云南省大理州南涧县小湾电厂 云南省 675702
摘要：文章主要介绍了小湾电厂的机组辅助系统、公用系统、泄洪系统等自动控制设备实现一个平台控制、统一组网，以分层分布的设计原则、开放式的系统结构完成控制系统的一个平台搭建。
关键词：系统网络结构、无人值班（少人值守）、平台
1概述
小湾水电站位于云南省南涧县与凤庆县交界的澜沧江中游河段上，是澜沧江中下游河段规划八个梯级中的第二级，也是澜沧江中下游梯级电站的“龙头水库”。
电站总装机容量为6×700MW，电站主接线为500kV电压等级3串4/3接线，接入电力系统出线电压等级为500kV，出线3回。在系统中担负基电站及调频、调峰和事故备用任务。电站按“无人值班”（少人值守）设计原则配置自动控制设备。
2自动控制设备现状
小湾电厂自动控制设备主要是机组辅助系统、公用系统、泄洪系统等。小湾电厂的各控制设备是通过多个厂家竞标方式来采购及安装的，因此，自动控制设备会存在不同的设备厂家制造、安装，则各控制系统元器件及控制逻辑也存在着千差万别。
小湾电厂自动控制设备种类繁多且安装地点分布零散距离远。目前，小湾电厂自动控制系统控制器PLC的型号涉及到西门子、施耐德、三菱等品牌的各个型号达35种之多， 控制器PLC操作软件涉及到STEP7、TwidoSuite、Concept、PL7等平台的多个版本有16种，控制器编程电缆有16种，调试电脑5台，总之种类繁多，且PLC型号、软件及其版本、编程电缆及调试电脑单一性，几乎不能相互通用。自动控设备安装地点遍布在小湾电厂地下厂房各层、泄洪区域等各个地方。
小湾电厂目前自动控制系统的特点是：
1）自动控制设备种类繁多，电厂需储备各类控制器PLC、其软件及编程电缆备品备件，其数量庞大，经济效益差。
2）设备维护耗费大量的人力物力，自动控制设备种类繁多且设备分布零散距离远，需配备一定数量有经验的专业人员，且工作效率低。
3）设备故障时，维护处理不及时，严重影响设备运行，甚至影响主机设备及水工建筑安全稳定，风险系数高。
4）自动控制设备输出的开关量和模拟量数量有限且接线方式单一，对控制系统分析时，参考量有限，不利于设备的运行、故障分析。
5）所有自动控制设备信号是通过监控系统转接，这会导致监控系统数据库及硬件配置复杂庞大，也会影响监控系统运行速率，甚至成为监控系统的累赘。
较高的自动化水平、设备可靠性和较少的设备维护工作量是实现水电站无人值班（少人值守）的必要条件之一。小湾电厂实现无人值班（少人值守）需要满足其必要条件还面临不小的压力。
3控制系统一个平台搭建
小湾电厂自投产以来自动控制设备可靠性下降，设备缺陷率逐步增加，维护工作量大大增加，备品备件使用量增加，经济效益下降。为实现小湾电站无人值班（少人值守），提高自动化水平和设备运行可靠性，降低维护工作量，亟需改变目前自动控制设备运行的状态。
设计原则
1）本着系统安全可靠性、经济实用性、实时性，适应现场环境能力的原则进行总体设计。
2）“无人值班（少人值守）”、“ 分层管理、集中控制”原则进行设计和配置。
3）符合开发系统要求，控制系统的软硬件均采用模块化、结构化设计，便于功能的扩充和升级；采用成熟、可靠的，标准化的软硬件及网络结构。
4）分层分布的系统结构，广泛采用分布处理技术和冗余技术。
5）广泛使用光纤技术、短距离采用双绞线网络技术和远距离采用无线加密等先进抗干扰电信传输技术应用。
6）完善的应用功能：多界面、多操作权限、多任务等高级应用。
系统结构
小湾电站区域有地下厂房和地面中控楼以及坝区泄洪区域，所有的机组自动控制设备及公用系统控制设备布置在地下厂房及其各层，而泄洪系统的自动控制设备布置在坝区各闸门操作室，地面中控楼是所有设备的控制中心。根据小湾电厂的实际情况，小湾电厂控制系统的结构特点是分层分布、集中控制，采用三个层次、两个接口、一级控制。
1）三个层次：现地自动化原件层（PLC控制层）、现地层（LCU控制层）和厂站层（地下、地面控制室内厂站级设备）。
2）两个接口：现地控制单元与总线通讯接口，控制级安全隔离信息交换接口
3）一级控制：中控楼集中控制。
小湾电厂控制系统的网络结构采用双星型以太网结构，在地下简易中控室和地面中控室均设置工业以太网交换机，两个控制室内5台工业以太网交换机采用千兆双光纤环网连接。控制网络传输速率为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。现地层采用双总线型冗余结构，设置一定数量的小交换机，每台提供多个光口，多个电口，为现地自动控制设备提供与现地层（LCU控制层）设备网络互联。
4控制系统平台
