CN107491018A - 一种水电机组lcu控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种水电机组LCU控制系统及控制方法，包括水电机组LCU，所述水电机组LCU包括两套双机热备CPU模件：A套热备CPU模件、B套热备CPU模件。A套热备CPU模件包括第一电源单元、第一CPU单元、以太网模块A、以太网模块B；B套热备CPU模件包括第二电源单元、第二CPU单元、以太网模块A’、以太网模块B’。所述以太网模块A、以太网模块A’ 分别与A套光交换机连接；所述光交换机分别与各子系统的光电转换器连接，各子系统的光电转换器与相对应子系统的网通讯模块进行连接。本发明避免了继电器、端子排等硬件触点接触不牢靠的缺点，具有较高的通用性和灵活性，有效提高了水电站综合自动化运行的可靠性和水平能力。

Description

一种水电机组LCU控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种涉及水轮发电机组LCU监控系统领域，具体是一种水电机组LCU控制系统及控制方法。

背景技术

对于目前大多水电站而言，水电机组监控LCU与现地水轮机调速系统、发电机励磁系统、发变组继电保护系统、水轮机调速器液压系统、圆筒阀同步电气控制系统、圆筒阀液压控制系统、发电机组辅助设备控制系统、水轮机辅助设备控制系统、在线监测系统、机组自用电系统等子系统依然普遍采用硬接线回路实现下发控制信号和上送设备状态监视信号，各子系统虽然采用PLC和触摸屏来实现自动化，通过通讯方式上送部分数据至机组LCU，但这种方式存在如下缺点：

1：机组LCU现地盘柜众多，使用大量开入模块、开出模块、模入模块、模出模块、中断量模块来采集各子系统相关信号等，投资成本巨大；

2：各个子系统之间界限不明确，容易窜电，导致损坏设备；

3：机组LCU与各子系统电缆敷设量大，任务繁重，造价高；

4：盘柜内接线复杂，设备的故障点多，维护工作量大，不利于设备可靠性提高；

5：设备投产后如需改造增加信号需要改动的工作量大；

6：不利于智能水电站建设，难以满足“无人值班，少人值守”的原则和需求。

传统的控制方式如上诸多缺点，一方面对水电机组自身安全稳定可靠运行带来较大隐患，同时对电网稳定运行和电能质量的不利影响较为巨大；另一方面不利于水电站自身经济性和可靠性，影响水电机组的效率与效益。

发明内容

为了克服现有水电机组LCU对各子系统控制大多采用硬接线方式的不足，提升设备的可靠性和稳定性，提升自动化水平及准确性。本发明提供一种水电机组LCU控制系统及控制方法，本发明控制方法以太网双网交叉冗余设计，取代传统的硬接线回路的连接，具有经济可靠，技术先进，故障点少，接线简单等优点。本发明避免了继电器、端子排等硬件触点接触不牢靠的缺点，具有较高的通用性和灵活性，有效提高了水电站综合自动化运行的可靠性和水平能力。

本发明采取的技术方案为：

一种水电机组LCU控制系统，包括水电机组LCU，所述水电机组LCU包括两套双机热备CPU模件：A套热备CPU模件、B套热备CPU模件。A套热备CPU模件包括第一电源单元、第一CPU单元、以太网模块A、以太网模块B； B套热备CPU模件包括第二电源单元、第二CPU单元、以太网模块A’、以太网模块B’。

所述以太网模块A、以太网模块A’分别与A套光交换机连接；所述A套光交换机分别与各子系统的光电转换器连接，各子系统的光电转换器与相对应子系统的A网通讯模块进行连接。所述以太网模块B、以太网模块B’分别与B套光交换机连接；所述B套光交换机分别与各子系统的光电转换器连接，各子系统的光电转换器与相对应子系统的B网通讯模块进行连接；

