清遠抽水蓄能電站監控系統下位機網絡設計綜述

汪志強，彭煜民，張學峰

（清遠蓄能發電有限公司，廣東省清遠市 511800）

清遠抽水蓄能電站監控系統下位機網絡設計綜述

汪志強，彭煜民，張學峰

（清遠蓄能發電有限公司，廣東省清遠市 511800）

本文總結了清遠抽水蓄能電站監控系統下位機網絡設計經驗，從LCU與現場設備輸入輸出（I/O）信號的連接、LCU與各子系統控制裝置的通信連接以及LCU與監控系統主網的連接三方面闡述了下位機網絡設計思路，可為其他新建電站構建監控系統網絡提供參考。

抽水蓄能電站；監控系統下位機；網絡設計

0 引言

抽水蓄能電站監控系統下位機是抽水蓄能機組控制的核心，實現下位機設備合理、高效、快速連接與通信是構建一套安全可靠下位機系統的硬件基礎。本文對清遠抽水蓄能電站監控系統下位機網絡設計進行了總結和概述，希望能為其他新建電站的監控系統設計提供一些參考與借鑒。

1 下位機網絡設計

從監控設備的先進性、穩定性、安全性以及用戶應用情況等多方面考慮，清遠抽水蓄能電站監控系統下位機現地控制單元（LCU）可編程控制器選用了西門子S7-400系列PLC，CPU模塊為414-5H，其運算速度最快可達18.75ns，內置Pro fibus-DP和Pro finet通信接口，可配置為冗余容錯的S7-400H系統。清遠抽水蓄能電站監控系統下位機網絡連接如圖1所示。

清遠抽水蓄能電站監控系統下位機網絡連接設計主要從以下三個角度進行深化考慮：

（1）LCU與現場設備輸入輸出（I/O）信號的連接。

（2）LCU與各子系統控制裝置的通信連接。

（3）LCU與監控系統主網的連接。

1.1 LCU與現場輸入輸出（I/O）信號的連接

抽水蓄能電站地下廠房設計從上至下一般分為發電機層、中間層、水輪機層和蝸殼層，每層都擺放有不同的現場設備。LCU要實現對這些設備的監控，需要在它們之間敷設大量的屏蔽電纜，將現場設備的狀態信號輸入到LCU的PLC中，同時將PLC的控制命令輸出給現場設備。

過往傳統設計是將LCU的所有盤柜均布置在發電機層，廠房各層現場設備的監控二次電纜均敷設至發電機層與LCU盤柜相連接，這樣從水輪機層和蝸殼層需要敷設大量長距離電纜至發電機層，不利于電纜敷設和維護。因此，清遠抽水蓄能電站監控系統下位機LCU采用了遠程輸入輸出（I/O）單元，即將PLC的I/O模塊分布到廠房各層的遠程I/O單元柜中，各層的現場設備監控信號就近接入遠程I/O模塊中，遠程I/O模塊再通過冗余的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）。這樣既節省了大量電纜，又方便安裝與維護。

圖1 清遠抽水蓄能電站監控系統下位機網絡連接圖Fig.1 The local control layer’s network of CSCS in Qingyuan pumped storage power station

現場設備的關鍵監控信號均通過硬布線與LCU相連接。

1.2 LCU與各子系統控制裝置的連接

清遠抽水蓄能電站需要與機組LCU進行通信的系統設備主要有繼電保護裝置、勵磁裝置、電量變送裝置、智能電度表、尾閘PLC、進水閥PLC、主變壓器冷卻器控制PLC、事故后備PLC、調速器油壓裝置PLC、LCU現地監控屏、振動監測裝置和調速器控制裝置。

在監控系統設計之初，設計人員擬采用pro fibus-DP總線加Y-link模塊的方式實現上述控制裝置與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模塊方式下位機網絡連接示意圖Fig.2 The local control layer’s network linked by Profibus-DP and Y-link module

但經過仔細考慮并查閱資料分析，設計人員發現采用Y-link模塊通信存在以下兩點不足：

（1）Y-link模塊通信一次最多只能傳送244個字節的數據，多余的數據將會丟失。

（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，以上兩點不能滿足清遠抽水蓄能電站控制設備大規模數據可靠通信的要求。經與西門子技術人員溝通，設計人員了解到現地控制層設備可以采用一種Pro finet協議進行通信。Pro finet是完全基于工業以太網開發的總線通信技術。采用這種協議，控制設備可以通過連接到工業網絡交換機實現環形網絡冗余通信，通信數據沒有任何限制，而且通信速率可達100Mbits。除了能完全解決Y-link通信存在的不足問題，數據通信速度也得到了極大提升。因此，設計人員決定清遠抽水蓄能電站監控系統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。

