摘 要
介紹天生橋二級電站基于PLC裝置實(shí)現(xiàn)的軟件SOE功能,不依賴于任何的SOE硬件模塊,實(shí)際接線少、成本低廉、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、大容量處理開關(guān)量SOE數(shù)據(jù),支持模擬量SOE,且可擴(kuò)展性強(qiáng),其分辨率小于10ms,這為系統(tǒng)的監(jiān)視、控制及事后分析、研究各種事故的產(chǎn)生原因提供了有力的依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】大型水電站 監(jiān)控系統(tǒng) PLC SOE
【關(guān)鍵詞】大型水電站 監(jiān)控系統(tǒng) PLC SOE
天生橋水力發(fā)電總廠系中國南方電網(wǎng)公司應(yīng)急調(diào)峰調(diào)頻水電廠,位于廣西壯族自治區(qū)隆林縣境內(nèi),地處廣西和貴州交界處的南盤江上,成立于1988年3月,負(fù)責(zé)運(yùn)行管理南盤江上的百萬級大型水電站——天生橋二級電站和500kV開關(guān)站、220kV開關(guān)站各一座,電站裝有六臺22萬kW的水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組,設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量82億kW·h。
天生橋二級電站是西電東送南路工程的首個電源點(diǎn),系西電東送的發(fā)源地,與電站同步建設(shè)有天生橋二級電站至廣東、貴州和廣西的4回500kV超高壓交流輸電線路,建設(shè)有8回220kV輸電線路,是南方電網(wǎng)主網(wǎng)架的重要樞紐。
電站設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主,常規(guī)監(jiān)控為輔的方式。由于建站期間安裝的監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定,且多次處理未能明顯改善,電站于是著手監(jiān)控系統(tǒng)改造的準(zhǔn)備工作,于2006年完成全廠監(jiān)控系統(tǒng)(6臺機(jī)組、220kV開關(guān)站、500kV開關(guān)站、首部閘門控制系統(tǒng)、全廠輔助設(shè)備)的改造,并實(shí)現(xiàn)了在興義遠(yuǎn)控中心對全廠設(shè)備的監(jiān)控。
在可靠的完全實(shí)現(xiàn)全站計(jì)算機(jī)監(jiān)控后,SOE功能就顯得尤為重要。SOE,為英文Sequence Of Event的縮寫,即事件順序記錄。它能以毫秒級的分辨率獲取事件信息,能更精確地反映事件情況,為設(shè)備狀態(tài)分析、故障診斷及事故分析提供可靠而有力的數(shù)據(jù)。它以高分辨率分辨各個信號狀態(tài)變化的先后次序,在事故情況下幫助分辨故障的原因,準(zhǔn)備定位故障發(fā)生時(shí)間。因此,SOE成為分析事故的主要記錄手段。
為了獲得毫秒級的分辨率,SOE都需要專門的硬件支持,各個廠家都提供專門的SOE輸入模塊,優(yōu)點(diǎn)是分辨率高,能實(shí)現(xiàn)1ms的分辨率,缺點(diǎn)是費(fèi)用高,記錄對象有限,且只能對接入SOE(順序事件記錄)輸入模塊的信號點(diǎn)進(jìn)行記錄。為此,電站需要研發(fā)一種廉價(jià)而又有高效的SOE功能,即是采用PLC裝置實(shí)現(xiàn)的軟件SOE功能。
本文依據(jù)天生橋二級電站監(jiān)控系統(tǒng)改造及SOE功能開發(fā),分析基于PLC裝置實(shí)現(xiàn)的大容量時(shí)間順序記錄功能在大型水電站的應(yīng)用。
1 研究對象
本文研究對象為天生橋二級電站監(jiān)控系統(tǒng),下位機(jī)采用PLC控制,上位機(jī)采用南瑞的NC2000,實(shí)現(xiàn)大型水電站的全站計(jì)算機(jī)監(jiān)控,甚至遠(yuǎn)控。
