鄧小剛，張　煦，劉曉鵬，陶海濤，連雪廣，劉小恒（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038）

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H9000與西門子PLC在水電站監(jiān)控系統(tǒng)的應用

鄧小剛，張煦，劉曉鵬，陶海濤，連雪廣，劉小恒
（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038）

摘要：介紹了青海積石峽水電站監(jiān)控系統(tǒng)的應用情況；接著介紹了總體結(jié)構(gòu)、廠站控制層、現(xiàn)地控制層，以及H9000系統(tǒng)與S7-400H PLC應用的特點。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；H9000；S7-400H

0引言

黃河積石峽水電站是黃河干流龍羊峽至青銅峽河段規(guī)劃的第5個大型水電站。電站位于青海省循化縣境內(nèi)黃河積石峽出口處，距循化縣城公路里程約30 km，距西寧市約206 km。電站共安裝3臺水輪發(fā)電機組，單機容量340 MW，總裝機容量1 020 MW。電站采用330 kV一級電壓接入西北電網(wǎng)，出線3回，3回主變壓器進線；發(fā)電機與主變壓器組合方式采用發(fā)變組單元接線，發(fā)電機出口設有發(fā)電機斷路器；330 kV高電壓側(cè)采用3串3/2斷路器接線方式。

積石峽水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司研制開發(fā)的H9000 V4.0計算機監(jiān)控系統(tǒng),現(xiàn)地控制單元PLC均采用德國Siemens公司SIMATIC S7-400 /414H冗余CPU。電站按“無人值班”（少人值守）原則設計。第1臺機組已于2010年4月投產(chǎn)，第2臺機組已于2010年6月投產(chǎn)，最后1臺機組于2010年9月投產(chǎn)。H9000 V4.0計算機監(jiān)控系統(tǒng)、及西門子S7-400PLC與機組同步投運。

1計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置

1.1總體結(jié)構(gòu)

積石峽水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用開放式分層、全分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫實行分布管理方式。計算機監(jiān)控系統(tǒng)按網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分為二層：廠站控制層和現(xiàn)地控制層。按設備布置分為兩級：廠站控制級設備、現(xiàn)地控制級設備。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及特性如下：

在電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)廠站層能進行“電站控制調(diào)節(jié)／調(diào)度中心控制調(diào)節(jié)／集控中心控制調(diào)節(jié)”軟切換操作。當計算機監(jiān)控系統(tǒng)處于“電站調(diào)節(jié)”方式且相應LCU處于“遠方控制”方式時，廠站層可對電站主輔設備下發(fā)控制和調(diào)節(jié)命令，上級調(diào)度中心則處于監(jiān)視狀態(tài)；當計算機監(jiān)控系統(tǒng)處于“調(diào)度中心調(diào)節(jié)／集控中心控制”方式且相應LCU處于“遠方控制”方式時，廠站層可作為上級調(diào)度中心／集控中心的子單元根據(jù)調(diào)度中心／集控中心的調(diào)節(jié)指令對電站主輔設備發(fā)布控制和調(diào)節(jié)命令。

電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)各LCU以下采用冗余的現(xiàn)場總線用以連接遠程I／O及各現(xiàn)地智能監(jiān)測設備，現(xiàn)場總線的物理拓撲結(jié)構(gòu)為雙總線型冗余結(jié)構(gòu)。每個LCU設置為無主從關(guān)系的標準或通用協(xié)議的現(xiàn)場總線，通信速率不低于1 Mb/s，以及有主從關(guān)系通信協(xié)議的串口或自由定義的現(xiàn)場總線，通信速率不低于19.2 kb/s。相應現(xiàn)地生產(chǎn)過程里的各種繼電保護裝置、自動裝置、自動化設備和裝置、監(jiān)測儀表和裝置、監(jiān)測系統(tǒng)、機組輔助設備和全廠公用設備由PLC組成的控制系統(tǒng)均掛在相適應的總線上?？偩€介質(zhì)為光纖和雙絞線結(jié)合使用的方式。

H9000與S7-400CPU之間數(shù)據(jù)處理采用的方式是：LCU將采集的信息匯總等待H9000系統(tǒng)來讀取，接收來自H9000系統(tǒng)的命令、經(jīng)過邏輯計算、發(fā)出指令、控制各現(xiàn)場設備運行。LCU是整個控制功能的核心，起到溝通現(xiàn)地設備和H9000系統(tǒng)橋梁的作用。其計算機監(jiān)控系統(tǒng)配置圖如圖1。

圖1　積石峽水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)配置圖

1.2廠站控制層系統(tǒng)

