百丈漈梯級水電廠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

季余忠，鄧小剛，辛 俊

(1.溫州百丈水力發(fā)電廠，浙江 文成 325300；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司,北京 100038)

百丈漈梯級水電廠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

季余忠1，鄧小剛2，辛 俊2

(1.溫州百丈水力發(fā)電廠，浙江 文成 325300；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司,北京 100038)

介紹溫州百丈漈水力發(fā)電廠概況，說明改造前的控制方式和存在的主要問題，提出建設(shè)梯級水電廠發(fā)電機

組計算機監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)想和實用化設(shè)計，敘述計算機監(jiān)控系統(tǒng)建成后的運行與改進情況。

計算機；監(jiān)控系統(tǒng)；梯級；設(shè)計；應(yīng)用

0 概述

溫州百丈漈水力發(fā)電廠位于浙江省文成縣境內(nèi)，轄飛云江支流泗溪中游梯級開發(fā)的一、二級水電站。1960年8月20日一級水電站建成投產(chǎn)，裝機容量2×12.5MW。1970年9月1日二級水電站建成投產(chǎn)，裝機容量2×6MW。

隨著百丈漈二級水電站的竣工投產(chǎn)，溫州百丈漈水力發(fā)電廠最終形成了37MW的裝機規(guī)模，成為溫州地區(qū)重要的調(diào)峰電廠。46年來，累計發(fā)電量近50億kW·h，有力地推動了溫州地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。同時，科學(xué)調(diào)度具有年調(diào)節(jié)能力的百丈漈水庫，可以大大提高位于水庫下游的文成縣縣城和沿溪各村鎮(zhèn)的防洪抗旱能力。

跨入新世紀，溫州百丈漈水力發(fā)電廠制定了創(chuàng)一流企業(yè)發(fā)展規(guī)劃，利用計算機技術(shù)，積極進行發(fā)電生產(chǎn)自動化改造，努力提高全員勞動生產(chǎn)率。正是在這一背景下，溫州百丈漈水力發(fā)電廠一、二級電站的梯級水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的實用化設(shè)計與應(yīng)用被列入了企業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，成為發(fā)電生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的重要內(nèi)容。

1 改造前的控制方式和存在的主要不足

改造前發(fā)電機組的順序控制是由傳統(tǒng)的繼電器組合來實現(xiàn)的。傳統(tǒng)的繼電器組合邏輯控制方式的特點是技術(shù)要求低、投資也相對較少。主要不足是：①體積龐大。實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制時需要很多的繼電器組合在一起才能達成目的，從而占用很多空間。②動作速度慢，實時性差。傳統(tǒng)繼電器動作時有一個固有的動作時間，當較多的繼電器組合在一起去完成一個邏輯功能時，其累加的固有動作時間就很長。③適用性和適應(yīng)性差。常規(guī)繼電器接點不能多次使用，生產(chǎn)工藝變化時，改變困難。④存儲記憶能力極低?，F(xiàn)代系統(tǒng)極其復(fù)雜，要判斷一種狀態(tài)是否正常在控需要大量的狀態(tài)量和數(shù)據(jù)量。但繼電器的組合只能極其有限地存儲記憶幾個簡單的狀態(tài)量，而無法存儲記憶數(shù)據(jù)量，根本無法滿足現(xiàn)代系統(tǒng)的運行控制要求。⑤接線復(fù)雜，可靠性不高，維護及檢修也很不方便。

總之，傳統(tǒng)的控制方式只能實現(xiàn)基礎(chǔ)性的簡單自動控制，根本沒辦法實現(xiàn)“無人值班”水電站所要求的實時性、可靠性、可維護性、可利用率和可擴充性的控制系統(tǒng)的要求。

2 梯級水電廠算機監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)想和實用化設(shè)計

溫州百丈漈水力發(fā)電廠一、二級電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)選擇了北京中水科水電科技開發(fā)有限公司的H9000系列計算機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分吸收借鑒了國際上水電自動化領(lǐng)域成熟技術(shù)，具有完全知識產(chǎn)權(quán)充分，具有良好的可靠性、可擴充性和可移植性，并支持異型機互聯(lián)。

2.1 一、二級電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置的實用化設(shè)計

溫州百丈漈水力發(fā)電廠一、二級站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用H9000系統(tǒng)作為全分布開放式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)分三層：梯調(diào)中心控制層、站級控制層以及現(xiàn)地控制單元層。三層之間采用100MB快速以太網(wǎng)總線，本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通訊介質(zhì)采用高性能的網(wǎng)絡(luò)交換機和光纖實現(xiàn)。系統(tǒng)具有較高的傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。梯調(diào)中心主機、廠站層主機、工程師工作站、通訊處理機、打印報表工作站及公用LCU布置在中控室、計算機室和繼保室，因距離網(wǎng)絡(luò)交換機較近，采用高品質(zhì)屏蔽雙絞線介質(zhì)連接；各機組現(xiàn)地層現(xiàn)地控制單元(LCU)距離機房網(wǎng)絡(luò)交換機較遠，則通過光纜相連。

