H9000計算機監(jiān)控系統(tǒng)在大黑汀水電站的應用及改進分析

劉建波，武金輝

（海委引灤局大黑汀水庫管理處電站，河北 遷西 064309）

0 引言

大黑汀水庫位于河北省唐山地區(qū)遷西縣城以北約5 km處的灤河干流上。水庫上游約30 km 有潘家口水庫，大黑汀及潘家口兩水庫聯(lián)合運用，以發(fā)揮防洪、供水等功能。大黑汀水電站坐落在灤河干流上，是引灤入津工程的源頭，由渠首電站、河床電站及升壓站組成，電站共安裝5臺機組，總裝機容量23.8 MW。其中，渠首電站安裝1號～4號機組，單機容量為3.2 MW，向天津和唐山供水時發(fā)電；河床電站安裝5號機組，單機容量為11 MW，向灤河下游農(nóng)業(yè)供水及泄洪時發(fā)電。電站于1987年投入運行，運行期間雖然對主機設備進行了大修或技術改造，其性能較以前有了很大提高。但是，由于機組自動控制、監(jiān)測保護、音響信號等二次設備均為70年代阿城繼電器廠產(chǎn)品，是硅半導體分立元件組成的弱電無觸點邏輯控制回路，技術落后，回路復雜，老化失修，已屬淘汰產(chǎn)品。運行中拒動、誤動現(xiàn)象時有發(fā)生，直接威脅著電站的安全可靠運行，嚴重制約著電站經(jīng)濟效益的發(fā)揮，更不能適應現(xiàn)代化管理技術發(fā)展的需要。

鑒于目前現(xiàn)代化生產(chǎn)過程計算機控制技術的飛速發(fā)展，尤其是計算機監(jiān)控技術在水電站得到廣泛應用?；谶@樣的發(fā)展趨勢，決定對大黑汀水電站的二次系統(tǒng)進行徹底改造，選定中國水科院自動化所開發(fā)的H9000 監(jiān)控系統(tǒng)作為大黑汀的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

根據(jù)機組運行的實際情況及投資安排，這幾年相繼完成了1號、3號、4號、5號機組二次系統(tǒng)和升壓站信號傳輸系統(tǒng)的更新改造，使大黑汀的自動化控制水平及自動控制功能得到大大提高，還有2號機組的計算機監(jiān)控系統(tǒng)需要進行改造。本文對大黑汀水電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)應用進行介紹，對進一步改進進行分析。

1 系統(tǒng)的結構及主要功能

根據(jù)大黑汀電站的實際情況和分層分布的基本原理，大黑汀的計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用二層分布開放系統(tǒng)總線結構。監(jiān)控系統(tǒng)總體結構如圖1。下面從分層和分布兩個方面描述。

圖1 大黑汀水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)配置圖

1.1 分層

從上圖可以看出整個監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結構，共分二層：廠站級主控制層以及現(xiàn)地控制單元層。

現(xiàn)地控制層包括6套現(xiàn)地控制單元（LCU），其中，5套機組LCU、1套公用設備/開關站LCU，完成指定設備的現(xiàn)地監(jiān)控任務。

廠站級主控層及其現(xiàn)地控制單元層之間采用快速交換式以太網(wǎng)絡總線，構成高可靠性的局域網(wǎng)絡結構，通訊采用100 MB網(wǎng)絡交換機和光纖，具有較高傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。主控層計算機設備布置在渠首電站中控室。100MB網(wǎng)絡交換機通過高品質(zhì)屏蔽雙絞線介質(zhì)連接主控層的各個工作站，通過多膜光纜分別聯(lián)接現(xiàn)地層分布的各LCU單元。廠站級主控層包括操作員站和通訊站，其中操作員站設置2臺計算機，二者為雙機冗余結構，為主備用工作方式。兩臺工作站可同時工作，同時接受各種實時數(shù)據(jù)，更新數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫內(nèi)容時刻保持一致。兩臺工作站以互為熱備用方式工作，互相監(jiān)視，一臺完成監(jiān)視控制任務，另一臺則進行正常監(jiān)視。當監(jiān)控工作站故障時，監(jiān)視工作站自動升為監(jiān)控站。操作員工作站(兼主機)設在中控室，供運行值班人員使用。

采用上述分層結構，確保了整個監(jiān)控系統(tǒng)控制的實時性、安全性和可靠性。

1.2 分布

整個監(jiān)控系統(tǒng)的功能分布在不同層次的不同設備之中，各設備協(xié)調(diào)配合，完成全廠監(jiān)控功能。具體功能分布情況如下：

