西龍池抽水蓄能電站通風空調控制系統(tǒng)設計

蔣一峰，劉書玉，郝 峰，梁國才，王 純

（1.中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024；2.山西西龍池抽水蓄能電站有限責任公司，山西 五臺 035503）

0 概述

西龍池抽水蓄能電站位于山西省忻州地區(qū)五臺縣境內，滹沱河與清水河交匯處上游。電站距忻州市、太原市直線距離分別為50 km及100 km，距北同蒲鐵路忻（州）河（邊）支線火車站直線距離17 km。電站裝機容量為1 200 MW，裝設4套單機容量為300 MW的立軸混流可逆式單級水泵水輪機和發(fā)電電動機組及4臺容量為360 MVA的主變壓器。電站建成后以500 kV出線接入山西電網，在電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相以及事故備用等任務。

西龍池抽水蓄能電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、地面副廠房及開關站大樓、補水建筑物等組成。電站廠房為地下式，布置四臺機組，安裝間設于1號、2號機組和3號、4號機組廠房中間，副廠房設于廠房左端。

電站按“無人值班”（少人值守）的要求設計。采用以計算機監(jiān)控系統(tǒng)為基礎的全廠集中監(jiān)控方案，設置開放式全分布分層系統(tǒng)結構的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

針對西龍池蓄能電站通風空調系統(tǒng)的布置特點，為提高全廠自動化控制水平，結合當今現場總線技術的發(fā)展，通風（空調）控制系統(tǒng)采用全通信方式實現，詳細的結構及特點說明如下。

1 通風（空調）系統(tǒng)簡介

西龍池蓄能電站通風系統(tǒng)共配有166臺風機。廠房設有風機137臺，布置分布為主廠房104臺，副廠房13臺，主變洞18臺，出線豎井2臺；地面開關樓19臺；主廠房排煙洞風機2臺；通風洞口2臺、空調冷卻水機組3臺、空調冷卻水循環(huán)泵3臺。

通風（空調）控制系統(tǒng)上位機布置在開關樓中控室內，距地下廠房1 200 m，距主變洞1 000 m，距排煙洞口600 m。通風洞口距地下廠房1 000 m。

通風（空調）設備可現地控制及遠方控制。正常情況通風（空調）控制系統(tǒng)實現對電站通風及溫度控制；在發(fā)生火災時，能通過電站火災報警系統(tǒng)聯動通風（空調）控制系統(tǒng)，實現通風機停運、排煙風機啟動等控制。

2 通風（空調）控制系統(tǒng)結構

2.1 網絡結構

西龍池蓄能電站通風空調設備控制采用分層分布式控制系統(tǒng)，主控層設1臺通風（空調）控制系統(tǒng)上位機，現地層設2個現地控制單元，通過以太網、TCP/IP協(xié)議構成通風空調的監(jiān)控系統(tǒng)。在主控層及網絡失效的情況下，現地控制單元仍能獨立完成其系統(tǒng)內設備的監(jiān)視和控制功能。

上位機通過交換機與全廠通風（空調）的各個現地控制單元相連接，通信介質采用單模光纖。通風（空調）控制系統(tǒng)各個現地控制單元通過現場總線方式連接相應區(qū)域的各現地控制設備。

2.2 主設備配置

主控層設1臺通風（空調）控制系統(tǒng)上位機，布置在地面開關樓中控室；現地層設2個現地控制單元，分別布置在副廠房二次工作室和開關樓現地控制單元室。

為節(jié)省電纜，在風機、空調相對比較集中的地方設置了6個遠程I/O：

（1）地下主廠房：1號、2號機組段母線層布置一個遠程I/O，用于控制和采集1號、2號機組段蝸殼層、蝸殼夾層、水輪機層和母線層的風機及防火閥的運行和狀態(tài)。3號、4號機組段母線層布置一個遠程I/O，用于控制和采集3號、4號機組段蝸殼層、蝸殼夾層、水輪機層和母線層的風機及防火閥的運行和狀態(tài)。

