摘要：本优化方案以计算机监控系统为基础，延续计算机系统结构分层概念，加强深化分布设计理念，充分利用现地控制单元（PLC）的强大功能，实现分散布置、集中控制。与传统的电站控制系统设计思路不同的是优化方案主要核心理念在于将计算机监控系统直接深入布置到各控制对象子系统中，深化监控系统分布的概念。
关键词：PLC；智能化、远程I/O、电气设计
1.优化总体理念
传统水电站计算机监控系统主要分为站控层和现地层，优化设计方案维持传统计算机监控系统站控层系统结构，重点对现地控制单元也就是现地层进行优化。现地控制层也是二次专业施工设计的主要组成部分，对此进行优化设计能够延伸影响到电站所有被控系统，达到系统结构的规整、简化、智能。
可编程控制器（PLC）为计算机监控系统现地控制单元的核心组成部分，其主要组成部分为CPU模件、电源模件、通讯模件、输入采集模块及输出控制模块等，各模件安装在同一机架通过通讯方式实现数据采集及处理。
为了能够控制与监视距离较远、较为集中的被控对象，可采用远传I/O方式进行现地采集及控制，简单说就是将原布置在LCU柜内I/O模件就近布置在被控对象侧，并通过光纤（或网线）接入到PLC。
2 优化方案具体实施
2.1发变组LCU控制单元
发变组控制单元是计算机监控系统的核心控制单元，涉及较大信息量的传输及较为复杂的控制逻辑，被控对象较为分散，但主要集中在三个区域：机旁控制设备区域、母线层或水轮机层机墩周围、主变区域。
机组LCU控制单元可按上述三个区域布置三个区域的控制设备，由于机组LCU主设备布置在机旁控制设备区域，可直接控制该区域设备，故可考虑在母线层及主变区域分别设置一套机组远传I/O设备。
2.1.1母线层远传I/O设备的设置
控制箱或端子箱均壁挂在风罩外壁，常规设计的控制箱或端子箱与监控系统的连接均采用硬接线方式实现信号的上送及控制令的下达，该部分接线设计较为繁琐且数量较多，故采用远传I/O设备意义较大，具体实施如下：
1)主机厂通常设计的端子箱或控制箱改为3~4面标准柜，柜间开孔用于柜间电缆连接；
2)3~4面标准柜内预留至少半面柜的空间用于安装由监控厂家所供的远程I/O设备，并提供柜内电源；
3)I/O设备配置电源模块、通信模块、SOE、DI、DO、AI、RTD模块，各模块点位数量需考虑除机组部分以外，还需考虑包含母线层以下的所有机组相关设备的控制及信号采集，如蝶阀控制及蝶阀层水力测量信号采集；
4)机组厂家需完成所有柜内配线，包括常规设计中预留上送监控的信号以及远方控制的接口配线。
2.1.2 主变辅助控制远传I/O设备的设置
通常主变辅助控制信号均通过硬接线方式上送至发变组LCU控制单元，在主变布置位置较远时可考虑设置一套远传I/O设备就近布置在主变辅助控制设备附近，用于采集主变相关信号。
2.2公用LCU控制单元
2.2.1公用LCU控制单元常规设计原则为：
常规设计理念是以公用LCU为核心，各子系统的自动运行控制分别由各自的PLC实现，并通过硬接线方式将各子系统信号送入公用LCU。由此可见，公用LCU的PLC的利用率并不高，而计算机监控系统的各主PLC均采用档次较高的主流PLC品牌型号。因此，采用远传I/O方式实现各系统的自动运行不仅大大提高了主PLC的利用率，而且使得结构较为简单工整。
当公用系统较为庞大时，也可设置两套公用LCU设备，一套定义为厂用电系统LCU（含控制电源系统），一套定义为公用辅机控制系统LCU。
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2.2.2厂用电系统
在厂用电系统盘柜内设置一套远传I/O设备（由监控厂家提供，一般可布置在母联柜内），当厂用电系统电压等级分级较多，结构较为复杂时可设置多个远传I/O设备，主要用于：
1)采集厂用电系统母线电压、进线电流、进线及母联开关位置信号等；
2)备用电源投入及恢复功能由主PLC逻辑实现，不另设备自投装置；
