近尾洲水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造的實現及其特點

毛 琦，周永濱，鄧小剛，張衛(wèi)君，郭 潔，胡志斌，盧小芳，何亞文，劉 宇

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；2.湖南五凌電力有限公司近尾洲水電廠，湖南 衡陽 410007）

0 概述

近尾洲水電廠位于湘江中游，是湘江干流開發(fā)規(guī)劃中的第五級電站。近尾洲水電廠安裝有3臺由奧地利制造的燈泡貫流式機組，單機容量為21.06 MW,總裝機容量63.18 MW,設計年發(fā)電量2.92億kw·h，是一座具有發(fā)電、航運、灌溉等綜合效益的水電工程。

1 改造背景

近尾洲水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)于90年代設計，2001年設備正式投入運行，整個監(jiān)控系統(tǒng)由奧地利引進，主要由主控級、現地單元控制級兩層構成。主控級包括操作員工作站、打印機、SQL服務器等設備，現地單元控制級包括3套機組、1套公用與開關站。

電站計算監(jiān)控系統(tǒng)投運至今已超過10年，主控級、現地LCU、網絡等關鍵設備均已淘汰或老化，設備的穩(wěn)定性、可靠性大幅下降，故障率明顯升高，不利于電站的安全運行。原有設計方案、技術理念不能滿足水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術日益發(fā)展的需要。

此外，國內水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術已經成熟，國產化計算機監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)在技術、理念、服務方面的優(yōu)勢日益顯著，得到越來越多用戶的認同。

綜合考慮上述因素，電廠方面經過分析比較，最終選用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司所研發(fā)的活H9000V4.0計算機控制系統(tǒng)，對水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件、軟件進行全面升級改造。

2 改造總體思路

2.1 系統(tǒng)的可靠性設計

（1）為達到“無人值班（少人值守）”，監(jiān)控系統(tǒng)應具有極高的可靠性，采用國際著名廠商的成熟而可靠的、標準化的硬件、軟件、網絡結構和漢化操作系統(tǒng)，廣泛采用分布處理技術和冗余技術。采用軟件冗余措施，數據庫及控制功能分布處理，系統(tǒng)功能分布在網絡的各個節(jié)點中，系統(tǒng)內任一節(jié)點的故障不影響其余節(jié)點的正常工作。

（2）現地控制單元采用PLC直接上網的結構，充分利用PLC的高可靠性及邏輯控制方面的優(yōu)點，各LCU及各個輔機設備控制單元以可編程序控制器（PLC）及觸摸顯示屏等為基礎，由PLC完成全廠閉環(huán)控制與調節(jié)，保證全廠發(fā)電運行可靠，同時確保各個LCU不會因主控級發(fā)生故障而影響LCU各自承擔的監(jiān)控功能，LCU在脫離電站主控級的情況下，能保證機組安全運行。

（3）有關運行控制采用多重軟硬件安全閉鎖和操作權限制，并加強系統(tǒng)的供電電源的可靠性，現地控制單元LCU采用冗余供電。

2.2 功能的完善

（1）實現電站遠方AGC控制功能，穩(wěn)定可靠地與遠方調度中心進行數據通信，達到遠方調度自動化系統(tǒng)對電站的遙測、遙信、遙控、遙調的功能。

（2）實現監(jiān)控系統(tǒng)與電站MIS系統(tǒng)、水調自動化系統(tǒng)、機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)通信，同時預留將來可能出現的其它系統(tǒng)可靠的通信通道。

（3）改進現有監(jiān)控系統(tǒng)機組開機前需要在現地LCU屏上手動對報警信號復歸的設計缺陷，增加可以在監(jiān)控上位機上對所有報警信號進行手動復歸確認。

（4）為滿足與機組檢修后同步投運的安全、可靠要求，現地配置觸摸屏，運行人員可以在機旁完成機組投運或調試中的操作及輔機設備啟停、主備用切換，單步開停機等操作。

2.3 改造后系統(tǒng)的開放性與可擴性

改造后的近尾洲計算機監(jiān)控系統(tǒng)仍然采用開放式分層分布系統(tǒng)，既便于功能和硬件的擴充，又能充分保護用戶的投資。全分布式數據庫及軟件模塊化、結構化的設計，使系統(tǒng)更能適應功能的增加和規(guī)模的擴充。

