H9000与西门子PLC在水电站监控系统的应用

2016-04-25邓小刚刘晓鹏陶海涛连雪广刘小恒北京中水科水电科技开发有限公司北京100038

水电站机电技术 2016年3期

关键词：厂站水电站通讯

邓小刚，张　煦，刘晓鹏，陶海涛，连雪广，刘小恒（北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038）

邓小刚，张煦，刘晓鹏，陶海涛，连雪广，刘小恒
（北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038）

摘要：介绍了青海积石峡水电站监控系统的应用情况；接着介绍了总体结构、厂站控制层、现地控制层，以及H9000系统与S7-400H PLC应用的特点。

关键词：监控系统；H9000；S7-400H

0引言

黄河积石峡水电站是黄河干流龙羊峡至青铜峡河段规划的第5个大型水电站。电站位于青海省循化县境内黄河积石峡出口处，距循化县城公路里程约30 km，距西宁市约206 km。电站共安装3台水轮发电机组，单机容量340 MW，总装机容量1 020 MW。电站采用330 kV一级电压接入西北电网，出线3回，3回主变压器进线；发电机与主变压器组合方式采用发变组单元接线，发电机出口设有发电机断路器；330 kV高电压侧采用3串3/2断路器接线方式。

积石峡水电站计算机监控系统采用北京中水科水电科技开发有限公司研制开发的H9000 V4.0计算机监控系统,现地控制单元PLC均采用德国Siemens公司SIMATIC S7-400 /414H冗余CPU。电站按“无人值班”（少人值守）原则设计。第1台机组已于2010年4月投产，第2台机组已于2010年6月投产，最后1台机组于2010年9月投产。H9000 V4.0计算机监控系统、及西门子S7-400PLC与机组同步投运。

1计算机监控系统结构配置

1.1总体结构

积石峡水电站计算机监控系统采用开放式分层、全分布的系统结构，数据库实行分布管理方式。计算机监控系统按网络结构分为二层：厂站控制层和现地控制层。按设备布置分为两级：厂站控制级设备、现地控制级设备。网络结构及特性如下：

在电站计算机监控系统厂站层能进行“电站控制调节／调度中心控制调节／集控中心控制调节”软切换操作。当计算机监控系统处于“电站调节”方式且相应LCU处于“远方控制”方式时，厂站层可对电站主辅设备下发控制和调节命令，上级调度中心则处于监视状态；当计算机监控系统处于“调度中心调节／集控中心控制”方式且相应LCU处于“远方控制”方式时，厂站层可作为上级调度中心／集控中心的子单元根据调度中心／集控中心的调节指令对电站主辅设备发布控制和调节命令。

电站计算机监控系统各LCU以下采用冗余的现场总线用以连接远程I／O及各现地智能监测设备，现场总线的物理拓扑结构为双总线型冗余结构。每个LCU设置为无主从关系的标准或通用协议的现场总线，通信速率不低于1 Mb/s，以及有主从关系通信协议的串口或自由定义的现场总线，通信速率不低于19.2 kb/s。相应现地生产过程里的各种继电保护装置、自动装置、自动化设备和装置、监测仪表和装置、监测系统、机组辅助设备和全厂公用设备由PLC组成的控制系统均挂在相适应的总线上。总线介质为光纤和双绞线结合使用的方式。

H9000与S7-400CPU之间数据处理采用的方式是：LCU将采集的信息汇总等待H9000系统来读取，接收来自H9000系统的命令、经过逻辑计算、发出指令、控制各现场设备运行。LCU是整个控制功能的核心，起到沟通现地设备和H9000系统桥梁的作用。其计算机监控系统配置图如图1。

图1　积石峡水电站计算机监控系统配置图

1.2厂站控制层系统

厂站控制层由2套数据处理工作站、2套应用程序工作站、2套操作员工作站、1套工程师／仿真培训工作站、1套远程维护和诊断服务器、1套生产信息查询服务器、2套通信服务器（调度）、2套通信服务器（厂内）、1套ON-CALL及语音报警服务器、1套报表及打印服务器、1套GPS时钟、1套冗余UPS、1套网络设备（冗余配置）、2套通信服务器（集控中心专用）、4套路由器（调度、集控中心专用）等构成，实现监视控制现地设备等功能，形成全站监控中心。其中操作包括：机组操作、功率调节、断路器操作、隔离开关及刀闸操作、设备操纵及闸门升、降、停操作等。

电站计算机监控系统厂站控制层的网络主要采用双星型以太网结构，设置冗余的星型以太网交换机，网络传输速率为100 Mb/s /1000 Mb/s自适应式，通讯协议采用TCP／IP协议，整个网络发生链路故障时能自动切换到备用链路。

积石峡水电站厂站层监控系统由中水科技H9000V4.0系统软件完成，H9000系统作为水电站通用监控系统软件之一，侧重点在厂站层信息流的管理及控制，可根据需要配置不同厂家的PLC系统；H9000系统自动采集现地LCU各类实时数据，并能对现地LCU下令进行控制；H9000系统采集的数据类型包括：开关量、中断量、综合信息、模拟量、温度量和脉冲量。

