蔣一峰，劉書玉，郝 峰，梁國才，王 純

（1.中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院，北京 100024；2.山西西龍池抽水蓄能電站有限責(zé)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(nèi)，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(jī)容量為1 200 MW，裝設(shè)4套單機(jī)容量為300 MW的立軸混流可逆式單級水泵水輪機(jī)和發(fā)電電動機(jī)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(wǎng)，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用等任務(wù)。

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(guān)站大樓、補(bǔ)水建筑物等組成。電站廠房為地下式，布置四臺機(jī)組，安裝間設(shè)于1號、2號機(jī)組和3號、4號機(jī)組廠房中間，副廠房設(shè)于廠房左端。

電站按“無人值班”（少人值守）的要求設(shè)計。采用以計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的全廠集中監(jiān)控方案，設(shè)置開放式全分布分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

針對西龍池蓄能電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的布置特點，為提高全廠自動化控制水平，結(jié)合當(dāng)今現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，通風(fēng)（空調(diào)）控制系統(tǒng)采用全通信方式實現(xiàn)，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)及特點說明如下。

1 通風(fēng)（空調(diào)）系統(tǒng)簡介

西龍池蓄能電站通風(fēng)系統(tǒng)共配有166臺風(fēng)機(jī)。廠房設(shè)有風(fēng)機(jī)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(guān)樓19臺；主廠房排煙洞風(fēng)機(jī)2臺；通風(fēng)洞口2臺、空調(diào)冷卻水機(jī)組3臺、空調(diào)冷卻水循環(huán)泵3臺。

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

通風(fēng)（空調(diào)）設(shè)備可現(xiàn)地控制及遠(yuǎn)方控制。正常情況通風(fēng)（空調(diào)）控制系統(tǒng)實現(xiàn)對電站通風(fēng)及溫度控制；在發(fā)生火災(zāi)時，能通過電站火災(zāi)報警系統(tǒng)聯(lián)動通風(fēng)（空調(diào)）控制系統(tǒng)，實現(xiàn)通風(fēng)機(jī)停運(yùn)、排煙風(fēng)機(jī)啟動等控制。

2 通風(fēng)（空調(diào)）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

西龍池蓄能電站通風(fēng)空調(diào)設(shè)備控制采用分層分布式控制系統(tǒng)，主控層設(shè)1臺通風(fēng)（空調(diào)）控制系統(tǒng)上位機(jī)，現(xiàn)地層設(shè)2個現(xiàn)地控制單元，通過以太網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議構(gòu)成通風(fēng)空調(diào)的監(jiān)控系統(tǒng)。在主控層及網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，現(xiàn)地控制單元仍能獨立完成其系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的監(jiān)視和控制功能。

上位機(jī)通過交換機(jī)與全廠通風(fēng)（空調(diào)）的各個現(xiàn)地控制單元相連接，通信介質(zhì)采用單模光纖。通風(fēng)（空調(diào)）控制系統(tǒng)各個現(xiàn)地控制單元通過現(xiàn)場總線方式連接相應(yīng)區(qū)域的各現(xiàn)地控制設(shè)備。

2.2 主設(shè)備配置

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

為節(jié)省電纜，在風(fēng)機(jī)、空調(diào)相對比較集中的地方設(shè)置了6個遠(yuǎn)程I/O：

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

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

（3）通風(fēng)洞口：在通風(fēng)洞口風(fēng)機(jī)房布置一個遠(yuǎn)程I/O，用于控制和采集通風(fēng)口風(fēng)機(jī)房的冷凍循環(huán)水泵、風(fēng)冷冷水機(jī)組、定壓補(bǔ)水裝置和風(fēng)機(jī)及防火閥的運(yùn)行和狀態(tài)。

（4）排煙洞：在排煙洞口風(fēng)布置一個遠(yuǎn)程I/O，用于控制和采集排煙風(fēng)機(jī)及防火閥的運(yùn)行和狀態(tài)。

2.3 現(xiàn)地控制設(shè)備配置

根據(jù)電站廠房及風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)備布置特點，西龍池蓄能電站通風(fēng)（空調(diào)）控制箱（柜）共設(shè)74面。

為使現(xiàn)地風(fēng)機(jī)控制更趨簡化和完善，風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)備控制采用了電動機(jī)管理控制器（MMC）。風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障信號均由MMC裝置上的指示燈顯示。控制箱設(shè)有現(xiàn)地/遠(yuǎn)方選擇開關(guān)，當(dāng)選擇開關(guān)在現(xiàn)地位置時，通過MMC裝置上的按鈕控制風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)備啟/停；當(dāng)選擇開關(guān)在遠(yuǎn)方位置時，則由設(shè)在中控室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的上位機(jī)通過通信方式控制風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)備啟/停。為防止防火閥在關(guān)閉時風(fēng)機(jī)運(yùn)行，設(shè)計時考慮了防火閥位置狀態(tài)與風(fēng)機(jī)控制回路閉鎖功能。

3 設(shè)備選型及系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)充分考慮設(shè)計的安全性、可靠性和先進(jìn)型，并嚴(yán)格遵守國家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上設(shè)計的，其主要器件均選擇原裝進(jìn)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(jī)采用研華/臺灣IPC610工控機(jī)，Pentium4，主頻2.8 GHz，內(nèi)存1 024 MB，具有較強(qiáng)的處理能力。

(2)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)選用德國Hirschmann品牌，型號RS20-0400-T1T1，帶有4個10/100Base-TX端口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息可靠交換。

(3)現(xiàn)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(wù)器，同時配置12.1"MT5600觸摸屏。

