記錄等。

（2）事件上送功能。對(duì)事件記錄信號(hào)進(jìn)行快速采集處理，加時(shí)標(biāo)后，向上位機(jī)系統(tǒng)上報(bào)。

（3）遙測(cè)和遙信功能。通過(guò)通信控制器實(shí)時(shí)采集公用系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并上送上位機(jī)。

（4）LCU現(xiàn)地人機(jī)聯(lián)系。通過(guò)觸摸屏上的顯示界面、報(bào)警界面和操作界面，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地監(jiān)控功能。

（5）LCU可在線和離線診斷PLC硬件模塊故障。還可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)在線和離線診斷，當(dāng)診斷出故障時(shí)，可自動(dòng)閉鎖控制輸出，產(chǎn)生系統(tǒng)診斷報(bào)警信息。LCU進(jìn)行在線自診斷時(shí)，不影響LCU的正常監(jiān)控功能。

（6）時(shí)間同步功能。通過(guò)硬件和網(wǎng)絡(luò)同步手段，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間同步。

2.2 特殊功能

（1）機(jī)組LCU10～15

1）控制功能

可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地/遠(yuǎn)方控制方式切換；機(jī)組開、停機(jī)控制均包括單步控制和連續(xù)控制兩種方式；機(jī)組事故停機(jī)及緊急停機(jī)控制；機(jī)組輔助設(shè)備控制；發(fā)電機(jī)出口斷路器的分/合操作；主變中性點(diǎn)接地開關(guān)分/合操作；機(jī)組有功功率、無(wú)功功率調(diào)節(jié)；機(jī)旁緊急停機(jī)按鈕；自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)操作。

2）通信功能

機(jī)組LCU與交流采樣裝置、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器和輔機(jī)系統(tǒng)通過(guò)通信控制器進(jìn)行通信，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS規(guī)約。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與觸摸屏的通信。

（2）開關(guān)站LCU19

1）控制功能

220 kV斷路器的分合閘和同期并列；220kV隔離開關(guān)和接地刀閘的分/合操作及操作閉合；開關(guān)站現(xiàn)地/遠(yuǎn)方控制方式的切換操作。

2）通信功能

開關(guān)站LCU與交流采樣裝置通過(guò)通信控制器進(jìn)行通信，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS規(guī)約。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與觸摸屏的通信。

（3）廠用LCU20

1）控制功能

廠用電系統(tǒng)開關(guān)及斷路器的遙控分/合閘。

2）通信功能

廠用LCU與交流采樣裝置通過(guò)通信控制器進(jìn)行通信，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS規(guī)約。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與觸摸屏的通信。

（4）公用LCU21

1）控制功能。廠內(nèi)公用及通風(fēng)設(shè)備的控制與操作，主要有風(fēng)機(jī)的起/停操作，滲漏排水泵的啟動(dòng)/停止操作，技術(shù)供水電動(dòng)閥的開/關(guān)/停操作。

2）通信功能。公用及通風(fēng)設(shè)備現(xiàn)地控制單元配置1臺(tái)100Mbps網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地控制單元的CPU與各公用及通風(fēng)設(shè)備控制柜PLC的通信，構(gòu)成單星形光纖以太網(wǎng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

截至2009年5月，長(zhǎng)洲內(nèi)江電廠已完成10號(hào)-13號(hào)共4臺(tái)機(jī)組的成功并網(wǎng)發(fā)電。電站監(jiān)控系統(tǒng)自投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。計(jì)算機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控的使用，不僅可使機(jī)組經(jīng)常處于最佳工況和最佳運(yùn)行方式，提高機(jī)組運(yùn)行小時(shí)和水能利用率，而且可提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕運(yùn)行人員操作和監(jiān)視工作量。

TP273+.5

B

1672-5387（2010）03-0035-02

2010-04-28

白劍飛（1978-），女，工程師，從事水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的項(xiàng)目開發(fā)、集成、調(diào)試工作。