PLC监控系统在云南龙开口水电站中的应用

监控方式采用以计算机监控系统为基础的全厂集中监控方案，设置统一的全厂计算机监控系统，不再设置独立的常规监控设备。电站监控系统以计算机控制为核心，采用全开放、分布式系统结构，按照容错设计

1  引言

龙开口水电站位于金沙江中游、云南大理州与丽江地区交界的鹤庆县中江乡龙开口村河段上，是金沙江中游河段规划的8个梯级电站中的第6级，上距已开工建设的金安桥水电站41km，下邻鲁地拉水电站。水库正常蓄水位为1298.0m，装机容量1800mw，总装机5台，单机容量360mw。电站以500kv电压等级接入电力系统，在系统中担任调峰、调频和事故备用。电站按“无人值班”方式设计。

2  系统设计原则

龙开口水电站计算机监控系统选用了南京南瑞集团公司水利水电技术分公司提供的nc2000/sj-500监控系统。龙开口水电站监控系统按照全厂综合自动化以计算机监控为主、常规控制为辅的指导思想进行总体设计和系统配置，使计算机在水电站的应用达到一个新的水平。运行值班方式按“无人值班”(少人值守)的原则设计，并按照无人值班的原则预留接口和平台。监控方式采用以计算机监控系统为基础的全厂集中监控方案，设置统一的全厂计算机监控系统，不再设置独立的常规监控设备。电站监控系统以计算机控制为核心，采用全开放、分布式系统结构，按照容错设计，不会因任何一台机器发生故障而引起系统误操作或降低系统性能；采用成熟的、可靠的、标准化的硬件、软件、网络结构，且有长期的备品和技术服务支持；响应速度快，可靠性和可利用率高，可维护性好，先进、经济、灵活和便于扩充。总体而言，龙开口计算机监控系统技术性能设计达到国际先进的技术水平。

3  系统整体结构和配置

龙开口电站计算机监控系统设计采用开放分布式的模块化设计。系统逻辑设计为由电站控制层和现地控制单元控制层组成的双层管理，现地控制单元控制层具备基本的管理功能，可分别独立实现对电站对应对象的监控，同时作为电站控制层的基础层，承担为电站控制层提供控制执行机构的作用。电站控制层则在现地控制单元层基础上设计为完成全站的生产设备的高级智能化管理。两管理层之间通过高可靠性的双星型网络完成数据的交换。功能模块划分明确，监控管理层次清晰，并在各功能块的设计和设备选择上，注重冗余性、可靠性、实时性、可扩展性，满足电站监控在设计年限内对软件和硬件的需求。龙开口计算机监控系统结构如图1所示。

3 .1 上位机控制层

上位机控制层即上位机系统。系统主要用于综合自动化的组态、维护、水电站运行的监视、操作、信息管理、远动、网络通信和优化控制。其主要设备配置各种工作站(包含主机、历史站、操作员站、工程师站、通信机、语音机、信息管理工作站、web服务器等)、通信网络设备、远程登陆和访问设备、打印设备、ups、gps对时设备、电话语音报警、模拟返回屏、操作控制台等。

龙开口水电站监控系统从系统的安全性、可靠性出发考虑，历史站、主机、通信机均设计为双机冗余热备工作方式，任何一台计算机故障，不会影响系统的正常运行，在主用机发生故障时，备用机迅速接管其工作，可以不中断任务且无扰动地成为主用机运行，保证系统高可用性。同时服务器节点的状态即时反映出来，极大的方便了运行和维护人员的监视和处理。

(1)scada

agc/avc服务器：scada又叫实时数据库同时也是上位机监控系统中的主机，用作监控系统实时数据的采集和管理。如：开关量报警处理、模拟量越限检查、数据库数据的指定计算、实时数据传播到其他服务器和工作站等任务。scada agc/avc服务器应能维持一个完整的实时数据库，同时能够实现电站的agc/avc运行。

(2)历史工作站：历史站也叫历史数据服务器，包括2台历史数据服务器集群(lkkhis1、lkkhis2)和1台光纤磁盘阵列。历史数据服务器集群主要实现电站控制的信息管理、历史数据以及历史事件的显示、存储和归档。历史数据服务器管理整个监控系统的历史数据，提供监控系统的历史数据和曲线查询的服务。其配置包括2套sun

sparc enterprise t5240 server服务器(2个4核ultrasparc t2 plus 处理器，主频1.2ghz，sparc v9体系构架、内存32gb)、一套sun sparc storage tektm 6140 fc光纤磁盘阵列、并装有一套oracle10g数据库系统，其中2套历史服务器与1套磁盘阵列通过raid5卡及光缆连接。软件系统在cluster方式下运行，冗余磁盘阵列配置成raid0+1+5方式，监控系统的所有数据存放在磁盘阵列中，以保证系统具有较高的可靠性和数据的完整性。历史数据服务器采用sun solaris 10操作系统以及nc2000系列应用软件。