下位機(jī)采用SIEMENS程控器為現(xiàn)場級控制器,型號為CPU317-2DP,網(wǎng)絡(luò)采用PROFIBUS-DP分布式現(xiàn)場總線,PLC為冗余配置,每臺機(jī)組都采用雙(主控、后備)PLC設(shè)計(jì),主要的邏輯控制、開停機(jī)流程等都在主控PLC中實(shí)現(xiàn),后備PLC只保留機(jī)組溫度保護(hù)、故障及事故停機(jī)流程,兩組PLC完全獨(dú)立,確保任一PLC系統(tǒng)異常情況下機(jī)組能停機(jī)。西門子317-2DP PLC屬于S7-300 PLC中的高端系列,工作內(nèi)存大(512Kbytes),運(yùn)行速度快(0.05ms/1000指令),集成雙PROFIBUS-DP口,其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)到12Mbps/s,且集成強(qiáng)大的故障診斷功能。
2 基于PLC裝置實(shí)現(xiàn)大容量時(shí)間順序記錄功能
基于PLC裝置的軟件功能實(shí)現(xiàn)SOE功能,不依賴于硬件SOE記錄模塊,實(shí)際接線少、成本低廉、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、大容量處理開關(guān)量SOE數(shù)據(jù),支持模擬量SOE,且可擴(kuò)展性強(qiáng)。
2.1 基于PLC裝置實(shí)現(xiàn)SOE的硬件結(jié)構(gòu)
如圖1的硬件結(jié)構(gòu)圖所示,控制系統(tǒng)核心采用的是西門子CPU317-2DP,并作為PROFIBUS-DP主站,下掛多個PROFIBUS-DP從站,系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu),主站與從站采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線連接,主站和各個從站安裝在廠房的不同位置,整個PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線長度達(dá)300米,網(wǎng)絡(luò)速度設(shè)置為187.5Kbps。
PLC系統(tǒng)的核心,主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、邏輯控制、命令輸出、SOE記錄、對外通信等功能。
2.2 基于PLC裝置實(shí)現(xiàn)SOE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
如圖2的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖所示,PLC裝置(下位機(jī))與上位機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)通信,PLC裝置每隔20個PLC掃描周期(60-150ms)將新增SOE記錄轉(zhuǎn)存在上送事件暫存區(qū),供上位機(jī)后臺服務(wù)器讀取,上位機(jī)后臺服務(wù)器每隔100ms讀取上送事件暫存區(qū)的數(shù)據(jù),上位機(jī)根據(jù)上送SOE的來源重新計(jì)算測點(diǎn)號,并將新增的SOE記錄轉(zhuǎn)存入監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫,在歷史數(shù)據(jù)庫中設(shè)置存儲觸發(fā)器,觸發(fā)器動作后SOE記錄經(jīng)防火墻及橫向隔離裝置將SOE記錄轉(zhuǎn)存在MIS數(shù)據(jù)庫中,為各種數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺提供原始記錄,現(xiàn)階段主要應(yīng)用在事故及異常分析、SOE短信平臺(設(shè)備發(fā)生異常后自動將報(bào)警詳細(xì)的信息發(fā)至專業(yè)技術(shù)人員)、設(shè)備狀態(tài)分析系統(tǒng)、報(bào)表統(tǒng)計(jì)及門戶系統(tǒng)。
2.3 PLC程序循環(huán)執(zhí)行流程