所述子系统包括：水轮机调速系统、发电机励磁系统、发变组继电保护系统、水轮机调速器液压系统、圆筒阀同步电气控制系统、圆筒阀液压控制系统、发电机组辅助设备控制系统、水轮机辅助设备控制系统、在线监测系统、机组自用电系统、兼容设备。

所述A套光交换机与光电转换器连接，光电转换器与A套网桥连接，A套网桥与兼容设备A网通讯模块连接。B套光交换机与光电转换器连接，光电转换器与B套网桥连接，B套网桥与兼容设备B网通讯模块连接。

所述A套热备CPU模件中第一CPU单元与B套热备CPU模件中第二CPU单元通过光纤连接，用于实现双机热备冗余的通讯模式要求；A套热备CPU模件与B套热备CPU模件分别交叉接入计算机上位机，用于实现双冗余控制网的要求。

一种水电机组LCU控制方法，水电机组LCU通过以太网通讯方式下发指令对各子系统进行控制操作，并通过以太网通讯方式传送信号对各子系统进行运行状态监视，实现对各子系统远程监视以及控制。

一种水电机组LCU控制方法，水电机组LCU通过A套热备CPU模件、B套热备CPU模件实现双机热备冗余，A套热备CPU模件、B套热备CPU模件分别以光纤介质连接A套光交换机、B套光交换机，将控制信号、监视运行状态信号以通讯方式进行数据传输，A套光交换机、B套光交换机分别通过光缆连接至相应子系统或兼容设备的光电转换器，光电转换器通过网线与相应系统的A网通讯模块、B网通讯模块连接，其中兼容设备通过网桥桥接后采用ModbusRTU、Profibus等协议进行通信实现数据传输，所述数据传输包括各种开关量和模拟量信号。

一种水电机组LCU控制方法，水电机组LCU通过以通讯方式对各子系统或兼容设备进行控制操作和监视，从网络结构来讲符合分层分布式系统结构框架的要求，采用星形网络结构，通讯方式采用冗余设计，机组LCU与各子系统的IP地址具有统一设计和规划的原则，有效提高了设备的可靠性，并减少现场配线。

本发明一种水电机组LCU控制系统及控制方法，解决了现有水电机组LCU对各子系统控制大多采用硬接线方式不足存在的诸多问题，提升设备的可靠性和稳定性，提升自动化水平及可靠性。

本发明一种水电机组LCU控制系统及控制方法，是一种以太网双网交叉冗余设计的控制方法，取代传统的硬接线回路的连接，具有经济可靠，技术先进，故障点少，接线简单等优点，具有较高的通用性和灵活性，有效提高了水电站综合自动化运行的可靠性和水平能力，提高了水电站自身经济性和安全性，保障电网的安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明的控制框图，其中：

1- A套热备CPU模件，11-第一电源单元，12-第一CPU单元，13-以太网模块A，14-以太网模块B。

2- B套热备CPU模件，21-第二电源单元，22-第二CPU单元，23-以太网模块A’，24-以太网模块B’。

3-A套光交换机，301~310分别表示各个子系统对应的A网通讯模块。

4- B套光交换机，401~410分别表示各个子系统对应的B网通讯模块。

具体实施方式

如图1所示，一种水电机组LCU控制系统，包括水电机组LCU，所述水电机组LCU包括两套双机热备CPU模件：A套热备CPU模件1、B套热备CPU模件2。

A套热备CPU模件1包括第一电源单元11、第一CPU单元12、以太网模块A、以太网模块B。

B套热备CPU模件2包括第二电源单元21、第二CPU单元22、以太网模块A’、以太网模块B’。

所述以太网模块A、以太网模块A’分别与A套光交换机3连接；所述A套光交换机3分别与各子系统的光电转换器连接，各子系统的光电转换器3与相对应子系统的A网通讯模块进行连接。

所述以太网模块B、以太网模块B’分别与B套光交换机4连接；所述B套光交换机4分别与各子系统的光电转换器连接，各子系统的光电转换器与相对应子系统的B网通讯模块进行连接。