廠站控制層由2套數(shù)據(jù)處理工作站、2套應用程序工作站、2套操作員工作站、1套工程師／仿真培訓工作站、1套遠程維護和診斷服務器、1套生產(chǎn)信息查詢服務器、2套通信服務器（調(diào)度）、2套通信服務器（廠內(nèi)）、1套ON-CALL及語音報警服務器、1套報表及打印服務器、1套GPS時鐘、1套冗余UPS、1套網(wǎng)絡設備（冗余配置）、2套通信服務器（集控中心專用）、4套路由器（調(diào)度、集控中心專用）等構(gòu)成，實現(xiàn)監(jiān)視控制現(xiàn)地設備等功能，形成全站監(jiān)控中心。其中操作包括：機組操作、功率調(diào)節(jié)、斷路器操作、隔離開關(guān)及刀閘操作、設備操縱及閘門升、降、停操作等。

電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)廠站控制層的網(wǎng)絡主要采用雙星型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設置冗余的星型以太網(wǎng)交換機，網(wǎng)絡傳輸速率為100 Mb/s /1000 Mb/s自適應式，通訊協(xié)議采用TCP／IP協(xié)議，整個網(wǎng)絡發(fā)生鏈路故障時能自動切換到備用鏈路。

積石峽水電站廠站層監(jiān)控系統(tǒng)由中水科技H9000V4.0系統(tǒng)軟件完成，H9000系統(tǒng)作為水電站通用監(jiān)控系統(tǒng)軟件之一，側(cè)重點在廠站層信息流的管理及控制，可根據(jù)需要配置不同廠家的PLC系統(tǒng)；H9000系統(tǒng)自動采集現(xiàn)地LCU各類實時數(shù)據(jù)，并能對現(xiàn)地LCU下令進行控制；H9000系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)類型包括：開關(guān)量、中斷量、綜合信息、模擬量、溫度量和脈沖量。

1.3現(xiàn)地控制層系統(tǒng)

現(xiàn)地控制單元LCU完成對監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預處理，負責向網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)信息，并自動服從上位機的命令和管理。同時各LCU也具有控制、調(diào)節(jié)操作和監(jiān)視功能，配備有人機觸摸屏，當與上位機系統(tǒng)脫機時，仍具有必要的監(jiān)視和控制功能。

積石峽水電站現(xiàn)地控制層系統(tǒng)由6套現(xiàn)地控制單元LCU構(gòu)成：3套機組LCU、1套開關(guān)站LCU、1套公用系統(tǒng)LCU及閘門LCU。每套現(xiàn)地控制單元PLC均采用德國Siemens公司SIMATIC S7-400 /414H冗余CPU。

現(xiàn)地控制單元LCU采用SIMATIC S7-400 /414H冗余CPU，由2套互為全冗余容錯熱備控制器組成，它們通過冗余同步模塊和100 M光纜實現(xiàn)互連，冗余CPU與遠程I/O通過冗余PROFIBUS-DP總線相連，每個CPU機箱通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊接口模塊與監(jiān)控系統(tǒng)雙以太網(wǎng)交叉連接，PLC的遠程I/O站接口模塊（IM 153）具有SOE功能，通過配置快速的中斷開關(guān)量采集模塊，完成事件的順序記錄。各個LCU Siemens PLC除配有必需的I/O模塊外，還通過LCU工業(yè)交換機，接有PLC智能通信控制器(2個100 M以太網(wǎng)口/8串行)。由智能通信控制器完成LCU與各現(xiàn)地設備，如交流采樣裝置、微機勵磁調(diào)節(jié)裝置、微機調(diào)速裝置、微機保護裝置、電能計量裝置等其他設備的通信。

以機組單元為例，LCU配置結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2　機組LCU配置結(jié)構(gòu)

2系統(tǒng)特點及功能

積石峽水電站監(jiān)控系統(tǒng)的廠站層采用H9000系統(tǒng)，現(xiàn)地控制層主要采用SIMATIC S7-400 /414H PLC，其監(jiān)控系統(tǒng)具有以下特點。

2.1強大的數(shù)據(jù)采集與處理功能

針對大型電站海量數(shù)據(jù)的高可靠與高實時性采集，H9000 V4.0系統(tǒng)采取的主要技術(shù)措施包括：同時采用主進程、多子進程及多線程技術(shù)；按數(shù)據(jù)類型的多重TCP/IP連接并行工作模式；PLC數(shù)據(jù)掃描周期的多重數(shù)據(jù)傳送請求與處理；多數(shù)據(jù)采集服務器的負荷平衡管理，各服務器同時工作，負荷分擔，有效地提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的實時性；采用PLC冗余優(yōu)化策略，實現(xiàn)網(wǎng)絡和現(xiàn)地控制單元CPU的快速自動切換。

