南沙水电厂现地控制设计

摘要：该文介绍了南沙水电站现地控制单元和以PLC作为控制单元处理器，并就现地控制单元的设计方案分析。

关键词：现地控制单元；PLC 南沙水电站

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)18-4455-02

1 南沙水电站现地控制单元的简介

云南红河南沙水电站位于云南省红河干流元阳县境内，是红河干流中的一个梯级电站。电站工程装设3台混流式水轮发电机组。单机容量50MW，发电机额定电压10.5V，额定功率因数0.85（滞后），电站采用一机一变接线方案。电站共装设3台主变压器，高压侧电压为110kV，采用单母线接线。两回110kV线路接入系统，电站担任电网调峰任务。主要建筑物由厂房、泄水闸、开关站、土石坝等组成。电站采用计算机监控，按“无人值班、少人值守”设计。

南沙水电站计算机监控控制系统，分别包括有发电机组现地控制单元、发电机组辅助设备控制单元、闸门现地控制单元、公用设备现地控制单元、公用辅助设备现地控制单元、开关站现地控制单元等六个部分。

六个部分的现地控制单元，也就是简称LCU，各个LCU控制对象相对独立控制；某台LCU发生故障，不会影响其他LCU的工作。

1）发电机组现地控制单元，又叫机组LCU，主要包括对保护、电机自动化仪表元件监控。

2）发电机组辅助设备控制单元，主要对发电机的辅助设备油泵、水泵控制监控。

3）闸门现地控制单元，又叫闸门LCU，主要对泄洪闸门电机控制，三套。

4）公用设备现地控制单元，又叫公用LCU，主要对1号、2号、3号厂变及外来变的控制监控。

5）公用辅助设备现地控制单元，包括渗漏水泵、检修水泵、高压气机、中压气机、消防水泵。

6）开关站现地控制单元，又叫开关站LCU，主要包括两路线路和三个主变控制监控。

南沙水电站监控系统的各个LCU设备布置到各分布层；即电机层，闸门层开关站LCU和公用LCU布置在中控室旁，所有辅助设备布置于现地，就近控制。各控制的设备都有现地和远程方式，可以手动或自动控制，同时具有通信的能力。

2 现地控制单元核心单元选择

南沙水电站现地控制单元的核心单元可有多种选择；应用的比较成熟的有PLC控制核心和单片机控制核心两种，然而比较稳定可靠的还是PLC单元。目前国内大多数水电厂用户和系统集成商的欢迎。目前在国内应用的比较多的PLC生产厂家和主要型号有：

美国AB公司的SCL500、CONTROL LOGIX系列。

美国通用GE公司的90-70系列，90-30系列。

德国西门子公司的S7-300系列，S7-400系列。

法国施耐德公司的QUANTUM系列，PREMIUM系列，TWD系列。

这些通用的PLC，在我国水电站应用得比较多是法国的施耐德PLC，其次是德国的西门子PLC。

在南沙水电现地控制单元中，我们根据性价比等多方面考虑后，决定选用施耐德品牌的PLC，根据系统要求的特点，三个系列QUANTUM、PREMIUM、TWD用于各个现地位置。

QUANTUM系列的CPU，可以配置热备系统，支持以太网的通信，CPU模块中央处理器支持浮点运算64位处理器，IEC程序的可达2.5M，布尔指令处理速度可以达到0.09ms/k，离散输入可以达到65535点，支持专用的SOE事件顺序记录模块、高速计数模块、运动模块；系统的程序内存可高达1M，系统的运行内存SRAM高达4M；支持热插拔,通信和扩充能力好，具有强大的网络通讯功能，支持多种通讯规约：TCP/IP以太网，Unitelway，Modbus，Modbus Plus，FIPWAY，FIPIO，AS-i，Interbus-s；PLC的编程软件UNITY可以运行于Windows2000X下的 支持IEC方式编程；支持组态语言有：功能块、梯形图、顺序图、指令表以及结构文本。

PREMIUM系列CPU模块支持以太网的广播方式通信，支持浮点运算32位处理器，处理器主频为166MHz，IEC程序的布尔指令处理速度为0.15ms/k，离散输入输出点可以达到1000点，支持高速计数模块、运动模块；系统的程序内存可高达256K，系统的运行内存SRAM高达4M；模块化结构，支持热插拔,通信和扩充能力好，单个CPU可以支持多达8个网络通信模块，具有强大的网络通讯功能，支持多种通讯规约：TCP/IP以太网，Unitelway，Modbus，Modbus Plus，FIPWAY，FIPIO，AS-i，Interbus-s。PLC的编程软件PL7可以运行于Windows2000X下的 支持IEC方式编程；支持四种组态语言――功能块、梯形图、顺序图以及结构文本。

TWD系列CPU模块支持以太网的广播方式通信，离散输入输出的可以达到256点，具有网络通讯功能，支持多种通讯规约：TCP/IP以太网，Unitelway，Modbus。PLC的编程软件可以运行于Windows2000X下；支持梯形图和指令表两种编程语言。

3 现地控制单元

3.1 机组和开关站控制单元

现地机组控制单元是主要发电设备，发电机的可靠运行，关系着电站的总发电量；机组包含着重要的事故停机SOE记录，同时也承担着与上位机通信和现场仪表交换数据的任务。开关站负担着三台主变和两条线路及母线的监控任务；开关站也同样包含着重要的事故停机SOE记录，承担着与上位机通信和现场仪表交换数据的任务。机组和开关站控制单元采用QUANTUM系列的CPU。

