汪志強(qiáng)，彭煜民，張學(xué)峰

（清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠(yuǎn)市 511800）

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)綜述

汪志強(qiáng)，彭煜民，張學(xué)峰

（清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠(yuǎn)市 511800）

本文總結(jié)了清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從LCU與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備輸入輸出（I/O）信號(hào)的連接、LCU與各子系統(tǒng)控制裝置的通信連接以及LCU與監(jiān)控系統(tǒng)主網(wǎng)的連接三方面闡述了下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思路，可為其他新建電站構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提供參考。

抽水蓄能電站；監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)；網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

0 引言

抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)是抽水蓄能機(jī)組控制的核心，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)設(shè)備合理、高效、快速連接與通信是構(gòu)建一套安全可靠下位機(jī)系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。本文對(duì)清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)和概述，希望能為其他新建電站的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一些參考與借鑒。

1 下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

從監(jiān)控設(shè)備的先進(jìn)性、穩(wěn)定性、安全性以及用戶(hù)應(yīng)用情況等多方面考慮，清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)現(xiàn)地控制單元（LCU）可編程控制器選用了西門(mén)子S7-400系列PLC，CPU模塊為414-5H，其運(yùn)算速度最快可達(dá)18.75ns，內(nèi)置Pro fibus-DP和Pro finet通信接口，可配置為冗余容錯(cuò)的S7-400H系統(tǒng)。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接如圖1所示。

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)計(jì)主要從以下三個(gè)角度進(jìn)行深化考慮：

（1）LCU與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備輸入輸出（I/O）信號(hào)的連接。

（2）LCU與各子系統(tǒng)控制裝置的通信連接。

（3）LCU與監(jiān)控系統(tǒng)主網(wǎng)的連接。

1.1 LCU與現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出（I/O）信號(hào)的連接

抽水蓄能電站地下廠房設(shè)計(jì)從上至下一般分為發(fā)電機(jī)層、中間層、水輪機(jī)層和蝸殼層，每層都擺放有不同的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。LCU要實(shí)現(xiàn)對(duì)這些設(shè)備的監(jiān)控，需要在它們之間敷設(shè)大量的屏蔽電纜，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)輸入到LCU的PLC中，同時(shí)將PLC的控制命令輸出給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

過(guò)往傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是將LCU的所有盤(pán)柜均布置在發(fā)電機(jī)層，廠房各層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控二次電纜均敷設(shè)至發(fā)電機(jī)層與LCU盤(pán)柜相連接，這樣從水輪機(jī)層和蝸殼層需要敷設(shè)大量長(zhǎng)距離電纜至發(fā)電機(jī)層，不利于電纜敷設(shè)和維護(hù)。因此，清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)LCU采用了遠(yuǎn)程輸入輸出（I/O）單元，即將PLC的I/O模塊分布到廠房各層的遠(yuǎn)程I/O單元柜中，各層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控信號(hào)就近接入遠(yuǎn)程I/O模塊中，遠(yuǎn)程I/O模塊再通過(guò)冗余的Pro fibus-DP總線連接到PLC的中央控制單元CPU模塊中（如圖1所示）。這樣既節(jié)省了大量電纜，又方便安裝與維護(hù)。

圖1 清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接圖Fig.1 The local control layer’s network of CSCS in Qingyuan pumped storage power station

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的關(guān)鍵監(jiān)控信號(hào)均通過(guò)硬布線與LCU相連接。

1.2 LCU與各子系統(tǒng)控制裝置的連接

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站需要與機(jī)組LCU進(jìn)行通信的系統(tǒng)設(shè)備主要有繼電保護(hù)裝置、勵(lì)磁裝置、電量變送裝置、智能電度表、尾閘PLC、進(jìn)水閥PLC、主變壓器冷卻器控制PLC、事故后備PLC、調(diào)速器油壓裝置PLC、LCU現(xiàn)地監(jiān)控屏、振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置和調(diào)速器控制裝置。

在監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)人員擬采用pro fibus-DP總線加Y-link模塊的方式實(shí)現(xiàn)上述控制裝置與LCU冗余CPU模塊的通信連接，連接方式如圖2所示。

圖2 采用Profibus-DP總線加Y-link模塊方式下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接示意圖Fig.2 The local control layer’s network linked by Profibus-DP and Y-link module

但經(jīng)過(guò)仔細(xì)考慮并查閱資料分析，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)采用Y-link模塊通信存在以下兩點(diǎn)不足：

