（南瑞集团公司（国网电力科学研究院）江苏南京211000）
摘要：本文以国产MB80EiPLC智能控制器在大中型水电站计算机监控系统应用为对象，分厂站层系统和现地控制单元两部分对整个计算机监控系统进行阐述，重点从现地LCU、监控系统的设备冗余性、安全性和可靠性等方面进行优化设计，南瑞水电公司设计的新一代MB80EiPLC和计算机监控系统在雅砻江流域桐子林水电站上得到了成功应用，此为后续大中型电站计算机监控系统设计提供了借鉴作用。
关键词：MB80EiPLC；大中型水电站；计算机监控系统；设计应用
引言
随着可编程控制器（PLC）设备在水电站计算机监控系统的广泛应用，国内外水电站计算机监控大多使用进口PLC，国产PLC大多是用在小型水电站。随着计算机技术和自动控制技术的飞速发展，国产PLC的设计、加工制造、质量控制日趋完善并比较成熟。针对水电站控制的特殊性，国产MB80E智能PLC（iPLC）是在上一代MB80的基础上进行大幅的升级、改进，使得运行速度、逻辑运算、网络/串口通讯、流程处理、冗余配置、系统安全、抗电磁干扰性等功能有了显著的提升，为水电站的安全稳定运行提供了良好的保障。
桐子林水电站位于四川省攀枝花市盐边县境内，距上游二滩水电站18km，雅砻江下游最末一个梯级电站，其上游梯级有已建成的锦屏一级、锦屏二级、官地水电站、二滩水电站。电站装设4台水轮发电机组，总装机容量为600MW。
1.现地控制单元（LCU）结构功能设计
1.1总体设计思路
LCU是整个监控系统的数据采集、处理、执行控制流程的核心设备，设备的安全性和可靠性是一个重点考虑的环节。桐子林电站是按在网络一体化设计思路，大多数的数据采集都是采用通讯方式，且以网络通讯为主，少部分使用串口通讯，使得整个控制的的网络通讯数据量很大。
1）PLC采用内部采用CAN总线协议；
2）采用标准工业以太网，与监控系统计算机系统通讯；
3）通过使用专用的可编程串口通讯模件（模件与CPU之间使用CAN网通讯），与触摸屏、调速器、励磁系统进行通讯，模块支持多种通讯协议，例如标准Modbus，串口103以及自定义的通讯协议，通讯功能丰富，配置灵活；
4）LCU之间通过网络数据互取（包括与技术供水、顶盖排水、高压油顶起、油压装置等辅机系统），这有效解决了各LCU之间数据的共享，解决了各LCU之间复杂的电缆设计，也节省了因需要增加电缆的建设成本。
1.2冗余的硬件设计
对于LCU的关键性设备均采用冗余设备，采用双CPU，四网络（即：冗余的两块CPU分布在2个PLC机架上，配置4个网络），电源采用双交流，双直流配置，且每个PLC机架均配置冗余的电源插箱。有功和无功功率作为常用控制信息，采用一套变送器和一套多功能采集装置，两者互为冗余且变送器为主用。冗余设备的设计方式大大减少了电站的运行生产风险。
1.3独立温度保护功能
温度量测量及机组的温度保护一直是非常重要的一个环节。桐子林电站计算机监控系统中测温系统与常规的水电厂计算机监控系统相比又具有其特殊性，主要表现在温度量测量的数目大，每台机组温度点300点。测点多又必须保证温度测量精度、刷新速率、抗干扰性指标良好，这对测温系统的设计提出了更高的要求。电站测温LCU与机组本体LCU采用独立CPU和网络设计，并且也是按照机组的冗余特点进行配置，很好地解决了以上问题。
参与机组保护流程用的温度参数，进行了一系列的逻辑判断，例如相邻三点的任意二点温度过高，并增加相应的梯度越限报警，以防止测温元件或者线缆故障造成的温度突变而误动。在测温LCU内，通过自身的判断，当相应的条件都满足后，将启动流程信息放置在专用的数据区供机组本体LCU、水机保护LCU读取，启动保护流程。对于频繁跳变的某个温度测点采用退出保护功能，但不影响数据刷新，不影响运行监视，直到处理恢复正常后参与保护，防止因测值不准问题导致保护误动。
1.4独立水机保护LCU设计
为了防止在本体LCU的设备故障，当出现重大电气或者机械事故时，造成机组失控的情况，专门设计水机保护LCU，水机保护LCU配置CPU，开关量输入，开关量输出等模件，具备特殊情况下，通过设定的控制流程，将机组可靠的停机。
将重大的电气和机械事故信号同时输入至机组本体LCU和水机保护LCU，且本体LCU和水机保护LCU都同时从测温LCU内读取相应的保护动作信号。从而保证了机组本体LCU跟水机保护LCU在事故停机时逻辑独立性和一致性【1】。
1.5开出重漏选技术
根据监控系统控制输出过程：开出模件动作－开出继电器动作－现场设备动作，如果因为PLC开出模件的故障或者内部电路击穿而引起误输出的话将对现场设备造成误动，严重的情况下甚至会对运行设备造成损坏【2】。
根据电厂运行特点，在开关站LCU上配置了控制保护监视器，并搭配相应的开出继电器插箱，在硬件回路实现禁止在同一时刻同时开出两点或以上的被设置成受保护开出测点的功能。
2.监控系统结构设计
桐子林水电站监控系统采用分层分布式结构设计，由厂站层系统和现地控制单元系统组成，厂站层系统和现地控制单元各子系统主要采用双星型网络连接进行数据交互。