3)由厂用电厂家完成与I/O设备的系统内部柜内配线，设计院在施工设计阶段无需再进行厂用电系统的详细设计。
2.2.3辅机控制系统
公用辅助控制系统主要包含空压机系统、检修渗漏排水系统、消防给排水系统等，分别采用远传I/O设备取代常规设计的PLC，其他设计方式不变，原则如下：
1)现地可实现手动控制，重要报警量可采用光字牌报警；
2)取消常规设计的现地PLC，采用I/O设备进行信号采集及控制令输出；
3)控制逻辑集中设计在主PLC内，取消子控制单元与主PLC之间的硬接线连接。
2.2.4通风控制系统
通风控制系统相对较为独立，可采用常规设计方式，由独立的PLC集中控制风机系统，但由于通风系统相对于其他控制系统而言重要性并不高且无需远控，故可采用与主PLC通信方式上传信息，原则如下：
1)通风系统采用独立PLC整体控制通风系统，并采用通信方式与公用主PLC上传信息；
2)通风系统PLC下设小型I/O模件布置于各风机控制箱，实现现地控制各风机并采集风机运行状态信息等，各风机控制逻辑由风机系统PLC实现；
3)招标设计阶段明确各风机控制要求，以及实现各风机自动控制所需自动化原件的连接，设计院在施工设计阶段不再进行该部分的详细设计。
2.3开关站LCU控制单元
常规设计方式将现地汇控柜信息通过硬接线方式接入到主PLC，由于开关站尤其接线形式复杂的开关站布置较为分散，二次配线较为复杂且电缆敷设难度较大，采用远传I/O设备可很大程度上简化该部分工作，主要原则如下：
1)按开关站间隔汇控柜数量配置相应的I/O设备，用于采集相应间隔设备的信息及实现远程控制；
2)远方操作闭锁逻辑由主PLC实现，电气闭锁回路逻辑在汇控柜内完成。
2.4继电保护系统
继电保护装置单独组网是很有必要的，但由于继电保护系统与计算机监控系统的联系非常多且重要，如何合理的将继电保护系统与计算机监控系统之间的联系在一起是至关重要的。
在此有必要先简单描述一下常规各类型继电保护的归属，大致如下：
1)发电机保护及主变保护一般归于机组控制单元，主要与发变组LCU进行信息交换；
2)厂用电保护一般归属于公用控制单元，主要与公用LCU进行信息交换；
3)母线保护、短引线保护、高压断路器保护及线路保护归属于开关站控制单元，主要与开关站LCU进行信息交换。
上述与计算机监控系统控制单元的信息交换主要采用以硬接线方式为主，通信方式为辅。将继电保护系统设备组网后，可采用通信方式为准，硬接线方式只用于重要信息的上送。所谓重要信息可以定义为计算机监控系统用于逻辑判据的重要信息或重要的报警信息。组网及信息交换基本原则如下：
1)所有保护装置独立组网，设置保护信息子站服务器；
2)保护信息子站服务器与监控系统通信服务器通信；
3)各保护装置根据其归属划分，与相应的计算机监控系统控制单元串口通信；
4)各保护装置的重要信息，例如跳闸或停机总出口、保护装置故障等。
3总结
本方案基于计算机监控系统将水电站电气二次专业的监控、保护以及辅控三大系统通过合理的网络结构整体融合在一起。方案中所用关键技术均属于成熟技术，在实际工程中也部分使用过，但未能整体设计运用到工程中。从技术可行性的角度出发，方案中所描述的优化设计是完全可以全盘运行到工程实际中的。不难看出，通过本方案的系统结构设计及规划，使得：
1)计算机监控系统、继电保护系统、公用辅助控制系统结构较为规整且合理；
2)提高了智能控制设备的利用率，一定程度上降低了电气二次专业的设备造价；
3)很大程度上减少了现场施工阶段及调试阶段的工作量，减少了二次电缆的繁琐的现场敷设及现场配线工作，降低了施工成本；
4)大大减少了电气二次专业施工设计阶段的设计工作量，转移了设计工作重心，提高了设计工作的含金量。
论文作者:何苗1,万小娜2,路秀丽3
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
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