基于PLC裝置實現的軟件SOE功能在大型水電站的研究與應用

摘 要

介紹天生橋二級電站基于PLC裝置實現的軟件SOE功能，不依賴于任何的SOE硬件模塊，實際接線少、成本低廉、運行穩定可靠、大容量處理開關量SOE數據，支持模擬量SOE，且可擴展性強，其分辨率小于10ms，這為系統的監視、控制及事后分析、研究各種事故的產生原因提供了有力的依據。

【關鍵詞】大型水電站 監控系統 PLC SOE

【關鍵詞】大型水電站 監控系統 PLC SOE

天生橋水力發電總廠系中國南方電網公司應急調峰調頻水電廠，位于廣西壯族自治區隆林縣境內，地處廣西和貴州交界處的南盤江上，成立于1988年3月，負責運行管理南盤江上的百萬級大型水電站——天生橋二級電站和500kV開關站、220kV開關站各一座，電站裝有六臺22萬kW的水輪機發電機組，設計年平均發電量82億kW·h。

天生橋二級電站是西電東送南路工程的首個電源點，系西電東送的發源地，與電站同步建設有天生橋二級電站至廣東、貴州和廣西的4回500kV超高壓交流輸電線路，建設有8回220kV輸電線路，是南方電網主網架的重要樞紐。

電站設計采用計算機監控為主，常規監控為輔的方式。由于建站期間安裝的監控系統運行不穩定，且多次處理未能明顯改善，電站于是著手監控系統改造的準備工作，于2006年完成全廠監控系統（6臺機組、220kV開關站、500kV開關站、首部閘門控制系統、全廠輔助設備）的改造，并實現了在興義遠控中心對全廠設備的監控。

在可靠的完全實現全站計算機監控后，SOE功能就顯得尤為重要。SOE，為英文Sequence Of Event的縮寫，即事件順序記錄。它能以毫秒級的分辨率獲取事件信息，能更精確地反映事件情況，為設備狀態分析、故障診斷及事故分析提供可靠而有力的數據。它以高分辨率分辨各個信號狀態變化的先后次序，在事故情況下幫助分辨故障的原因，準備定位故障發生時間。因此，SOE成為分析事故的主要記錄手段。

為了獲得毫秒級的分辨率，SOE都需要專門的硬件支持，各個廠家都提供專門的SOE輸入模塊，優點是分辨率高，能實現1ms的分辨率，缺點是費用高，記錄對象有限，且只能對接入SOE（順序事件記錄）輸入模塊的信號點進行記錄。為此，電站需要研發一種廉價而又有高效的SOE功能，即是采用PLC裝置實現的軟件SOE功能。

本文依據天生橋二級電站監控系統改造及SOE功能開發，分析基于PLC裝置實現的大容量時間順序記錄功能在大型水電站的應用。

1 研究對象

本文研究對象為天生橋二級電站監控系統，下位機采用PLC控制，上位機采用南瑞的NC2000，實現大型水電站的全站計算機監控，甚至遠控。

下位機采用SIEMENS程控器為現場級控制器，型號為CPU317-2DP，網絡采用PROFIBUS-DP分布式現場總線，PLC為冗余配置，每臺機組都采用雙（主控、后備）PLC設計，主要的邏輯控制、開停機流程等都在主控PLC中實現，后備PLC只保留機組溫度保護、故障及事故停機流程，兩組PLC完全獨立，確保任一PLC系統異常情況下機組能停機。西門子317-2DP PLC屬于S7-300 PLC中的高端系列，工作內存大（512Kbytes），運行速度快（0.05ms/1000指令），集成雙PROFIBUS-DP口，其數據傳輸速率最高可達到12Mbps/s，且集成強大的故障診斷功能。

2 基于PLC裝置實現大容量時間順序記錄功能

基于PLC裝置的軟件功能實現SOE功能，不依賴于硬件SOE記錄模塊，實際接線少、成本低廉、運行穩定可靠、大容量處理開關量SOE數據，支持模擬量SOE，且可擴展性強。

2.1 基于PLC裝置實現SOE的硬件結構

如圖1的硬件結構圖所示，控制系統核心采用的是西門子CPU317-2DP，并作為PROFIBUS-DP主站，下掛多個PROFIBUS-DP從站，系統采用分布式結構，主站與從站采用PROFIBUS-DP現場總線連接，主站和各個從站安裝在廠房的不同位置，整個PROFIBUS-DP現場總線長度達300米，網絡速度設置為187.5Kbps。

