密云水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張衛(wèi)君，高曉森，毛 琦，史小杰，苗珍山

（1.北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038；2.北京華電水電有限公司，北京101512；3.北京華電集團(tuán)，北京 100035）

北京密云水電廠位于北京市東北部的潮白河上，距北京市約100 km，是一座以防洪、供水、發(fā)電和灌溉為目的的綜合性水利樞紐工程。該電廠裝有4臺(tái)18.7 MW 常規(guī)水力發(fā)電機(jī)組和2臺(tái)13 MW 抽水蓄能機(jī)組，是一座常規(guī)水電機(jī)組與抽水蓄能機(jī)組相結(jié)合的混合式電廠。

密云水電廠原計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用的是北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司的H9000（V2.0）系統(tǒng)，已投入運(yùn)行多年，對(duì)電廠的安全生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用。

隨著計(jì)算機(jī)和控制器等電子設(shè)備的逐漸老化，備品備件難于采購(gòu)，成為制約電廠安全運(yùn)行的瓶頸。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，提高管理水平和經(jīng)濟(jì)效益，將原有的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造為H9000（V4.0）系統(tǒng)。

1 原系統(tǒng)存在的問(wèn)題及改造設(shè)計(jì)思路

原系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是H9000V2.0 版。隨著技術(shù)進(jìn)步，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)這些年的不斷充實(shí)、改進(jìn)和完善，已經(jīng)升級(jí)發(fā)展到V4.0 版（具有更高的系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性）。原監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)置已不能夠滿(mǎn)足該系統(tǒng)的技術(shù)要求，系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性較差。

由于歷史原因，原來(lái)開(kāi)關(guān)站及公用系統(tǒng)部分未能接入到計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，成為系統(tǒng)盲區(qū)，嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

限于當(dāng)時(shí)PLC的網(wǎng)絡(luò)接入能力，在原系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，現(xiàn)地控制層采用工控機(jī)作為以太網(wǎng)通信網(wǎng)關(guān)、人機(jī)聯(lián)系接口和現(xiàn)地通信控制器。

為提高密云電廠全廠自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)電廠創(chuàng)一流企業(yè)的目標(biāo)，以及基于原監(jiān)控系統(tǒng)存在的一些問(wèn)題，系統(tǒng)改造按如下思路設(shè)計(jì)：

（1）按照無(wú)人值班（少人職守）的設(shè)計(jì)理念，采用“總體設(shè)計(jì)一次到位，改造分布實(shí)施”的原則；

（2）系統(tǒng)硬件選用國(guó)際或國(guó)內(nèi)知名品牌的產(chǎn)品，系統(tǒng)軟件采用中水科技公司最新H9000V4.0計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，充分保證系統(tǒng)具有高可靠性、先進(jìn)性和維護(hù)方便；

（3）采用PLC 直接上網(wǎng)方式，取消工控機(jī)，減少系統(tǒng)的故障環(huán)節(jié)；

（4）采用嵌入式智能通信控制器，完成LCU與各現(xiàn)地設(shè)備，如微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置、微機(jī)調(diào)速裝置、微機(jī)保護(hù)裝置、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置等其它設(shè)備的通信；

（5）將開(kāi)關(guān)站及公用系統(tǒng)部分接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，保證全廠設(shè)備監(jiān)控的完整性，不留控制死區(qū)；

（6）充分利用電站的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，保留并優(yōu)化原有的工藝流程，盡量減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試周期；

（7）現(xiàn)地LCU盤(pán)柜內(nèi)設(shè)備合理布局，盡量保留原有設(shè)備（電纜和自動(dòng)化元器件等）和安裝位置不變，避免過(guò)多的重新接線，減少改造工作量，減少投資；

（8）形成全廠統(tǒng)一時(shí)鐘系統(tǒng)；

（9）改造過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)新老系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)，保證與上級(jí)調(diào)度部門(mén)數(shù)據(jù)通信無(wú)中斷。

2 監(jiān)控系統(tǒng)改造內(nèi)容

2.1 廠站層

廠站層系統(tǒng)為新建設(shè)系統(tǒng)，與原系統(tǒng)廠站層完全獨(dú)立。系統(tǒng)采用分層分布開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用以太網(wǎng)之星形結(jié)構(gòu)，廠站級(jí)主控層及其現(xiàn)地控制單元層之間采用快速交換式以太網(wǎng)絡(luò)總線，通訊介質(zhì)采用100 Mbit/s 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和光纖，系統(tǒng)具有較高的傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。網(wǎng)絡(luò)上接入的每一個(gè)設(shè)備都有其特定的功能，實(shí)現(xiàn)了功能的分布，既提供了某個(gè)設(shè)備的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。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 改造后密云電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)按照H9000計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方式配置，廠站層配置兩臺(tái)操作員工作站，一臺(tái)運(yùn)行維護(hù)站，一臺(tái)ON-CALL工作站兼通信站，一臺(tái)交換機(jī)，一套衛(wèi)星對(duì)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)。