1.3现地控制层系统

现地控制单元LCU完成对监控对象的数据采集及数据预处理，负责向网络传送数据信息，并自动服从上位机的命令和管理。同时各LCU也具有控制、调节操作和监视功能，配备有人机触摸屏，当与上位机系统脱机时，仍具有必要的监视和控制功能。

积石峡水电站现地控制层系统由6套现地控制单元LCU构成：3套机组LCU、1套开关站LCU、1套公用系统LCU及闸门LCU。每套现地控制单元PLC均采用德国Siemens公司SIMATIC S7-400 /414H冗余CPU。

现地控制单元LCU采用SIMATIC S7-400 /414H冗余CPU，由2套互为全冗余容错热备控制器组成，它们通过冗余同步模块和100 M光缆实现互连，冗余CPU与远程I/O通过冗余PROFIBUS-DP总线相连，每个CPU机箱通过工业以太网通讯接口模块与监控系统双以太网交叉连接，PLC的远程I/O站接口模块（IM 153）具有SOE功能，通过配置快速的中断开关量采集模块，完成事件的顺序记录。各个LCU Siemens PLC除配有必需的I/O模块外，还通过LCU工业交换机，接有PLC智能通信控制器(2个100 M以太网口/8串行)。由智能通信控制器完成LCU与各现地设备，如交流采样装置、微机励磁调节装置、微机调速装置、微机保护装置、电能计量装置等其他设备的通信。

以机组单元为例，LCU配置结构如图2。

图2　机组LCU配置结构

2系统特点及功能

积石峡水电站监控系统的厂站层采用H9000系统，现地控制层主要采用SIMATIC S7-400 /414H PLC，其监控系统具有以下特点。

2.1强大的数据采集与处理功能

针对大型电站海量数据的高可靠与高实时性采集，H9000 V4.0系统采取的主要技术措施包括：同时采用主进程、多子进程及多线程技术；按数据类型的多重TCP/IP连接并行工作模式；PLC数据扫描周期的多重数据传送请求与处理；多数据采集服务器的负荷平衡管理，各服务器同时工作，负荷分担，有效地提高了系统数据采集的实时性；采用PLC冗余优化策略，实现网络和现地控制单元CPU的快速自动切换。

2.2整个系统采取高度冗余的结构和方式

为确保系统高可靠性，各层的重要设备均采取双重冗余配置，如数据服务器、数据采集站、操作员站、网络设备、可编程控制器冗余CPU、总线等。可编程控制器的I/O点不冗余，CPU冗余配置时，主备之间应可实现无扰动自动切换。

2.3 H9000系统与西门子S7-400PLC成功相结合

在大部分行业监控系统里，现地控制单元采用西门子S7-400 PLC，上位机一般采用西门子WinCC系统。本电站监控系统上位机采用H9000系统，H9000系统基于TCP/IP上的Modbus规约、通过以太网与S7-400 PLC通讯模块进行数据采集、控制。同时为了保证各PLC数据采集时的独立性，H9000系统数据采集程序为每一个PLC建立单独的子进程。

2.4实现1 ms分辨率SOE方式

事件顺序记录（SOE）功能是水电站计算机监控系统中的一个重要功能，通过前后分辨率达1ms的事件记录，能够分析出事故发生的先后顺序，从而抓住事故源头以达到快速排除和解决问题。本电站的SOE模块选用16点SOE模块（型号6ES73217BH010AB0），该模块分辨率达1ms，与GPS时钟采用SNTP对时方式。SOE方式的开关量输入方式提高了事件分辨率、事件响应时间，便于电厂事故分析、确保安全。

2.5多元化通讯方式

水电站各种系统数据大部分需要接入计算机监控系统中，特别是大中型电站要求监视和控制的设备多，相应的通讯也多，故在积石峡水电站监控系统中采用了多种通讯相结合方式，其主要通讯方式如下：

（1）H9 000系统与网调、集控通讯采用IEC60870-5-104标准通信规约；

（2）H9000系统与S7-400 PLC采用基于TCP/IP上的Modbus通讯规约；

（3）厂站层设有1台厂内通讯机，与电能系统、故障录波系统、直流系统、水位系统等进行通讯，采用的规约有Modbus、IEC60870-5-103等通讯规约；

（4）S7-400 CPU与ET200M之间采用现场总线Profibus-DP通讯方式，与S300 PLC辅机系统通过YLINK采用现场总线Profibus-DP通讯方式；

（5）各现地控制层LCU设有1台独立8串口小型通讯机，与调速器、励磁系统、交流采样、保护系统、辅机系统等进行通讯，采用Modbus、IEC60870-5-103等通讯规约。

2.6系统实时性

监控系统以数据采集与控制为基础，要实现系统实时性与可靠性，需合理优化配置系统软硬件及功能。厂站层数据采集服务器通过与PLC建立TCP/IP连接，采用点对点周期召唤方式读取PLC数据，其中采集周期主要依赖于PLC CPU的扫描周期（scantime），一般在200 ms～1 s。积石峡水电站厂站层主机采用的是高性能SUN服务器，现地层控制系统采用SIMATIC S7-400 /414H冗余CPU，其冗余CPU的运行周期在10～15 ms左右，确保了整个监控采集大量数据和控制设备的实时性。