基于PLC装置实现的软件SOE功能在大型水电站的研究与应用

摘 要

介绍天生桥二级电站基于PLC装置实现的软件SOE功能，不依赖于任何的SOE硬件模块，实际接线少、成本低廉、运行稳定可靠、大容量处理开关量SOE数据，支持模拟量SOE，且可扩展性强，其分辨率小于10ms，这为系统的监视、控制及事后分析、研究各种事故的产生原因提供了有力的依据。

【关键词】大型水电站 监控系统 PLC SOE

【关键词】大型水电站 监控系统 PLC SOE

天生桥水力发电总厂系中国南方电网公司应急调峰调频水电厂，位于广西壮族自治区隆林县境内，地处广西和贵州交界处的南盘江上，成立于1988年3月，负责运行管理南盘江上的百万级大型水电站——天生桥二级电站和500kV开关站、220kV开关站各一座，电站装有六台22万kW的水轮机发电机组，设计年平均发电量82亿kW·h。

天生桥二级电站是西电东送南路工程的首个电源点，系西电东送的发源地，与电站同步建设有天生桥二级电站至广东、贵州和广西的4回500kV超高压交流输电线路，建设有8回220kV输电线路，是南方电网主网架的重要枢纽。

电站设计采用计算机监控为主，常规监控为辅的方式。由于建站期间安装的监控系统运行不稳定，且多次处理未能明显改善，电站于是着手监控系统改造的准备工作，于2006年完成全厂监控系统（6台机组、220kV开关站、500kV开关站、首部闸门控制系统、全厂辅助设备）的改造，并实现了在兴义远控中心对全厂设备的监控。

在可靠的完全实现全站计算机监控后，SOE功能就显得尤为重要。SOE，为英文Sequence Of Event的缩写，即事件顺序记录。它能以毫秒级的分辨率获取事件信息，能更精确地反映事件情况，为设备状态分析、故障诊断及事故分析提供可靠而有力的数据。它以高分辨率分辨各个信号状态变化的先后次序，在事故情况下帮助分辨故障的原因，准备定位故障发生时间。因此，SOE成为分析事故的主要记录手段。

为了获得毫秒级的分辨率，SOE都需要专门的硬件支持，各个厂家都提供专门的SOE输入模块，优点是分辨率高，能实现1ms的分辨率，缺点是费用高，记录对象有限，且只能对接入SOE（顺序事件记录）输入模块的信号点进行记录。为此，电站需要研发一种廉价而又有高效的SOE功能，即是采用PLC装置实现的软件SOE功能。

本文依据天生桥二级电站监控系统改造及SOE功能开发，分析基于PLC装置实现的大容量时间顺序记录功能在大型水电站的应用。

1 研究对象

本文研究对象为天生桥二级电站监控系统，下位机采用PLC控制，上位机采用南瑞的NC2000，实现大型水电站的全站计算机监控，甚至远控。

下位机采用SIEMENS程控器为现场级控制器，型号为CPU317-2DP，网络采用PROFIBUS-DP分布式现场总线，PLC为冗余配置，每台机组都采用双（主控、后备）PLC设计，主要的逻辑控制、开停机流程等都在主控PLC中实现，后备PLC只保留机组温度保护、故障及事故停机流程，两组PLC完全独立，确保任一PLC系统异常情况下机组能停机。西门子317-2DP PLC属于S7-300 PLC中的高端系列，工作内存大（512Kbytes），运行速度快（0.05ms/1000指令），集成双PROFIBUS-DP口，其数据传输速率最高可达到12Mbps/s，且集成强大的故障诊断功能。

2 基于PLC装置实现大容量时间顺序记录功能

基于PLC装置的软件功能实现SOE功能，不依赖于硬件SOE记录模块，实际接线少、成本低廉、运行稳定可靠、大容量处理开关量SOE数据，支持模拟量SOE，且可扩展性强。

2.1 基于PLC装置实现SOE的硬件结构

如图1的硬件结构图所示，控制系统核心采用的是西门子CPU317-2DP，并作为PROFIBUS-DP主站，下挂多个PROFIBUS-DP从站，系统采用分布式结构，主站与从站采用PROFIBUS-DP现场总线连接，主站和各个从站安装在厂房的不同位置，整个PROFIBUS-DP现场总线长度达300米，网络速度设置为187.5Kbps。