操作員工作站的功能包括對(duì)整個(gè)電廠的運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、綜合計(jì)算、事故故障信號(hào)的分析處理、圖形顯示、定值設(shè)定及變更工作方式、模擬數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析及記錄、統(tǒng)計(jì)和制表打印、運(yùn)行和事故處理指導(dǎo)、歷史數(shù)據(jù)記錄、整理、歸檔和檢索等。運(yùn)行值班人員通過(guò)操作員站對(duì)電廠的生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)行做實(shí)時(shí)監(jiān)視。工作站配置聲卡和語(yǔ)音軟件，用于當(dāng)被監(jiān)控對(duì)象發(fā)生事故或故障時(shí)，發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警提醒運(yùn)行人員。兩套操作員工作站互為備用，可無(wú)擾動(dòng)切換。

運(yùn)行維護(hù)工作站供電廠維護(hù)人員對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)、畫(huà)面的修改維護(hù)工作。ON-CALL 工作站實(shí)現(xiàn)電話語(yǔ)音及短信息報(bào)警及查詢(xún)功能，實(shí)現(xiàn)與微機(jī)五防系統(tǒng)、上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)的通信。在改造過(guò)渡期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)與原監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。衛(wèi)星對(duì)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)完成全廠設(shè)備的統(tǒng)一對(duì)時(shí)。

2.2 現(xiàn)地層

現(xiàn)地層配置6套機(jī)組LCU和1套開(kāi)關(guān)站LCU，6套機(jī)組LCU是在原系統(tǒng)上改造，開(kāi)關(guān)站LCU全部為新增加設(shè)備。

原系統(tǒng)現(xiàn)地控制層采用工控機(jī)作為以太網(wǎng)通信網(wǎng)關(guān)、人機(jī)聯(lián)系接口和現(xiàn)地通信控制器。由于工控機(jī)產(chǎn)品采用了硬盤(pán)、風(fēng)扇等旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件，風(fēng)扇損壞后，在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)使工控機(jī)燒毀，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)此型號(hào)工控機(jī)已經(jīng)停產(chǎn)，備品采購(gòu)非常困難，一旦發(fā)生故障將影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，所以其可靠性大大降低，成為整個(gè)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

改造后通過(guò)PLC 直接上網(wǎng)方式，完成現(xiàn)地PLC 與廠站層設(shè)備的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制。LCU采用PLC 直接聯(lián)網(wǎng)的方式，提高了系統(tǒng)的可靠性，采用彩色液晶觸摸屏作為現(xiàn)地人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地控制與顯示功能。每套LCU通過(guò)增加一臺(tái)嵌入式通信控制器，完成LCU與各現(xiàn)地設(shè)備，包括微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置、微機(jī)調(diào)速裝置、微機(jī)保護(hù)裝置、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置、溫度巡檢裝置、多功能儀表等其它設(shè)備的通信。

3 改造過(guò)程中幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

3.1 改造過(guò)渡期安全穩(wěn)定運(yùn)行

密云水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造工期安排時(shí)間跨度大，各現(xiàn)地控制單元按檢修計(jì)劃安排分批進(jìn)行。根據(jù)檢修計(jì)劃在停機(jī)檢修過(guò)程中實(shí)施機(jī)組現(xiàn)地LCU的改造，作好安全措施后將單獨(dú)一臺(tái)LCU與舊系統(tǒng)脫離，現(xiàn)地調(diào)試完成后接入新系統(tǒng)中。廠站層系統(tǒng)隨首臺(tái)LCU改造一次建設(shè)完成。

