水利水电自动化应用平台标准化的技术实现

康明卫

(华自科技股份有限公司,湖南 长沙 410205)

1 概 述

目前水利水电自动化监控系统中自动化部分主要包括按用途分的各种现地控制单元(LCU)、辅机控制部分及自动化元件等(见图1)。

图1 水电厂(站)自动化的结构示意

从图1中可以看出，LCU在整个监控系统中处于三层网络结构的第二层，具有以下特点：

(1)通信网络起到“承上启下”的作用。

(2)承担的功能较多，包括控制、通讯、数据处理等。

(3)以可编程控制器(PLC)为核心，自动化的设计、实现都是围绕进行。

目前水利水电自动化的技术实现还存在一些普遍性的问题，主要表现在实施难度大、现场调试时间长、与新技术结合不够等。

2 存在的问题

2.1 使用的硬件品牌、系列多

水利水电自动化监控系统的软件主要在PLC中，而且不同的水电厂(站)经常使用不同品牌、系列PLC，如目前国内比较常见的施耐德、GE智能平台的产品。由于这些硬件产品编程方式存在较大的差异，因此监控系统设备厂家就需要开发多套软件，对调试人员技术要求高，调试难度大、周期长；更为重要的是造成电厂(站)维护困难。

2.2 缺少水利水电行业专用的软件模块

PLC作为一种通用的工业用控制器，并没有针对水利水电行业开发专用功能，造成很多功能开发完成后，还需要调试人员到现场进行更改及调试，这样势必导致调试周期及调试质量无法保证。

2.3 网络、通信功能实现困难

从图1中可以看到，PLC需与很多第三层网络中的继保、调速器、励磁等设备进行通信；但PLC设计用途主要用于逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数等，实现通信比较困难，且实现起来硬件成本很高。

2.4 实现SOE难度大、成本高

在《水电厂计算机监控系统基本技术条件》(DL/T 578—2008) 中对SOE点的分辨率有明确的要求：1级≤10 ms，2级≤5 ms，3级≤2 ms，使用开关量事件无法达到这个要求。虽然部分品牌的PLC提供该功能，如施耐德Quantum系列、M340系列等，但是这些模块的数据格式存在差异，且硬件价格很高。

3 应用平台标准化技术实现

为了解决目前水利水电自动化存在的问题，随着PLC控制技术的发展，目前的PLC都满足了IC61131—3可编程控制器编程语言的标准，为应用平台的标准化提供了硬件技术基础。

3.1 标准化软件平台方案

将高级编程语言的函数、过程、结构体等架构、编程思路移植到PLC软件开发中来，主要从下面几个方面来规划软件平台方案，尽量减少多种硬件平台带来的软件差异。

(1)定义结构体变量类型，增加程序可读性及快速定义、更改定位变量的内存地址(只需要更改变量首地址即可)(见图2)。

图2 PLC结构体变量类型

(2)规范变量名称及定位变量的内存地址(见图3)。

图3 PLC结构体变量

(3)统一软件功能模块的接口，可减少不同硬件平台的差异给调试、维护人员带来的技术屏障(见图4)。

图4 不同硬件平台下软件功能模块接口

3.2 开发水利水电专用功能模块

水利水电行业根据不同的机组类型，其控制功能相对固定，可使用PLC提供功能块、功能的软件方案进行行业应用的功能模块封装。除了软件开发人员外，其他技术人员不用了解功能模块内如何实现，直接调用就可；带来的好处是项目快速实施，减少了调试、维护的难度和工作量，更为重要的是可消除由于调试、维护人员的技术水平差异对项目质量的不可控性(见图5)。

图5 水利水电负荷调整软件功能模块(一)

3.3 标准的网络、通信功能

目前水利水电监控系统中的LCU需与大量的下层辅机设备及上层的SCADA系统进行通信。但PLC不提供类似高级语言那样方便调试的IDE环境，往往软件开发及调试难度都非常大。

通过各个PLC硬件厂商提供的不同通信部分解决方案，如GE智能平台的PAC System C Toolkit、欧姆龙的Macro Protocol，再进行标准封装后，实施项目时，只需对少量的参数进行定义即可完成需要的通信功能(见图6)。

图6 水利水电负荷调整软件功能模块(二)