如圖3的流程圖所示,PLC上電后執(zhí)行一次啟動塊(OB100),在OB100將SOE測點(diǎn)第一次采集的數(shù)據(jù)作為初始量存入B存儲區(qū),B存儲區(qū)與以下提到的A存儲區(qū)一一對用,地址范圍MB1400-MB1599。
SOE主程序在OB1中調(diào)用,主要包含以下幾個部分:
(1)獲取PLC內(nèi)部的PLC時(shí)鐘,該時(shí)鐘作為本次掃描周期SOE記錄的SOE時(shí)間簽;
(2)SOE測點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)采集并存入A存儲區(qū),A存儲區(qū)采用PLC內(nèi)部的高速存儲區(qū),地址范圍MB0-MB199;
(3)將A存儲區(qū)與B存儲區(qū)進(jìn)行比較,每次各選取A、B存儲區(qū)各32點(diǎn)進(jìn)行異或比較,如果異或結(jié)果不等于0,則認(rèn)為SOE測點(diǎn)存在變化量;endprint
(4)當(dāng)發(fā)現(xiàn)SOE測點(diǎn)存在變化量,對存在變化的32個測點(diǎn)進(jìn)行識別,依次計(jì)算變化的單個測點(diǎn)的點(diǎn)號,并依次補(bǔ)充上測點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài),打上SOE記錄的SOE時(shí)間簽及SOE記錄號,形成單條完整的SOE記錄,并將該條SOE存入SOE數(shù)據(jù)庫的適當(dāng)位置。
(5)PLC裝置每隔20個PLC掃描周期(60-150ms)將新增SOE記錄轉(zhuǎn)存在上送事件暫存區(qū),供上位機(jī)后臺服務(wù)器讀取,上位機(jī)后臺服務(wù)器每隔100ms讀取上送事件暫存區(qū)的數(shù)據(jù),上位機(jī)根據(jù)上送SOE的來源重新計(jì)算測點(diǎn)號,并將新增的SOE記錄轉(zhuǎn)存入監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫。
2.4 SOE程序存儲區(qū)定義
SOE程序主要涉及到5個存儲區(qū),所涉及的存儲區(qū)均為PLC內(nèi)部寄存器,不涉及PLC以外的任何設(shè)備或存儲單元。
(1)本次采樣周期開關(guān)量SOE測點(diǎn)狀態(tài)存儲區(qū),以下簡稱A存儲區(qū),A存儲區(qū)采用PLC內(nèi)部的高速存儲區(qū),地址范圍MB0-MB199(該存儲區(qū)可根據(jù)實(shí)際需要對范圍進(jìn)行調(diào)節(jié),一般控制在200字節(jié)以內(nèi)為宜,可實(shí)現(xiàn)1600個開關(guān)量測點(diǎn)的SOE記錄)
(2)上次采樣周期開關(guān)SOE測點(diǎn)狀態(tài)存儲區(qū),以下簡稱B存儲區(qū),B存儲區(qū)與A存儲區(qū)一一對應(yīng),也采用PLC內(nèi)部的高速存儲區(qū),地址范圍MB1400-MB1599
(3)本次采樣周期模擬量SOE測點(diǎn)狀態(tài)存儲區(qū),一下簡稱C存儲區(qū),地址范圍MW300開始的地址,長度可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié);
(4)上次采樣周期模擬量SOE測點(diǎn)狀態(tài)存儲區(qū),一下簡稱D存儲區(qū),與C存儲區(qū)一一對應(yīng),地址范圍MW1700開始的地址;
(5)單條SOE記錄存儲區(qū),以下簡稱E存儲區(qū),該存儲區(qū)占用14字節(jié),結(jié)構(gòu)見表1;
(6)SOE記錄存儲區(qū),以下簡稱SOE存儲區(qū),地址為數(shù)據(jù)塊DB252,DB252可存儲200條SOE記錄,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:
2.5 SOE測點(diǎn)采集及數(shù)據(jù)比較