2.2整個系統(tǒng)采取高度冗余的結(jié)構(gòu)和方式

為確保系統(tǒng)高可靠性，各層的重要設備均采取雙重冗余配置，如數(shù)據(jù)服務器、數(shù)據(jù)采集站、操作員站、網(wǎng)絡設備、可編程控制器冗余CPU、總線等?？删幊炭刂破鞯腎/O點不冗余，CPU冗余配置時，主備之間應可實現(xiàn)無擾動自動切換。

2.3 H9000系統(tǒng)與西門子S7-400PLC成功相結(jié)合

在大部分行業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)里，現(xiàn)地控制單元采用西門子S7-400 PLC，上位機一般采用西門子WinCC系統(tǒng)。本電站監(jiān)控系統(tǒng)上位機采用H9000系統(tǒng)，H9000系統(tǒng)基于TCP/IP上的Modbus規(guī)約、通過以太網(wǎng)與S7-400 PLC通訊模塊進行數(shù)據(jù)采集、控制。同時為了保證各PLC數(shù)據(jù)采集時的獨立性，H9000系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序為每一個PLC建立單獨的子進程。

2.4實現(xiàn)1 ms分辨率SOE方式

事件順序記錄（SOE）功能是水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)中的一個重要功能，通過前后分辨率達1ms的事件記錄，能夠分析出事故發(fā)生的先后順序，從而抓住事故源頭以達到快速排除和解決問題。本電站的SOE模塊選用16點SOE模塊（型號6ES73217BH010AB0），該模塊分辨率達1ms，與GPS時鐘采用SNTP對時方式。SOE方式的開關(guān)量輸入方式提高了事件分辨率、事件響應時間，便于電廠事故分析、確保安全。

2.5多元化通訊方式

水電站各種系統(tǒng)數(shù)據(jù)大部分需要接入計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，特別是大中型電站要求監(jiān)視和控制的設備多，相應的通訊也多，故在積石峽水電站監(jiān)控系統(tǒng)中采用了多種通訊相結(jié)合方式，其主要通訊方式如下：

（1）H9 000系統(tǒng)與網(wǎng)調(diào)、集控通訊采用IEC60870-5-104標準通信規(guī)約；

（2）H9000系統(tǒng)與S7-400 PLC采用基于TCP/IP上的Modbus通訊規(guī)約；

（3）廠站層設有1臺廠內(nèi)通訊機，與電能系統(tǒng)、故障錄波系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、水位系統(tǒng)等進行通訊，采用的規(guī)約有Modbus、IEC60870-5-103等通訊規(guī)約；

（4）S7-400 CPU與ET200M之間采用現(xiàn)場總線Profibus-DP通訊方式，與S300 PLC輔機系統(tǒng)通過YLINK采用現(xiàn)場總線Profibus-DP通訊方式；

（5）各現(xiàn)地控制層LCU設有1臺獨立8串口小型通訊機，與調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)、交流采樣、保護系統(tǒng)、輔機系統(tǒng)等進行通訊，采用Modbus、IEC60870-5-103等通訊規(guī)約。

2.6系統(tǒng)實時性

監(jiān)控系統(tǒng)以數(shù)據(jù)采集與控制為基礎，要實現(xiàn)系統(tǒng)實時性與可靠性，需合理優(yōu)化配置系統(tǒng)軟硬件及功能。廠站層數(shù)據(jù)采集服務器通過與PLC建立TCP/IP連接，采用點對點周期召喚方式讀取PLC數(shù)據(jù)，其中采集周期主要依賴于PLC CPU的掃描周期（scantime），一般在200 ms～1 s。積石峽水電站廠站層主機采用的是高性能SUN服務器，現(xiàn)地層控制系統(tǒng)采用SIMATIC S7-400 /414H冗余CPU，其冗余CPU的運行周期在10～15 ms左右，確保了整個監(jiān)控采集大量數(shù)據(jù)和控制設備的實時性。

3結(jié)束語

積石峽水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)自2010年4月投入運行，監(jiān)控系統(tǒng)的各類自動化元件運行正常，監(jiān)控系統(tǒng)整體運行良好。系統(tǒng)4年的穩(wěn)定運行證明，西門子S7-400 PLC作為H9000V4.0監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地層的PLC應用是成功的，同時該監(jiān)控系統(tǒng)投運為水利水電自動化事業(yè)的不斷進步做出應有的貢獻。

參考文獻：

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作者簡介：鄧小剛（1976-），男，高級工程師，從事水電廠計算機系統(tǒng)及自動化系統(tǒng)研制、開發(fā)等工作。

收稿日期：2015-08-07

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.006

中圖分類號：TV736

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）03-0015-03