PLC系统的核心，主要负责数据的采集、逻辑控制、命令输出、SOE记录、对外通信等功能。

2.2 基于PLC装置实现SOE的网络结构图

如图2的网络结构图所示，PLC装置（下位机）与上位机采用工业以太网通信，PLC装置每隔20个PLC扫描周期（60-150ms）将新增SOE记录转存在上送事件暂存区，供上位机后台服务器读取，上位机后台服务器每隔100ms读取上送事件暂存区的数据，上位机根据上送SOE的来源重新计算测点号，并将新增的SOE记录转存入监控系统历史数据库，在历史数据库中设置存储触发器，触发器动作后SOE记录经防火墙及横向隔离装置将SOE记录转存在MIS数据库中，为各种数据应用平台提供原始记录，现阶段主要应用在事故及异常分析、SOE短信平台（设备发生异常后自动将报警详细的信息发至专业技术人员）、设备状态分析系统、报表统计及门户系统。

2.3 PLC程序循环执行流程

如图3的流程图所示，PLC上电后执行一次启动块（OB100），在OB100将SOE测点第一次采集的数据作为初始量存入B存储区，B存储区与以下提到的A存储区一一对用，地址范围MB1400-MB1599。

SOE主程序在OB1中调用，主要包含以下几个部分：

（1）获取PLC内部的PLC时钟，该时钟作为本次扫描周期SOE记录的SOE时间签；

（2）SOE测点当前状态采集并存入A存储区，A存储区采用PLC内部的高速存储区，地址范围MB0-MB199；

（3）将A存储区与B存储区进行比较，每次各选取A、B存储区各32点进行异或比较，如果异或结果不等于0，则认为SOE测点存在变化量；endprint

（4）当发现SOE测点存在变化量，对存在变化的32个测点进行识别，依次计算变化的单个测点的点号，并依次补充上测点当前状态，打上SOE记录的SOE时间签及SOE记录号，形成单条完整的SOE记录，并将该条SOE存入SOE数据库的适当位置。

（5）PLC装置每隔20个PLC扫描周期（60-150ms）将新增SOE记录转存在上送事件暂存区，供上位机后台服务器读取，上位机后台服务器每隔100ms读取上送事件暂存区的数据，上位机根据上送SOE的来源重新计算测点号，并将新增的SOE记录转存入监控系统历史数据库。

2.4 SOE程序存储区定义

SOE程序主要涉及到5个存储区，所涉及的存储区均为PLC内部寄存器，不涉及PLC以外的任何设备或存储单元。

（1）本次采样周期开关量SOE测点状态存储区，以下简称A存储区，A存储区采用PLC内部的高速存储区，地址范围MB0-MB199（该存储区可根据实际需要对范围进行调节，一般控制在200字节以内为宜，可实现1600个开关量测点的SOE记录）

（2）上次采样周期开关SOE测点状态存储区，以下简称B存储区，B存储区与A存储区一一对应，也采用PLC内部的高速存储区，地址范围MB1400-MB1599

（3）本次采样周期模拟量SOE测点状态存储区，一下简称C存储区，地址范围MW300开始的地址，长度可根据实际需要进行调节；

（4）上次采样周期模拟量SOE测点状态存储区，一下简称D存储区，与C存储区一一对应，地址范围MW1700开始的地址；

（5）单条SOE记录存储区，以下简称E存储区，该存储区占用14字节，结构见表1；

（6）SOE记录存储区，以下简称SOE存储区，地址为数据块DB252，DB252可存储200条SOE记录，数据结构如下：

2.5 SOE测点采集及数据比较

SOE测点采集分为开关量采集与模拟量采集两类。PLC每个扫描周期完成一次所有SOE测点的检测，对于任一测点的状态变化都生成一条SOE记录，也就是一个扫描周期可能产生多条SOE记录，每隔20个扫描周期（约100-150ms）将新生成的SOE转存至上送事件区，后台服务器每隔400ms从上送事件区读取数据。在此，仅以开关量SOE测点为例，采集逻辑框图见图5，数据比较逻辑见表2。