(3)操作员工作站：操作员工作站系指实现运行人员与电站监控系统人机接口的工作站，功能包括图形显示、定值设定及变更工作方式等。运行值班人员通过双屏彩色液晶显示器可以对电厂的生产、设备运行做实时监视，取得所需的各种信息。电厂所有的操作控制都可以通过鼠标及键盘实现。龙开口监控系统中共包括2套操作员站，操作员站硬件平台为：sun ultra27工作站，cpu主频3.0ghz的x86结构，64位，内存8gb；操作系统采用sun solaris 10 x86系统，监控软件采用nc2000系列应用软件。

(4)工程师/培训工作站：它们主要供电站维护和运行操作人员实现对系统进行修改系统参数、修改定值，增加和修改数据库、画面和报表的工作站以及运行人员的离线培训，与操作员工作站硬件配置完全相同。

(5)通信工作站：通信工作站包括了厂内通信工作站、调度通信工作站和集控通信工作站。全站设置1台厂内通讯机，实现水情测报系统、大坝安全系统、工业电视系统、机组状态监测系统后台、火灾报警系统、通风空调计算机监控系统等之间的数据通信，当与处于不同安全区之间的设备通信时，通信服务器应采用具有访问控制功能的设备，防火墙或相当功能的设施，实现逻辑隔离。

(6)gps卫星时钟同步系统(双机热备)、网络安全隔离装置均采用南瑞集团开发的专用产品：gps卫星时钟同步系统采用双主机(sz_du)接收，总输出采用sz-sw，与各个lcu中的对时模件通信采用sj-18，采用光纤传输。

(7)中心交换机配置了专用的德国hirschman mach4002系列工业以太网交换机，带三层路由功能，lcu现地交换机采用了ms20系列工业以太网交换机。

3.2 现地控制单元层

现地控制单元(lcu)主要完成对被监控设备的数据采集、顺序控制流程、逻辑控制流程以及与系统中其它装置的数据交换和状态采集。

现地控制层由一系列水电站综合自动化装置组成，包括机组现地控制单元、开关站及公用现地控制单元、微机保护测控单元、辅机控制单元等。龙开口现地控制单元包括了5套机组lcu(每套7个本体柜，1个远程io柜)、4套开关站lcu(2个本体柜)、1套公用lcu(2个本柜体，9个远程io柜)和1套坝区lcu(2个本体柜)。它们与上位机通过工业以太网交换机相连接，组成双星型网络，任何一个网络故障都不会影响到lcu的网络通信。由于龙开口水电站在电网中的重要性，所以该系统中的机组、开关站、公用、坝区等现地控制单元均采用schneider公司生产的高端plc，其中cpu采用schneider公司最高端unity 67160热备冗余cpu；cpu与i/o模件之间采用典型的modicon内部over bus总线方式连接；cpu与上位机通信采用双网通信模件；本体与远程i/o采用双通道rio(1.544m

bps)方式，通信介质为rg-6u和11u同轴电缆。对远程i/o机柜距离较远，考虑到这些远程i/o的重要性、安全性、抗干扰性和稳定性，它们与本体的通信采用光纤介质进行通信，配置了光纤中继器(490nrd95400)，cpu与触摸屏(施耐德xbtg7340)之间采用mb+(modbus plus 1m bps)网络通信。交采装置、调速器、励磁、保护、直流系统等与lcu通信采用串口通信，每套lcu配置了nari生产的sj-30b通信管理装置，统一管理这些通信对象，然后由它与cpu通过串口通信。

4  系统特点

4.1 可靠的冗余结构

采用分布式设计，能保证当现地控制单元与上位机控制层通信中断后，仍然能在lcu上实现对现地控制对象的监视和控制功能；当与上位机控制层通信恢复后，又能自动地恢复上位机控制层的控制和管理。硬件采用多层次的冗余措施，如数据服务器、操作员工作站、通信服务器、网络交换机、网络通道、ups、现地总线、机箱电源、机柜电源等，实现冗余配置，plc配置双cpu、双电源、i/o模块热插拔等功能，系统由软硬件实现冗余设备的检测与故障诊断，实现冗余部件的无扰动切换，确保系统中某一部件的故障不影响系统的正常运行。故障部件稍后可由维护人员及时处理。该系统功能极为丰富，可靠性极高。