PLC系統的核心，主要負責數據的采集、邏輯控制、命令輸出、SOE記錄、對外通信等功能。

2.2 基于PLC裝置實現SOE的網絡結構圖

如圖2的網絡結構圖所示，PLC裝置（下位機）與上位機采用工業以太網通信，PLC裝置每隔20個PLC掃描周期（60-150ms）將新增SOE記錄轉存在上送事件暫存區，供上位機后臺服務器讀取，上位機后臺服務器每隔100ms讀取上送事件暫存區的數據，上位機根據上送SOE的來源重新計算測點號，并將新增的SOE記錄轉存入監控系統歷史數據庫，在歷史數據庫中設置存儲觸發器，觸發器動作后SOE記錄經防火墻及橫向隔離裝置將SOE記錄轉存在MIS數據庫中，為各種數據應用平臺提供原始記錄，現階段主要應用在事故及異常分析、SOE短信平臺（設備發生異常后自動將報警詳細的信息發至專業技術人員）、設備狀態分析系統、報表統計及門戶系統。

2.3 PLC程序循環執行流程

如圖3的流程圖所示，PLC上電后執行一次啟動塊（OB100），在OB100將SOE測點第一次采集的數據作為初始量存入B存儲區，B存儲區與以下提到的A存儲區一一對用，地址范圍MB1400-MB1599。

SOE主程序在OB1中調用，主要包含以下幾個部分：

（1）獲取PLC內部的PLC時鐘，該時鐘作為本次掃描周期SOE記錄的SOE時間簽；

（2）SOE測點當前狀態采集并存入A存儲區，A存儲區采用PLC內部的高速存儲區，地址范圍MB0-MB199；

（3）將A存儲區與B存儲區進行比較，每次各選取A、B存儲區各32點進行異或比較，如果異或結果不等于0，則認為SOE測點存在變化量；endprint

（4）當發現SOE測點存在變化量，對存在變化的32個測點進行識別，依次計算變化的單個測點的點號，并依次補充上測點當前狀態，打上SOE記錄的SOE時間簽及SOE記錄號，形成單條完整的SOE記錄，并將該條SOE存入SOE數據庫的適當位置。

（5）PLC裝置每隔20個PLC掃描周期（60-150ms）將新增SOE記錄轉存在上送事件暫存區，供上位機后臺服務器讀取，上位機后臺服務器每隔100ms讀取上送事件暫存區的數據，上位機根據上送SOE的來源重新計算測點號，并將新增的SOE記錄轉存入監控系統歷史數據庫。

2.4 SOE程序存儲區定義

SOE程序主要涉及到5個存儲區，所涉及的存儲區均為PLC內部寄存器，不涉及PLC以外的任何設備或存儲單元。

（1）本次采樣周期開關量SOE測點狀態存儲區，以下簡稱A存儲區，A存儲區采用PLC內部的高速存儲區，地址范圍MB0-MB199（該存儲區可根據實際需要對范圍進行調節，一般控制在200字節以內為宜，可實現1600個開關量測點的SOE記錄）

（2）上次采樣周期開關SOE測點狀態存儲區，以下簡稱B存儲區，B存儲區與A存儲區一一對應，也采用PLC內部的高速存儲區，地址范圍MB1400-MB1599

（3）本次采樣周期模擬量SOE測點狀態存儲區，一下簡稱C存儲區，地址范圍MW300開始的地址，長度可根據實際需要進行調節；

（4）上次采樣周期模擬量SOE測點狀態存儲區，一下簡稱D存儲區，與C存儲區一一對應，地址范圍MW1700開始的地址；

（5）單條SOE記錄存儲區，以下簡稱E存儲區，該存儲區占用14字節，結構見表1；

（6）SOE記錄存儲區，以下簡稱SOE存儲區，地址為數據塊DB252，DB252可存儲200條SOE記錄，數據結構如下：

2.5 SOE測點采集及數據比較

SOE測點采集分為開關量采集與模擬量采集兩類。PLC每個掃描周期完成一次所有SOE測點的檢測，對于任一測點的狀態變化都生成一條SOE記錄，也就是一個掃描周期可能產生多條SOE記錄，每隔20個掃描周期（約100-150ms）將新生成的SOE轉存至上送事件區，后臺服務器每隔400ms從上送事件區讀取數據。在此，僅以開關量SOE測點為例，采集邏輯框圖見圖5，數據比較邏輯見表2。