小湾电厂控制系统平台的现场自动化元件层是自动控制设备PLC控制，控制系统平台中的所有控制设备均采用一个主流品牌的PLC（西门子或施耐德）的一个系列PLC，均配置以太网通讯模块，PLC均采用TCP/IP的通讯协议进行通讯，统一给每一个PLC分配一个且唯一的通讯地址，访问PLC控制系统时，只需对相应地址通讯便能实现对其PLC控制系统的访问；所有自动控制设备PLC控制或操作平台为统一的PLC操作软件。在现场自动化层面实现PLC的备品备件的统一、实现PLC控制平台（软件）和数据线（以太网双绞线）的统一以及调试电脑的通用性，达到自动控制设备的单一化、简单化及通用性。
在现地LCU控制层，监控系统现地控制单元LCU采用通讯的方式从交换机读取必要的现地自动控制设备信息，已满足监控现地控制单元LCU运行、监视需要。
与监控系统现地控制单元LCU采用通讯方式的特点：
1）小湾水电站机组容量大、设备控制复杂，顺控流程和采集处理相对繁琐，同时监视和控制的设备太多， 且机组LCU PLC利用率很高，如果所有现地自动控制系统所有信息上送现地机组LCU，这样导致机组LCU PLC的CPU繁忙的情况下可能出现负载率很高的情况，负载率很搞会导致CPU扫描速度的降低（无法满足数据实时性能的要求），甚至死机。
2）采用过多的硬接线方式，且各系统电压等级不相同，若监控系统和PLC控制系统硬接线存在绝缘异常，极易发生两个系统或多个系统串电现象，会造成信号异常，会导致监控系统现地控制单元LCU相应的控制模件损坏，甚至机组失控。
3）以通讯传输的方式，传输的信息量大、可靠、准确，使用通讯方式具有开放性优势，根据需要以不同通讯协议读取不同数据，还能分时段、分工况读取不同的数据，这是硬接线方式所不能实现的。通讯方式传输数据，不会存在因端子或节点松动而出现信号抖动、信号消失等异常现象。
在全面实现与LCU通讯的同时仍保留部分硬接线方式，其目的是：机组LCU能执行顺控流程实现机组的自动控制，并满足监控上位机或下位机对自动控制设备的启停进行相应的操作。公用系统和泄洪系统只需满足监控上位机对其设备启停进行相应的操作。
小湾电厂监控系统上位机后台在控制系统控制级以通讯的方式读取各控制设备的相关数据，运行值守人员或集控调度人员可以通过上位机了解各控制系统的运行情况。
控制系统平台配置了一套历史数据库服务器，历史数据库实时记录各个控制系统的信息，为运行分析、故障分析及处理、运行监视等提供一段时期的数据支持。
为提高控制系统平台的应用性，自动控制系统平台配置了培训工作站，培训工作站只能读取各现地控制系统运行状态，能访问历史数据库，培训工作站安装了仿真虚拟机，为员工提供编程、仿真、运行监视、缺陷模拟及处理等全方位的培训。
控制系统平台的设置了工程师站，也是该平台的控制中心。工程师站实现了多任务、多权限、多界面的操作。
1）权限1：监视各控制设备的开关量输出（主要是报警信号等），模拟量显示，能查询控制设备历史数据，采用图表格的形式，便于控制设备状态分析。
2）权限2：控制设备程序内部逻辑的监视，PLC开关量开入和开出，模拟量的模入及输出。
3）权限3：也是最高权限，程序内部逻辑修改、程序调试、程序诊断，控制设备维护（PLC的热启和冷起），定期工作的实施（设备定期轮换、试验），设备的远程操作。故障时，对故障程序段进行截屏保存，有利于故障分析。
另外控制系统平台设置了一套站内通讯服务器，在线动态分析平台、web服务器能在有效的安全防护措施下访问站内服务器，读取自动控制设备相关数据，利用控制系统平台以外的其它系统进行监视、数据分析或预警功能（oncall短信提醒等），在其与服务器间设置了横向隔离装置和防火墙的电力二次系统安全防护措施，有效的防范黑客及恶意代码对自动控制系统的攻击侵害。
现场自动化元气层各控制柜内实现集成板卡、模块化，有效解决控制系统柜内布局紧凑、美观，极大的提高了控制系统的可靠性，大大降低了因回路电缆绝缘降低、短路或开路，电缆过热、布局混乱、元器件不可靠而导致设备高缺陷率。并能实现控制系统内部自诊断功能，及时发现其故障情况并告警，大大降低了维护工作量。
5结论
小湾电厂机组容量大、设备多而分别广，在“无人值班（少人值守）”的运行方式下，小湾电厂自动控制设备以一个平台控制、统一组网搭建控制系统同一平台，整个控制系统技术先进、结构合理、功能完善。大大提高了小湾电厂自动控制设备的可靠性、有效的降低了设备维护工作量，也为小湾电厂带来巨大的经济效益。
参考文献
[1]小湾水电站计算机监控系统结构及特点，曹一凡、陈映喜，小湾水电第3期
作者简介
张鹤鸣，1983.09，男，四川南充人，工程师，工学学士，从事水电站设备运行维护工作。
论文作者:张鹤鸣
论文发表刊物:《电力设备》2017年第6期
论文发表时间:2017/6/14
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