巨型水電站現地控制單元與外部系統通信方案設計與應用

汪華強，雷 勇，楊春霞，文正國

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

引言

在中國水利水電事業快速發展，水電大規模開發建設的背景下，正在規劃和投產的大型水電廠均選用單機容量600 MW以上的巨型水輪機組。

隨著各水電廠總裝機容量的大幅提升，廠內所裝配的各輔助系統的數量也會明顯地增加。隨之而來的卻是高強度的日常維護工作，為減輕電站管理人員的負擔，達到智能水電廠的設計要求。水電廠計算機監控系統扮演著至關重要的角色，同時也對計算機監控系統數據通信提出更高的要求，尤其是一些地理位置比較偏遠、設備安裝部位比較分散的水電廠。按照以前傳統水電廠設計模式僅就電纜敷設的復雜性和投入的成本就阻礙著水電廠的建設步伐。但是現在性能不斷提高的PLC產品以及其與外部系統通信兼容性的優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 系統結構及組成

瀑布溝水電廠既有地面廠房又有地下廠房，還有獨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套進水口閘門LCU、1套大壩閘門LCU、1套尼日河閘門LCU和6套機組LCU（每套機組LCU包含主機屏、測溫屏、水機屏3套獨立的單元）。機組LCU系統結構配置如圖1所示。

圖1 機組LCU系統結構配置

LCU選自羅克韋爾自動化公司的ControlLogix產品，CPU控制器選擇1756-L62，每套LCU均采用雙機雙網冗余PLC配置，為每套CPU機箱提供獨立的電源和I/O電源。每套LCU除采集很多硬接點信號之外，還需以通信方式實現與外部系統及智能設備數據共享，如交流采樣表、電度表、勵磁系統、調速器系統、保護系統、10 kV廠用電系統、400 V公用照明電系統、直流屏系統、密封水系統、各輔設系統等，同時監控內部各LCU間同樣存在數據交換處理。

2 外部系統通信特點

LCU與外部系統通信按照各系統的功能要求方式各異，實際施工須結合現場情況因地制宜。以下簡要介紹瀑布溝電廠內各系統的通信特點。

2.1 獨立的智能儀表設備

交流采樣表、電度表、變送器等智能設備使用頻繁，各設備均可設置唯一的站地址，采用標準的MODBUS協議傳輸數據。此協議支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備，支持模擬量和數字量信息的傳輸，實時性一般，易于維護和管理。如10 kV廠用電系統、400 V公用照明電系統等。

2.2 勵磁、調速器、密封水系統等擁有成套的PLC

此類系統一般有自己的PLC控制器和I/O模件，可編程性高。通訊協議和接口類型亦根據PLC產品可選擇性較大，一般可以提供MODBUS RTU、MODBUS PLUS、MODBUS TCP/IP、PROFIBUS總線等標準協議。如果在通訊距離遠，電磁干擾比較強的情況下，可以考慮使用光纖介質，并且增加第三方產品。如PROSOFT、HMS等系列協議轉換產品，操作簡單且性能穩定，對監控CPU通信接口也可以起到隔離保護的作用。

2.3 繼電保護系統

保護系統所傳輸的信號基本是差動保護、距離保護等動作信號，作為硬接點的補充信號。通訊介質因距離長短可選一般的電纜線、網線或光纖等，且大都采用103通信協議，如許繼保護、AREVA保護等。

2.4 直流屏系統

一些設備成套廠家（直流屏系統）使用自己內部通信協議，與行業內標準協議的格式和定義均不同，具體要見協議內容。對于此種情況，市面上沒有標準的第三方產品可供使用，需要借助一些可編程的小型通信管理機來實現，如MOXA系列產品。

2.5 輔機系統

之所以把輔機系統獨立出來，是因為瀑布溝廠內的輔機系統和監控系統采用的同屬ControlLogix產品。兩者之間的通訊方式就可以利用ControlLogix內部總線數據共享，極大地保證通信的質量，網絡結構見圖2。

2.6 監控PLC間數據共享

監控內部各套LCU之間通過光纖網互聯，每套LCU配置兩臺工業交換機組成雙網。如果要實現LCU間的數據共享，只能謀求建立于以太網和ControlLogix總線上的解決方案，網絡結構見圖3。

3 方案設計與應用

3.1 方案1：Moxa通信管理機

Moxa通信管理機能提供低成本高效益且穩定性高的串口通信解決方案、串口設備聯網解決方案、及工業以太網解決方案。預先安裝的Linux操作系統讓工程師可選擇自行開發應用程序，或者是輕松且免費地使用開放程序代碼。

正因如此不論廠內各系統采用什么通信協議，都可以通過串口編程解決，靈活且穩定。串口接口可以是RS485RS232RS422，這對于數據傳輸時間要求不高的情況是個不錯的選擇。

3.2 方案2：ProSoft通訊網關或HMS通訊網關

ProSoft Technology和HMS均致力于為工業行業提供通訊網關,實現不同控制系統、自動化產品、工業儀表之間的數據通訊。產品性能優越，具備友好的配套軟件，配置簡單易于掌握，且有與羅克韋爾自動化公司聯合開發基于機箱的模塊化產品，如PROSOFTMVI56-MCMR。但針對不同的通訊協議需要購置對應的設備，靈活性低且成本高。

工程中廣泛應用于監控PLC與外部各系統通信協議一致的情況，如400 V公用照明電系統、勵磁系統、調速器系統、密封水系統等均采用統一的MODBUS協議。

3.3 方案3：ControlLogix EtherNet/IP網和ControLNet網

EtherNet/IP網已用于ControlNet和DeviceNet的控制和信息協議（CIP）為應用層協議。CIP提供了一系列標準的服務，提供“隱式”和“顯式”方式對網絡設備中的數據進行訪問和控制。EtherNet/IP更適用于發送大塊的數據（如程序），而不是DeviceNet和ControlNet更擅長的模擬或數字的I/O數據。

圖2 ControLNet網絡

對于上述2.5部分，如圖2所示可以通過ControLNet網與輔機系統CPU和I/O通訊。1756-CNBR模塊作為遠程模塊，通過ControLNet網絡將監控PLC機架與輔機系統機架聯在一起，利用生產者/消費者模式配置CNBR模塊和規劃ControLNet網絡，實現快速共享各CPU內數據信息。

而相對2.6部分，也可以利用類似ControLNet網與輔機系統CPU和I/O通訊的方案，但考慮各LCU間數據通信量不大，僅通過MSG塊指令讀寫數據即能滿足要求。如果各LCU間數據通信量大的話亦可選擇EtherNet/IP網實現生產者/消費者模式，共享大量數據。

圖3 EtherNet/IP網絡

3.4 方案4：H9000 V4.0軟件

針對2.6部分的數據傳輸情況，也可以通過PLC軟件及H9000 V4.0上位機軟件實現數據共享。此方案簡易且相當靈活，只要是掛接在監控內網的任何LCU均可以讀取網絡上另一LCU的數據。

4 結語

綜合上述方案可根據工程實際情況選擇使用，且已經過瀑布溝水電廠專業技術人員的嚴格測試,滿足該項目的各項設計性能指標。