巨型水電站現(xiàn)地控制單元與外部系統(tǒng)通信方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

汪華強(qiáng)，雷 勇，楊春霞，文正國

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；2.二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000）

引言

在中國水利水電事業(yè)快速發(fā)展，水電大規(guī)模開發(fā)建設(shè)的背景下，正在規(guī)劃和投產(chǎn)的大型水電廠均選用單機(jī)容量600 MW以上的巨型水輪機(jī)組。

隨著各水電廠總裝機(jī)容量的大幅提升，廠內(nèi)所裝配的各輔助系統(tǒng)的數(shù)量也會(huì)明顯地增加。隨之而來的卻是高強(qiáng)度的日常維護(hù)工作，為減輕電站管理人員的負(fù)擔(dān)，達(dá)到智能水電廠的設(shè)計(jì)要求。水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)扮演著至關(guān)重要的角色，同時(shí)也對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信提出更高的要求，尤其是一些地理位置比較偏遠(yuǎn)、設(shè)備安裝部位比較分散的水電廠。按照以前傳統(tǒng)水電廠設(shè)計(jì)模式僅就電纜敷設(shè)的復(fù)雜性和投入的成本就阻礙著水電廠的建設(shè)步伐。但是現(xiàn)在性能不斷提高的PLC產(chǎn)品以及其與外部系統(tǒng)通信兼容性的優(yōu)化極大地提高工作效率和降低管理成本，很好地解決這一困境。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

瀑布溝水電廠既有地面廠房又有地下廠房，還有獨(dú)立的大壩溢洪道單元、泄洪洞單元、放空洞單元、滲漏排水單元、進(jìn)水口閘門、尼日河閘門單元等，各單元相距甚至超過十幾公里。全廠配置一套500 kV開關(guān)站LCU、1套地面廠房公用LCU、1套地下副廠房公用LCU、1套地下安裝間公用LCU、1套進(jìn)水口閘門LCU、1套大壩閘門LCU、1套尼日河閘門LCU和6套機(jī)組LCU（每套機(jī)組LCU包含主機(jī)屏、測(cè)溫屏、水機(jī)屏3套獨(dú)立的單元）。機(jī)組LCU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置如圖1所示。

圖1 機(jī)組LCU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置

LCU選自羅克韋爾自動(dòng)化公司的ControlLogix產(chǎn)品，CPU控制器選擇1756-L62，每套LCU均采用雙機(jī)雙網(wǎng)冗余PLC配置，為每套CPU機(jī)箱提供獨(dú)立的電源和I/O電源。每套LCU除采集很多硬接點(diǎn)信號(hào)之外，還需以通信方式實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)及智能設(shè)備數(shù)據(jù)共享，如交流采樣表、電度表、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、10 kV廠用電系統(tǒng)、400 V公用照明電系統(tǒng)、直流屏系統(tǒng)、密封水系統(tǒng)、各輔設(shè)系統(tǒng)等，同時(shí)監(jiān)控內(nèi)部各LCU間同樣存在數(shù)據(jù)交換處理。

2 外部系統(tǒng)通信特點(diǎn)

LCU與外部系統(tǒng)通信按照各系統(tǒng)的功能要求方式各異，實(shí)際施工須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況因地制宜。以下簡(jiǎn)要介紹瀑布溝電廠內(nèi)各系統(tǒng)的通信特點(diǎn)。

2.1 獨(dú)立的智能儀表設(shè)備

交流采樣表、電度表、變送器等智能設(shè)備使用頻繁，各設(shè)備均可設(shè)置唯一的站地址，采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備，支持模擬量和數(shù)字量信息的傳輸，實(shí)時(shí)性一般，易于維護(hù)和管理。如10 kV廠用電系統(tǒng)、400 V公用照明電系統(tǒng)等。

2.2 勵(lì)磁、調(diào)速器、密封水系統(tǒng)等擁有成套的PLC

此類系統(tǒng)一般有自己的PLC控制器和I/O模件，可編程性高。通訊協(xié)議和接口類型亦根據(jù)PLC產(chǎn)品可選擇性較大，一般可以提供MODBUS RTU、MODBUS PLUS、MODBUS TCP/IP、PROFIBUS總線等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。如果在通訊距離遠(yuǎn)，電磁干擾比較強(qiáng)的情況下，可以考慮使用光纖介質(zhì)，并且增加第三方產(chǎn)品。如PROSOFT、HMS等系列協(xié)議轉(zhuǎn)換產(chǎn)品，操作簡(jiǎn)單且性能穩(wěn)定，對(duì)監(jiān)控CPU通信接口也可以起到隔離保護(hù)的作用。

2.3 繼電保護(hù)系統(tǒng)

保護(hù)系統(tǒng)所傳輸?shù)男盘?hào)基本是差動(dòng)保護(hù)、距離保護(hù)等動(dòng)作信號(hào)，作為硬接點(diǎn)的補(bǔ)充信號(hào)。通訊介質(zhì)因距離長(zhǎng)短可選一般的電纜線、網(wǎng)線或光纖等，且大都采用103通信協(xié)議，如許繼保護(hù)、AREVA保護(hù)等。

