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基于高性能嵌入式系统的水电机组综合控制器的设计

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资料介绍

针对可编程逻辑控制器(PLC)作为机组控制时在电磁兼容标准等级上不够和功能上缺乏的缺陷,提出了基于高性能嵌入式系统设计的水电机组综合控制器取代PLC,提高了机组控制器的标准等级,并解决了采用PLC时通信协议不灵活、不能接入专用输入输出模块、系统设计复杂等问题,使水电机组控制器可灵活地接入各种智能设备、继电保护装置和专用自动装置,实现了采集数据的共享.该控制器还可灵活地扩展专用的输入输出模块,实现交流采集、灵活配置的顺序事件记录、温度巡检、机组自动准同期、人机交互、故障过程追忆等专用功能.对整个水电机组控制实现了优化,使系统具有设计简化、易于维护、投资节省等优点.

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V01．34 No．11

第34卷第11期

电力系统自动化

Power

Automation

Electric

10，2010

June

2010年6月10日

Systems

基于高性能嵌入式系统的水电机组综合控制器的设计

金启超，张田田，韦

东

(南京钛能电气有限公司，江苏省南京市211800)

摘要：针对可编程逻辑控制器(PI，C)作为机组控制时在电磁兼容标准等级上不够和功能上缺乏的

缺陷，提出了基于高性能嵌入式系统设计的水电机组综合控制器取代PLC，提高了机组控制器的

标准等级，并解决了采用PLC时通信协议不灵活、不能接入专用输入输出模块、系统设计复杂等问

题，使水电机组控制器可灵活地接入各种智能设备、继电保护装置和专用自动装置，实现了采集数

据的共享。该控制器还可灵活地扩展专用的输入输出模块，实现交流采集、灵活配置的顺序事件记

录、温度巡检、机组自动准同期、人机交互、故障过程追忆等专用功能。对整个水电机组控制实现了

优化，使系统具有设计简化、易于维护、投资节省等优点。

关键词：嵌入式系统；机组控制器；通信；自动准同期

与水电站的设备标准不同n0。。在水电站中，有着特

殊的工作环境，控制器应采用与保护设备相同的电

磁兼容性(EMC)。

引言

水电作为一种清洁能源，在中国被广泛开发。

作为水电机组控制的核心——机组控制器，到目前

对比两者采用的EMC标准，仅在射频电磁场

抗扰度(IEC 61000-4—3)和射频场感应导致的传导

型骚扰抗扰度(IEC 61000-4-6)标准上采用了相同

的严酷等级。在静电放电抗扰度(IEC 61000-4-2)、

电快速脉冲群抗扰度(IEC 61000—4—4)、浪涌(冲击)

为止，一般采用通用可编程逻辑控制器(PLC)。

PLC由于其逻辑编程的灵活性，在工业控制领域被

广泛应用，而用于水电机组的顺控控制器，其可编程

具有灵活性和高可靠性[1{]。实践说明，水电站控制

有其特殊性，与常规的工业控制系统不同，除了工作

环境特殊外，机组控制需要接入各种继电保护装置、

自动装置等智能设备的信号，需要扩展专用的模块，

如交流采集模块、灵活的事件顺序记录(SoE)模块、

温度巡检模块、机组同期模块等。为了更好地分析

水电站的事故，要求机组控制器具有故障过程追忆

功能。

61000-

抗扰度(IEC 61000-4—5)、振荡波抗扰度(IEC

4-12)标准上，PLC采用的严酷等级比保护设备低了

一个等级。另外，在保护设备的EMC要求中还增

加了工频磁场抗扰度(IEC 61000—4-8)、脉冲磁场抗

扰度(IEC 61000-4-9)、阻尼振荡磁场抗扰度

(IEC

61000—4—10)等标准。

由于PLC不是针对水电站环境专门设计的，其

EMC性能不能完全满足使用条件。其采用EMC

方面的标准应与保护设备相同，达到各标准的最高

严酷等级。

采用高性能嵌入式处理器系统的水电机组控制

器，专门为水电机组控制而设计，除了支持

IEC

61131-3的可编程工具以外，还增强了通信功

能，可灵活地通过数字通信接入与机组控制相关的

专用智能设备，并实现交流量采集功能、灵活的顺序

事件记录功能、温度巡检功能、机组自动准同期功能

等。主控制器还实现了机组故障过程追忆功能。

1．2缺乏用于水电机组控制功能的模块

PLC在水电站的应用中，由于缺乏水电机组控

制功能模块，一些用于机组控制的模块功能只有通

过额外的装置来完成。缺少的水电机组控制功能模

块或接口有：交流采集模块、灵活的SOE模块、专用

传统PLC作为机组控制器的不足

的温度巡检模块、机组自动准同期模块、增强的人机

PLC作为工业控制领域中广泛应用的设备，其

设计标准是按通用的工业环境和使用方式制定的，

在水电站中作为机组控制器应用，存在若干问题。

1．1标准的问题

交互接口。

1．3辅助功能不足

随着水电机组的单机容量不断提高，对机组故

障分析的要求也不断提高。故障过程数据记录功能

将是一个重要的功能。水电站中的故障录波器是反

映电力短路故障、异常运行时电气量变化的重要记

PLC作为工业环境的通用产品，其采用的标准

收稿日期：2009—06—26；修回日期：2010—04—15。

录仪。而对机组事故过程的数据记录依靠机组控制

万方数据

2010，34(11)