整個系統(tǒng)由電站主控級計算機和現地控制單元（LCU）組成，采用10/100/1000 Mb/s冗余光纖交換式環(huán)型網或雙以太網結構。電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)能對全廠主要機電設備進行控制，對所有機電設備的運行情況進行全面監(jiān)控，對電站生產管理、狀態(tài)檢修用途的數據采集、處理、歸檔、歷史數據庫的生成、網絡數據拷貝，并為MIS系統(tǒng)提供數據。功能和數據庫分布在系統(tǒng)各節(jié)點上，使監(jiān)控系統(tǒng)具有更高的效率、更高的可靠度及更好的可擴性。系統(tǒng)支持在線及離線編程，遠程維護和全網絡化數據信息交換。更換各發(fā)電機組、中央控制/公用/開關站LCU柜內PLC及相應設備。

3 主控級改造

（1）硬件

由于原有系統(tǒng)運行時間較長，設備老化，對生產運行帶來較大的安全隱患，因此本次改造將換所有舊系統(tǒng)的硬件，關鍵設備均采用當前主流進口產品：美國HP公司主機兼操作員站、（遠動、調度、廠內）通信工作站、工程師工作站、報表工作站等，中心交換機采用兩臺德國赫斯曼公司生產的高檔工業(yè)骨干中心交換機，構成10/100/1000 Mb/s自適應冗余光纖交換式星型以太網。增設報表系統(tǒng)計算機，水情測報、電能量采集系統(tǒng)接口程序開發(fā)、新增的近區(qū)變、廠用變等電度表接入監(jiān)控系統(tǒng)，并為MIS系統(tǒng)提供數據。更換衛(wèi)星同步時鐘裝置，并接入監(jiān)控系統(tǒng)，對整個系統(tǒng)對時，具備網絡對時功能。更換冗余UPS系統(tǒng)。

4套現地控制單元PLC硬件全部更換，新的PLC硬件均選用法國施耐德公司的Quantum系列產品。大大提高任務執(zhí)行速度，增加了多任務特性，存貯容量加大，用戶編程更加方便。

每個LCU配備的PLC，完成系統(tǒng)的數據采集、電廠主輔設備的控制及設備的調節(jié)與控制(包括順控)。進行全廠閉環(huán)控制與調節(jié)，保證全廠發(fā)電運行可靠。（見圖1）

圖1 近尾洲水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造方案配置框圖

（2）軟件

改造后的近尾洲計算機監(jiān)控系統(tǒng)仍然采用開放式分層分布系統(tǒng)，全分布數據庫。整個系統(tǒng)由電站主控級計算機和現地控制單元（LCU）組成，電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)能對全廠主要機電設備進行控制，對所有機電設備的運行情況進行全面監(jiān)控，對電站生產管理、狀態(tài)檢修用途的數據采集、處理、歸檔、歷史數據庫的生成、網絡數據拷貝，并為MIS系統(tǒng)提供數據。

電廠和長沙調度中心計算機系統(tǒng)之間進行通訊采用104規(guī)約，實現遙信、遙測、遙控和遙調的功能；電廠與衡陽地調中心計算機之間進行通訊采用101規(guī)約，實現遙信、遙測、遙控和遙調的功能。

4 系統(tǒng)改造的特點

近尾州水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造項目在設計和施工過程中出現了一些新問題，并提出了相應的解決方案。

4.1 部分模擬量輸出信號采用差分傳輸方式

施耐德模出模塊140ACO13000的4～20 mA電流信號輸出，采用的是傳統(tǒng)單端傳輸方式，其公共端為DC24 V負端，而勵磁、調速器相應電流輸入同樣為單端輸入，公共端為DC24 V正端。如果強行將公共端連接在一起，將會出現不同系統(tǒng)電源混接，導致多個系統(tǒng)無法正常工作的，甚至損壞設備的嚴重后果。因此，140ACO13000輸出信號不能直接傳輸到勵磁、調速系統(tǒng)。為解決此矛盾，在模擬量輸入輸出之間加裝了信號隔離裝置，將單端傳輸的信號轉換成了差分傳輸信號，如圖2所示：