所述子系统包括：水轮机调速系统、发电机励磁系统、发变组继电保护系统、水轮机调速器液压系统、圆筒阀同步电气控制系统、圆筒阀液压控制系统、发电机组辅助设备控制系统、水轮机辅助设备控制系统、在线监测系统、机组自用电系统、兼容设备。

部分特殊系统或兼容设备不支持以太网通讯模式，通过网桥转换，采用ModbusRTU、Profibus等协议实现冗余通信网络设计，其方法为：所述A套光交换机3与光电转换器连接，光电转换器与A套网桥5连接，A套网桥5与兼容设备A网通讯模块501连接。

B套光交换机4与光电转换器连接，光电转换器与B套网桥6连接，B套网桥6与兼容设备B网通讯模块601连接，提高设备的兼容性。

所述A套热备CPU模件1中第一CPU单元12与B套热备CPU模件2中第二CPU单元22通过光纤连接，用于实现双机热备冗余的通讯模式要求。A套热备CPU模件1与B套热备CPU模件2分别交叉接入计算机上位机，用于实现双冗余控制网的要求。

一种水电机组LCU控制方法，水电机组LCU通过以太网通讯方式下发指令对各子系统进行控制操作，并通过以太网通讯方式传送信号对各子系统进行运行状态监视，实现对各子系统远程监视以及控制。

一种水电机组LCU控制方法，水电机组LCU通过A套热备CPU模件1、B套热备CPU模件2实现双机热备冗余，A套热备CPU模件1、B套热备CPU模件2分别以光纤介质连接A套光交换机3、B套光交换机4，将控制信号、监视运行状态信号以通讯方式进行数据传输，A套光交换机3、B套光交换机4分别通过光缆连接至相应子系统或兼容设备的光电转换器，光电转换器通过网线与相应系统的A网通讯模块、B网通讯模块连接，其中兼容设备通过网桥桥接后采用Modbus RTU、Profibus等协议进行通信实现数据传输，所述数据传输包括各种开关量和模拟量信号。

一种水电机组LCU控制方法，水电机组LCU通过以通讯方式对各子系统或兼容设备进行控制操作和监视，从网络结构来讲符合分层分布式系统结构框架的要求，采用星形网络结构，通讯方式采用冗余设计，机组LCU与各子系统的IP地址具有统一设计和规划的原则，有效提高了设备的可靠性，并减少现场配线。

各个部件参数选用如下：

A套热备CPU模件：Schneider Quantum PLC。

第一电源单元：140CPS22400：24V；8A；可累加。

第一CPU单元：140CPU67261，586/266M,4M用户逻辑，可扩展8MB, 1MB+。

以太网模块A：140NOE77111,100M FX以太网模块。

以太网模块B：140NOE77111,100M FX以太网模块。

B套热备CPU模件：Schneider Quantum PLC。

第二电源单元：140CPS22400：24V；8A；可累加。

第二CPU单元：140CPU67261，586/266M,4M用户逻辑，可扩展8MB, 1MB+。

以太网模块A’ ：140NOE77111,100M FX以太网模块。

以太网模块B’ ：140NOE77111,100M FX以太网模块。

A套光交换机：WS-C3560V2-48TS-S V07，Catalyst 3560 48 10\100\1000T + 4SFP + IPB Image

A网通讯模块：对应各子系统的PLC提供的通讯模块。

B套光交换机：WS-C3560V2-48TS-S V07，Catalyst 3560 48 10\100\1000T + 4SFP + IPB Image

B网通讯模块：对应各子系统的PLC提供的通讯模块。

水轮机调速系统：主要指调速器电气部分，调速器电气部分采用双套奥地利B&R公司32位可编程计算机控制器（PCC）组成不同控制结构的独立的双通道控制系统，布置于调速器电气柜内。可实现双通道自动控制+电手动控制的交叉冗余控制，同时调速器具有纯机械手动操作功能。两套PCC具有相同的配置结构：1个电源模块、1个CPU、2个开入模块、1个开出模块、1个高速计数模块、4个模拟量综合模块（4入4出共8通道）、2个以太网通讯模块。

