鄧鵬程,諶斐鳴,楊丹丹,毛 琦,王香玲,李傳川,白 瑩
(1.三板溪水電廠,貴州 錦屏 556700;2.北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司,北京 100038)
三板溪電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用
鄧鵬程1,諶斐鳴1,楊丹丹1,毛 琦2,王香玲2,李傳川2,白 瑩2
(1.三板溪水電廠,貴州 錦屏 556700;2.北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司,北京 100038)
簡(jiǎn)要介紹了三板溪水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、基本結(jié)構(gòu)及設(shè)備配置,可供類(lèi)似水電廠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考。
監(jiān)控系統(tǒng);系統(tǒng)結(jié)構(gòu);功能
三板溪水電站位于沅水上游清水江段,壩址在貴州省黔東南自治州錦屏縣境內(nèi),距縣城25km,距湖南省懷化市直線距離約140km,是沅水干流上的龍頭電站,工程以發(fā)電為主,兼有防洪、灌溉、旅游等綜合效益。電站安裝4臺(tái)250MW混流式機(jī)組,總裝機(jī)容量1000MW,多年平均發(fā)電量24.28億kW·h,年利用小時(shí)數(shù)2428h,設(shè)計(jì)水頭128m,采用一回500kV線路輸出,并入華中電網(wǎng),送電湖南,承擔(dān)湖南電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用,電站本身及其對(duì)下游梯級(jí)電站的補(bǔ)償作用將顯著改善湖南電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu),并有利于湖南消納三峽的季節(jié)性電量。
三板溪監(jiān)控系統(tǒng)采用北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司開(kāi)發(fā)的H9000系統(tǒng),該系統(tǒng)已于2006年8月與首臺(tái)機(jī)組發(fā)電同步投入運(yùn)行。
(1)系統(tǒng)的可靠性
系統(tǒng)應(yīng)具有極高的可靠性,廣泛采用分布處理技術(shù)和冗余技術(shù)。重要設(shè)備采用熱備冗余配置,保證系統(tǒng)的可靠性。另外,采用軟件冗余措施,數(shù)據(jù)庫(kù)及控制功能分布處理,系統(tǒng)功能分布在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)中,系統(tǒng)內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)的故障不影響其余節(jié)點(diǎn)的正常工作。
(2)系統(tǒng)的開(kāi)放性與可擴(kuò)性
系統(tǒng)應(yīng)采用全分布開(kāi)放式模式,主要軟硬件設(shè)備選型應(yīng)符合計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速的特點(diǎn),便于功能和硬件的擴(kuò)充和升級(jí),能在水電廠環(huán)境下長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,并具有成功的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。
(3)功能的完善性
系統(tǒng)按電站“無(wú)人值班”(少人值守)的原則設(shè)計(jì),整個(gè)系統(tǒng)配備完善的應(yīng)用功能及對(duì)外開(kāi)放的接口功能。特別是電站遠(yuǎn)方AGC控制功能,能穩(wěn)定可靠地與上級(jí)調(diào)度中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,實(shí)現(xiàn)上級(jí)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)電站的遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)功能。
(4)系統(tǒng)的安全性
系統(tǒng)應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)化的成熟產(chǎn)品,功能完善并模塊化,并具有完備的確保硬件及軟件的安全性措施,防止監(jiān)控系統(tǒng)硬件或軟件的故障或缺陷對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的危害。
(5)抗干擾能力
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用光纖技術(shù),避免了不同設(shè)備之間的電信號(hào)連接。LCU配置獨(dú)立的液晶觸摸屏,避免了現(xiàn)地電磁場(chǎng)的干擾。應(yīng)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電源進(jìn)行隔離?,F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)也應(yīng)采取光電隔離或其他隔離措施。
(6)系統(tǒng)的友善性與可維護(hù)性
人機(jī)接口功能強(qiáng),操作方便,采用面向?qū)ο蟮娜珴h化界面。向用戶提供強(qiáng)有力的組態(tài)開(kāi)發(fā)工具。
(7)充分利用PLC的高可靠性及邏輯控制方面的優(yōu)點(diǎn),各LCU以可編程序控制器(PLC)及觸摸顯示屏等為基礎(chǔ),由PLC完成全廠閉環(huán)控制與調(diào)節(jié),保證全廠發(fā)電運(yùn)行可靠。LCU在脫離電站主控級(jí)的情況下,應(yīng)能保證機(jī)組安全運(yùn)行。
(8)現(xiàn)地手動(dòng)操作與控制
為滿足與機(jī)組(或檢修后)同步投運(yùn)的安全、可靠要求,機(jī)組現(xiàn)地控制單元具有部分設(shè)備狀態(tài)現(xiàn)地顯示及必要的常規(guī)操作功能,使運(yùn)行人員在機(jī)旁能完成機(jī)組投運(yùn)或調(diào)試中的操作。
(9)系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)部頒標(biāo)準(zhǔn)DL/T578-95“水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件”的要求。
