巨型水电站现地控制单元与外部系统通信方案设计与应用

汪华强，雷 勇，杨春霞，文正国

（1.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038；2.二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617000）

引言

在中国水利水电事业快速发展，水电大规模开发建设的背景下，正在规划和投产的大型水电厂均选用单机容量600 MW以上的巨型水轮机组。

随着各水电厂总装机容量的大幅提升，厂内所装配的各辅助系统的数量也会明显地增加。随之而来的却是高强度的日常维护工作，为减轻电站管理人员的负担，达到智能水电厂的设计要求。水电厂计算机监控系统扮演着至关重要的角色，同时也对计算机监控系统数据通信提出更高的要求，尤其是一些地理位置比较偏远、设备安装部位比较分散的水电厂。按照以前传统水电厂设计模式仅就电缆敷设的复杂性和投入的成本就阻碍着水电厂的建设步伐。但是现在性能不断提高的PLC产品以及其与外部系统通信兼容性的优化极大地提高工作效率和降低管理成本，很好地解决这一困境。

1 系统结构及组成

瀑布沟水电厂既有地面厂房又有地下厂房，还有独立的大坝溢洪道单元、泄洪洞单元、放空洞单元、渗漏排水单元、进水口闸门、尼日河闸门单元等，各单元相距甚至超过十几公里。全厂配置一套500 kV开关站LCU、1套地面厂房公用LCU、1套地下副厂房公用LCU、1套地下安装间公用LCU、1套进水口闸门LCU、1套大坝闸门LCU、1套尼日河闸门LCU和6套机组LCU（每套机组LCU包含主机屏、测温屏、水机屏3套独立的单元）。机组LCU系统结构配置如图1所示。

图1 机组LCU系统结构配置

LCU选自罗克韦尔自动化公司的ControlLogix产品，CPU控制器选择1756-L62，每套LCU均采用双机双网冗余PLC配置，为每套CPU机箱提供独立的电源和I/O电源。每套LCU除采集很多硬接点信号之外，还需以通信方式实现与外部系统及智能设备数据共享，如交流采样表、电度表、励磁系统、调速器系统、保护系统、10 kV厂用电系统、400 V公用照明电系统、直流屏系统、密封水系统、各辅设系统等，同时监控内部各LCU间同样存在数据交换处理。

2 外部系统通信特点

LCU与外部系统通信按照各系统的功能要求方式各异，实际施工须结合现场情况因地制宜。以下简要介绍瀑布沟电厂内各系统的通信特点。

2.1 独立的智能仪表设备

交流采样表、电度表、变送器等智能设备使用频繁，各设备均可设置唯一的站地址，采用标准的MODBUS协议传输数据。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备，支持模拟量和数字量信息的传输，实时性一般，易于维护和管理。如10 kV厂用电系统、400 V公用照明电系统等。

2.2 励磁、调速器、密封水系统等拥有成套的PLC

此类系统一般有自己的PLC控制器和I/O模件，可编程性高。通讯协议和接口类型亦根据PLC产品可选择性较大，一般可以提供MODBUS RTU、MODBUS PLUS、MODBUS TCP/IP、PROFIBUS总线等标准协议。如果在通讯距离远，电磁干扰比较强的情况下，可以考虑使用光纤介质，并且增加第三方产品。如PROSOFT、HMS等系列协议转换产品，操作简单且性能稳定，对监控CPU通信接口也可以起到隔离保护的作用。

2.3 继电保护系统

保护系统所传输的信号基本是差动保护、距离保护等动作信号，作为硬接点的补充信号。通讯介质因距离长短可选一般的电缆线、网线或光纤等，且大都采用103通信协议，如许继保护、AREVA保护等。

2.4 直流屏系统

一些设备成套厂家（直流屏系统）使用自己内部通信协议，与行业内标准协议的格式和定义均不同，具体要见协议内容。对于此种情况，市面上没有标准的第三方产品可供使用，需要借助一些可编程的小型通信管理机来实现，如MOXA系列产品。

2.5 辅机系统

之所以把辅机系统独立出来，是因为瀑布沟厂内的辅机系统和监控系统采用的同属ControlLogix产品。两者之间的通讯方式就可以利用ControlLogix内部总线数据共享，极大地保证通信的质量，网络结构见图2。

2.6 监控PLC间数据共享

监控内部各套LCU之间通过光纤网互联，每套LCU配置两台工业交换机组成双网。如果要实现LCU间的数据共享，只能谋求建立于以太网和ControlLogix总线上的解决方案，网络结构见图3。

3 方案设计与应用

3.1 方案1：Moxa通信管理机

Moxa通信管理机能提供低成本高效益且稳定性高的串口通信解决方案、串口设备联网解决方案、及工业以太网解决方案。预先安装的Linux操作系统让工程师可选择自行开发应用程序，或者是轻松且免费地使用开放程序代码。

正因如此不论厂内各系统采用什么通信协议，都可以通过串口编程解决，灵活且稳定。串口接口可以是RS485RS232RS422，这对于数据传输时间要求不高的情况是个不错的选择。

3.2 方案2：ProSoft通讯网关或HMS通讯网关

ProSoft Technology和HMS均致力于为工业行业提供通讯网关,实现不同控制系统、自动化产品、工业仪表之间的数据通讯。产品性能优越，具备友好的配套软件，配置简单易于掌握，且有与罗克韦尔自动化公司联合开发基于机箱的模块化产品，如PROSOFTMVI56-MCMR。但针对不同的通讯协议需要购置对应的设备，灵活性低且成本高。

工程中广泛应用于监控PLC与外部各系统通信协议一致的情况，如400 V公用照明电系统、励磁系统、调速器系统、密封水系统等均采用统一的MODBUS协议。

3.3 方案3：ControlLogix EtherNet/IP网和ControLNet网

EtherNet/IP网已用于ControlNet和DeviceNet的控制和信息协议（CIP）为应用层协议。CIP提供了一系列标准的服务，提供“隐式”和“显式”方式对网络设备中的数据进行访问和控制。EtherNet/IP更适用于发送大块的数据（如程序），而不是DeviceNet和ControlNet更擅长的模拟或数字的I/O数据。

图2 ControLNet网络

对于上述2.5部分，如图2所示可以通过ControLNet网与辅机系统CPU和I/O通讯。1756-CNBR模块作为远程模块，通过ControLNet网络将监控PLC机架与辅机系统机架联在一起，利用生产者/消费者模式配置CNBR模块和规划ControLNet网络，实现快速共享各CPU内数据信息。

而相对2.6部分，也可以利用类似ControLNet网与辅机系统CPU和I/O通讯的方案，但考虑各LCU间数据通信量不大，仅通过MSG块指令读写数据即能满足要求。如果各LCU间数据通信量大的话亦可选择EtherNet/IP网实现生产者/消费者模式，共享大量数据。

图3 EtherNet/IP网络

3.4 方案4：H9000 V4.0软件

针对2.6部分的数据传输情况，也可以通过PLC软件及H9000 V4.0上位机软件实现数据共享。此方案简易且相当灵活，只要是挂接在监控内网的任何LCU均可以读取网络上另一LCU的数据。

4 结语

综合上述方案可根据工程实际情况选择使用，且已经过瀑布沟水电厂专业技术人员的严格测试,满足该项目的各项设计性能指标。