发电机励磁系统：主要设备包括励磁变压器、励磁调节器、功率柜、灭磁及过电压保护装置、起励装置、励磁系统控制、检测、保护、测量设备等。两套相互冗余的励磁调节器采集发电机机端电压、机端电流信号，结合其他开关量、模拟量信号，经过调节器内部一系列计算处理，通过控制晶闸管全控桥的控制角，调节励磁电流输出。两套相互冗余的励磁调节器均配置2个以太网通讯模块。

发变组继电保护系统：主要包括发电机保护A、B套、变压器保护A、B套和非电量保护等，发电机保护A、B套各自配有全套发电机和励磁变主、后备保护，且电源、CT回路和保护出口回路各自独立。其中A套发电机定子一点接地和转子一点接地保护均采用注入式原理；B套发电机定子一点接地保护为基波加三次谐波原理，转子一点接地保护为乒乓式原理。变压器保护A、B套各自配有全套主变和高压厂变主、后备保护，且电源、CT回路和保护出口回路各自独立。非电量保护完成主变、励磁变和高压厂变所有非电量保护的跳闸、发信号功能，并实现动作信息上送。发电机保护A、B套、变压器保护A、B套和非电量保护各系统均配置2个以太网通讯模块。

水轮机调速器液压系统：采用施耐德公司昆腾系列可编程控制器，双CPU实现控制热备用的功能，实现对整个调速器液压系统压力、液位、温度、补气、油过滤等的控制。PLC还有3个DI模块、2个DO模块、1个AI模块、1个AO模块、2个以太网通讯模块和7个隔离变送器。

圆筒阀同步电气控制系统：采用数字缸圆筒阀电液同步控制电气系统对圆筒阀进行控制；数字缸内集成有高精度数字液压伺服阀、高精度步进电机(也称数字电机)、特殊高精度内置式机械位置传感器、液控单向阀、单向阀、接力器位移变送器等。数字缸圆筒阀同步控制系统由计算机自动完成调节，完全不需要人为调节。同步控制电气系统PLC均采用施耐德Premium系列PLC，包括1个电源模块、1个CPU模块、2个以太网通讯模块、2个DI模块、1个DO模块、3个位移采集模块、1个AI模块。

圆筒阀液压控制系统：采用施耐德公司Premium系列可编程控制器，实现对整个筒形阀液压系统压力、液位、补气、油过滤等的控制。PLC包括1个电源模块、1个CPU模块、2个以太网通讯模块、2个DI模块、1个DO模块、1个AI模块、1个AO模块和2个隔离变送器。

发电机组辅助设备控制系统：主要是高压油系统、推导外循环系统、油雾吸收装置、碳粉吸收装置、机坑电加热系统、制动风闸系统等，该系统采用施耐德公司Premium系列可编程控制器， PLC包括1个电源模块、1个CPU模块、2个以太网通讯模块、5个DI模块、3个DO模块、3个AI模块和15个隔离变送器。

水轮机辅助设备控制系统：主要是顶盖排水系统、水导外循环系统和主轴密封系统，这是一个由信号、指令—控制系统—被控设备—信号反馈的闭环系统。信号和指令来自传感器、监控系统、现地操作指令，控制系统主要是PLC控制器和柜内的继电器组成的逻辑控制单元，被控设备为顶盖排水泵和水导外循环泵，反馈信号为被控设备状态反馈，该系统采用施耐德公司Premium系列可编程控制器， PLC包括1个电源模块、1个CPU模块、2个以太网通讯模块、4个DI模块、2个DO模块、2个AI模块和10个隔离变送器。

在线监测系统：主要由现地传感器、数据采集单元及相关网络设备、软件等组成。数据采集和处理单元负责对机组的振动、摆度、压力脉动、空气间隙、磁通量、局部放电、机组工况参数进行数据采集、处理和分析，配置2个以太网通讯模块与上位机通讯。