3 結語

本文從天生橋二級電站基于廠站監控系統的特殊性，采用基于PLC裝置的方式實現軟件SOE功能，二級電站監控系統采用軟件方式實現的SOE功能，SOE分辨率<10ms，同時，軟件SOE功能實現了大容量的事件記錄，且監視數據齊全，節約成本，通過認證及測試，完全滿足現場運行需要。對現階段水電站改造施工有著指導意義，對電力系統自動化的發展有指明方向的作用。

參考文獻

[1]樊大飛，陳曉，麥云飛.西門子PCS 7的SOE功能的實現及應用[J].工業控制計算機，2006，（01）.

[2]朱曉娟.水電廠計算機監控系統設計[J].電氣應用，2011，（6）.

[3]劉文豐，傅強.幾種分散控制系統的SOE性能測試比較[J].華中電力，2005，（06）.

作者簡介

張芳明（1983-），男，廣西壯族自治區桂林市人。碩士研究生學歷。現為天生橋水力發電總廠工程師。研究方向為調速器系統、勵磁系統、水電自動控制系統。

作者單位

天生橋水力發電總廠 貴州省興義市 562400endprint

（4）當發現SOE測點存在變化量，對存在變化的32個測點進行識別，依次計算變化的單個測點的點號，并依次補充上測點當前狀態，打上SOE記錄的SOE時間簽及SOE記錄號，形成單條完整的SOE記錄，并將該條SOE存入SOE數據庫的適當位置。

（5）PLC裝置每隔20個PLC掃描周期（60-150ms）將新增SOE記錄轉存在上送事件暫存區，供上位機后臺服務器讀取，上位機后臺服務器每隔100ms讀取上送事件暫存區的數據，上位機根據上送SOE的來源重新計算測點號，并將新增的SOE記錄轉存入監控系統歷史數據庫。

2.4 SOE程序存儲區定義

SOE程序主要涉及到5個存儲區，所涉及的存儲區均為PLC內部寄存器，不涉及PLC以外的任何設備或存儲單元。

（1）本次采樣周期開關量SOE測點狀態存儲區，以下簡稱A存儲區，A存儲區采用PLC內部的高速存儲區，地址范圍MB0-MB199（該存儲區可根據實際需要對范圍進行調節，一般控制在200字節以內為宜，可實現1600個開關量測點的SOE記錄）

（2）上次采樣周期開關SOE測點狀態存儲區，以下簡稱B存儲區，B存儲區與A存儲區一一對應，也采用PLC內部的高速存儲區，地址范圍MB1400-MB1599

（3）本次采樣周期模擬量SOE測點狀態存儲區，一下簡稱C存儲區，地址范圍MW300開始的地址，長度可根據實際需要進行調節；

（4）上次采樣周期模擬量SOE測點狀態存儲區，一下簡稱D存儲區，與C存儲區一一對應，地址范圍MW1700開始的地址；

（5）單條SOE記錄存儲區，以下簡稱E存儲區，該存儲區占用14字節，結構見表1；

（6）SOE記錄存儲區，以下簡稱SOE存儲區，地址為數據塊DB252，DB252可存儲200條SOE記錄，數據結構如下：

2.5 SOE測點采集及數據比較

SOE測點采集分為開關量采集與模擬量采集兩類。PLC每個掃描周期完成一次所有SOE測點的檢測，對于任一測點的狀態變化都生成一條SOE記錄，也就是一個掃描周期可能產生多條SOE記錄，每隔20個掃描周期（約100-150ms）將新生成的SOE轉存至上送事件區，后臺服務器每隔400ms從上送事件區讀取數據。在此，僅以開關量SOE測點為例，采集邏輯框圖見圖5，數據比較邏輯見表2。

3 結語

本文從天生橋二級電站基于廠站監控系統的特殊性，采用基于PLC裝置的方式實現軟件SOE功能，二級電站監控系統采用軟件方式實現的SOE功能，SOE分辨率<10ms，同時，軟件SOE功能實現了大容量的事件記錄，且監視數據齊全，節約成本，通過認證及測試，完全滿足現場運行需要。對現階段水電站改造施工有著指導意義，對電力系統自動化的發展有指明方向的作用。

參考文獻

[1]樊大飛，陳曉，麥云飛.西門子PCS 7的SOE功能的實現及應用[J].工業控制計算機，2006，（01）.