(4)遠(yuǎn)程I/O站采用帶控制器的S7-200作為遠(yuǎn)程I/O的核心控制器件，配置EM277通訊模塊，具有較強(qiáng)的通信能力、數(shù)據(jù)采集和處理能力，能確保在主站和遠(yuǎn)程I/O站通訊中斷的情況下，遠(yuǎn)程I/O站仍然能與底層設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，使得底層設(shè)備仍然能正常運(yùn)行。

(5)主站與遠(yuǎn)程I/O站之間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線進(jìn)行通信，通信距離較遠(yuǎn)，且具有較強(qiáng)抗干擾能力；通訊介質(zhì)成本較低。

(6)系統(tǒng)具有現(xiàn)地手動控制、現(xiàn)地自動控制、遠(yuǎn)方控制等多種控制方式。

(7)風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)備現(xiàn)地控制設(shè)計中實現(xiàn)了與電站火災(zāi)報警系統(tǒng)的聯(lián)動。為保證防火閥在關(guān)閉時，防止風(fēng)機(jī)運(yùn)行，設(shè)計時考慮了防火閥位置狀態(tài)與風(fēng)機(jī)控制回路閉鎖功能。

(8)系統(tǒng)可統(tǒng)計電機(jī)的累計運(yùn)行時間。

(9)柜體采用全框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以根據(jù)要求隨意進(jìn)行組合；具有機(jī)械強(qiáng)度高、電氣防護(hù)等級高、抗電磁干擾能力強(qiáng)。

(10)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)有出廠默認(rèn)設(shè)定值，可根據(jù)現(xiàn)場的具體情況通過顯示面板或遠(yuǎn)方通訊方式進(jìn)行調(diào)整和設(shè)定。

(11)系統(tǒng)的各種運(yùn)行參數(shù)均可通過現(xiàn)地顯示面板進(jìn)行設(shè)定和顯示。

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

(13)系統(tǒng)設(shè)有足夠裕量的I/O接口，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，不需修改任何硬件。

4 系統(tǒng)實施

西龍池蓄能電站通風(fēng)（空調(diào)）控制系統(tǒng)實施過程中，在風(fēng)機(jī)控制箱內(nèi)配置了電動機(jī)管理控制器（MMC）。該電動機(jī)管理控制器除具有完善的針對風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)備的控制、保護(hù)及實現(xiàn)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(xiàn)把風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息（如風(fēng)機(jī)的工作電流、電壓、運(yùn)行狀態(tài)、故障及防火閥位置等信號）上送到風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)備控制系統(tǒng)的上位機(jī)，可極大地豐富該系統(tǒng)信息量。同時，可以節(jié)省從遠(yuǎn)方I/O到現(xiàn)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(jìn)一步挖掘MMC裝置的潛力，系統(tǒng)設(shè)計時除實現(xiàn)通過通信方式采集風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)備的信息外，還實現(xiàn)了通過通信方式完成風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)備的啟/?？刂?，完全取消了通過連接到LCU或遠(yuǎn)方I/O的硬線來啟/停風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)備。為解決通信速率低的問題，采用了在LCU或遠(yuǎn)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(jié)論及特點

（1）山西西龍池抽水蓄能電站為地下廠房，通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，分布在整個電站。為了更好地實現(xiàn)電站“無人值班”（少人值守）的控制原則，減少維護(hù)，提高工作效率，通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的電纜硬接線的數(shù)據(jù)采集方式，采用了全通信方式，并設(shè)置集中監(jiān)控工作站，不但實現(xiàn)了風(fēng)機(jī)和空調(diào)等設(shè)備的操作和監(jiān)視，還完成了與電站火災(zāi)自動報警系統(tǒng)聯(lián)動。

（2）通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)采用數(shù)字現(xiàn)場總線技術(shù)，采用分層分布結(jié)構(gòu)。根據(jù)樞紐布置特點，分別設(shè)置地面和地下通風(fēng)空調(diào)現(xiàn)地控制單元及遠(yuǎn)程I/O，并通過各個遠(yuǎn)程I/O采用MODBUS-PROFIBUS的通訊方式與本區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)地控制箱（柜）完成系統(tǒng)連接及信息交換。

（3）通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的現(xiàn)地控制采用電動機(jī)管理控制器（MMC），負(fù)責(zé)完成風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)備的運(yùn)行、故障信息的采集和啟/停控制，并通過分布在電站各個區(qū)域內(nèi)的MMC通信組網(wǎng)，實現(xiàn)整個通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的集中監(jiān)控，改變了以往即便系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)通信方式，也要通過硬布線方式完成風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)備啟/停控制。實現(xiàn)了僅采用通信方式RS485MODBUS完全對電站風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)備啟/停和信息采集的控制。

（4）本系統(tǒng)采用的電動機(jī)管理控制器（MMC）可采集6路開關(guān)量信號、電流、電壓信號。依據(jù)所設(shè)定的電機(jī)參數(shù)，通過微處理器計算出電功率、電機(jī)過載、過熱、外部故障、堵轉(zhuǎn)、缺相、電流不平衡、欠壓、過壓、接地、或漏電等實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的保護(hù)。電動機(jī)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(yīng)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(shè)計，西龍池抽水蓄能電站通風(fēng)（空調(diào)）控制系統(tǒng)采用集約型電動機(jī)管理控制器（MMC）及通信傳輸方式設(shè)計，光是取消用于通過硬線連接實現(xiàn)風(fēng)機(jī)（空調(diào)）設(shè)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(yùn)行人員檢修維護(hù)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(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)已投入運(yùn)行，運(yùn)行情況良好，通信網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定。

綜上所述，通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)的最大特點就是采用電動機(jī)管理控制器（MMC）和現(xiàn)場總線技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔靈活，節(jié)省大量控制電纜且安裝調(diào)試簡單，便于運(yùn)行和維護(hù)。