3 结语

本文从天生桥二级电站基于厂站监控系统的特殊性，采用基于PLC装置的方式实现软件SOE功能，二级电站监控系统采用软件方式实现的SOE功能，SOE分辨率<10ms，同时，软件SOE功能实现了大容量的事件记录，且监视数据齐全，节约成本，通过认证及测试，完全满足现场运行需要。对现阶段水电站改造施工有着指导意义，对电力系统自动化的发展有指明方向的作用。

参考文献

[1]樊大飞，陈晓，麦云飞.西门子PCS 7的SOE功能的实现及应用[J].工业控制计算机，2006，（01）.

[2]朱晓娟.水电厂计算机监控系统设计[J].电气应用，2011，（6）.

[3]刘文丰，傅强.几种分散控制系统的SOE性能测试比较[J].华中电力，2005，（06）.

作者简介

张芳明（1983-），男，广西壮族自治区桂林市人。硕士研究生学历。现为天生桥水力发电总厂工程师。研究方向为调速器系统、励磁系统、水电自动控制系统。

作者单位

天生桥水力发电总厂 贵州省兴义市 562400endprint

（4）当发现SOE测点存在变化量，对存在变化的32个测点进行识别，依次计算变化的单个测点的点号，并依次补充上测点当前状态，打上SOE记录的SOE时间签及SOE记录号，形成单条完整的SOE记录，并将该条SOE存入SOE数据库的适当位置。

（5）PLC装置每隔20个PLC扫描周期（60-150ms）将新增SOE记录转存在上送事件暂存区，供上位机后台服务器读取，上位机后台服务器每隔100ms读取上送事件暂存区的数据，上位机根据上送SOE的来源重新计算测点号，并将新增的SOE记录转存入监控系统历史数据库。

2.4 SOE程序存储区定义

SOE程序主要涉及到5个存储区，所涉及的存储区均为PLC内部寄存器，不涉及PLC以外的任何设备或存储单元。

（1）本次采样周期开关量SOE测点状态存储区，以下简称A存储区，A存储区采用PLC内部的高速存储区，地址范围MB0-MB199（该存储区可根据实际需要对范围进行调节，一般控制在200字节以内为宜，可实现1600个开关量测点的SOE记录）

（2）上次采样周期开关SOE测点状态存储区，以下简称B存储区，B存储区与A存储区一一对应，也采用PLC内部的高速存储区，地址范围MB1400-MB1599

（3）本次采样周期模拟量SOE测点状态存储区，一下简称C存储区，地址范围MW300开始的地址，长度可根据实际需要进行调节；

（4）上次采样周期模拟量SOE测点状态存储区，一下简称D存储区，与C存储区一一对应，地址范围MW1700开始的地址；

（5）单条SOE记录存储区，以下简称E存储区，该存储区占用14字节，结构见表1；

（6）SOE记录存储区，以下简称SOE存储区，地址为数据块DB252，DB252可存储200条SOE记录，数据结构如下：

2.5 SOE测点采集及数据比较

SOE测点采集分为开关量采集与模拟量采集两类。PLC每个扫描周期完成一次所有SOE测点的检测，对于任一测点的状态变化都生成一条SOE记录，也就是一个扫描周期可能产生多条SOE记录，每隔20个扫描周期（约100-150ms）将新生成的SOE转存至上送事件区，后台服务器每隔400ms从上送事件区读取数据。在此，仅以开关量SOE测点为例，采集逻辑框图见图5，数据比较逻辑见表2。

3 结语

本文从天生桥二级电站基于厂站监控系统的特殊性，采用基于PLC装置的方式实现软件SOE功能，二级电站监控系统采用软件方式实现的SOE功能，SOE分辨率<10ms，同时，软件SOE功能实现了大容量的事件记录，且监视数据齐全，节约成本，通过认证及测试，完全满足现场运行需要。对现阶段水电站改造施工有着指导意义，对电力系统自动化的发展有指明方向的作用。

参考文献

[1]樊大飞，陈晓，麦云飞.西门子PCS 7的SOE功能的实现及应用[J].工业控制计算机，2006，（01）.