（2）主變洞：在1號、2號主變段1號通風機室布置一個遠程I/O，用于控制和采集1號和2號主變通風機室、SFC輸出變壓器室、限流電抗器室和出線豎井的風機及防火閥的運行和狀態(tài)。在3號、4號主變段5號通風機室布置一個遠程I/O，用于控制和采集3號、4號、5號通風機室的風機及防火閥的運行和狀態(tài)。

（3）通風洞口：在通風洞口風機房布置一個遠程I/O，用于控制和采集通風口風機房的冷凍循環(huán)水泵、風冷冷水機組、定壓補水裝置和風機及防火閥的運行和狀態(tài)。

（4）排煙洞：在排煙洞口風布置一個遠程I/O，用于控制和采集排煙風機及防火閥的運行和狀態(tài)。

2.3 現地控制設備配置

根據電站廠房及風機（空調）設備布置特點，西龍池蓄能電站通風（空調）控制箱（柜）共設74面。

為使現地風機控制更趨簡化和完善，風機（空調）設備控制采用了電動機管理控制器（MMC）。風機（空調）設備運行狀態(tài)和故障信號均由MMC裝置上的指示燈顯示?？刂葡湓O有現地/遠方選擇開關，當選擇開關在現地位置時，通過MMC裝置上的按鈕控制風機（空調）設備啟/停；當選擇開關在遠方位置時，則由設在中控室通風空調系統(tǒng)的上位機通過通信方式控制風機（空調）設備啟/停。為防止防火閥在關閉時風機運行，設計時考慮了防火閥位置狀態(tài)與風機控制回路閉鎖功能。

3 設備選型及系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)充分考慮設計的安全性、可靠性和先進型，并嚴格遵守國家標準基礎上設計的，其主要器件均選擇原裝進口品牌，系統(tǒng)具有可靠性高和使用壽命長等特點，具體如下：

(1)上位機采用研華/臺灣IPC610工控機，Pentium4，主頻2.8 GHz，內存1 024 MB，具有較強的處理能力。

(2)網絡交換機選用德國Hirschmann品牌，型號RS20-0400-T1T1，帶有4個10/100Base-TX端口，實現網絡信息可靠交換。

(3)現地控制單元采用西門子S7-300系列PLC作為系統(tǒng)的主站和核心控制器件，并配置CP341 MODBUS通訊模塊以及LDS-20C通訊服務器，同時配置12.1"MT5600觸摸屏。

(4)遠程I/O站采用帶控制器的S7-200作為遠程I/O的核心控制器件，配置EM277通訊模塊，具有較強的通信能力、數據采集和處理能力，能確保在主站和遠程I/O站通訊中斷的情況下，遠程I/O站仍然能與底層設備進行數據通訊，使得底層設備仍然能正常運行。

(5)主站與遠程I/O站之間采用PROFIBUS-DP現場總線進行通信，通信距離較遠，且具有較強抗干擾能力；通訊介質成本較低。

(6)系統(tǒng)具有現地手動控制、現地自動控制、遠方控制等多種控制方式。

(7)風機（空調）設備現地控制設計中實現了與電站火災報警系統(tǒng)的聯動。為保證防火閥在關閉時，防止風機運行，設計時考慮了防火閥位置狀態(tài)與風機控制回路閉鎖功能。

