长洲水利枢纽工程内江计算机监控系统现地控制层设计与实现

白剑飞，邓小刚，邢诗唯，许贺永

(1.中国水利水电科学研究院自动化研究所，北京 100038；2.大港油田供水公司，天津 300280)

长洲水利枢纽工程内江计算机监控系统现地控制层设计与实现

白剑飞1，邓小刚1，邢诗唯1，许贺永2

(1.中国水利水电科学研究院自动化研究所，北京 100038；2.大港油田供水公司，天津 300280)

长洲水利枢纽工程内江电站现地控制层采用北京中水科水电科技开发有限公司的计算机监控系统，本文介绍了长洲内江计算机监控系统现地控制单元的配置、特点和功能。

长洲内江监控系统；现地控制层；LCU

长洲水利枢纽位于西江干流、浔江末端的长洲岛河段上，距梧州市区12km。长洲水利枢纽工程为西江下游河段广西境内的最后一个梯级电站，是一座以发电为主，兼有航运、灌溉等综合利用效益的大型水利枢纽。电站分内江厂房和外江厂房两部分，共装设15台单机容量为42MW的灯泡贯流式水轮发电机组，其中外江厂房9台，内江厂房6台。发电机母线采用扩大单元接线，每3台发电机经1台变压器升压后接入开关站设备。

长洲水利枢纽工程内江计算机监控系统采用分层分布式冗余多网络系统结构，根据水电站的特点，总体结构分为两层：全厂控制层(PCL)和现地控制层(LCL)，两层之间采用冗余的高速网络连接。内江现地控制层系统采用北京中水科水电科技开发有限公司的计算机监控系统。

1 内江现地控制层

内江现地控制层共有9个现地控制单元：

a.LCU10～15：机组LCU，分别用于10～15号水轮发电机组的过程控制和相应的调速器、励磁调节器及有关辅助设备等的监控，布置在运行层机旁。

b.LCU19：内江开关站LCU，用于内江开关站设备，包括开关站的线路、断路器、隔离开关、母线电压互感器、主变压器等的监控，布置在内江开关站继电保护屏室。

c.LCU20：内江厂用配电装置LCU，用于内江厂用配电装置等的监控，布置在内江厂房继电保护屏室。

d.LCU21：内江公用设备及通风空调LCU，用于内江公用设备、通风空调以及直流系统等设备的监控，布置在内江厂房继电保护屏室。

1.1 配置

现地控制单元主要由可编程逻辑控制器(PLC)、现地人机接口(触摸屏)、通信管理装置和智能采集仪表组成。主要配置如下：

（1）主控制器。选用西门子公司S7-400H系列PLC作为LCU的主控制器。S7-400H采用冗余结构，包括冗余的CPU、供电模件和CPU通信同步模块等。不仅具有S7-400系统共有的I/O能力强、实时性高、程序执行速度快、强大的通讯能力外，避免由于单个CPU故障造成系统瘫痪，无扰动切换，不会丢失任何信息。具有高程度的可靠性和容错能力。PLC主要完成现场设备的数据采集和实时控制等功能。主要模件包括中央处理单元CPU模件，通信模件，开关量输入、输出模件，模拟量输入、输出模件。

（2）现地人机接口单元。LCU现地人机接口单元选用法国施耐德公司的XBTG6330，具有高可靠性、防尘、抗震、抗电磁干扰等优良性能。触摸屏与PLC通过网络连接，可实现在现地实时监视现场设备的运行参数和数据以及快速、方便的完成对电站机组、开关设备和辅助系统设备的操作。

（3）通信控制器。LCU采用台湾MOXA公司的嵌入式通信控制器MOXA UC-7410-LX。MOXA UC7410具备8个RS-232/422/485串口和双10/100Mbps以太网络端口。该控制器通过以太网口与PLC连接，通过8个串行口与交流采样装置、电能采集装置、励磁、调速器和辅机等装置进行通信。

（4）交流采样装置。机组LCU采用德国SIMEASP500多功能交流采样仪表，开关站和厂用LCU采用瑞士DAE公司ACUVIM多功能交流采样仪表。交流采样表通过通信控制器实现与PLC的通讯。

（5）同期装置。机组LCU选用深圳智能设备公司的SID单对象微机自动准同期装置，开关站选用8对象SID-2H微机自动准同期装置和SID-2型微机同期自动选线器。

（6）水机紧急停机控制器。为提高系统的可靠性，系统设置独立的水机紧急停机控制回路，用于完成水机事故紧急停机及PLC故障情况时的手动紧急停机。水机紧急停机回路由常规继电器构成，独立于PLC。