現(xiàn)地控制層各LCU按被控對象單元分布，如機組現(xiàn)地控制單元、公用設備及開關站控制單元，各控制單元完成其被控設備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視及控制功能。

主站的監(jiān)控功能分布在廠站級主控層中，如操作員工作站主要完成數(shù)據(jù)采集與處理、實時數(shù)據(jù)庫的管理、監(jiān)控系統(tǒng)的人機聯(lián)系功能以及完成歷史數(shù)據(jù)管理等任務。完成對本廠的運行監(jiān)視和閉環(huán)控制、隨時接受遠方控制中心的調(diào)度命令，發(fā)布操作控制命令、設定與變更工作方式、廠內(nèi)優(yōu)化運行AGC/AVC計算和處理，數(shù)據(jù)庫管理等功能。

工程師/通訊工作站供系統(tǒng)專責工程師使用。用于系統(tǒng)開發(fā)、編輯和修改應用軟件、建立數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)初始化和管理、檢索歷史記錄、系統(tǒng)故障診斷及培訓等工作，培訓工作只在離線時進行用于修改定值，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。工程師工作站安裝在計算機室，工程師工作站具有與操作員站相同的配置，也可作為操作員工作站的備用。同時它還擔任與中控室內(nèi)的反饋屏及其他系統(tǒng)的實時通訊功能。

通過功能的合理分布，確保系統(tǒng)各節(jié)點的負荷率滿足設計和實時運行的要求，同時任何局部設備的故障，不影響系統(tǒng)其余部分功能的正常運行。

1.3 主要功能

本系統(tǒng)采用了標準H9000 系統(tǒng)，是一套完整的實時控制系統(tǒng)，配備了完整的系統(tǒng)監(jiān)控功能。主要功能描述如下。

（1）新型人機聯(lián)系功能

系統(tǒng)采用最新開放式圖形硬件、軟件技術，全圖形人機界面軟件基于X/Window，Motif，顯示直觀易懂，操作手段簡便、靈活，具有多窗口無級縮放、細節(jié)顯示、跟蹤查詢等功能，面向目標編程，全鼠標驅(qū)動，圖形操作，漢字界面，多級下拉式菜單加多級彈出式菜單操作，靈活的用戶適配工具功能，人機界面非常友好，用戶可以根據(jù)自己的習慣制作自己的人機界面。H9000 系統(tǒng)支持多屏、多窗口顯示，不同窗口可以顯示同一畫面，也可顯示不同畫面。信息可采用圖形、數(shù)字、信號燈、表格、曲線等表示方式，表現(xiàn)方式靈活多樣，并可采用立體三維、實時動畫的方式。系統(tǒng)還可以方便地采用專業(yè)圖形表示電站的運行狀態(tài)，如發(fā)電機P－Q 圖、閘門水位圖等。

（2）實時采集電站主要設備的運行狀態(tài)、參數(shù)，對電站各控制點和監(jiān)視點進行自動安全檢測、越限報警、事件順序記錄、事故故障原因提示、事故語音報警。

（3）實現(xiàn)水輪發(fā)電機組的自動順序起、?？刂萍柏摵烧{(diào)整，斷路器、隔離開關等重要電氣設備的投切操作以及其他自動控制功能。

（4）綜合計算與統(tǒng)計分析

監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)實時采集到的數(shù)據(jù)進行周期、定時或召喚計算分析，形成各種計算數(shù)據(jù)庫與歷史數(shù)據(jù)庫，幫助運行人員對電廠設備的運行進行全面監(jiān)視與綜合管理。

（5）通過通訊機實現(xiàn)與中控室反饋屏的實時通訊，把一次主接線中各開關的狀態(tài)實時顯示出來。

（6）機組LCU的一般功能

每臺LCU均是一套完整的計算機控制系統(tǒng)。與系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時，作為監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，實現(xiàn)系統(tǒng)指定的功能。而當與系統(tǒng)脫離時，則能獨立運行，實現(xiàn)LCU的現(xiàn)地監(jiān)控功能。

2 應用情況及改進分析

大黑汀的監(jiān)控系統(tǒng)自2000年陸續(xù)投入運行以來，減輕了電站運行人員的勞動強度，提高了設備安全運行能力，保證了機組的安全可靠運行。但隨著系統(tǒng)應用的不斷深入，隨著技術進步，尤其是計算機技術的不斷發(fā)展，先期進行改造的監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題日益顯出來，需進行改造和完善，主要問題及改進思路如下：