厂站层系统主要包含计算机服务器（工作站）、UPS系统和时钟同步系统组成。计算机服务器（工作站）是厂站层系统的核心设备，按功能分主要包括实时数据服务系统、历史数据服务系统、应用程序服务系统、集控通信系统、远动通信系统、操作员工作站、厂内通讯工作站和辅助功能工作站等。
现地控制单元系统主要由20套LCU子系统组成：4套机组LCU、4套EMC保护LCU、4套RTD测温LCU子系统、1套厂用及公用LCU子系统、1套开关站LCU子系统、1套进水口LCU子系统、1套大坝闸门LCU和泄洪闸段远程LCU子系统。
3.厂站层系统主要节点结构和功能设计
3.1实时数据服务器和历史服务器系统
实时数据服务器系统采用主从冗余模式设计，采用两套高性能的刀片服务器组成。实时数据服务器系统承担了厂站侧实时数据的采集、逻辑运算和组播功能，是厂站层监控系统的大脑。厂站层采用NARI公司应用软件NC2000V3.0，软件提供了实时数据库的访问接口，包括各种读/写接口。采用Client/Server模式和媒体流相结合的方式，协同事件驱动机制，实现了特大型厂站/集控中心监控系统实时性和可靠性的完美统一。目前流行的流媒体的方式发送数据库数据信息，从而极大的简化了数据库的读方式，减少了网络信文流量，提高了数据访问的实时性，使得系统内节点数目对数据库系统的影响减低到零。实时数据服务器系统同时实现完成厂站侧高级应用功能（EDC、AGC和AVC）。
历史数据服务器系统采用与实时服务器相同硬件配置和大容量双通道光纤磁盘阵列组成。历史数据服务器为厂站侧监控系统提供了数据存储、历史数据分析处理和查询等功能，系统友好的人机界面提供了一览表、模拟量曲线、报表和事故追忆功能等接口。大容量的磁盘阵列存储设备（存储容量450GB×8块）有效保障了桐子林电站全厂超过4万个测点长时间存储要求。
3.2集控直采服务器系统
3.2.1功能设计
集控直采服务器系统采用主从冗余模式设计，由两套高性能的机架式服务器组成。集控直采服务器系统独立于实时数据服务器系统，保证了厂站侧监控与集控中心监控的数据安全性，同时两套系统根据需要配置了网络接口程序，建立了特定的数据联系，如厂站侧监控系统能够采集到集控下发的电网数据和水情数据，集控侧能够获取厂站侧监控系统AGC/AVC等综合数据，从而保证了厂站侧和监控侧监控系统的数据完整性。电站电力生产数据采用全采全送的方式上送集控中心。
集控通信系统采用直采直送方式，一方面直接与现地控制单元子系统进行网络通信。另一方面与雅砻江集控中心网关机采用IEC60870-5-104通信，运行主用和备用双通道上，上送厂站全厂数据，并接受集控控制命令。同时采用了卫星应急通道，运行IEC60870-5-101，考虑到通信容量问题，主要上送主要生产数据。
3.2.2控制权设置
为了实现全厂和各个LCU灵活的控制调节方式，在电站监控系统中设置“全厂控制权”和单个LCU操作权切换按钮（相应设置闭锁条件），电站和集控中心使用统一测点进行显示。
“全厂控制权”在电站时，不允许将单个LCU的控制权切至集控中心。
“全厂控制权”在集控中心时，可将该电站属集控中心操作范围内设€备的所有LCU控制权同时全部切至集控中心。只有“全厂控制权”切换到集控中心，集控中心才能对电站设备进行操作。
集控中心操作范围内设备在不可控（检修或由电站进行试验等情况）状态时，不允许将该LCU的控制权切至集控中心。
“全厂控制权”在集控中心时，单个LCU控制权按钮可将指定LCU的控制权在电站和集控中心之间切换，并不受“全厂控制权”状态的限制。
3.3调度通信系统
调度通信系统采用主从冗余模式设计，由两套高性能的工作站组成，实现与四川省调及备调的数字通信，同时预留足够的通讯端口，满足了同时超过多条链路的通信能力。
3.4操作员工作站
操作员站由3套工作站组成，由运行人员完成全厂设备的监视和控制功能。操作员站各配置了2台高分辨率的宽屏显示器，其中1套操作员站经过网络纵向隔离安全延伸布置到到集控中心，与集控中心远控设备在功能上实现冗余，有效保证了电站设备安全稳定运行。
3.5时钟系统设计
电站采用GPS和北斗双时钟对时装置，解决了以往大多电站时钟系统只接收GPS时钟的单一性问题。根据电站二次设备不同接口情况，配置多种对时输出接口，保证了全厂二次设备时间的一致性。厂站层系统通过SNTP网络协议获取时钟，同时提供IRIG-B、分/秒脉冲信号等多种对时信号。
结语
桐子林电站采用MB80EiPLC智能控制器，为电站的稳定可靠运行提供了有力的技术保障，电站已实现了“无人值班（少人值守）”运行方式。随着未来自动控制技术、网络技术的不断发展，水电站自动化设备硬件的稳定性不断提高，新一代MB80EiPLC和计算机监控系统技术在大中型水电站中的成功设计应用，为实现真正的无人值班的运行模式打下了坚实的技术基础。
参考文献：
[1]周庆忠，王善永，何云，刘国敏.MB系列智能可编程逻辑控制器技术特点及应用[J].《水电自动化与大坝监测》，2008，32（1）：30-33.
[2]杨小松，孟利平，高永.MB80控制器在彭水电站计算机监控系统中的应用[J].中国水力发电工程学会信息化专委会学术交流会，2008.
[3]童颙，冯丽.新MB80PLC在电站监控系统中的应用[J].全国水电厂自动化技术信息网全网大会暨全国水电厂自动化技术学术交流研讨会，2011.