4.2 稳定的plc系列模件

龙开口水电站现地控制单元plc所选用的cpu、io模件和通信等模件都是施耐德中高端产品，这些产品具备了如下功能和特点：

(1)龙开口电站监控系统plc的unity模件全部支持带电热插拔功能和模块故障自检功能，模块的故障能实时的通过监控软件反应在上位机画面中，极大地方便了电站运行、维护和检修人员。

(2)cpu采用字长32位、主频266mhz、2mram的67160，lcu中所有数据采集和处理以及上送均在一个扫描周期中完成，每个扫描周期都是毫秒级，实时性能极佳。

(3)每个现地控制单元lcu均配置了两套完全相同的plc主站，cpu间通过专用的mtrj热备光纤连接提供热备功能，主cpu和备cpu实时通信，对整个系统的运行状况进行监控，如果主cpu故障，备cpu会在一个扫描周期内代替主控制器起控制作用。同时，在每个扫描周期后主cpu都要对备cpu进行更新。同时，在plc软件中，加入了热备处理程序，使得热备状态在上位机系统中，可以实时观察它的状态，为故障的早期发现和早期处理，提供强有力的基础保障。

(4)lcu本体与远程io采用冗余的方式连接，即通过远程适配器模件和rg-6u/11u同轴电缆介质与主站远程处理器相连，均采用双电源累加冗余配置，当一个电源掉电时，不会影响到另一个通信，系统照常正常运行，同时故障模件和通信状态会在上位机中及时的显现和报警。

4.3 可靠的开出保护

开出模件作为监控系统控制的对外接口，它的正常工作，直接关系到控制的准确性。开出模件不仅要正确的动作，而且还需要不能误开出。如果开出模件的损坏或其它原因而产生误开出，造成被控对象误动作，从而严重影响到设备的正常运行。因此防止误开出，是一个必需考虑和解决的。

为此龙开口水电站在总结多年监控实际应用的基础上，结合水电厂实际情况，采用了由南瑞集团自行开发的开出重漏保护设备来堵截误开出。该设备由信号检测部分、逻辑比较判断部分和继电器输出闭锁部分组成。当开出模件有开出时，必需先投入开出使能继电器，使开出使能工作，否则任何开出都不会使开出继电器动作，也就不能控制被控对象，从而避免了误开出；投入开出使能后，开出继电器插箱相应的继电器动作，开出保护设备监测到有开出，进入开出重漏选判断回路，当有多点开出时，如果允许多点同时开出，开出继电器同时动作开出，如果不允许多点同时开出，则报警重选动作，同时开出保护装置闭锁所有的开出，从而开出继电器无法动作，避免了误输出的可能。同时，plc程序在没有流程执行时，运行人员可通过上位机实时监视开出重选、漏选报警信号，如果发生重选或漏选信号报警，那么表明开出回路工作不正常，应闭锁流程执行，同时运行人员应检查开出模件，从而杜绝了因监控模件故障和误动而引起的系统非正常故障或事故，保证了电站的安全、正常运行和生产，也为全厂事故和故障的检查指导提供了可靠的依据。

4.4 多种对外通信方式

龙开口水电站监控对象和设备多而复杂，有的被监控对象或设备自成一体，有自己的控制流程和监视规则，同它们的监控接口，不仅有硬接点，有的还有通信接口形式，为了不重复利用监控资源，尽可能多的监视设备的各个信号信息，同时也便于扩展和兼容。

龙开口监控系统lcu中提供了多种通信方式的接入，其一，配备了nari自行生产地通信管理装置sj-30b，专门用于管理lcu与被监控对象的串口通信，如调速器、励磁、直流系统、保护、交采装置等，这样不仅扩展了通信能力和兼容性，而且还分担了lcu中负载率。其二，各个lcu之间通信采用tcp/ip通信协议，各个lcu采集的数据可以互享使用，从而避免了信号重复二次接入，也减少了铺设电缆，节省了工作量，降低了故障源。其三，机组lcu与水机保护plc之间采用mb+通信方式，它们之间互相联系，又相互独立，水机保护plc的信息及时的送到机组lcu和上位机，可以更好的监视水机保护plc的动作和执行情况。上述三种通信方式接入，并没有限制通信对象的个数，同时通信规约都是标准的规约，所以具备良好的兼容和扩展性能。

5  结束语

龙开口水电站作为国内大型水电站，采用目前施耐德最先进的昆腾plc硬件系统以及南瑞先进的监控软件nc2000，保障了电站的安全、可靠、稳定。相信在后期的使用中龙开口水电站监控系统能够更好的展现出它的可靠性、兼容性、友善性，能够提升运行管理水平、降低生产维护成本、改善资源配置，从而提高电站的生产效率和竞争力。

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