（1）Y-link模塊通信一次最多只能傳送244個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，多余的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。

（2）Y-link模塊一旦故障，所有通信連接將立即中斷，不滿足通信總線冗余要求。

顯然，以上兩點(diǎn)不能滿足清遠(yuǎn)抽水蓄能電站控制設(shè)備大規(guī)模數(shù)據(jù)可靠通信的要求。經(jīng)與西門(mén)子技術(shù)人員溝通，設(shè)計(jì)人員了解到現(xiàn)地控制層設(shè)備可以采用一種Pro finet協(xié)議進(jìn)行通信。Pro finet是完全基于工業(yè)以太網(wǎng)開(kāi)發(fā)的總線通信技術(shù)。采用這種協(xié)議，控制設(shè)備可以通過(guò)連接到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)冗余通信，通信數(shù)據(jù)沒(méi)有任何限制，而且通信速率可達(dá)100Mbits。除了能完全解決Y-link通信存在的不足問(wèn)題，數(shù)據(jù)通信速度也得到了極大提升。因此，設(shè)計(jì)人員決定清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)LCU與控制裝置間采用Pro finet通信方式，通信連接示意圖如圖3所示。

為了更好地實(shí)現(xiàn)各控制裝置與LCU的Pro finet通信連接，除調(diào)速器控制裝置外，設(shè)計(jì)人員要求各控制裝置供應(yīng)商必須滿足Pro finet或Pro fibus-DP通信接口。

由于繼電保護(hù)裝置、勵(lì)磁裝置、電量變送裝置、振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置和智能電度表只能提供Pro fibus-DP通信接口，為了與Pro finet網(wǎng)絡(luò)連接，必須進(jìn)行Pro finet/Pro fibus-DP通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。另外，考慮到繼電保護(hù)、勵(lì)磁裝置和機(jī)組電量變送裝置與LCU之間需要實(shí)現(xiàn)雙通道冗余數(shù)據(jù)通信，設(shè)計(jì)人員選用了兩塊西門(mén)子IM151-8通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊掛接這些只有Pro fibus-DP通信接口的控制裝置。

另外的尾閘PLC、進(jìn)水閥PLC、主變壓器冷卻器控制PLC、事故后備PLC、調(diào)速器油壓裝置PLC和LCU現(xiàn)地監(jiān)控屏均提供了Pro finet通信接口，設(shè)計(jì)人員選用了西門(mén)子Pro finet網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)掛接這些具有Pro finet通信接口的控制裝置。

如圖3所示，設(shè)計(jì)人員以?xún)蓧K414-5H CPU模塊、兩塊IM151-8 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和一臺(tái)Pro finet網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)共5個(gè)設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，依次相連形成環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了LCU與各控制裝置的冗余通信連接。

由于調(diào)速器控制裝置只能提供MODBUS通信接口，因此設(shè)計(jì)人員專(zhuān)門(mén)配置了一塊CP341通信模塊與之相連。

各控制裝置中大量的參數(shù)值、狀態(tài)與報(bào)警信號(hào)均通過(guò)通信方式傳送至LCU，但關(guān)鍵的監(jiān)控信號(hào)仍會(huì)通過(guò)硬布線傳送給LCU。

圖3 采用Profinet總線方式下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接示意圖Fig.3 The local control layer’s network linked by profinet

1.3 LCU與監(jiān)控系統(tǒng)主網(wǎng)的連接

LCU與監(jiān)控系統(tǒng)主網(wǎng)的連接如圖4所示。

從圖4中可以看出，設(shè)計(jì)人員采用將LCU兩塊CPU模塊分別通過(guò)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接入到監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)形光纖主網(wǎng)的方式，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與監(jiān)控主網(wǎng)的連接。這意味著監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)有4路冗余的通道與監(jiān)控系統(tǒng)主網(wǎng)相連，即使出現(xiàn)3路通道中斷，第4路通道也能完成監(jiān)控主網(wǎng)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換工作。

圖4 LCU與監(jiān)控系統(tǒng)主網(wǎng)連接示意圖Fig.4 The link between the local control unit and the major network of CSCS

2 清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)主要亮點(diǎn)