（1） 梯調(diào)中心控制層

1）系統(tǒng)主機／操作員工作站

主機工作站兩套，采用HP XW4400工作站。每套配兩個21"液晶顯示器。兩臺主機以互為熱備方式工作，正常時，一臺完成監(jiān)視控制任務(wù)，另一臺則進行正常監(jiān)視。當監(jiān)控工作站故障或退出時，監(jiān)視工作站可自動或手動升為監(jiān)控站，完成監(jiān)控任務(wù)。主機/操作員工作站放在二級站中控室。

操作員工作站是全廠集中監(jiān)視和控制的中心和人機接口，用來實現(xiàn)電廠的實時圖形顯示、各種事件的畫面、各種報表顯示、報警和復(fù)歸的顯示、系統(tǒng)自診斷信息的顯示、操作員操作權(quán)限的登錄及其管理、設(shè)備的控制操作、系統(tǒng)配置等操作處理。

2）工程師/培訓(xùn)工作站

工程師/培訓(xùn)工作站一套，采用HP XW4300工作站。用于修改定值，增加和修改畫面，并可進行系統(tǒng)維護、軟件開發(fā)工作及遠程診斷等。此外，還可用于離線設(shè)置，對運行人員進行仿真培訓(xùn)。工程師/培訓(xùn)工作站還配有1臺LQ-1600KⅢ打印機和56K調(diào)制解調(diào)器。該打印機用于程序輸出和報表（報警）打印的備用，調(diào)制解調(diào)器用于遠方診斷通訊連接。

3）通信/打印服務(wù)器

通信/打印服務(wù)器采用HP XW4300工作站（配有8串口板）。該計算機安裝在計算機室。用于實現(xiàn)內(nèi)部通訊、與地調(diào)通訊；接收GPS對時時鐘信號對梯調(diào)的計算機設(shè)備進行對時；用于實現(xiàn)手機查詢及啟動手機通信發(fā)送報警信息；并用于連接一臺網(wǎng)絡(luò)打印機。

4）歷史數(shù)據(jù)庫及報表服務(wù)器

歷史數(shù)據(jù)庫及報表服務(wù)器采用HP ML370G4服務(wù)器。主要用于歷史數(shù)據(jù)的保存和常用報表的形成等。

5）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

考慮到同軸電纜及雙絞線的傳輸距離有限，并考慮現(xiàn)場干擾及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，選用100M高速光纖以太網(wǎng)。所選用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為CISCO 2914100M網(wǎng)絡(luò)交換機，其配置有24個100M RJ45接口和4個100M SC光纖接口。

4 套機組LCU與CISCO間通訊介質(zhì)為四芯多模光纖，系統(tǒng)內(nèi)其它計算機與CISCO交換機間的通訊介質(zhì)為8芯5類雙絞線。因二級電站與網(wǎng)絡(luò)柜之間距離較近，所以機組LCU與交換機之間的連接采用的5類雙絞線。

6）打印機

打印機配三臺，一臺LQ-1600KⅣ打印機和一臺HP500彩色激光打印機接通信/打印工作站，一臺LQ-1600KⅣ打印機接工程師工作站。

7）不間斷電源（UPS）

本系統(tǒng)梯調(diào)中心(含二級站站調(diào)系統(tǒng)設(shè)備)配置兩套在線式電力專用交/直流輸入SW-10003kVA。

（2）站級控制層（以一級站為例)

1）系統(tǒng)主機／操作員工作站

主機／操作員工作站兩套，采用32位HP XW4100工作站。每套配兩個19"大屏幕彩色顯示器。兩臺主機以互為熱備方式工作，正常時，一臺完成監(jiān)視控制任務(wù)，另一臺則進行正常監(jiān)視。當監(jiān)控工作站故障或退出時，監(jiān)視工作站可自動或手動升為監(jiān)控站，完成監(jiān)控任務(wù)。主機／操作員工作站放在中控室。

主機／操作員工作站用于完成對整個電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的管理，數(shù)據(jù)庫管理，在線及離線計算，各圖表曲線的生成，事故、故障信號的分析處理等功能。

2）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

考慮到同軸電纜及雙絞線的傳輸距離有限，并考慮現(xiàn)場干擾及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，選用100M高速光纖以太網(wǎng)。所選用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為CISCO 2914100M網(wǎng)絡(luò)交換機，其配置有24個100M RJ45接口和4個100M SC光纖接口。