SOE測點(diǎn)采集分為開關(guān)量采集與模擬量采集兩類。PLC每個掃描周期完成一次所有SOE測點(diǎn)的檢測,對于任一測點(diǎn)的狀態(tài)變化都生成一條SOE記錄,也就是一個掃描周期可能產(chǎn)生多條SOE記錄,每隔20個掃描周期(約100-150ms)將新生成的SOE轉(zhuǎn)存至上送事件區(qū),后臺服務(wù)器每隔400ms從上送事件區(qū)讀取數(shù)據(jù)。在此,僅以開關(guān)量SOE測點(diǎn)為例,采集邏輯框圖見圖5,數(shù)據(jù)比較邏輯見表2。
3 結(jié)語
本文從天生橋二級電站基于廠站監(jiān)控系統(tǒng)的特殊性,采用基于PLC裝置的方式實(shí)現(xiàn)軟件SOE功能,二級電站監(jiān)控系統(tǒng)采用軟件方式實(shí)現(xiàn)的SOE功能,SOE分辨率<10ms,同時(shí),軟件SOE功能實(shí)現(xiàn)了大容量的事件記錄,且監(jiān)視數(shù)據(jù)齊全,節(jié)約成本,通過認(rèn)證及測試,完全滿足現(xiàn)場運(yùn)行需要。對現(xiàn)階段水電站改造施工有著指導(dǎo)意義,對電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展有指明方向的作用。
參考文獻(xiàn)
[1]樊大飛,陳曉,麥云飛.西門子PCS 7的SOE功能的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2006,(01).
[2]朱曉娟.水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用,2011,(6).
[3]劉文豐,傅強(qiáng).幾種分散控制系統(tǒng)的SOE性能測試比較[J].華中電力,2005,(06).
作者簡介
張芳明(1983-),男,廣西壯族自治區(qū)桂林市人。碩士研究生學(xué)歷?,F(xiàn)為天生橋水力發(fā)電總廠工程師。研究方向?yàn)檎{(diào)速器系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、水電自動控制系統(tǒng)。
作者單位
天生橋水力發(fā)電總廠 貴州省興義市 562400endprint
(4)當(dāng)發(fā)現(xiàn)SOE測點(diǎn)存在變化量,對存在變化的32個測點(diǎn)進(jìn)行識別,依次計(jì)算變化的單個測點(diǎn)的點(diǎn)號,并依次補(bǔ)充上測點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài),打上SOE記錄的SOE時(shí)間簽及SOE記錄號,形成單條完整的SOE記錄,并將該條SOE存入SOE數(shù)據(jù)庫的適當(dāng)位置。
(5)PLC裝置每隔20個PLC掃描周期(60-150ms)將新增SOE記錄轉(zhuǎn)存在上送事件暫存區(qū),供上位機(jī)后臺服務(wù)器讀取,上位機(jī)后臺服務(wù)器每隔100ms讀取上送事件暫存區(qū)的數(shù)據(jù),上位機(jī)根據(jù)上送SOE的來源重新計(jì)算測點(diǎn)號,并將新增的SOE記錄轉(zhuǎn)存入監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫。
2.4 SOE程序存儲區(qū)定義
SOE程序主要涉及到5個存儲區(qū),所涉及的存儲區(qū)均為PLC內(nèi)部寄存器,不涉及PLC以外的任何設(shè)備或存儲單元。
(1)本次采樣周期開關(guān)量SOE測點(diǎn)狀態(tài)存儲區(qū),以下簡稱A存儲區(qū),A存儲區(qū)采用PLC內(nèi)部的高速存儲區(qū),地址范圍MB0-MB199(該存儲區(qū)可根據(jù)實(shí)際需要對范圍進(jìn)行調(diào)節(jié),一般控制在200字節(jié)以內(nèi)為宜,可實(shí)現(xiàn)1600個開關(guān)量測點(diǎn)的SOE記錄)
(2)上次采樣周期開關(guān)SOE測點(diǎn)狀態(tài)存儲區(qū),以下簡稱B存儲區(qū),B存儲區(qū)與A存儲區(qū)一一對應(yīng),也采用PLC內(nèi)部的高速存儲區(qū),地址范圍MB1400-MB1599