[2]朱晓娟.水电厂计算机监控系统设计[J].电气应用，2011，（6）.

[3]刘文丰，傅强.几种分散控制系统的SOE性能测试比较[J].华中电力，2005，（06）.

作者简介

张芳明（1983-），男，广西壮族自治区桂林市人。硕士研究生学历。现为天生桥水力发电总厂工程师。研究方向为调速器系统、励磁系统、水电自动控制系统。

作者单位

天生桥水力发电总厂 贵州省兴义市 562400endprint

（4）当发现SOE测点存在变化量，对存在变化的32个测点进行识别，依次计算变化的单个测点的点号，并依次补充上测点当前状态，打上SOE记录的SOE时间签及SOE记录号，形成单条完整的SOE记录，并将该条SOE存入SOE数据库的适当位置。

（5）PLC装置每隔20个PLC扫描周期（60-150ms）将新增SOE记录转存在上送事件暂存区，供上位机后台服务器读取，上位机后台服务器每隔100ms读取上送事件暂存区的数据，上位机根据上送SOE的来源重新计算测点号，并将新增的SOE记录转存入监控系统历史数据库。

2.4 SOE程序存储区定义

SOE程序主要涉及到5个存储区，所涉及的存储区均为PLC内部寄存器，不涉及PLC以外的任何设备或存储单元。

（1）本次采样周期开关量SOE测点状态存储区，以下简称A存储区，A存储区采用PLC内部的高速存储区，地址范围MB0-MB199（该存储区可根据实际需要对范围进行调节，一般控制在200字节以内为宜，可实现1600个开关量测点的SOE记录）

（2）上次采样周期开关SOE测点状态存储区，以下简称B存储区，B存储区与A存储区一一对应，也采用PLC内部的高速存储区，地址范围MB1400-MB1599

（3）本次采样周期模拟量SOE测点状态存储区，一下简称C存储区，地址范围MW300开始的地址，长度可根据实际需要进行调节；

（4）上次采样周期模拟量SOE测点状态存储区，一下简称D存储区，与C存储区一一对应，地址范围MW1700开始的地址；

（5）单条SOE记录存储区，以下简称E存储区，该存储区占用14字节，结构见表1；

（6）SOE记录存储区，以下简称SOE存储区，地址为数据块DB252，DB252可存储200条SOE记录，数据结构如下：

2.5 SOE测点采集及数据比较

SOE测点采集分为开关量采集与模拟量采集两类。PLC每个扫描周期完成一次所有SOE测点的检测，对于任一测点的状态变化都生成一条SOE记录，也就是一个扫描周期可能产生多条SOE记录，每隔20个扫描周期（约100-150ms）将新生成的SOE转存至上送事件区，后台服务器每隔400ms从上送事件区读取数据。在此，仅以开关量SOE测点为例，采集逻辑框图见图5，数据比较逻辑见表2。

3 结语

本文从天生桥二级电站基于厂站监控系统的特殊性，采用基于PLC装置的方式实现软件SOE功能，二级电站监控系统采用软件方式实现的SOE功能，SOE分辨率<10ms，同时，软件SOE功能实现了大容量的事件记录，且监视数据齐全，节约成本，通过认证及测试，完全满足现场运行需要。对现阶段水电站改造施工有着指导意义，对电力系统自动化的发展有指明方向的作用。

参考文献

[1]樊大飞，陈晓，麦云飞.西门子PCS 7的SOE功能的实现及应用[J].工业控制计算机，2006，（01）.

[2]朱晓娟.水电厂计算机监控系统设计[J].电气应用，2011，（6）.

[3]刘文丰，傅强.几种分散控制系统的SOE性能测试比较[J].华中电力，2005，（06）.

作者简介

张芳明（1983-），男，广西壮族自治区桂林市人。硕士研究生学历。现为天生桥水力发电总厂工程师。研究方向为调速器系统、励磁系统、水电自动控制系统。

作者单位

天生桥水力发电总厂 贵州省兴义市 562400endprint