3）不間斷電源（UPS）

本系統(tǒng)主控級配置兩套在線式電力專用交直流兩用電源CKD3kVA/220R，保證了監(jiān)控系統(tǒng)電源的可靠性。

4）打印機

一級站配置LQ-1600KⅢ、HPLJ5000LE和BJC-4650打印機各一臺，接主機／操作員工作站和工程師工作站。

5）工程師／培訓(xùn)工作站

工程師／培訓(xùn)工作站一套，采用32位COMPAQ AP200工作站。用于修改定值，增加和修改畫面，并可進行系統(tǒng)維護、軟件開發(fā)及遠程診斷等。此外，還可用于離線設(shè)置，對運行人員進行仿真培訓(xùn)。工程師兼培訓(xùn)工作站安裝在計算機室。

工程師／培訓(xùn)工作站還配有BJC4650打印機和 56K調(diào)制解調(diào)器。該打印機用于程序輸出和報表（報警）打印的備用，調(diào)制解調(diào)器用于遠方診斷通訊連接。

6）通信工作站

通信工作站1套，采用32位COMPAQ AP200工作站。該計算機安裝在計算機室。用于實現(xiàn)與水情自動測報系統(tǒng)和地調(diào)等的通訊。

7）GPS 時鐘系統(tǒng)

GPS時鐘系統(tǒng)一套，用于完成與監(jiān)控系統(tǒng)對時。其與站調(diào)層對時采用串行口，與現(xiàn)地層對時則采用無源脈沖接點。GPS時鐘系統(tǒng)還可給其它如保護、故障錄波等提供對時信號。

因二級電站目前與梯調(diào)中心在同一室(中控室)，所以二級電站的站調(diào)系統(tǒng)中取消了工程師工作站和通信服務(wù)器等設(shè)備。

（3）現(xiàn)地控制層

現(xiàn)地層采用現(xiàn)地控制單元(LCU)與專用功能裝置既相互配合，又相對獨立的設(shè)計原則，以提高系統(tǒng)的可靠性和整體性。LCU主機與外部獨立裝置以通訊方式進行數(shù)據(jù)交換。

每個電站各設(shè)有3套現(xiàn)地控制單元（LCU）。其中：2套機組LCU，1套公用設(shè)備及開關(guān)站LCU。LCU完成對監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理，負責(zé)向網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)信息，并自動服從調(diào)度層上位機的命令和管理。同時各LCU也具有控制、調(diào)節(jié)操作和監(jiān)視功能，配備有液晶觸摸屏，當與上位機系統(tǒng)脫機時，仍具有必要的監(jiān)視和控制功能。LCU由現(xiàn)地人機聯(lián)系終端（一般為觸摸屏）﹑控制器（一般由可編程控制器，簡稱PLC）、各種I/O通道（PLC的I/O模板）、各種智能裝置（如微機自動準同期裝置﹑溫度巡檢裝置﹑電度表、交流采樣裝置等）、通訊控制器、電源裝置、把手按鈕等附件組成。

1）液晶觸摸屏

每套LCU配有Pro-face GP系列觸摸屏一個：液晶屏：12.1"彩色；分辨率：640x480；內(nèi)存：4M；主頻：100MHz；擴展接口：打印/以太網(wǎng)/音頻/RS232。主要用于現(xiàn)地人機聯(lián)系終端

2）現(xiàn)地PLC

每臺LCU配有高性能的GE90-30可編程序控制器1套，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及設(shè)備的調(diào)節(jié)與控制（包括順控）?？刂破鞑粌H實時性指標要高，還應(yīng)有相當高的可靠性。并配有IC693CMM321網(wǎng)絡(luò)模塊一塊用于PLC直接上以太網(wǎng)。

GE 90-30系列PLC可編程控制器屬同類產(chǎn)品中的高檔產(chǎn)品，具有很高的性能價格比，在國內(nèi)大中小水電站均有廣泛的應(yīng)用，且編程維護簡單方便，技術(shù)支持好，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，槽位互換、可選模塊豐富，組態(tài)靈活、擴展便捷、維護簡單等特點。

3）通訊控制器

采用臺灣MOXA UC-7410-LX 10/100M,其有8個串口(RS232/422/485)，實現(xiàn)與各智能裝置及各種輔機設(shè)備的通訊，輔機設(shè)備如微機調(diào)速器、微機勵磁、微機保護、以及油、水、風(fēng)系統(tǒng)自動控制裝置等。

4）智能裝置

溫度測量裝置：發(fā)電機線圈、定子、主變、冷、熱風(fēng)溫度等溫度信號由溫度巡檢儀采集，并以通訊方式送至通訊控制器。溫度巡檢裝置采用合肥工大生產(chǎn)WXY-IV，接口采用RS-485，測量路數(shù)48路。

同期裝置：機組和開關(guān)站及公用LCU各配有一臺深圳智能公司生產(chǎn)的SID-2型多對象微機同期裝置，用于機組與系統(tǒng)并網(wǎng)。