2.4 直流屏系統(tǒng)

一些設(shè)備成套廠家（直流屏系統(tǒng)）使用自己內(nèi)部通信協(xié)議，與行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的格式和定義均不同，具體要見協(xié)議內(nèi)容。對(duì)于此種情況，市面上沒有標(biāo)準(zhǔn)的第三方產(chǎn)品可供使用，需要借助一些可編程的小型通信管理機(jī)來實(shí)現(xiàn)，如MOXA系列產(chǎn)品。

2.5 輔機(jī)系統(tǒng)

之所以把輔機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立出來，是因?yàn)槠俨紲蠌S內(nèi)的輔機(jī)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)采用的同屬ControlLogix產(chǎn)品。兩者之間的通訊方式就可以利用ControlLogix內(nèi)部總線數(shù)據(jù)共享，極大地保證通信的質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。

2.6 監(jiān)控PLC間數(shù)據(jù)共享

監(jiān)控內(nèi)部各套LCU之間通過光纖網(wǎng)互聯(lián)，每套LCU配置兩臺(tái)工業(yè)交換機(jī)組成雙網(wǎng)。如果要實(shí)現(xiàn)LCU間的數(shù)據(jù)共享，只能謀求建立于以太網(wǎng)和ControlLogix總線上的解決方案，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖3。

3 方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 方案1：Moxa通信管理機(jī)

Moxa通信管理機(jī)能提供低成本高效益且穩(wěn)定性高的串口通信解決方案、串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)解決方案、及工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。預(yù)先安裝的Linux操作系統(tǒng)讓工程師可選擇自行開發(fā)應(yīng)用程序，或者是輕松且免費(fèi)地使用開放程序代碼。

正因如此不論廠內(nèi)各系統(tǒng)采用什么通信協(xié)議，都可以通過串口編程解決，靈活且穩(wěn)定。串口接口可以是RS485RS232RS422，這對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間要求不高的情況是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

3.2 方案2：ProSoft通訊網(wǎng)關(guān)或HMS通訊網(wǎng)關(guān)

ProSoft Technology和HMS均致力于為工業(yè)行業(yè)提供通訊網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)不同控制系統(tǒng)、自動(dòng)化產(chǎn)品、工業(yè)儀表之間的數(shù)據(jù)通訊。產(chǎn)品性能優(yōu)越，具備友好的配套軟件，配置簡(jiǎn)單易于掌握，且有與羅克韋爾自動(dòng)化公司聯(lián)合開發(fā)基于機(jī)箱的模塊化產(chǎn)品，如PROSOFTMVI56-MCMR。但針對(duì)不同的通訊協(xié)議需要購置對(duì)應(yīng)的設(shè)備，靈活性低且成本高。

工程中廣泛應(yīng)用于監(jiān)控PLC與外部各系統(tǒng)通信協(xié)議一致的情況，如400 V公用照明電系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、密封水系統(tǒng)等均采用統(tǒng)一的MODBUS協(xié)議。

3.3 方案3：ControlLogix EtherNet/IP網(wǎng)和ControLNet網(wǎng)

EtherNet/IP網(wǎng)已用于ControlNet和DeviceNet的控制和信息協(xié)議（CIP）為應(yīng)用層協(xié)議。CIP提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)，提供“隱式”和“顯式”方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問和控制。EtherNet/IP更適用于發(fā)送大塊的數(shù)據(jù)（如程序），而不是DeviceNet和ControlNet更擅長(zhǎng)的模擬或數(shù)字的I/O數(shù)據(jù)。

圖2 ControLNet網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于上述2.5部分，如圖2所示可以通過ControLNet網(wǎng)與輔機(jī)系統(tǒng)CPU和I/O通訊。1756-CNBR模塊作為遠(yuǎn)程模塊，通過ControLNet網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控PLC機(jī)架與輔機(jī)系統(tǒng)機(jī)架聯(lián)在一起，利用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式配置CNBR模塊和規(guī)劃ControLNet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)快速共享各CPU內(nèi)數(shù)據(jù)信息。

而相對(duì)2.6部分，也可以利用類似ControLNet網(wǎng)與輔機(jī)系統(tǒng)CPU和I/O通訊的方案，但考慮各LCU間數(shù)據(jù)通信量不大，僅通過MSG塊指令讀寫數(shù)據(jù)即能滿足要求。如果各LCU間數(shù)據(jù)通信量大的話亦可選擇EtherNet/IP網(wǎng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式，共享大量數(shù)據(jù)。

圖3 EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)

3.4 方案4：H9000 V4.0軟件

針對(duì)2.6部分的數(shù)據(jù)傳輸情況，也可以通過PLC軟件及H9000 V4.0上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。此方案簡(jiǎn)易且相當(dāng)靈活，只要是掛接在監(jiān)控內(nèi)網(wǎng)的任何LCU均可以讀取網(wǎng)絡(luò)上另一LCU的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

綜合上述方案可根據(jù)工程實(shí)際情況選擇使用，且已經(jīng)過瀑布溝水電廠專業(yè)技術(shù)人員的嚴(yán)格測(cè)試,滿足該項(xiàng)目的各項(xiàng)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)。