机组自用电系统：主要由一套PLC来实现对自用电系统断路器分、合操作及监视断路器状态、电压、电流、温度等信号，实现备自投等功能，该系统采用施耐德公司Premium系列可编程控制器， PLC包括1个电源模块、1个CPU模块、2个以太网通讯模块、5个DI模块、3个DO模块、3个AI模块和20个隔离变送器。

兼容设备：所有不支持Modbus Tcp协议的其他设备 。

Claims (6)

1.一种水电机组LCU控制系统，包括水电机组LCU，其特征在于：所述水电机组LCU包括两套双机热备CPU模件：A套热备CPU模件（1）、B套热备CPU模件（2）；A套热备CPU模件（1）包括第一电源单元（11）、第一CPU单元（12）、以太网模块A（13）、以太网模块B（14）；B套热备CPU模件（2）包括第二电源单元（21）、第二CPU单元（22）、以太网模块A’ （23）、以太网模块B’（24）；所述以太网模块A（13）、以太网模块A’ （23） 分别与A套光交换机（3）连接；所述A套光交换机（3）分别与各子系统的光电转换器连接，各子系统的光电转换器与相对应子系统的A网通讯模块进行连接；所述以太网模块B（14）、以太网模块B’ （24） 分别与B套光交换机（4）连接；所述B套光交换机（4）分别与各子系统的光电转换器连接，各子系统的光电转换器与相对应子系统的B网通讯模块进行连接；

所述子系统包括：水轮机调速系统、发电机励磁系统、发变组继电保护系统、水轮机调速器液压系统、圆筒阀同步电气控制系统、圆筒阀液压控制系统、发电机组辅助设备控制系统、水轮机辅助设备控制系统、在线监测系统、机组自用电系统、兼容设备。

2.根据权利要求1所述一种水电机组LCU控制系统，其特征在于：所述A套光交换机（3）与光电转换器连接，光电转换器与A套网桥（5）连接，A套网桥（5）与兼容设备A网通讯模块（501）连接；

B套光交换机（4）与光电转换器连接，光电转换器与B套网桥（6）连接，B套网桥（6）与兼容设备B网通讯模块（601）连接。

3.根据权利要求1所述一种水电机组LCU控制系统，其特征在于：所述A套热备CPU模件（1）中第一CPU单元（12）与B套热备CPU模件（2）中第二CPU单元（22）通过光纤连接，用于实现双机热备冗余的通讯模式要求；

A套热备CPU模件（1）与B套热备CPU模件（2）分别交叉接入计算机上位机，用于实现双冗余控制网的要求。

4.一种水电机组LCU控制方法，其特征在于：水电机组LCU通过以太网通讯方式下发指令对各子系统进行控制操作，并通过以太网通讯方式传送信号对各子系统进行运行状态监视，实现对各子系统远程监视以及控制。

5.一种水电机组LCU控制方法，其特征在于：水电机组LCU通过A套热备CPU模件（1）、B套热备CPU模件（2）实现双机热备冗余，A套热备CPU模件（1）、B套热备CPU模件（2）分别以光纤介质连接A套光交换机（3）、B套光交换机（4），将控制信号、监视运行状态信号以通讯方式进行数据传输，A套光交换机（3）、B套光交换机（4）分别通过光缆连接至相应子系统或兼容设备的光电转换器，光电转换器通过网线与相应系统的A网通讯模块、B网通讯模块连接，其中兼容设备通过网桥桥接后采用Modbus RTU、Profibus等协议进行通信实现数据传输，所述数据传输包括各种开关量和模拟量信号。

6.一种水电机组LCU控制方法，其特征在于：水电机组LCU通过以通讯方式对各子系统或兼容设备进行控制操作和监视，从网络结构来讲符合分层分布式系统结构框架的要求，采用星形网络结构，通讯方式采用冗余设计，机组LCU与各子系统的IP地址具有统一设计和规划的原则。