三板溪計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是在認(rèn)真分析研究國(guó)內(nèi)外最新計(jì)算機(jī)硬件產(chǎn)品、軟件產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實(shí)時(shí)工業(yè)控制產(chǎn)品與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),根據(jù)三板溪發(fā)電廠的具體情況,在水科院自動(dòng)化所H9000分布開(kāi)放式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)模式基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最新發(fā)展,在一個(gè)較高起點(diǎn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種全新的、分層分布開(kāi)放式高速網(wǎng)絡(luò)型冗余梯級(jí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有良好的可靠性、可擴(kuò)充性、可移植性,并支持異型機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。
三板溪水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)共分二層:廠站級(jí)主控制層、現(xiàn)地控制單元層。兩層之間采用快速交換式雙以太網(wǎng)絡(luò)總線,構(gòu)成高可靠性的局域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)通訊采用雙100MB網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和光纖,具有較高傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。100MB網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通過(guò)高品質(zhì)屏蔽雙絞線連接主控層的各個(gè)工作站,通過(guò)多模光纜分別聯(lián)接現(xiàn)地層分布的各LCU單元。
主控層計(jì)算機(jī)設(shè)備布置在中控室、計(jì)算機(jī)房。包括兩套數(shù)據(jù)服務(wù)器,兩套操作員工作站、一套工程師工作站、三套通訊工作站、一套多媒體ON-CALL工作站、兩臺(tái)打印機(jī)、一套GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)及UPS電源等設(shè)備。操作員工作站布置在中控室,其余設(shè)備均布置在計(jì)算機(jī)房。
現(xiàn)地控制層共設(shè)有6套控制單元(LCU),包括4套機(jī)組LCU、1套開(kāi)關(guān)站LCU、1套公用設(shè)備LCU。
圖1 三板溪監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)配置
三板溪水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)近期通過(guò)遠(yuǎn)程通信工作站及調(diào)制解調(diào)器與省調(diào)中心進(jìn)行遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)通信,采用光纖路由通道,遠(yuǎn)動(dòng)通訊規(guī)約采用SC1801(V6.0版)。遠(yuǎn)期采用電力系統(tǒng)通信路由器設(shè)備的雙廣域網(wǎng)口直接與調(diào)度中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),通訊規(guī)約采用IEC60870-5-104。
三板溪水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)近期通過(guò)遠(yuǎn)程通信工作站及RTU與省調(diào)中心進(jìn)行遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)通信,采用光纖路由通道,遠(yuǎn)動(dòng)通訊規(guī)約采用IEC60870-5-101。遠(yuǎn)期采用電力系統(tǒng)通信路由器設(shè)備的雙廣域網(wǎng)口直接與調(diào)度中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),通訊規(guī)約采用IEC60870-5-104。
監(jiān)控系統(tǒng)的體系由硬件平臺(tái)、支撐平臺(tái)、應(yīng)用軟件三層構(gòu)架構(gòu)成。其中支撐平臺(tái)由通用支撐平臺(tái)、數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)、應(yīng)用支撐平臺(tái)構(gòu)成。系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要設(shè)備采用SUN Ultra-Sparc 64位服務(wù)器,系統(tǒng)輔助工作站選用HP 32位工作站。系統(tǒng)支撐平臺(tái)采用64位Solaris unix及WINDOWS 2003系統(tǒng),實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用H9000系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù),應(yīng)用軟件采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自動(dòng)化所研制開(kāi)發(fā)的H9000系統(tǒng)。本系統(tǒng)軟件包括四大部分,即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件、基本軟件、應(yīng)用軟件以及工具軟件,如圖2所示。
圖2 H9000系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)軟件是隨計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備一同購(gòu)入由系統(tǒng)軟件生產(chǎn)廠商提供的軟件,用以提供監(jiān)控系統(tǒng)其它軟件運(yùn)行的環(huán)境,用戶軟件的開(kāi)發(fā)手段,如用戶程序的編輯、編譯、聯(lián)接、任務(wù)的插入、運(yùn)行、退出等?;拒浖菍?shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)基本監(jiān)控功能所必須的軟件,如數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)庫(kù)管理,圖形顯示,報(bào)表生成,語(yǔ)音報(bào)警等軟件。應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程操作或控制功能的軟件,如AGC、AVC等,隨著電站特性的不同、功能要求的差異,應(yīng)用軟件的差別很大,一般需特殊處理。工具軟件是提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率的軟件,它可以減輕軟件開(kāi)發(fā)與維護(hù)強(qiáng)度,提高系統(tǒng)的可維性,使開(kāi)放系統(tǒng)真正地向用戶開(kāi)放。