(8)系統(tǒng)可統(tǒng)計電機的累計運行時間。

(9)柜體采用全框架結構，內部結構可以根據要求隨意進行組合；具有機械強度高、電氣防護等級高、抗電磁干擾能力強。

(10)系統(tǒng)運行參數設有出廠默認設定值，可根據現場的具體情況通過顯示面板或遠方通訊方式進行調整和設定。

(11)系統(tǒng)的各種運行參數均可通過現地顯示面板進行設定和顯示。

(12)若系統(tǒng)出現故障，系統(tǒng)能發(fā)出聲光報警信號，并通過現地顯示面板顯示和遠方報警，以提示運行及維護人員。

(13)系統(tǒng)設有足夠裕量的I/O接口，用戶可根據需要進行擴展，不需修改任何硬件。

4 系統(tǒng)實施

西龍池蓄能電站通風（空調）控制系統(tǒng)實施過程中，在風機控制箱內配置了電動機管理控制器（MMC）。該電動機管理控制器除具有完善的針對風機（空調）設備的控制、保護及實現與防火閥的閉鎖功能外，還帶有通信接口（接口RS485，通信規(guī)約MODBUS）?？蓪崿F把風機（空調）設備的運行狀態(tài)及故障信息（如風機的工作電流、電壓、運行狀態(tài)、故障及防火閥位置等信號）上送到風機（空調）設備控制系統(tǒng)的上位機，可極大地豐富該系統(tǒng)信息量。同時，可以節(jié)省從遠方I/O到現地控制箱的硬接線電纜，缺點是通信速率會受到一定的影響。為了進一步挖掘MMC裝置的潛力，系統(tǒng)設計時除實現通過通信方式采集風機（空調）設備的信息外，還實現了通過通信方式完成風機（空調）設備的啟/?？刂?，完全取消了通過連接到LCU或遠方I/O的硬線來啟/停風機（空調）設備。為解決通信速率低的問題，采用了在LCU或遠方I/O提供多個通信口，將所有的MMC裝置分成多路分別接入的方式來解決。每個通信口連接不多于16個MMC裝置。

5 結論及特點

（1）山西西龍池抽水蓄能電站為地下廠房，通風及空調系統(tǒng)龐大而復雜，分布在整個電站。為了更好地實現電站“無人值班”（少人值守）的控制原則，減少維護，提高工作效率，通風空調控制系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的電纜硬接線的數據采集方式，采用了全通信方式，并設置集中監(jiān)控工作站，不但實現了風機和空調等設備的操作和監(jiān)視，還完成了與電站火災自動報警系統(tǒng)聯動。

（2）通風空調控制系統(tǒng)采用數字現場總線技術，采用分層分布結構。根據樞紐布置特點，分別設置地面和地下通風空調現地控制單元及遠程I/O，并通過各個遠程I/O采用MODBUS-PROFIBUS的通訊方式與本區(qū)域內的現地控制箱（柜）完成系統(tǒng)連接及信息交換。

（3）通風空調設備的現地控制采用電動機管理控制器（MMC），負責完成風機（空調）設備的運行、故障信息的采集和啟/?？刂?，并通過分布在電站各個區(qū)域內的MMC通信組網，實現整個通風空調系統(tǒng)的集中監(jiān)控，改變了以往即便系統(tǒng)采用網絡通信方式，也要通過硬布線方式完成風機（空調）設備啟/停控制。實現了僅采用通信方式RS485MODBUS完全對電站風機（空調）設備啟/停和信息采集的控制。

（4）本系統(tǒng)采用的電動機管理控制器（MMC）可采集6路開關量信號、電流、電壓信號。依據所設定的電機參數，通過微處理器計算出電功率、電機過載、過熱、外部故障、堵轉、缺相、電流不平衡、欠壓、過壓、接地、或漏電等實現對風機的保護。電動機管理控制器（MMC）的使用取代了傳統(tǒng)的熱繼電器、電流互感器、多種信號燈、電流表、按鈕、大量中間繼電器和時間繼電器、變送器、電纜等，節(jié)省了盤柜大部分的空間，相應的也減少了盤柜的體積，減輕了盤柜的重量，使得盤柜的安裝及布置更加靈活。

（5）相對常規(guī)控制方式系統(tǒng)設計，西龍池抽水蓄能電站通風（空調）控制系統(tǒng)采用集約型電動機管理控制器（MMC）及通信傳輸方式設計，光是取消用于通過硬線連接實現風機（空調）設備啟/停命令方式的控制電纜的長度就約為13 000 m。同時還節(jié)省了很多啟動、控制元器件，既節(jié)省了投資又節(jié)省了安裝工程量，同時也減輕了運行人員檢修維護的工作量，整個控制系統(tǒng)節(jié)約成本約40萬元。

目前，西龍池電站的通風空調控制系統(tǒng)已投入運行，運行情況良好，通信網絡比較穩(wěn)定。

綜上所述，通風空調控制系統(tǒng)的最大特點就是采用電動機管理控制器（MMC）和現場總線技術，系統(tǒng)結構簡潔靈活，節(jié)省大量控制電纜且安裝調試簡單，便于運行和維護。