機組交流采樣裝置采用GE公司的IC693PTM101模塊，其集成了電流、電壓、有功、無功等電量的采集。

5） 不間斷電源（UPS）

每臺LCU各配置一臺SW-10001kVA交直流220V輸入的在線式電力專用電源。

6）LCU數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)圖

圖1顯示了LCU通信結(jié)構(gòu)圖。不同的LCU，其擴展串口所接設(shè)備的數(shù)量可能不同，開關(guān)站和公用LCU不配置溫度巡檢設(shè)備。

圖1 LCU數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)圖

3 改造后運行情況

一級電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)于2005年5月投入運行，2007年6月隨著二級電站和梯調(diào)計算機監(jiān)控系統(tǒng)的建成投運，溫州百丈漈水力發(fā)電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)全部完成并投入運行。2年來，監(jiān)控系統(tǒng)的各類自動化元件運行正常，動作可靠，監(jiān)控系統(tǒng)整體運行良好。

4 結(jié)束語

溫州百丈漈水力發(fā)電廠計算機計算機監(jiān)控系統(tǒng)的成功建設(shè)與投運，達到了下面四個目標：

一是提高了發(fā)電生產(chǎn)自動化運行水平，減輕了運行勞動強度，提高了工作效率。監(jiān)控系統(tǒng)投運后，大大提高了百丈漈水電廠一級站綜合自動化運行水平，實現(xiàn)了一級站的"四遙"功能。比如機組開機，只須在站調(diào)或梯調(diào)下達一個開機令，就能實現(xiàn)機組從開機到并網(wǎng)到調(diào)節(jié)負荷的整個過程，并能在站調(diào)和梯調(diào)通過開機流程圖實時監(jiān)視機組的整個自動開機并網(wǎng)過程。此外，故障語音報警、事故追憶、事件順序記錄、操作記錄和報表打印等功能，友好的人機界面及完善豐富的CRT顯示系統(tǒng)，極大地方便了運行人員的操作和監(jiān)視，減輕了運行人員的勞動強度，使運行人員從以往繁瑣的監(jiān)盤、抄表工作中解放出來，提高了工作效率。

二是提高了安全生產(chǎn)運行水平。監(jiān)控系統(tǒng)的投產(chǎn)運行，不但提高了設(shè)備的綜合自動化程度和可靠性程度，也提高了該廠的安全生產(chǎn)運行水平。采用微機準同期自動并網(wǎng)裝置后，縮短了起動并網(wǎng)時間；同時還提高了機組并網(wǎng)的精確度，減少機組的沖擊，延長了機組壽命。監(jiān)控系統(tǒng)的成功投入，減少了運行人員誤操作的機率，為運行人員的正常運行操作特別是異常情況下處理，提供了智能化指導(dǎo)，有利于縮短事故處理時間。監(jiān)控系統(tǒng)具有的高分辨率事故追憶、事件順序記錄和操作記錄功能，提供了詳細的各種保護動作及操作順序的時間記錄，為分析事故原因及消除事故隱患提供了充分真實可靠的第一手依據(jù)，為安全生產(chǎn)提供可靠保障。

三是降低了發(fā)電耗水量，提高了經(jīng)濟效益。監(jiān)控系統(tǒng)運行后，把發(fā)電機組的平均并網(wǎng)時間縮短為傳統(tǒng)控制方式下的機組開機并網(wǎng)平均時間（不少于180s）的1／3，機組空載時間大大縮短，節(jié)約大量空載損耗，提高了經(jīng)濟效益。

四是實行了“無人值班（少人值守）”，達到了減人增效的目的。監(jiān)控系統(tǒng)建成并投入運行后，發(fā)電運行人員由7-8人減少5人，開始實施“無人值班”（少人值守）的運行管理模式(一級電站為少人值守)，使大部份運行人員從三班倒的崗位上解放出來，達到了減人增效的目的。

[1]方輝欽等.現(xiàn)在水電廠計算機監(jiān)控技術(shù)與試驗[M].中國電力出版社·2004.3.

[2]應(yīng)敏華等.電力系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)[M].上海電力學(xué)院，1999.6.

[3]馬義德，等.微型計算機原理及應(yīng)用[M].(第三版).高等教育出版社，2004.7.

[4]王德寬.水電廠綜合自動化及“無人值班”技術(shù)［M］.中國電力出版社，2001.1.

[5]百丈漈水力發(fā)電廠志[M].(浙江省電力工業(yè)志叢書).當代中國出版社，1997.12.

TP273+.5

B

1672-5387（2010）03-0032-03

2010-04-28

季余忠（1969-），男，浙江省百丈祭水電廠副廠長，工程師，從事電力系統(tǒng)自動化的研究和管理工作。