(1)系統(tǒng)采用開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和成熟、可靠、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),各計(jì)算機(jī)均采用開(kāi)放的漢化操作系統(tǒng)UNIX或Window2003,網(wǎng)絡(luò)軟件為T(mén)CP/IP,圖形符合X/Window。監(jiān)控系統(tǒng)的全部計(jì)算機(jī)都直接接入網(wǎng)絡(luò),可獲得高速通訊能力和資源共享能力。
(2)主要關(guān)鍵設(shè)備選用國(guó)際上著名品牌產(chǎn)品,如美國(guó)SUN公司的64位服務(wù)器及工作站,美國(guó)Quantum可編程控制器等,確保系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。
(3)網(wǎng)絡(luò)上接入的每一個(gè)設(shè)備都具有自己特定的功能,實(shí)現(xiàn)功能的分布。即提供了某個(gè)設(shè)備故障只影響局部功能的優(yōu)點(diǎn),又利于今后的功能擴(kuò)充。
(4)為了滿足系統(tǒng)無(wú)人值班、少人值守對(duì)系統(tǒng)可靠性的要求,整個(gè)系統(tǒng)的重要設(shè)備采用冗余技術(shù),如主機(jī)服務(wù)器、操作員工作站、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)冗余技術(shù)、UPS電源等。
(5)具有豐富的開(kāi)發(fā)工具軟件和通訊規(guī)約,使系統(tǒng)維護(hù)擴(kuò)充和聯(lián)網(wǎng)通訊非常方便。實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與上級(jí)調(diào)度中心、電廠MIS等其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通信。
(6)主要設(shè)備如全部計(jì)算機(jī)工作站及LCU的PLC直接接入網(wǎng)絡(luò),可獲得高速通訊能力和資源共享能力。PLC直接聯(lián)以太網(wǎng),速率100Mb/s,可靠性指標(biāo)高。
(7)系統(tǒng)任何設(shè)備的冗余與切換均由軟件實(shí)現(xiàn),取消硬件切換裝置,將系統(tǒng)硬件故障點(diǎn)減至最少。
(8)所有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在失電被動(dòng)停機(jī)時(shí),存儲(chǔ)器無(wú)數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)電源恢復(fù)時(shí),能自動(dòng)再啟動(dòng)。
(9)采用100MB以太網(wǎng)構(gòu)成系統(tǒng)的主干網(wǎng)通道,進(jìn)一步保證了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性。
系統(tǒng)對(duì)電站主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)定時(shí)進(jìn)行采集,并作必要的預(yù)處理、計(jì)算,存于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù),供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于畫(huà)面顯示、更新,控制調(diào)節(jié),記錄檢索,統(tǒng)計(jì)報(bào)表,操作、管理指導(dǎo)和事故分析等。
電站現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)的采集基本由各自的LCU來(lái)完成,現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)包括:模擬量、脈沖量、數(shù)字量、一般開(kāi)關(guān)量和中斷開(kāi)關(guān)量。
數(shù)據(jù)采樣周期可根據(jù)系統(tǒng)性能參數(shù)要求進(jìn)行調(diào)整。故障、事故報(bào)警信號(hào)隨機(jī)優(yōu)先傳遞,并顯示故障、事故發(fā)生的時(shí)間,地點(diǎn),性質(zhì)及參數(shù)、說(shuō)明。
為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,模擬量無(wú)變化時(shí)不傳送,當(dāng)變化超過(guò)傳送死區(qū)時(shí)傳送;狀態(tài)量有狀變時(shí)才傳送;數(shù)據(jù)采集分為周期式和隨機(jī)式兩種方式。
為適合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況,對(duì)所有采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)均可通過(guò)人機(jī)聯(lián)系設(shè)置掃查投入與退出、報(bào)警使能與禁止標(biāo)志,對(duì)其參數(shù)限值可進(jìn)行人工修改設(shè)置,并可用人工設(shè)定值取代采集值,以剔除壞點(diǎn)。
監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行周期、定時(shí)或召喚計(jì)算分析,形成各種計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)與歷史數(shù)據(jù)庫(kù),幫助運(yùn)行人員對(duì)電廠設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行全面監(jiān)視與綜合管理。
安全監(jiān)視是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的重要功能之一,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視電站各類(lèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù),當(dāng)它們發(fā)生異常、運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變更或參數(shù)超越設(shè)定限值等時(shí),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及時(shí)報(bào)告值班運(yùn)行人員進(jìn)行處理,同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄,以便分析查驗(yàn)。