长洲水利枢纽工程内江监控系统现地控制单元的典型配置示意图如图1。

1.2 特点

（1）PLC采用冗余结构，CPU模块、电源模块、网络模块和接口模块均为冗余配置。双CPU互为备用，若主用CPU因故障停止运行，备用CPU可无扰切换为主用CPU继续工作。保证了电站的安全、可靠运行。

图1 现地控制单元配置图

（2）高性能的冗余PLC系统，CPU执行性能高，内存带有自动错误探查和修复功能，可进行自动故障诊断和定位，主从切换平滑，模块支持热插拔功能。

（3）系统可在厂站控制层对电站机组、开关设备和辅助系统设备进行监视和操作控制，也可以在现地LCU触摸屏上进行操作和监视。对PLC来说，上位机与触摸屏是并行关系。上位机与触摸屏中任一方出现故障，都不会影响对方与PLC的通讯。

（4）PLC整个配置结构采用SIMATIC S7－400系列414冗余CPU加远程I/O方案，冗余CPU与远程I/O通过冗余PROFIBUS-DP总线相连。

（5）PLC的远程I/O站接口模块（IM153）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。该采集模板为具有16路24V开关量输入，每个I/O站接口模块（IM153）可处理128点开关量输入，保证SOE的分辨率小于1ms。

（6）与GPS时钟装置通过NTP以太网对时，对时精度1ms。

2 现地控制层功能

每套LCU均是一套完整的计算机控制系统。与上位机系统联网时，作为监控系统的一部分，实现系统指定的功能。当LCU与上位机系统脱离时，能独立运行，实现LCU的现地监控功能。

2.1 LCU基本功能

现地控制单元实现的基本功能如下：

（1）数据采集和预处理

PLC对现场设备的运行状态和运行参数进行实时采集和处理。采集对象主要包括：①电气、非电气和温度模拟量；②开关量；③电度量。采集预处理主要有：①数据有效性、合理性判断；②对有关模拟量前后两次数值进行梯度变化率检查，当变化梯度越限时进行报警或其它处理；③越复限报警及记录；④设备故障、事故及状态异位报警及记录等。

（2）事件上送功能。对事件记录信号进行快速采集处理，加时标后，向上位机系统上报。

（3）遥测和遥信功能。通过通信控制器实时采集公用系统数据，并上送上位机。

（4）LCU现地人机联系。通过触摸屏上的显示界面、报警界面和操作界面，实现现地监控功能。

（5）LCU可在线和离线诊断PLC硬件模块故障。还可通过软件实现在线和离线诊断，当诊断出故障时，可自动闭锁控制输出，产生系统诊断报警信息。LCU进行在线自诊断时，不影响LCU的正常监控功能。

（6）时间同步功能。通过硬件和网络同步手段，实现系统时间同步。

2.2 特殊功能

（1）机组LCU10～15

1）控制功能

可实现现地/远方控制方式切换；机组开、停机控制均包括单步控制和连续控制两种方式；机组事故停机及紧急停机控制；机组辅助设备控制；发电机出口断路器的分/合操作；主变中性点接地开关分/合操作；机组有功功率、无功功率调节；机旁紧急停机按钮；自动准同期并网操作。

2）通信功能

机组LCU与交流采样装置、励磁系统、调速器和辅机系统通过通信控制器进行通信，采用标准MODBUS规约。通过网络实现与触摸屏的通信。

（2）开关站LCU19

1）控制功能

220 kV断路器的分合闸和同期并列；220kV隔离开关和接地刀闸的分/合操作及操作闭合；开关站现地/远方控制方式的切换操作。

2）通信功能

开关站LCU与交流采样装置通过通信控制器进行通信，采用标准MODBUS规约。通过网络实现与触摸屏的通信。

（3）厂用LCU20

1）控制功能

厂用电系统开关及断路器的遥控分/合闸。

2）通信功能

厂用LCU与交流采样装置通过通信控制器进行通信，采用标准MODBUS规约。通过网络实现与触摸屏的通信。

（4）公用LCU21

1）控制功能。厂内公用及通风设备的控制与操作，主要有风机的起/停操作，渗漏排水泵的启动/停止操作，技术供水电动阀的开/关/停操作。

2）通信功能。公用及通风设备现地控制单元配置1台100Mbps网络交换机，实现现地控制单元的CPU与各公用及通风设备控制柜PLC的通信，构成单星形光纤以太网。

3 结束语

截至2009年5月，长洲内江电厂已完成10号-13号共4台机组的成功并网发电。电站监控系统自投运以来，运行稳定可靠。计算机自动化监控的使用，不仅可使机组经常处于最佳工况和最佳运行方式，提高机组运行小时和水能利用率，而且可提高劳动生产率，减轻运行人员操作和监视工作量。

TP273+.5

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1672-5387（2010）03-0035-02

2010-04-28

白剑飞（1978-），女，工程师，从事水电站计算机监控系统的项目开发、集成、调试工作。