[2]朱曉娟.水電廠計算機監控系統設計[J].電氣應用，2011，（6）.

[3]劉文豐，傅強.幾種分散控制系統的SOE性能測試比較[J].華中電力，2005，（06）.

作者簡介

張芳明（1983-），男，廣西壯族自治區桂林市人。碩士研究生學歷。現為天生橋水力發電總廠工程師。研究方向為調速器系統、勵磁系統、水電自動控制系統。

作者單位

天生橋水力發電總廠 貴州省興義市 562400endprint

（4）當發現SOE測點存在變化量，對存在變化的32個測點進行識別，依次計算變化的單個測點的點號，并依次補充上測點當前狀態，打上SOE記錄的SOE時間簽及SOE記錄號，形成單條完整的SOE記錄，并將該條SOE存入SOE數據庫的適當位置。

（5）PLC裝置每隔20個PLC掃描周期（60-150ms）將新增SOE記錄轉存在上送事件暫存區，供上位機后臺服務器讀取，上位機后臺服務器每隔100ms讀取上送事件暫存區的數據，上位機根據上送SOE的來源重新計算測點號，并將新增的SOE記錄轉存入監控系統歷史數據庫。

2.4 SOE程序存儲區定義

SOE程序主要涉及到5個存儲區，所涉及的存儲區均為PLC內部寄存器，不涉及PLC以外的任何設備或存儲單元。

（1）本次采樣周期開關量SOE測點狀態存儲區，以下簡稱A存儲區，A存儲區采用PLC內部的高速存儲區，地址范圍MB0-MB199（該存儲區可根據實際需要對范圍進行調節，一般控制在200字節以內為宜，可實現1600個開關量測點的SOE記錄）

（2）上次采樣周期開關SOE測點狀態存儲區，以下簡稱B存儲區，B存儲區與A存儲區一一對應，也采用PLC內部的高速存儲區，地址范圍MB1400-MB1599

（3）本次采樣周期模擬量SOE測點狀態存儲區，一下簡稱C存儲區，地址范圍MW300開始的地址，長度可根據實際需要進行調節；

（4）上次采樣周期模擬量SOE測點狀態存儲區，一下簡稱D存儲區，與C存儲區一一對應，地址范圍MW1700開始的地址；

（5）單條SOE記錄存儲區，以下簡稱E存儲區，該存儲區占用14字節，結構見表1；

（6）SOE記錄存儲區，以下簡稱SOE存儲區，地址為數據塊DB252，DB252可存儲200條SOE記錄，數據結構如下：

2.5 SOE測點采集及數據比較

SOE測點采集分為開關量采集與模擬量采集兩類。PLC每個掃描周期完成一次所有SOE測點的檢測，對于任一測點的狀態變化都生成一條SOE記錄，也就是一個掃描周期可能產生多條SOE記錄，每隔20個掃描周期（約100-150ms）將新生成的SOE轉存至上送事件區，后臺服務器每隔400ms從上送事件區讀取數據。在此，僅以開關量SOE測點為例，采集邏輯框圖見圖5，數據比較邏輯見表2。

3 結語

本文從天生橋二級電站基于廠站監控系統的特殊性，采用基于PLC裝置的方式實現軟件SOE功能，二級電站監控系統采用軟件方式實現的SOE功能，SOE分辨率<10ms，同時，軟件SOE功能實現了大容量的事件記錄，且監視數據齊全，節約成本，通過認證及測試，完全滿足現場運行需要。對現階段水電站改造施工有著指導意義，對電力系統自動化的發展有指明方向的作用。

參考文獻

[1]樊大飛，陳曉，麥云飛.西門子PCS 7的SOE功能的實現及應用[J].工業控制計算機，2006，（01）.

[2]朱曉娟.水電廠計算機監控系統設計[J].電氣應用，2011，（6）.

[3]劉文豐，傅強.幾種分散控制系統的SOE性能測試比較[J].華中電力，2005，（06）.

作者簡介

張芳明（1983-），男，廣西壯族自治區桂林市人。碩士研究生學歷。現為天生橋水力發電總廠工程師。研究方向為調速器系統、勵磁系統、水電自動控制系統。

作者單位

天生橋水力發電總廠 貴州省興義市 562400endprint