(3)本次采樣周期模擬量SOE測點(diǎn)狀態(tài)存儲區(qū),一下簡稱C存儲區(qū),地址范圍MW300開始的地址,長度可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié);
(4)上次采樣周期模擬量SOE測點(diǎn)狀態(tài)存儲區(qū),一下簡稱D存儲區(qū),與C存儲區(qū)一一對應(yīng),地址范圍MW1700開始的地址;
(5)單條SOE記錄存儲區(qū),以下簡稱E存儲區(qū),該存儲區(qū)占用14字節(jié),結(jié)構(gòu)見表1;
(6)SOE記錄存儲區(qū),以下簡稱SOE存儲區(qū),地址為數(shù)據(jù)塊DB252,DB252可存儲200條SOE記錄,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:
2.5 SOE測點(diǎn)采集及數(shù)據(jù)比較
SOE測點(diǎn)采集分為開關(guān)量采集與模擬量采集兩類。PLC每個掃描周期完成一次所有SOE測點(diǎn)的檢測,對于任一測點(diǎn)的狀態(tài)變化都生成一條SOE記錄,也就是一個掃描周期可能產(chǎn)生多條SOE記錄,每隔20個掃描周期(約100-150ms)將新生成的SOE轉(zhuǎn)存至上送事件區(qū),后臺服務(wù)器每隔400ms從上送事件區(qū)讀取數(shù)據(jù)。在此,僅以開關(guān)量SOE測點(diǎn)為例,采集邏輯框圖見圖5,數(shù)據(jù)比較邏輯見表2。
3 結(jié)語
本文從天生橋二級電站基于廠站監(jiān)控系統(tǒng)的特殊性,采用基于PLC裝置的方式實(shí)現(xiàn)軟件SOE功能,二級電站監(jiān)控系統(tǒng)采用軟件方式實(shí)現(xiàn)的SOE功能,SOE分辨率<10ms,同時(shí),軟件SOE功能實(shí)現(xiàn)了大容量的事件記錄,且監(jiān)視數(shù)據(jù)齊全,節(jié)約成本,通過認(rèn)證及測試,完全滿足現(xiàn)場運(yùn)行需要。對現(xiàn)階段水電站改造施工有著指導(dǎo)意義,對電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展有指明方向的作用。
參考文獻(xiàn)
[1]樊大飛,陳曉,麥云飛.西門子PCS 7的SOE功能的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2006,(01).
[2]朱曉娟.水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用,2011,(6).
[3]劉文豐,傅強(qiáng).幾種分散控制系統(tǒng)的SOE性能測試比較[J].華中電力,2005,(06).
作者簡介
張芳明(1983-),男,廣西壯族自治區(qū)桂林市人。碩士研究生學(xué)歷。現(xiàn)為天生橋水力發(fā)電總廠工程師。研究方向?yàn)檎{(diào)速器系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、水電自動控制系統(tǒng)。
作者單位
天生橋水力發(fā)電總廠 貴州省興義市 562400endprint
(4)當(dāng)發(fā)現(xiàn)SOE測點(diǎn)存在變化量,對存在變化的32個測點(diǎn)進(jìn)行識別,依次計(jì)算變化的單個測點(diǎn)的點(diǎn)號,并依次補(bǔ)充上測點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài),打上SOE記錄的SOE時(shí)間簽及SOE記錄號,形成單條完整的SOE記錄,并將該條SOE存入SOE數(shù)據(jù)庫的適當(dāng)位置。
