H9000与西门子PLC在水电站监控系统的应用--邓小刚

H9000H9000 与西门子与西门子 PLCPLC 在水电站监控系统的应用在水电站监控系统的应用 Application of H9000 and Siemens PLC in the Monitoring and control system of hydropower station 邓小刚 张煦 刘晓鹏 陶海涛 连雪广 刘小恒 北京中水科水电科技开发有限公司 北京 100038 摘摘 要要 本文先简单的介绍了青海积石峡水电站监控系统的应用情况 接着简要介绍了 总体结构 厂站控制层 现地控制层 以及 H9000 系统与 S7 400HPLC 应用的特 点 关键词关键词 监控系统 H9000 S7 400H Abstract This paper first simply introduces the application of the monitoring and control system of Qinghai Jishixia Hydropower Station Then it briefly introduces the overall structure station control layer the local control layer and the characteristics of H9000 system and S7 400PLC application KeyKey WordsWords the monitoring and control system H9000 S7 400H 0 0 引言 引言 黄河积石峡水电站是黄河干流龙羊峡至青铜峡河段规划的第五个大型水电站 电站位 于青海省循化县境内黄河积石峡出口处 距循化县城公路里程约 30km 距西宁市约 206km 电站共安装 3 台水轮发电机组 单机容量 340MW 总装机容量 1020MW 电站采用 330kV 一级电压接入西北电网 出线三回 3 回主变压器进线 发电机与主变压器组合方式 采用发变组单元接线 发电机出口设有发电机断路器 330kV 升高电压侧采用 3 串 3 2 断 路器接线方式 积石峡水电站计算机监控系统采用北京中水科水电科技开发有限公司研制开发的 H9000 V4 0 计算机监控系统 现地控制单元 PLC 均采用德国 Siemens 公司 SIMATIC S7 400 414H 冗余 CPU 电站按 无人值班 少人值守 原则设计 第一台机组已于 2010 年 4 月 投产 第二台机组已于 2010 年 6 月投产 最后一台机组于 2010 年 9 月投产 H9000 V4 0 计算机监控系统 及西门子 S7 400PLC 与机组同步投运 1 1 计算机监控系统结构配置计算机监控系统结构配置 1 11 1 总体结构总体结构 积石峡水电站计算机监控系统采用开放式分层 全分布的系统结构 数据库实行分布 管理方式 计算机监控系统按网络结构分为二层 厂站控制层和现地控制层 按设备布置 分为两级 厂站控制级设备 现地控制级设备网络结构及特性 在电站计算机监控系统厂站层能进行 电站控制调节 调度中心控制调节 集控中心 控制调节 软切换操作 当计算机监控系统处于 电站调节 方式且相应 LCU 处于 远方 控制 方式时 厂站层可对电站主辅设备下发控制和调节命令 上级调度中心则处于监视 状态 当计算机监控系统处于 调度中心调节 集控中心控制 方式且相应 LCU 处于 远 方控制 方式时 厂站层可作为上级调度中心 集控中心的子单元根据调度中心 集控中 心的调节指令对电站主辅设备发布控制和调节命令 电站计算机监控系统各 LCU 以下采用冗余的现场总线用以连接远程 I O 及各现地智能 监测设备 现场总线的物理拓扑结构为双总线型冗余结构 每个 LCU 设置为无主从关系的 标准或通用协议的现场总线 通信速率不低于 1Mbps 以及有主从关系通信协议的串口或 自由定义的现场总线 通信速率不低于 19 2kbps 相应现地生产过程里的各种继电保护装 置 自动装置 自动化设备和装置 监测仪表和装置 监测系统 机组辅助设备和全厂公 用设备由 PLC 组成的控制系统均挂在相适应的总线上 总线介质为光纤和双绞线结合使用 的方式 H9000 与 S7 400CPU 之间数据处理采用的方式是 LCU 将采集的信息汇总等待 H9000 系 统来读取 接收来自 H9000 系统的命令 经过逻辑计算 发出指令 控制各现场设备运行 LCU 是整个控制功能的核心 起到沟通现地设备和 H9000 系统桥梁的作用 其计算机监控 系统配置图如图 1 图 1 积石峡水电站计算机监控系统配置图 1 21 2 厂站控制层系统厂站控制层系统 厂站控制层由 2 套数据处理工作站 2 套应用程序工作站 2 套操作员工作站 1 套工 程师 仿真培训工作站 1 套远程维护和诊断服务器 1 套生产信息查询服务器 2 套通信 服务器 调度 2 套通信服务器 厂内 1 套 ON CALL 及语音报警服务器 1 套报表及打 印服务器 1 套 GPS 时钟 1 套冗余 UPS 1 套网络设备 冗余配置 2 套通信服务器 集 控中心专用 4 套路由器 调度 集控中心专用 等构成 实现监视控制现地设备等功能 形成全站监控中心 其中操作包括 机组操作 功率调节 断路器操作 隔离开关及刀闸 操作 设备操纵及闸门升 降 停操作等 电站计算机监控系统厂站控制层的网络主要采用双星型以太网结构 设置冗余的星型 以太网交换机 网络传输速率为 100Mbps 1000Mbps 自适应式 通讯协议采用 TCP IP 协 议 整个网络发生链路故障时能自动切换到备用链路 积石峡水电站厂站层控制监控系统由中水科技 H9000V4 0 系统软件完成 H9000 系统 作为水电站通用监控系统软件之一 侧重点在厂站层的信息流的管理及控制 可根据需要 配置不同厂家的 PLC 系统 