现地控制单元应以智能模块或可编程控制器（PLC）组成的网络型结构，支持TCP/IP协议，包括有顺控、调节、过程输入/输出、数据处理、人机接口和外部通信功能，网络上任何节点的故障均不应影响网络及其他各节点的正常工作；全部模块应采用标准化模块，均支持带电插拔。整个系统采用同一系列模块，输出模板故障可预定义，现地控制单元可采用不同规约的设备通信。为保证可靠性，现地控制单元应具有冗余配置的CPU模块、电源模块、网络模块等，冗余模块的工作方式须为在线热备用，切换无扰动。现地控制单元带12 英寸彩色触摸屏，在其上可以进行现场控制操作。操作画面、操作对象、操作提示、相关数据及事故、故障指示信号等根据实际要求设置。现地控制单元应包括相应的过程信号接口：a. 数字量输入信号（状态信息、故障和事件信息）；b. 模拟量输入信号；c. 数字量输出信号（操作命令及状态指示等）；d. 其它：必要的输入/输出信号。机组LCU与微机励磁系统、调速器的接口方式以简单、可靠为原则。对于控制、报警和重要的运行信号采用I/O方式连接，有功功率和无功功率给定保留脉冲给定方式，同时采用数字给定的方式，数字给定通过现场总线通信方式实现。对于不涉及设备运行安全，同时运行人员关心的量则通过现场总线传送。

机组现地控制单元布置在发电机层，其监控对象为机组及其辅助设备。机组现地控制单元能实现的主要功能如下：

a.数据采集和处理；b.安全运行监视；c.控制与调节；d.数据通信；e.系统诊断，f其它。

机组现地控制单元数据采集和处理：

1）采集被控设备各模拟量、温度量、开关量并存入机组LCU数据库中，记录机组的启停次数和运行时间；

2）经串口采集机组励磁装置、调速装置、辅机控制装置等数据，存入数据库。

3）对采集来的数据进行分析、处理、计算，形成本单元及主站各种监控及管理功能所需的数据，根据需要上送厂级控制中心。

开关站设备现地控制单元布置在开关站继电保护屏室内，其监控对象为：开关站的线路、断路器、隔离开关、母线电压互感器、主变压器等设备。

开关站现地控制单元能实现的主要功能如下，但不限于此；

a、数据采集和处理；b、安全运行监视；c、控制；d、事件顺序检测和发送；e、数据通信；f、同步时钟校正；g、系统诊断；h、其它。

开关站数据采集和处理：

1）采集各被监控对象的各种模拟量、温度量、数字量（包括状态量、顺序事件数字量、报警数字量），存入数据库。

2）对采集来的数据进行分析、处理、计算，形成本单元及主站各种监控及管理功能所需的数据，根据需要上送厂级控制中心。

3.2 公用现地控制单元

公用现地控制单元布置在厂房继电保护屏室内，其监控对象为：10kV、400V厂用配电装置以及与公用辅助设备厂房渗漏、检修排水系统、漏油泵系统、消防供水系统以及空气压缩系统通讯工作站任务。公用现地控制单元选择PREMIUM系列CPU。PREMIUM系列CPU，离散输入输出点可以达到1000点，单个CPU可以支持多达8个网络通信模块，具有强大的网络通讯功能，支持多种通讯规约：TCP/IP以太网，Unitelway，Modbus，Modbus Plus，FIPWAY，FIPIO，AS-i，Interbus-s，完全满足公用现地控制单元。

公用现地控制单元能实现的主要功能如下：

a、数据采集和处理；b、安全运行监视；c、控制；d、事件顺序检测和发送；e、数据通信；f、同步时钟校正；g、系统诊断；h其它。

公用现地控制单元数据采集和处理：

1）采集各被监控对象的各种模拟量、温度量、数字量（包括状态量、顺序事件数字量、报警数字量），存入数据库。

2）经串口采集被监控对象的各种保护测控和自动装置的数据，存入数据库。

3）对采集来的数据进行分析、处理、计算，形成本单元及主站各种监控及管理功能所需的数据，根据需要上送厂级控制中心。

3.3 公用辅助现地控制单元和闸门现地控制单元

公用辅助设备现地控制单元，包括渗漏水泵、检修水泵、高压气机、中压气机、消防水泵。公用辅助设备现地控制单元负责简单的任务，独立可靠地完成辅助设备的正常工作，同时能向上进行RS485通信传输数据。

监控设备的可编程控制器采用施耐德TWIDO系列CPU，低压电气部分采用施耐德系低压电气，装于相应单元的控制屏，独立完成对公用设备的监视及自动控制。公用设备监控系统通过RS485通信方式将信号送入电站监控系统公用LCU。 PLC、软启动器、控制及切换开关、显示器、接触器、开关电源等设备装于公用设备各自的控制屏内，构成公用辅助设备现地控制单元。

闸门现地控制单元也采用施耐德TWIDO系列CPU，以太网与厂级控制中心相连，将闸门设备系统有关信息上送至电站计算机监控系统。闸门现地控制单元通过触摸屏幕、计算机监控系统设定各设备启停动作。

4 结束语

南沙水电站现地控制单元是南沙水电站计算机监控系统的核心单元。现地控制单元的可靠直接关系着电站的稳定性。施耐德品牌的PLC无疑是水电站现地控制单元控制核心的最佳选择。机组和开关站现地控制单元选用QUANTUM系列的CPU，是解决复杂化、大容量、高配置的设计，是提高现地控制单元安全、可靠、稳定运行一种手段。公用现地控制单元选择PREMIUM系列CPU，是容量适当、配置适当、简单明了设计，同样使系统具有极高的性能。公用辅助设备现地控制单元TWIDO系列CPU，是从实际出发，选择价格合理，性能满足系统要求的产品。