監(jiān)控系統(tǒng)改造期間，為不影響正常生產(chǎn)，有多種過(guò)渡期方案可供采用[1]。對(duì)于全廠機(jī)組參與調(diào)度AGC運(yùn)行且改造期間AGC不中斷運(yùn)行的電廠，采用平滑過(guò)渡的方案，即通過(guò)新老系統(tǒng)之間的通信，將新系統(tǒng)改造完成機(jī)組數(shù)據(jù)送往老系統(tǒng)，老系統(tǒng)接收到調(diào)度全廠給定經(jīng)AGC 運(yùn)算分配后對(duì)新系統(tǒng)控制的機(jī)組進(jìn)行功率調(diào)節(jié)控制；對(duì)于調(diào)度無(wú)自動(dòng)控制要求的電廠，為確保安全，采用新老系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的過(guò)渡方案，新老系統(tǒng)并列獨(dú)立運(yùn)行，新系統(tǒng)將改造完成機(jī)組數(shù)據(jù)送入老系統(tǒng)，由老系統(tǒng)完成全廠數(shù)據(jù)上送調(diào)度部門(mén)，在全廠所有LCU改造完成后，與調(diào)度通信任務(wù)改由新系統(tǒng)完成，新老系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)只監(jiān)視不控制。因調(diào)度對(duì)密云水電廠無(wú)自動(dòng)控制要求，且新系統(tǒng)配置了廠站層交換機(jī)，所以采取了新老系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的過(guò)渡方案，新系統(tǒng)通過(guò)串口方式以CDT規(guī)約向老系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)。

3.2 PLC程序軟件移植

系統(tǒng)改造中LCU保留原CPU 模塊，I/O 模塊，增加以太網(wǎng)模塊。原PLC 編程軟件為L(zhǎng)M90，LM90 為DOS 環(huán)境下的編程方式，程序的可讀性與維護(hù)性差，所以在此次改造中將編程軟件由LM90升級(jí)為基于Windows的ProficyME。軟件移植過(guò)程中，充分考慮兩種編程軟件的差異及PLC程序軟件升級(jí)在編程規(guī)約上的差異，利用電廠長(zhǎng)期運(yùn)行積累的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，保留并優(yōu)化原有的工藝流程。

3.3 抽水蓄能機(jī)組控制

密云水電廠1號(hào)機(jī)組與2號(hào)機(jī)組為抽水蓄能機(jī)組，與常規(guī)機(jī)組運(yùn)行及控制方式存在差異。兩臺(tái)抽水蓄能機(jī)組為半壓?jiǎn)?dòng)雙轉(zhuǎn)速斜流轉(zhuǎn)漿機(jī)組，過(guò)程控制復(fù)雜，如果控制不當(dāng)，特別容易產(chǎn)生機(jī)組的過(guò)電壓、水泵逆功率、產(chǎn)生差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)及機(jī)組振動(dòng)等難題，在改造過(guò)程中，經(jīng)過(guò)周密的論證和嚴(yán)格的試驗(yàn)，解決了這些問(wèn)題。

3.4 通信控制器軟件開(kāi)發(fā)

由于電廠部分自動(dòng)化設(shè)備老舊，多采用自定義的非通用規(guī)約格式，監(jiān)控系統(tǒng)所配置通信控制器在與這些設(shè)備進(jìn)行串口通信時(shí)需開(kāi)發(fā)相應(yīng)的規(guī)約軟件，如溫度巡檢設(shè)備、繼電保護(hù)設(shè)備等。通信控制器采用UC-7410-LX 通信智能控制器，CPU 主頻266 MHz，128M內(nèi)存，其串口處理速度與能力比現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備串口通信能力強(qiáng)太多，所以在速度匹配上存在問(wèn)題，經(jīng)常出現(xiàn)召喚報(bào)文發(fā)出后收不到回應(yīng)，后經(jīng)過(guò)軟件延時(shí)處理，解決速度匹配的問(wèn)題。

在與繼電保護(hù)設(shè)備的通信調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)只有保護(hù)動(dòng)作信號(hào)報(bào)文，無(wú)復(fù)歸報(bào)文，在現(xiàn)地實(shí)際信號(hào)復(fù)歸后，由于無(wú)復(fù)歸報(bào)文送到通信控制器，上位機(jī)報(bào)警信號(hào)不復(fù)歸。通過(guò)對(duì)UC通信軟件的處理和PLC通信數(shù)據(jù)上送區(qū)的處理，結(jié)合上位機(jī)信號(hào)復(fù)歸令對(duì)信號(hào)進(jìn)行復(fù)歸的方式，解決保護(hù)信號(hào)復(fù)歸的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

密云水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造工程已通過(guò)竣工驗(yàn)收，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、各項(xiàng)功能完善、操作維護(hù)方便，大大提高了該廠的生產(chǎn)效益和自動(dòng)化水平。此改造工程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，將為其它同類(lèi)水電廠監(jiān)控系統(tǒng)改造提供很好的參考價(jià)值，特別是對(duì)抽水蓄能機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1]袁 宏，楊春霞，等.監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造策略在烏江渡發(fā)電廠的應(yīng)用[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2011，34（6）：73－76.

[2]周永濱，盧小芳，等.H9000 系統(tǒng)在凌津?yàn)┧娬颈O(jiān)控改造中的應(yīng)用[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2011，34（3）：45－46.