力

电

动

让

系

统

自

2．5实现增强的人机交互功能

器是最好的选择。当采用PLC作为机组控制器时，

虽然PLC采集了大量的模拟量、开关量，同时也发

PLC本身不具有人机交互功能，PLC的人机交

互一般通过触摸屏来实现，通信协议一般采用

Modbus或Modbus／TCP。触摸屏可很好地显示机

组的相关运行数据，并能完成相应的控制操作功能，

故得到了广泛应用。但作为机组控制器人机界面，

不但需要显示实时运行数据，还需要显示历史数据、

运行日志、故障过程追忆数据等。用触摸屏就难以

实现这些功能，主要原因是触摸屏是用于通用实时

数据的显示，当控制设备为专用对象控制功能提升

时，需要专用的数据结构和专用的通信协议才能实

现数据交互和显示。实现这个功能有2种方案：

1)把触摸屏设计成专用设备，并具有专用的通

信协议和数据结构；

出了控制量，它的信息很全，但不具备故障过程数据

记录功能，无法实现事故追忆。

1．4安装组柜方式的问题

采用PLC实现机组控制时，需要将它放置在常

规的现地控制柜上，控制柜上还需要安装一些仪表、

指示器、控制按钮、自动装置等。柜子上的这些设备

存在2种安装方式，如自动装置、仪表、按钮等一般

采用嵌入式后接线方式，而PLC一般采用凸接式前

接线方式。不同的接线方式和布线不协调，使得整

个控制柜布局美观度差。

2新型机组控制器的功能

2．1

实现交流采集功能

2)触摸屏中没有程序，将程序放在机组控制器

上，触摸屏变成一个人机交互终端，实现图形显示和

触摸数据的输入。

新型的机组控制器直接采集机端三相交流电压

和三相交流电流，通过交流采集模块可完成三相电

压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、视在

功率、频率、电能等参数的测量，而不需要配置变送

器和模拟量采集模块或配置微机电量采集装置来实

现，简化了接线，提高了精度，同时也提高了可靠性

和实时性。

可以看出，方案2更好些。由于机组控制器作

为独立发展的设备，随着技术的进步其功能是不断

丰富的，若采用方案1，通信协议将是制约其发展的

瓶颈；而采用方案2可很好地解决这个问题，是由于

人机交互和机组逻辑控制程序在一个CPU中，任

何发布版本的机组控制器的逻辑功能程序和人机交

互程序总是配套的，它们通过进程通信来完成数据

交互，完全解决了所提及的瓶颈问题。

2．2

实现灵活的SOE功能

机组控制器要采集大量开关量信号，对于重要

信号需记录时标，以在需要时进一步深入分析事件

间的逻辑关系。一般PLC的SOE功能由专用的模

块完成，需要记录时标的信号均需要接到该模块中。

新型的机组控制器所有开关量输入均可定义成记录

时标，并根据对象特点，采取不同参数的滤波和消抖

处理，使用起来更为灵活。

2．6实现故障过程数据记录功能

新型的机组控制器实时记录了所有采集信号和

控制信号，并根据设定的触发条件，如模拟量的绝对

值和变化量、开关量的变化等来触发数据记录。记

录的数据可再现事件发生的整个过程，事故追忆将

是分析故障的有利工具。

2．3

实现专用的温度巡检功能

水电机组和控制设备上有大量的温度监控点，

运行时需要进行定时的温度巡检。机组的温度巡检

模块有以下特殊性：监控点数量多；监控点分布在不

同地点。温度巡检模块的通道之间可能在外部过电

压情况下出现过大的差模电压，倘若通道之间没有

设计足够强度的隔离电压，易造成采集模块的损坏，

因此需要针对机组特点设计专用的温度巡检模块。

2．4实现机组自动准同期功能

2．7采用嵌入式后接线插箱工艺

新型的机组控制器采用标准的插箱结构和背插

式工艺。整个控制柜上所有设备均采用嵌入式后接

线方式，协调性好，布局美观，维护方便。

3新型机组控制器的设计

新型的机组控制器是对水电机组对象优化设计

的控制器。它包含CPU模块、数字量输入模块、数

字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、

交流采集模块、通信模块、温度巡检模块、自动准同

期模块、高速计数模块、电源模块等。所有模块均是

智能模块。

发电机并入系统中，需要采用自动准同期功能，

它检测系统电压和机端电压，实时判断压差、频差和

角差，控制转速、机端电压，使发电机组的断路器在

发电机受到最小冲击的情况下合闸。PLC没有这

个功能模块，只有采用自动准同期装置与PLC配合

来完成这项功能。

3．1

总体结构

新型的机组控制器方框图如图1所示。CPU

模块采用以PowerPC为核心的高性能嵌入式系统。

新型的机组控制器配置了机组自动准同期模

块，接线简单，控制方面，安全可靠。

～】】O一

万方数据

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