清远抽水蓄能电站监控系统下位机网络设计综述

汪志强，彭煜民，张学峰

（清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511800）

清远抽水蓄能电站监控系统下位机网络设计综述

汪志强，彭煜民，张学峰

（清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511800）

本文总结了清远抽水蓄能电站监控系统下位机网络设计经验，从LCU与现场设备输入输出（I/O）信号的连接、LCU与各子系统控制装置的通信连接以及LCU与监控系统主网的连接三方面阐述了下位机网络设计思路，可为其他新建电站构建监控系统网络提供参考。

抽水蓄能电站；监控系统下位机；网络设计

0 引言

抽水蓄能电站监控系统下位机是抽水蓄能机组控制的核心，实现下位机设备合理、高效、快速连接与通信是构建一套安全可靠下位机系统的硬件基础。本文对清远抽水蓄能电站监控系统下位机网络设计进行了总结和概述，希望能为其他新建电站的监控系统设计提供一些参考与借鉴。

1 下位机网络设计

从监控设备的先进性、稳定性、安全性以及用户应用情况等多方面考虑，清远抽水蓄能电站监控系统下位机现地控制单元（LCU）可编程控制器选用了西门子S7-400系列PLC，CPU模块为414-5H，其运算速度最快可达18.75ns，内置Pro fibus-DP和Pro finet通信接口，可配置为冗余容错的S7-400H系统。清远抽水蓄能电站监控系统下位机网络连接如图1所示。

清远抽水蓄能电站监控系统下位机网络连接设计主要从以下三个角度进行深化考虑：

（1）LCU与现场设备输入输出（I/O）信号的连接。

（2）LCU与各子系统控制装置的通信连接。

（3）LCU与监控系统主网的连接。

1.1 LCU与现场输入输出（I/O）信号的连接

抽水蓄能电站地下厂房设计从上至下一般分为发电机层、中间层、水轮机层和蜗壳层，每层都摆放有不同的现场设备。LCU要实现对这些设备的监控，需要在它们之间敷设大量的屏蔽电缆，将现场设备的状态信号输入到LCU的PLC中，同时将PLC的控制命令输出给现场设备。

过往传统设计是将LCU的所有盘柜均布置在发电机层，厂房各层现场设备的监控二次电缆均敷设至发电机层与LCU盘柜相连接，这样从水轮机层和蜗壳层需要敷设大量长距离电缆至发电机层，不利于电缆敷设和维护。因此，清远抽水蓄能电站监控系统下位机LCU采用了远程输入输出（I/O）单元，即将PLC的I/O模块分布到厂房各层的远程I/O单元柜中，各层的现场设备监控信号就近接入远程I/O模块中，远程I/O模块再通过冗余的Pro fibus-DP总线连接到PLC的中央控制单元CPU模块中（如图1所示）。这样既节省了大量电缆，又方便安装与维护。

图1 清远抽水蓄能电站监控系统下位机网络连接图Fig.1 The local control layer’s network of CSCS in Qingyuan pumped storage power station

现场设备的关键监控信号均通过硬布线与LCU相连接。

1.2 LCU与各子系统控制装置的连接

清远抽水蓄能电站需要与机组LCU进行通信的系统设备主要有继电保护装置、励磁装置、电量变送装置、智能电度表、尾闸PLC、进水阀PLC、主变压器冷却器控制PLC、事故后备PLC、调速器油压装置PLC、LCU现地监控屏、振动监测装置和调速器控制装置。

在监控系统设计之初，设计人员拟采用pro fibus-DP总线加Y-link模块的方式实现上述控制装置与LCU冗余CPU模块的通信连接，连接方式如图2所示。

图2 采用Profibus-DP总线加Y-link模块方式下位机网络连接示意图Fig.2 The local control layer’s network linked by Profibus-DP and Y-link module

但经过仔细考虑并查阅资料分析，设计人员发现采用Y-link模块通信存在以下两点不足：

（1）Y-link模块通信一次最多只能传送244个字节的数据，多余的数据将会丢失。

（2）Y-link模块一旦故障，所有通信连接将立即中断，不满足通信总线冗余要求。

显然，以上两点不能满足清远抽水蓄能电站控制设备大规模数据可靠通信的要求。经与西门子技术人员沟通，设计人员了解到现地控制层设备可以采用一种Pro finet协议进行通信。Pro finet是完全基于工业以太网开发的总线通信技术。采用这种协议，控制设备可以通过连接到工业网络交换机实现环形网络冗余通信，通信数据没有任何限制，而且通信速率可达100Mbits。除了能完全解决Y-link通信存在的不足问题，数据通信速度也得到了极大提升。因此，设计人员决定清远抽水蓄能电站监控系统LCU与控制装置间采用Pro finet通信方式，通信连接示意图如图3所示。

