西龙池抽水蓄能电站通风空调控制系统设计

蒋一峰，刘书玉，郝 峰，梁国才，王 纯

（1.中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024；2.山西西龙池抽水蓄能电站有限责任公司，山西 五台 035503）

0 概述

西龙池抽水蓄能电站位于山西省忻州地区五台县境内，滹沱河与清水河交汇处上游。电站距忻州市、太原市直线距离分别为50 km及100 km，距北同蒲铁路忻（州）河（边）支线火车站直线距离17 km。电站装机容量为1 200 MW，装设4套单机容量为300 MW的立轴混流可逆式单级水泵水轮机和发电电动机组及4台容量为360 MVA的主变压器。电站建成后以500 kV出线接入山西电网，在电网中承担调峰、填谷、调频、调相以及事故备用等任务。

西龙池抽水蓄能电站枢纽由上水库、下水库、输水系统、地下厂房系统、地面副厂房及开关站大楼、补水建筑物等组成。电站厂房为地下式，布置四台机组，安装间设于1号、2号机组和3号、4号机组厂房中间，副厂房设于厂房左端。

电站按“无人值班”（少人值守）的要求设计。采用以计算机监控系统为基础的全厂集中监控方案，设置开放式全分布分层系统结构的计算机监控系统。

针对西龙池蓄能电站通风空调系统的布置特点，为提高全厂自动化控制水平，结合当今现场总线技术的发展，通风（空调）控制系统采用全通信方式实现，详细的结构及特点说明如下。

1 通风（空调）系统简介

西龙池蓄能电站通风系统共配有166台风机。厂房设有风机137台，布置分布为主厂房104台，副厂房13台，主变洞18台，出线竖井2台；地面开关楼19台；主厂房排烟洞风机2台；通风洞口2台、空调冷却水机组3台、空调冷却水循环泵3台。

通风（空调）控制系统上位机布置在开关楼中控室内，距地下厂房1 200 m，距主变洞1 000 m，距排烟洞口600 m。通风洞口距地下厂房1 000 m。

通风（空调）设备可现地控制及远方控制。正常情况通风（空调）控制系统实现对电站通风及温度控制；在发生火灾时，能通过电站火灾报警系统联动通风（空调）控制系统，实现通风机停运、排烟风机启动等控制。

2 通风（空调）控制系统结构

2.1 网络结构

西龙池蓄能电站通风空调设备控制采用分层分布式控制系统，主控层设1台通风（空调）控制系统上位机，现地层设2个现地控制单元，通过以太网、TCP/IP协议构成通风空调的监控系统。在主控层及网络失效的情况下，现地控制单元仍能独立完成其系统内设备的监视和控制功能。

上位机通过交换机与全厂通风（空调）的各个现地控制单元相连接，通信介质采用单模光纤。通风（空调）控制系统各个现地控制单元通过现场总线方式连接相应区域的各现地控制设备。

2.2 主设备配置

主控层设1台通风（空调）控制系统上位机，布置在地面开关楼中控室；现地层设2个现地控制单元，分别布置在副厂房二次工作室和开关楼现地控制单元室。

为节省电缆，在风机、空调相对比较集中的地方设置了6个远程I/O：

（1）地下主厂房：1号、2号机组段母线层布置一个远程I/O，用于控制和采集1号、2号机组段蜗壳层、蜗壳夹层、水轮机层和母线层的风机及防火阀的运行和状态。3号、4号机组段母线层布置一个远程I/O，用于控制和采集3号、4号机组段蜗壳层、蜗壳夹层、水轮机层和母线层的风机及防火阀的运行和状态。

（2）主变洞：在1号、2号主变段1号通风机室布置一个远程I/O，用于控制和采集1号和2号主变通风机室、SFC输出变压器室、限流电抗器室和出线竖井的风机及防火阀的运行和状态。在3号、4号主变段5号通风机室布置一个远程I/O，用于控制和采集3号、4号、5号通风机室的风机及防火阀的运行和状态。

（3）通风洞口：在通风洞口风机房布置一个远程I/O，用于控制和采集通风口风机房的冷冻循环水泵、风冷冷水机组、定压补水装置和风机及防火阀的运行和状态。

（4）排烟洞：在排烟洞口风布置一个远程I/O，用于控制和采集排烟风机及防火阀的运行和状态。

2.3 现地控制设备配置

根据电站厂房及风机（空调）设备布置特点，西龙池蓄能电站通风（空调）控制箱（柜）共设74面。

为使现地风机控制更趋简化和完善，风机（空调）设备控制采用了电动机管理控制器（MMC）。风机（空调）设备运行状态和故障信号均由MMC装置上的指示灯显示。控制箱设有现地/远方选择开关，当选择开关在现地位置时，通过MMC装置上的按钮控制风机（空调）设备启/停；当选择开关在远方位置时，则由设在中控室通风空调系统的上位机通过通信方式控制风机（空调）设备启/停。为防止防火阀在关闭时风机运行，设计时考虑了防火阀位置状态与风机控制回路闭锁功能。

3 设备选型及系统功能

本系统充分考虑设计的安全性、可靠性和先进型，并严格遵守国家标准基础上设计的，其主要器件均选择原装进口品牌，系统具有可靠性高和使用寿命长等特点，具体如下：

(1)上位机采用研华/台湾IPC610工控机，Pentium4，主频2.8 GHz，内存1 024 MB，具有较强的处理能力。

(2)网络交换机选用德国Hirschmann品牌，型号RS20-0400-T1T1，带有4个10/100Base-TX端口，实现网络信息可靠交换。

(3)现地控制单元采用西门子S7-300系列PLC作为系统的主站和核心控制器件，并配置CP341 MODBUS通讯模块以及LDS-20C通讯服务器，同时配置12.1"MT5600触摸屏。