3.4 硬、软件SOE功能

为了满足DL/T 578—2008中对SOE的技术要求，目前基本的解决方案都是通过PLC的SOE模块来解决的，但是这种方案存在下列问题：

(1)较少的PLC厂商提供了SOE模块，硬件可选择性较小，其价格昂贵。

(2)PLC SOE模块原理基本都是通过SOE模块进行数据缓存，再通知CPU读取缓存数据再上传SCADA系统；但是不同系列的PLC的SOE数据格式不同，造成解析困难。

(3)部分SOE模块在卫星时钟信号丢失后，不再产生SOE，造成SOE数据丢失，如施耐德Quantum系列。

为了解决硬件SOE上述问题，标准化平台加入了软件SOE及SOE的标准化封装(见图7)。

软件SOE通过高速计速模块实现IRIG(B码)GPS时钟对时，再通过普通或高速DI模块采集开关量信号，软件通过定时、IO中断实现。

3.5 多种负荷控制方式

水利水电运行人员的工作强度主要是机组负荷调整，标准化平台提供了多种调整方式。

图7 硬、软件SOE标准化封装

(1)单机给定值调整。

(2)单机恒功率因数调整。

(3)自动发电控制(AGC)，根据机组特性全站按给定负荷曲线、全站恒水位进行负荷分配，还可进行机组启停指导。

3.6 RTD自适应多种热电阻

所有的PLC只支持PT100铂电阻类型，但是部分水利水电也会使用Cu50或Cu53的热电阻；特别对于自动化改造项目，如果需要将Cu50或Cu53更换为PT100，会加长改造周期及增加费用。标准化平台提供了多种热电阻的自适应功能，实现的技术原理如下所示(见图8)。

PT100温度值→PT100分度表→电阻值
→Cu50(Cu53)分度表→Cu50(Cu53)温度值

图8 RTD自适应软件实现原理

4 硬件设计的改进思路

在实施大量的水利水电项目过程中，发现很多项目选择硬件没有随着新的硬件技术的发展而更新，可以在硬件成本控制、优化布线、可靠运行等方面进行改进。

对于水利水电项目，控制器PLC是大脑，通信网络是生命线，传感器和自动化元件是眼睛、手脚；硬件优化应针对这些方面来进行。

4.1 控制器(PLC)选择

PLC作为水利水电自动化核心硬件，其成本也是最高的，可根据不同的需求进行优化。

(1)尽量选择无电池结构，保证在电池亏电的情况下不丢失参数、程序，特别是对于长期不运行泵站。通信选用以太网为主干网络，这样可以提高通信速度。

(2)随着电子技术的不断发展，PLC的可靠性及性能都大大提高了，单机50 MW以下机组可不适用冗余配置，可选用1大1小的双PLC结构；大PLC作为主控制器用于完成所有功能，小PLC作为备用控制器用于在大PLC出现故障的情况下完成部分主要功能，以节约硬件成本(见图9)。

图9 双PLC结构原理

4.2 网络拓扑结构选择

将原来使用PLC串口模块直接与现场设备通信更改为使用通信网关的方式，这样可以避免原来硬件成本高、PLC负载重影响稳定性的缺陷(见图10)。

图10 网络结构改进

4.3 自动化元件选择

随着控制器PLC的技术发展，水利水电的自动化元件选择也应与之配套，在提高可靠性、节约成本为原则的基础上，尽量配置少的设备。

(1)测量机组转速大多还在使用机组残压为信号的转速信号装置，出现在机组停运一段时间之后，残压过低的无法工作。可以优化为使用测速齿盘方式，直接通过PLC的高速计数功能实现，既可靠又节约硬件投资。

(2)机组轴承温度等重要温度点使用单点温度仪表完成，再通过通信或模拟量的方式将数据采集到PLC中；这样既增加了设备的故障点，又加大硬件投资。可以优化为使用PLC RTD模块直接采集。

5 结 论

通过软、硬件的标准化后，实际应用中，调试、维护人员只需对功能的参数进行设置即可完成系统的调试维护工作，而且大大降低了不同硬件平台的差异带来的技术难度。

目前标准化平台使用的多个项目中，现场调试周期缩短40%，对调试人员的技术水平要求也大大降低。