2.1 一期工程中監(jiān)控系統(tǒng)應用情況及分析

（1）由于大黑汀監(jiān)控系統(tǒng)的一期工程（河床電站監(jiān)控系統(tǒng)）是于2000年改造完成的，當時采用的設備及系統(tǒng)與大黑汀后期工程相比，相對落后一些，需要對其進行改進，首先是將監(jiān)控系統(tǒng)H9000的版本由原來的V1.0升級到V3.0，需要對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行升級，同時將河床電站的操作員站硬件進行升級，使河床電站和渠首電站的監(jiān)控系統(tǒng)相一致，保證通訊正常進行。

（2）河床電站監(jiān)控系統(tǒng)中的工控機應該取消。工控機在系統(tǒng)中主要用于接收上位機的命令并轉(zhuǎn)發(fā)給PLC，同時接收PLC 和其他采集裝置上送的各種現(xiàn)場設備信息并轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。在運行中發(fā)現(xiàn)，因為機旁震動大、灰塵多、濕度大，影響工控機風扇的運行，導致工控機可靠性不高，影響監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行。需要考慮在原有PLC 設備的基礎上，將部分模塊置換并增加網(wǎng)絡通訊模塊，將現(xiàn)地單元的工控機更換為現(xiàn)在渠首電站采用的觸摸屏，即可實現(xiàn)PLC 直接上網(wǎng)功能。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)與外網(wǎng)的通訊問題

目前大黑汀機組運行的情況還處于一個獨立的閉環(huán)網(wǎng)絡中，外部MIS 網(wǎng)中每天需要的機組運行數(shù)據(jù)還需要人工填寫，為了實現(xiàn)從外網(wǎng)上了解機組運行情況，考慮到監(jiān)控系統(tǒng)的安全防護問題，需增加廠外通訊器及相應的軟件，還要增設一套物理隔離裝置和IP 認證加密裝置，保證外網(wǎng)只能單方向讀監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，防止黑客及病毒入侵監(jiān)控系統(tǒng)，保證機組安全可靠運行。

2.3 操作員工作站報警窗口中報警信息的定義問題。

目前監(jiān)控系統(tǒng)報警窗的信息比較多，只要現(xiàn)場設備狀態(tài)變位，則均會在報警窗內(nèi)顯示。維護人員需要了解這些詳盡的數(shù)據(jù)，但運行人員需要了解重要的故障信號。所以建議最好能進行分門別類，需要按照條件進行報警并配上語音報警，正常變位的信息不需要在報警窗內(nèi)顯示，但全部報警應該保存在歷史數(shù)據(jù)庫中，以備需要時查詢。

目前大黑汀的2號機組的二次系統(tǒng)還沒有改造完成，不能實現(xiàn)整個電站的集中監(jiān)控，所以現(xiàn)在運行人員還不能完全在中控室進行監(jiān)視，給運行人員帶來了不便，需加快對2號機組二次系統(tǒng)的改造進度，盡快實現(xiàn)整個電站機組的計算機監(jiān)控。

總之，在改造過程中需要經(jīng)常總結，梳理需求，做到有目標、有計劃進行改造，使改造后的監(jiān)控系統(tǒng)在可靠性、實時性上進一步提高，充分考慮系統(tǒng)的可擴充性和網(wǎng)絡冗余，并兼顧系統(tǒng)性能價格比，達到系統(tǒng)的設備先進，運行可靠，維護方便。

3 結束語

H9000計算機監(jiān)控系統(tǒng)在大黑汀得到了良好的應用，使機組的運行狀態(tài)更加穩(wěn)定，查找故障點也比以前方便很多。今后通過大黑汀技術人員與北京水科院的技術人員密切溝通、合作，不斷的提高大黑汀的綜合自動化水平，取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益，為大黑汀實現(xiàn)下一步的無人值班（少人值守）的目標奠定堅實的基礎。

[1]劉建波，武金輝.大黑汀水電站5號機組計算機監(jiān)控系統(tǒng)與基礎自動化改造[J].水利水電工程設計，2001（1）.

[2]中國水利水電科學研究院自動化所.H9000計算機監(jiān)控系統(tǒng)高級培訓班資料[Z].2005.