(4)远程I/O站采用带控制器的S7-200作为远程I/O的核心控制器件，配置EM277通讯模块，具有较强的通信能力、数据采集和处理能力，能确保在主站和远程I/O站通讯中断的情况下，远程I/O站仍然能与底层设备进行数据通讯，使得底层设备仍然能正常运行。

(5)主站与远程I/O站之间采用PROFIBUS-DP现场总线进行通信，通信距离较远，且具有较强抗干扰能力；通讯介质成本较低。

(6)系统具有现地手动控制、现地自动控制、远方控制等多种控制方式。

(7)风机（空调）设备现地控制设计中实现了与电站火灾报警系统的联动。为保证防火阀在关闭时，防止风机运行，设计时考虑了防火阀位置状态与风机控制回路闭锁功能。

(8)系统可统计电机的累计运行时间。

(9)柜体采用全框架结构，内部结构可以根据要求随意进行组合；具有机械强度高、电气防护等级高、抗电磁干扰能力强。

(10)系统运行参数设有出厂默认设定值，可根据现场的具体情况通过显示面板或远方通讯方式进行调整和设定。

(11)系统的各种运行参数均可通过现地显示面板进行设定和显示。

(12)若系统出现故障，系统能发出声光报警信号，并通过现地显示面板显示和远方报警，以提示运行及维护人员。

(13)系统设有足够裕量的I/O接口，用户可根据需要进行扩展，不需修改任何硬件。

4 系统实施

西龙池蓄能电站通风（空调）控制系统实施过程中，在风机控制箱内配置了电动机管理控制器（MMC）。该电动机管理控制器除具有完善的针对风机（空调）设备的控制、保护及实现与防火阀的闭锁功能外，还带有通信接口（接口RS485，通信规约MODBUS）。可实现把风机（空调）设备的运行状态及故障信息（如风机的工作电流、电压、运行状态、故障及防火阀位置等信号）上送到风机（空调）设备控制系统的上位机，可极大地丰富该系统信息量。同时，可以节省从远方I/O到现地控制箱的硬接线电缆，缺点是通信速率会受到一定的影响。为了进一步挖掘MMC装置的潜力，系统设计时除实现通过通信方式采集风机（空调）设备的信息外，还实现了通过通信方式完成风机（空调）设备的启/停控制，完全取消了通过连接到LCU或远方I/O的硬线来启/停风机（空调）设备。为解决通信速率低的问题，采用了在LCU或远方I/O提供多个通信口，将所有的MMC装置分成多路分别接入的方式来解决。每个通信口连接不多于16个MMC装置。

5 结论及特点

（1）山西西龙池抽水蓄能电站为地下厂房，通风及空调系统庞大而复杂，分布在整个电站。为了更好地实现电站“无人值班”（少人值守）的控制原则，减少维护，提高工作效率，通风空调控制系统改变传统的电缆硬接线的数据采集方式，采用了全通信方式，并设置集中监控工作站，不但实现了风机和空调等设备的操作和监视，还完成了与电站火灾自动报警系统联动。

（2）通风空调控制系统采用数字现场总线技术，采用分层分布结构。根据枢纽布置特点，分别设置地面和地下通风空调现地控制单元及远程I/O，并通过各个远程I/O采用MODBUS-PROFIBUS的通讯方式与本区域内的现地控制箱（柜）完成系统连接及信息交换。

（3）通风空调设备的现地控制采用电动机管理控制器（MMC），负责完成风机（空调）设备的运行、故障信息的采集和启/停控制，并通过分布在电站各个区域内的MMC通信组网，实现整个通风空调系统的集中监控，改变了以往即便系统采用网络通信方式，也要通过硬布线方式完成风机（空调）设备启/停控制。实现了仅采用通信方式RS485MODBUS完全对电站风机（空调）设备启/停和信息采集的控制。

（4）本系统采用的电动机管理控制器（MMC）可采集6路开关量信号、电流、电压信号。依据所设定的电机参数，通过微处理器计算出电功率、电机过载、过热、外部故障、堵转、缺相、电流不平衡、欠压、过压、接地、或漏电等实现对风机的保护。电动机管理控制器（MMC）的使用取代了传统的热继电器、电流互感器、多种信号灯、电流表、按钮、大量中间继电器和时间继电器、变送器、电缆等，节省了盘柜大部分的空间，相应的也减少了盘柜的体积，减轻了盘柜的重量，使得盘柜的安装及布置更加灵活。

（5）相对常规控制方式系统设计，西龙池抽水蓄能电站通风（空调）控制系统采用集约型电动机管理控制器（MMC）及通信传输方式设计，光是取消用于通过硬线连接实现风机（空调）设备启/停命令方式的控制电缆的长度就约为13 000 m。同时还节省了很多启动、控制元器件，既节省了投资又节省了安装工程量，同时也减轻了运行人员检修维护的工作量，整个控制系统节约成本约40万元。

目前，西龙池电站的通风空调控制系统已投入运行，运行情况良好，通信网络比较稳定。

综上所述，通风空调控制系统的最大特点就是采用电动机管理控制器（MMC）和现场总线技术，系统结构简洁灵活，节省大量控制电缆且安装调试简单，便于运行和维护。