（1）清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)在國(guó)內(nèi)首次采用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)通信，通過(guò)設(shè)計(jì)人員對(duì)下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信連接的精心合理設(shè)計(jì)，下位機(jī)設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的傳輸速度、數(shù)據(jù)容量、穩(wěn)定性和靈活通用性有了明顯提升；另外，由于選用了運(yùn)算速度達(dá)18.75ns的CPU模塊，加上CPU內(nèi)部控制程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在仿真測(cè)試階段進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，使得清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)的整體性能非常高效快速，實(shí)測(cè)的PLC程序掃描周期最快可達(dá)7ms，即使機(jī)組PLC程序掃描周期也在30ms以?xún)?nèi)。

（2）現(xiàn)地控制單元大量采用遠(yuǎn)程I/O模塊，將地下廠房各層現(xiàn)地信號(hào)就近接入遠(yuǎn)程I/O單元中，大大節(jié)約了電纜購(gòu)買(mǎi)、敷設(shè)和維護(hù)成本。

（3）創(chuàng)新性地設(shè)置了事故后備PLC，并接入Pro finet網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)Pro finet網(wǎng)絡(luò)接收電量變送器功率信號(hào)及其他相關(guān)信息，在后備PLC中編寫(xiě)跳閘編程，實(shí)現(xiàn)事故后備PLC獨(dú)立減負(fù)荷和甩負(fù)荷跳閘功能，以取代過(guò)往采用大量繼電器實(shí)現(xiàn)的硬布線跳閘回路，大大提高了機(jī)組跳閘功能設(shè)置的靈活性以及跳閘動(dòng)作的可靠性和安全性，也大大降低了設(shè)備后續(xù)檢修維護(hù)的工作量。

3 結(jié)束語(yǔ)

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)是國(guó)內(nèi)首次由業(yè)主技術(shù)人員深度參與設(shè)計(jì)，與生產(chǎn)廠家聯(lián)合開(kāi)發(fā)的技術(shù)成果。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員充分吸收和借鑒了中國(guó)南方電網(wǎng)已投運(yùn)抽水蓄能電廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在這些經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合采用更先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)，使得清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)具有很好的技術(shù)性能和安全品質(zhì)。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)經(jīng)過(guò)機(jī)組調(diào)試考驗(yàn)證明其是非常安全可靠的，有力保障了機(jī)組安全、順利調(diào)試與投產(chǎn)。

［1］Siemens AG.S7-400 Automation System,CPU Specifications Manual［R］.2010.8.

［2］高蘇杰.抽水蓄能的責(zé)任［J］.水電與抽水蓄能.2015,1（1）：1-7.GAO Sujie.The responsibility of pumped storage［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(1)：1-7.

［3］倉(cāng)義東，劉振龍.基于嵌套模型的多級(jí)集控監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（1）：65-70.CANG Yidong,LIU Zhenlong.The Design of Multistage Control System Based on the Nested Model［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(1):65-70.

［4］周攀.基于有限狀態(tài)機(jī)的抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（1）：91-96.ZHOU Pan.The condition transformation control strategy for pumped-storage power station based on finite state machine［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(1):91-96.

［5］楊文道，張巖雨，潘菊芳.抽水蓄能機(jī)組電動(dòng)工況啟動(dòng)的自動(dòng)控制［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（2）：16-21.YANG Wendao,ZHANG Yanyu,PAN Jufang.The automatic control of the pumped start-up of the pumpedstorage unit［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(2):16-21.

［6］黃楊梁，邵霞.自動(dòng)電壓控制在抽水蓄能電站應(yīng)用研究［J］.水電與抽水蓄能，2016,2（2）：78-82.HUANG Yangliang,SHAO Xia.Automatic voltage control in the application of pumped storage plant［J］.Hydropower and Pumped Storage,2016,2(2):78-82.

汪志強(qiáng)（1969—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站設(shè)計(jì)與設(shè)備管理等。E-mail：1295512324@qq.com

彭煜民（1979—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成與調(diào)試等。E-mail：71267103@qq.com

張學(xué)峰（1981—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與設(shè)備維護(hù)管理。E-mail：82868116@qq.com

The Local Control Layer’s Network Design of CSCS in Qingyuan Pumped Storage Power Station

WANG Zhiqiang,PENG Yumin,ZHANG Xuefeng
（Qingyuan Pumped Storage Power Station，Qingyuan 511800，China）

This paper illustrates the local control layer’s network design of CSCS in Qingyuan pumped storage power station.includes the link between the local control unit and the field I/O equipments,the communication between the local control unit and the control devices of subsystem,the link between the local control unit and the major network of CSCS.This paper can provide reference for building network of CSCS in other new power station.

pumped storage power station；local control layer of CSCS；network design

TV736

A 學(xué)科代碼：570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.003