H9000與西門子PLC在水電站監控系統的應用

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有限公司，北京100038）

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H9000與西門子PLC在水電站監控系統的應用

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有限公司，北京100038）

摘要：介紹了青海積石峽水電站監控系統的應用情況；接著介紹了總體結構、廠站控制層、現地控制層，以及H9000系統與S7-400H PLC應用的特點。

關鍵詞：監控系統；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劃的第5個大型水電站。電站位于青海省循化縣境內黃河積石峽出口處，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，出線3回，3回主變壓器進線；發電機與主變壓器組合方式采用發變組單元接線，發電機出口設有發電機斷路器；330 kV高電壓側采用3串3/2斷路器接線方式。

積石峽水電站計算機監控系統采用北京中水科水電科技開發有限公司研制開發的H9000 V4.0計算機監控系統,現地控制單元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，第2臺機組已于2010年6月投產，最后1臺機組于2010年9月投產。H9000 V4.0計算機監控系統、及西門子S7-400PLC與機組同步投運。

1計算機監控系統結構配置

1.1總體結構

積石峽水電站計算機監控系統采用開放式分層、全分布的系統結構，數據庫實行分布管理方式。計算機監控系統按網絡結構分為二層：廠站控制層和現地控制層。按設備布置分為兩級：廠站控制級設備、現地控制級設備。網絡結構及特性如下：

在電站計算機監控系統廠站層能進行“電站控制調節／調度中心控制調節／集控中心控制調節”軟切換操作。當計算機監控系統處于“電站調節”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控制和調節命令，上級調度中心則處于監視狀態；當計算機監控系統處于“調度中心調節／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度中心／集控中心的子單元根據調度中心／集控中心的調節指令對電站主輔設備發布控制和調節命令。

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

H9000與S7-400CPU之間數據處理采用的方式是：LCU將采集的信息匯總等待H9000系統來讀取，接收來自H9000系統的命令、經過邏輯計算、發出指令、控制各現場設備運行。LCU是整個控制功能的核心，起到溝通現地設備和H9000系統橋梁的作用。其計算機監控系統配置圖如圖1。

圖1　積石峽水電站計算機監控系統配置圖

1.2廠站控制層系統

廠站控制層由2套數據處理工作站、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套生產信息查詢服務器、2套通信服務器（調度）、2套通信服務器（廠內）、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（調度、集控中心專用）等構成，實現監視控制現地設備等功能，形成全站監控中心。其中操作包括：機組操作、功率調節、斷路器操作、隔離開關及刀閘操作、設備操縱及閘門升、降、停操作等。

電站計算機監控系統廠站控制層的網絡主要采用雙星型以太網結構，設置冗余的星型以太網交換機，網絡傳輸速率為100 Mb/s /1000 Mb/s自適應式，通訊協議采用TCP／IP協議，整個網絡發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控系統由中水科技H9000V4.0系統軟件完成，H9000系統作為水電站通用監控系統軟件之一，側重點在廠站層信息流的管理及控制，可根據需要配置不同廠家的PLC系統；H9000系統自動采集現地LCU各類實時數據，并能對現地LCU下令進行控制；H9000系統采集的數據類型包括：開關量、中斷量、綜合信息、模擬量、溫度量和脈沖量。

1.3現地控制層系統

現地控制單元LCU完成對監控對象的數據采集及數據預處理，負責向網絡傳送數據信息，并自動服從上位機的命令和管理。同時各LCU也具有控制、調節操作和監視功能，配備有人機觸摸屏，當與上位機系統脫機時，仍具有必要的監視和控制功能。

積石峽水電站現地控制層系統由6套現地控制單元LCU構成：3套機組LCU、1套開關站LCU、1套公用系統LCU及閘門LCU。每套現地控制單元PLC均采用德國Siemens公司SIMATIC S7-400 /414H冗余CPU。

現地控制單元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機箱通過工業以太網通訊接口模塊與監控系統雙以太網交叉連接，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工業交換機，接有PLC智能通信控制器(2個100 M以太網口/8串行)。由智能通信控制器完成LCU與各現地設備，如交流采樣裝置、微機勵磁調節裝置、微機調速裝置、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配置結構如圖2。

圖2　機組LCU配置結構

2系統特點及功能

積石峽水電站監控系統的廠站層采用H9000系統，現地控制層主要采用SIMATIC S7-400 /414H PLC，其監控系統具有以下特點。

2.1強大的數據采集與處理功能

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

2.2整個系統采取高度冗余的結構和方式

為確保系統高可靠性，各層的重要設備均采取雙重冗余配置，如數據服務器、數據采集站、操作員站、網絡設備、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，主備之間應可實現無擾動自動切換。

2.3 H9000系統與西門子S7-400PLC成功相結合

在大部分行業監控系統里，現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。本電站監控系統上位機采用H9000系統，H9000系統基于TCP/IP上的Modbus規約、通過以太網與S7-400 PLC通訊模塊進行數據采集、控制。同時為了保證各PLC數據采集時的獨立性，H9000系統數據采集程序為每一個PLC建立單獨的子進程。

2.4實現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控系統中的一個重要功能，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

水電站各種系統數據大部分需要接入計算機監控系統中，特別是大中型電站要求監視和控制的設備多，相應的通訊也多，故在積石峽水電站監控系統中采用了多種通訊相結合方式，其主要通訊方式如下：

（1）H9 000系統與網調、集控通訊采用IEC60870-5-104標準通信規約；

（2）H9000系統與S7-400 PLC采用基于TCP/IP上的Modbus通訊規約；

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

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

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

2.6系統實時性

監控系統以數據采集與控制為基礎，要實現系統實時性與可靠性，需合理優化配置系統軟硬件及功能。廠站層數據采集服務器通過與PLC建立TCP/IP連接，采用點對點周期召喚方式讀取PLC數據，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，現地層控制系統采用SIMATIC S7-400 /414H冗余CPU，其冗余CPU的運行周期在10～15 ms左右，確保了整個監控采集大量數據和控制設備的實時性。

3結束語

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

參考文獻：

[1]王德寬，袁宏，王崢瀛，等.H9000 V4.0計算機監控系統技術特點概要[J].水電自動化與大壩監測，2007，31（3）：16-18.

[2]張毅，王德寬，王桂平，等.面向巨型機組特大型水電站監控系統的研制與開發[J].水電自動化與大壩監測，2008，32（1）：24-29.

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

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