(5)PLC裝置每隔20個PLC掃描周期(60-150ms)將新增SOE記錄轉(zhuǎn)存在上送事件暫存區(qū),供上位機(jī)后臺服務(wù)器讀取,上位機(jī)后臺服務(wù)器每隔100ms讀取上送事件暫存區(qū)的數(shù)據(jù),上位機(jī)根據(jù)上送SOE的來源重新計(jì)算測點(diǎn)號,并將新增的SOE記錄轉(zhuǎn)存入監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫。
2.4 SOE程序存儲區(qū)定義
SOE程序主要涉及到5個存儲區(qū),所涉及的存儲區(qū)均為PLC內(nèi)部寄存器,不涉及PLC以外的任何設(shè)備或存儲單元。
(1)本次采樣周期開關(guān)量SOE測點(diǎn)狀態(tài)存儲區(qū),以下簡稱A存儲區(qū),A存儲區(qū)采用PLC內(nèi)部的高速存儲區(qū),地址范圍MB0-MB199(該存儲區(qū)可根據(jù)實(shí)際需要對范圍進(jìn)行調(diào)節(jié),一般控制在200字節(jié)以內(nèi)為宜,可實(shí)現(xiàn)1600個開關(guān)量測點(diǎn)的SOE記錄)
(2)上次采樣周期開關(guān)SOE測點(diǎn)狀態(tài)存儲區(qū),以下簡稱B存儲區(qū),B存儲區(qū)與A存儲區(qū)一一對應(yīng),也采用PLC內(nèi)部的高速存儲區(qū),地址范圍MB1400-MB1599
(3)本次采樣周期模擬量SOE測點(diǎn)狀態(tài)存儲區(qū),一下簡稱C存儲區(qū),地址范圍MW300開始的地址,長度可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié);
(4)上次采樣周期模擬量SOE測點(diǎn)狀態(tài)存儲區(qū),一下簡稱D存儲區(qū),與C存儲區(qū)一一對應(yīng),地址范圍MW1700開始的地址;
(5)單條SOE記錄存儲區(qū),以下簡稱E存儲區(qū),該存儲區(qū)占用14字節(jié),結(jié)構(gòu)見表1;
(6)SOE記錄存儲區(qū),以下簡稱SOE存儲區(qū),地址為數(shù)據(jù)塊DB252,DB252可存儲200條SOE記錄,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:
2.5 SOE測點(diǎn)采集及數(shù)據(jù)比較
SOE測點(diǎn)采集分為開關(guān)量采集與模擬量采集兩類。PLC每個掃描周期完成一次所有SOE測點(diǎn)的檢測,對于任一測點(diǎn)的狀態(tài)變化都生成一條SOE記錄,也就是一個掃描周期可能產(chǎn)生多條SOE記錄,每隔20個掃描周期(約100-150ms)將新生成的SOE轉(zhuǎn)存至上送事件區(qū),后臺服務(wù)器每隔400ms從上送事件區(qū)讀取數(shù)據(jù)。在此,僅以開關(guān)量SOE測點(diǎn)為例,采集邏輯框圖見圖5,數(shù)據(jù)比較邏輯見表2。
3 結(jié)語
本文從天生橋二級電站基于廠站監(jiān)控系統(tǒng)的特殊性,采用基于PLC裝置的方式實(shí)現(xiàn)軟件SOE功能,二級電站監(jiān)控系統(tǒng)采用軟件方式實(shí)現(xiàn)的SOE功能,SOE分辨率<10ms,同時(shí),軟件SOE功能實(shí)現(xiàn)了大容量的事件記錄,且監(jiān)視數(shù)據(jù)齊全,節(jié)約成本,通過認(rèn)證及測試,完全滿足現(xiàn)場運(yùn)行需要。對現(xiàn)階段水電站改造施工有著指導(dǎo)意義,對電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展有指明方向的作用。
參考文獻(xiàn)
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作者簡介
張芳明(1983-),男,廣西壯族自治區(qū)桂林市人。碩士研究生學(xué)歷?,F(xiàn)為天生橋水力發(fā)電總廠工程師。研究方向?yàn)檎{(diào)速器系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、水電自動控制系統(tǒng)。
作者單位
天生橋水力發(fā)電總廠 貴州省興義市 562400endprint