H9000 系统自动采集现地 LCU 各类实时数据 并能对现地 LCU 下令进行控制 H9000 系统采集的数据类型包括 开关量 中断量 综合信息 模拟量 温度量和脉冲量 1 31 3 现地控制层系统现地控制层系统 现地控制单元 LCU 完成对监控对象的数据采集及数据预处理 负责向网络传送数据信 息 并自动服从上位机的命令和管理 同时各 LCU 也具有控制 调节操作和监视功能 配 备有人机触摸屏 当与上位机系统脱机时 仍具有必要的监视和控制功能 积石峡水电站现地控制层系统由 6 套现地控制单元 LCU 构成 3 套机组 LCU 1 套开 关站 LCU 1 套公用系统 LCU 及闸门 LCU 每套现地控制单元 PLC 均采用德国 Siemens 公司 SIMATIC S7 400 414H 冗余 CPU 现地控制单元 LCU 采用 SIMATIC S7 400 414H 冗余 CPU 由 2 套互为全冗余容错热备 控制器组成 它们通过冗余同步模块和 100M 光缆实现互连 冗余 CPU 与远程 I O 通过冗余 PROFIBUS DP 总线相连 每个 CPU 机箱通过工业以太网通讯接口模块与监控系统双以太网 交叉连接 PLC 的远程 I O 站接口模块 IM 153 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 各个 LCU Siemens PLC 除配有必需的 I O 模块外 还通过 LCU 工业交换机 接有 PLC 智能通信控制器 2 个 100M 以太网口 8 串行 由智能通 信控制器完成 LCU 与各现地设备 如交流采样装置 微机励磁调节装置 微机调速装置 微机保护装置 电能计量装置等其它设备的通信 以机组单元为例 LCU 配置结构如图 2 图 2 机组 LCU 配置结构 2 2 系统特点及功能 系统特点及功能 积石峡水电站监控系统的厂站层是采用 H9000 系统 现地控制层主要是采用 SIMATIC S7 400 414H PLC 其监控系统具有以下特点 1 强大的数据采集与处理功能 针对大型电站海量数据的高可靠与高实时性采集 H9000 V4 0 系统采取的主要技术措 施包括 同时采用主进程 多子进程及多线程技术 按数据类型的多重 TCP IP 连接并行工 作模式 PLC 数据扫描周期的多重数据传送请求与处理 多数据采集服务器的负荷平衡管 理 各服务器同时工作 负荷分担 有效地提高了系统数据采集的实时性 采用 PLC 冗余 优化策略 实现网络和现地控制单元 CPU 的快速自动切换 2 整个系统采取高度冗余的结构和方式 为确保系统高可靠性 各层的重要设备均采取双重冗余配置 如数据服务器 数据采 集站 操作员站 网络设备 可编程控制器冗余 CPU 总线等 可编程控制器的 I O 点不 冗余 冗余 CPU 冗余配置时 主备之间应可实现无扰动自动切换 3 H9000 系统与西门子 S7 400PLC 成功相结合 在大部分行业监控系统里 现地控制单元采用西门子 S7 400PLC 上位机一般采用西 门子 WinCC 系统 本电站监控系统上位机采用 H9000 系统 H9000 系统基于 TCP IP 上的 Modbus 规约 通过以太网与 S7 400PLC 通讯模块进行数据采集 控制 同时为了保证各 PLC 数据采集时的独立性 H9000 系统数据采集程序为每一个 PLC 建立单独的子进程 4 实现 1ms 分辨率 SOE 方式 事件顺序记录 SOE 功能是水电站计算机监控系统中的一个重要功能 通过前后分辨率 达 1 毫秒的事件记录 能够分析出事故发生的先后顺序 从而抓住事故源头以达到快速排 除和解决问题 本电站的 SOE 模块选用 16 点 SOE 模块 型号 6ES73217BH010AB0 该模块 分辨率达 1ms 与 GPS 时钟采用 SNTP 对时方式 SOE 方式的开关量输入方式提高了事件分 辨率 事件响应时间 便于电厂事故分析 确保安全 5 多元化通讯方式 在水电站各种系统数据大部分需要接入计算机监控系统中 特别是大中型电站要求监 视和控制的设备多 相应的通讯也多 故在积石峡水电站监控系统中采用了多种通讯相结 合方式 其主要通讯方式如下 a H9000 系统与网调 集控通讯采用 IEC60870 5 104 标准通信规约 b H9000 系统与 S7 400PLC 采用基于 TCP IP 上的 Modbus 通讯规约 c 厂站层设有一台厂内通讯机 与电能系统 故障录波系统 直流系统 水位系统等 进行通讯 采用的规约有 Modbus IEC60870 5 103 等通讯规约 d S7 400CPU 与 ET200M 之间采用现场总线 Profibus DP 通讯方式 与 S300PLC 辅机 系统通过 YLINK 采用现场总线 Profibus DP 通讯方式 e 各现地控制层 LCU 设有一台独立八串口小型通讯机 与调速器 励磁系统 交流采 样 保护系统 辅机系统等进行通讯 采用的规约有 Modbus IEC60870 5 103 等通讯规约 6 系统实时性 监控系统以数据采集与控制为基础 要实现系统实时性与可靠性 需合理优化配置系 统软硬件及功能 厂站层数据采集服务器通过与 PLC 建立 TCP IP 连接 采用点对点周期召 唤方式读取 PLC 数据 其中采集周期主要依赖于 PLC CPU 的扫描周期 scantime 一般在 200ms 至 1s 积石峡水电站厂站层主机采用的是高性能 SUN 服务器 现地层控制系统采用 SIMATIC S7 400 414H 冗余 CPU 其冗余 CPU 的运行周期在 10 15ms 左右 确保了整个监 控采集大量数据和控制设备的实时性 3 3 结束语 结束语 积石峡水电站计算机监控系统自 2010 年 4 月投入运行 监控系统的各类自动化元件运 行正常 监控系统整体运行良好 系统 4 年的稳定运行证明 西门子 S7 4