為了更好地實現各控制裝置與LCU的Pro finet通信連接，除調速器控制裝置外，設計人員要求各控制裝置供應商必須滿足Pro finet或Pro fibus-DP通信接口。

由于繼電保護裝置、勵磁裝置、電量變送裝置、振動監測裝置和智能電度表只能提供Pro fibus-DP通信接口，為了與Pro finet網絡連接，必須進行Pro finet/Pro fibus-DP通信協議轉換。另外，考慮到繼電保護、勵磁裝置和機組電量變送裝置與LCU之間需要實現雙通道冗余數據通信，設計人員選用了兩塊西門子IM151-8通信協議轉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、進水閥PLC、主變壓器冷卻器控制PLC、事故后備PLC、調速器油壓裝置PLC和LCU現地監控屏均提供了Pro finet通信接口，設計人員選用了西門子Pro finet網絡交換機掛接這些具有Pro finet通信接口的控制裝置。

如圖3所示，設計人員以兩塊414-5H CPU模塊、兩塊IM151-8 通信協議轉換模塊和一臺Pro finet網絡交換機共5個設備作為網絡節點，依次相連形成環網，實現了LCU與各控制裝置的冗余通信連接。

由于調速器控制裝置只能提供MODBUS通信接口，因此設計人員專門配置了一塊CP341通信模塊與之相連。

各控制裝置中大量的參數值、狀態與報警信號均通過通信方式傳送至LCU，但關鍵的監控信號仍會通過硬布線傳送給LCU。

圖3 采用Profinet總線方式下位機網絡連接示意圖Fig.3 The local control layer’s network linked by profinet

1.3 LCU與監控系統主網的連接

LCU與監控系統主網的連接如圖4所示。

從圖4中可以看出，設計人員采用將LCU兩塊CPU模塊分別通過兩個網絡交換機接入到監控系統環形光纖主網的方式，實現下位機與監控主網的連接。這意味著監控系統下位機有4路冗余的通道與監控系統主網相連，即使出現3路通道中斷，第4路通道也能完成監控主網設備間的數據交換工作。

圖4 LCU與監控系統主網連接示意圖Fig.4 The link between the local control unit and the major network of CSCS

2 清遠抽水蓄能電站監控系統下位機網絡設計主要亮點

（1）清遠抽水蓄能電站監控系統下位機在國內首次采用Profinet工業以太網通信，通過設計人員對下位機網絡通信連接的精心合理設計，下位機設備之間數據通信的傳輸速度、數據容量、穩定性和靈活通用性有了明顯提升；另外，由于選用了運算速度達18.75ns的CPU模塊，加上CPU內部控制程序數據結構在仿真測試階段進行了優化調整，使得清遠抽水蓄能電站監控系統下位機的整體性能非常高效快速，實測的PLC程序掃描周期最快可達7ms，即使機組PLC程序掃描周期也在30ms以內。

（2）現地控制單元大量采用遠程I/O模塊，將地下廠房各層現地信號就近接入遠程I/O單元中，大大節約了電纜購買、敷設和維護成本。

（3）創新性地設置了事故后備PLC，并接入Pro finet網絡中，通過Pro finet網絡接收電量變送器功率信號及其他相關信息，在后備PLC中編寫跳閘編程，實現事故后備PLC獨立減負荷和甩負荷跳閘功能，以取代過往采用大量繼電器實現的硬布線跳閘回路，大大提高了機組跳閘功能設置的靈活性以及跳閘動作的可靠性和安全性，也大大降低了設備后續檢修維護的工作量。

3 結束語

清遠抽水蓄能電站監控系統下位機是國內首次由業主技術人員深度參與設計，與生產廠家聯合開發的技術成果。設計開發人員充分吸收和借鑒了中國南方電網已投運抽水蓄能電廠設計和運行經驗，在這些經驗的基礎上對清遠抽水蓄能電站監控系統進行了進一步優化設計，結合采用更先進的監控技術，使得清遠抽水蓄能電站監控系統下位機具有很好的技術性能和安全品質。清遠抽水蓄能電站監控系統下位機經過機組調試考驗證明其是非常安全可靠的，有力保障了機組安全、順利調試與投產。

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

彭煜民（1979—），男，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站監控系統設計、集成與調試等。E-mail：71267103@qq.com

張學峰（1981—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站監控系統設計與設備維護管理。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 學科代碼：570.30

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