为了更好地实现各控制装置与LCU的Pro finet通信连接，除调速器控制装置外，设计人员要求各控制装置供应商必须满足Pro finet或Pro fibus-DP通信接口。

由于继电保护装置、励磁装置、电量变送装置、振动监测装置和智能电度表只能提供Pro fibus-DP通信接口，为了与Pro finet网络连接，必须进行Pro finet/Pro fibus-DP通信协议转换。另外，考虑到继电保护、励磁装置和机组电量变送装置与LCU之间需要实现双通道冗余数据通信，设计人员选用了两块西门子IM151-8通信协议转换模块挂接这些只有Pro fibus-DP通信接口的控制装置。

另外的尾闸PLC、进水阀PLC、主变压器冷却器控制PLC、事故后备PLC、调速器油压装置PLC和LCU现地监控屏均提供了Pro finet通信接口，设计人员选用了西门子Pro finet网络交换机挂接这些具有Pro finet通信接口的控制装置。

如图3所示，设计人员以两块414-5H CPU模块、两块IM151-8 通信协议转换模块和一台Pro finet网络交换机共5个设备作为网络节点，依次相连形成环网，实现了LCU与各控制装置的冗余通信连接。

由于调速器控制装置只能提供MODBUS通信接口，因此设计人员专门配置了一块CP341通信模块与之相连。

各控制装置中大量的参数值、状态与报警信号均通过通信方式传送至LCU，但关键的监控信号仍会通过硬布线传送给LCU。

图3 采用Profinet总线方式下位机网络连接示意图Fig.3 The local control layer’s network linked by profinet

1.3 LCU与监控系统主网的连接

LCU与监控系统主网的连接如图4所示。

从图4中可以看出，设计人员采用将LCU两块CPU模块分别通过两个网络交换机接入到监控系统环形光纤主网的方式，实现下位机与监控主网的连接。这意味着监控系统下位机有4路冗余的通道与监控系统主网相连，即使出现3路通道中断，第4路通道也能完成监控主网设备间的数据交换工作。

图4 LCU与监控系统主网连接示意图Fig.4 The link between the local control unit and the major network of CSCS

2 清远抽水蓄能电站监控系统下位机网络设计主要亮点

（1）清远抽水蓄能电站监控系统下位机在国内首次采用Profinet工业以太网通信，通过设计人员对下位机网络通信连接的精心合理设计，下位机设备之间数据通信的传输速度、数据容量、稳定性和灵活通用性有了明显提升；另外，由于选用了运算速度达18.75ns的CPU模块，加上CPU内部控制程序数据结构在仿真测试阶段进行了优化调整，使得清远抽水蓄能电站监控系统下位机的整体性能非常高效快速，实测的PLC程序扫描周期最快可达7ms，即使机组PLC程序扫描周期也在30ms以内。

（2）现地控制单元大量采用远程I/O模块，将地下厂房各层现地信号就近接入远程I/O单元中，大大节约了电缆购买、敷设和维护成本。

（3）创新性地设置了事故后备PLC，并接入Pro finet网络中，通过Pro finet网络接收电量变送器功率信号及其他相关信息，在后备PLC中编写跳闸编程，实现事故后备PLC独立减负荷和甩负荷跳闸功能，以取代过往采用大量继电器实现的硬布线跳闸回路，大大提高了机组跳闸功能设置的灵活性以及跳闸动作的可靠性和安全性，也大大降低了设备后续检修维护的工作量。

3 结束语

清远抽水蓄能电站监控系统下位机是国内首次由业主技术人员深度参与设计，与生产厂家联合开发的技术成果。设计开发人员充分吸收和借鉴了中国南方电网已投运抽水蓄能电厂设计和运行经验，在这些经验的基础上对清远抽水蓄能电站监控系统进行了进一步优化设计，结合采用更先进的监控技术，使得清远抽水蓄能电站监控系统下位机具有很好的技术性能和安全品质。清远抽水蓄能电站监控系统下位机经过机组调试考验证明其是非常安全可靠的，有力保障了机组安全、顺利调试与投产。

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汪志强（1969—），男，高级工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站设计与设备管理等。E-mail：1295512324@qq.com

彭煜民（1979—），男，高级工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站监控系统设计、集成与调试等。E-mail：71267103@qq.com

张学峰（1981—），男，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站监控系统设计与设备维护管理。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 学科代码：570.30

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