圖2 近尾州模擬量隔離示意圖

此種設計解決了信號不能直接傳輸的問題，同時采用差分方式有效提高了電流信號抗共模噪聲的能力，保證了系統(tǒng)電壓及功率調節(jié)的安全性、準確性和可靠性。

4.2 施工安全性

（1）高空作業(yè)

根據現場實際情況，需要人員在4 m高橋架進行電纜敷設工作，這就對現場人員的安全提出了極高的要求。首先，要求每個參與施工人員從思想上認識施工安全的極端重要性，在保證安全的前提下高效的完成工作任務；第二，嚴格按照施工方案進行施工作業(yè)，現場人員不能擅做主張，隨意更改施工方法；第三，現場人員必須佩戴安全帽、安全帶等防護設備，不佩戴安全帽不得進入施工現場，不佩戴安全帶不得登上橋架；第四，現場高空作業(yè)實行雙重監(jiān)督機制，即：現場指揮管理人員為第一層監(jiān)督，施工時間必須時刻在現場指揮監(jiān)督，及時發(fā)現問題解決問題，防患于未然，電廠相關人員為第二層監(jiān)督，對現場進行指導發(fā)現問題可隨時暫停施工，并及時提供關于現場的咨詢服務；第五，對可能出現的意外情況進行預案處理，將損失降到最低。

（2）帶強電作業(yè)

現地LCU改造過程中，由于部分設備不能斷電，且進入LCU的開入信號為DC220 V強電信號。此外原技術圖紙與實際接線有誤差，盤柜內部原配線繁雜凌亂。因此，施工過程中的人員及設備安全受到威脅。對此，提出了有針對性防護措施；①在施工現場鋪設絕緣墊，施工人員佩戴絕緣手套；②拆除原設備前，對屏柜內每個設備進行登記，由電廠人員進行確認；③使用電壓測試筆測定每個端子的電壓等級，對高于36 V安全電壓的端子進行標記和隔離處理；④施工過程有專人監(jiān)督，任何人不得單獨作業(yè)；⑤配線完成屏柜上電前，按照圖紙嚴格檢查配線情況，尤其是電源供電系統(tǒng)，確保無短路、無強弱電交叉混接；⑥確保所有設備開關處于關閉狀態(tài)，按照交流、直流一段、直流二段順序逐一給電，后對電源系統(tǒng)所有端子及空開的極性、電壓等級等進行測定，無誤后逐一開啟設備電源，出現不正常情況立即關掉進線電源。

4.3 現地人機界面報警數據庫功能完善

近尾州水電廠現地人機界面首次采用昆侖通態(tài)高性能TPC系列觸摸屏，其報警數據庫的組態(tài)采用實時報警數據庫和歷史報警數據庫分開但相結合的方式，實時報警一覽表只顯示當前的報警，無報警時無任何條目顯示；歷史報警一覽表最多追溯2000條報警記錄，歷史報警數據庫會記錄任何報警的變位情況，報警解除也不會消失。

這種方式，既滿足廠方對現地人機界面可追溯性的要求，又可使報警信息一目了然，在現地觸摸屏功能有限的情況下，最大限度實現了功能齊全、界面友好。

5 結束語

在多方面的大力支持和配合下，近尾洲水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造順利完成，新的監(jiān)控系統(tǒng)接受上級調度中心的調度指令，實現廠內經濟運行，實現遠方調度中心及站內閉環(huán)運行、自動監(jiān)測和控制，對于提高電廠運行經濟效益，提高電站安全運行水平，改善職工運行條件及提高電能生產的質量等方面產生的積極效果得到業(yè)主的肯定與好評。同時此次監(jiān)控系統(tǒng)的改造為今后改造國外監(jiān)控系統(tǒng)提供了寶貴的經驗。

[1]王德寬，袁 宏，王崢瀛，等.H9000 V4.0計算機監(jiān)控系統(tǒng)計算特點概要[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2007（3）.

[2]張 毅，王德寬，等.面向巨型機組特大型水電站監(jiān)控系統(tǒng)的研制與開發(fā)[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2008，（1）.