為方便報(bào)警記錄信息查詢,H9000系統(tǒng)提供靈活的歷史數(shù)據(jù)查詢手段,如過(guò)濾器功能,對(duì)各種報(bào)警歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、篩選形成報(bào)告。報(bào)告可打印。
在進(jìn)行控制操作的人機(jī)聯(lián)系時(shí),具有操作權(quán)限的判別∶有關(guān)控制操作的人機(jī)聯(lián)系,充分利用顯示畫(huà)面、鼠標(biāo)、控制窗口三者相結(jié)合的方式,操作過(guò)程中有可靠性校核與閉鎖功能,一般對(duì)話步驟:選擇被控對(duì)象,彈出操作性質(zhì)控制窗口,選擇操作,認(rèn)可后執(zhí)行或取消終止執(zhí)行。操作提示全部漢化。
自動(dòng)發(fā)電控制分現(xiàn)地AGC和遠(yuǎn)方AGC兩種?,F(xiàn)地AGC按現(xiàn)地運(yùn)行值班員設(shè)置的參數(shù)或監(jiān)測(cè)的參數(shù)運(yùn)行。遠(yuǎn)方AGC則按由遠(yuǎn)方調(diào)度系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置的參數(shù)運(yùn)行。
AGC功能根據(jù)給定的運(yùn)行方式,如全廠調(diào)功方式、負(fù)荷曲線方式、調(diào)頻方式等,將自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)頻率、全廠總功率給定值或全廠負(fù)荷曲線等,計(jì)算出功率調(diào)整值或全廠應(yīng)發(fā)總功率。
AGC功率給定值在全廠有功給定值的基礎(chǔ)上扣除不參加AGC成組運(yùn)行機(jī)組的實(shí)發(fā)功率。系統(tǒng)在接收到全廠有功給定值后,扣除不參加AGC機(jī)組的實(shí)發(fā)功率值,再將剩余部分分配到參加AGC控制的機(jī)組中去。
經(jīng)濟(jì)運(yùn)行程序 (EDC)根據(jù)AGC給出的全廠總有功功率(或總?cè)肇?fù)荷曲線)設(shè)定值,以發(fā)電耗水量最小為優(yōu)化準(zhǔn)則,計(jì)及各種約束條件,建立數(shù)學(xué)模型,確定本站4臺(tái)機(jī)組的最佳負(fù)荷分配,開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)、開(kāi)停機(jī)順序以及機(jī)組間負(fù)荷的優(yōu)化分配,進(jìn)行機(jī)組的自動(dòng)開(kāi)停機(jī)控制與自動(dòng)負(fù)荷調(diào)節(jié)。
監(jiān)控系統(tǒng)可將自動(dòng)生成的報(bào)表數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)等自動(dòng)保存,形成生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表歷史數(shù)據(jù)。另外,各種報(bào)警記錄數(shù)據(jù)也存放在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上,形成報(bào)警記錄歷史數(shù)據(jù)。可保存的歷史數(shù)據(jù)多少可根據(jù)計(jì)算機(jī)硬盤(pán)空間的大小確定,將歷史數(shù)據(jù)經(jīng)優(yōu)化篩選后存入光盤(pán),以便于必要時(shí)進(jìn)行檢索和打印。
完善的系統(tǒng)自診斷與自恢復(fù)功能是實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班”(少人值守)的重要條件。
本系統(tǒng)為分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),具備完善的自診斷與自恢復(fù)功能。系統(tǒng)各設(shè)備不僅自檢,還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備間的互檢,形成系統(tǒng)檢測(cè)報(bào)告。并將系統(tǒng)異常情況及時(shí)報(bào)警通知運(yùn)行人員以及時(shí)處理,并可對(duì)某些異常情況進(jìn)行自動(dòng)自恢復(fù)或冗余部件切換處理。
系統(tǒng)具有完善的防誤操作功能,可以確保由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的命令安全可靠。用戶不需編程,只需將各種操作閉鎖關(guān)系按規(guī)定的格式填入定義文件,建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)即可。ControlLock會(huì)自動(dòng)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)指令進(jìn)行條件判斷,滿足條件則執(zhí)行,不滿足條件則閉鎖,并給運(yùn)行人員進(jìn)行閉鎖原因提示。LCU收到命令后需進(jìn)行條件判斷再執(zhí)行命令。
三板溪計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)從投入試運(yùn)行到現(xiàn)在,各項(xiàng)功能穩(wěn)定可靠,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,所有設(shè)備運(yùn)行正常,操作控制正確可靠,其中現(xiàn)地開(kāi)停機(jī)成功率為100%,遠(yuǎn)方開(kāi)停機(jī)成功率為100%,AGC動(dòng)作正確率達(dá)到100%,系統(tǒng)可用率高,取得了非常好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
[1]周民,姚維達(dá),張毅,等.H9000計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的新版本[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2002,(4):17-18.
TP273+.5
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1672-5387(2010)03-0013-03
2010-04-28
鄧鵬程,男,工程師,從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備維護(hù)檢修和電力信息系統(tǒng)應(yīng)用研究。(E-mail:dpcsbx@163.com)