徐村水電廠系統(tǒng)升級改造

連雪廣，鄧小剛，曾學(xué)文，張 健，滿運濤

（1．北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；2.華能大理徐村水電有限公司，云南 大理 671000）

0 概述

徐村水電站位于大理白族自治州漾濞縣與巍山縣交界的漾濞江上，是漾濞江中段河流規(guī)劃的第三級電站。電站由中國華能集團與云南省電力投資有限公司共同投資興建，電站總裝機容量達到84MW，電站正常蓄水位為1306.00m，死水位1 296.00 m，水庫庫容0.7375億m3，調(diào)節(jié)庫容0.239億 m3，死庫容0.451 7億m3，為不完全月調(diào)節(jié)水庫。該電站設(shè)計水頭45 m，多年平均發(fā)電量3.45億kW·h。

徐村水電站改造前使用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司H9000 V2.0版計算機監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)使用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司H9000 V4.0版計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

1 升級改造的必要性

電站監(jiān)控系統(tǒng)采用水科院H9000V2.0自動化系統(tǒng)工程，在當(dāng)時已屬于很先進的產(chǎn)品，現(xiàn)已運行近十年，為電站的經(jīng)濟運行及便捷的操作維護等做出了很大的貢獻。隨著自動化技術(shù)的快速發(fā)展及電力生產(chǎn)水平的提高，加上監(jiān)控設(shè)備運行時間的增長，目前監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)已不夠先進，并存在以下幾個問題：

（1）結(jié)構(gòu)不盡合理。因為控制器PLC與上位機系統(tǒng)雙向數(shù)據(jù)交換是通過工控機實現(xiàn)的，多了一個中間環(huán)節(jié)，由于工控機故障率高，加之PLC與工控機數(shù)據(jù)交換的速率為1.0 Mb/s，速率不高，最終使工控機成為監(jiān)控系統(tǒng)的信息和安全瓶頸。

（2）軟件性能和功能亟需提高。H9000系統(tǒng)軟件原V2.0版本的性能、功能已不能適合新形勢下生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)視控制的要求。如歷史數(shù)據(jù)的查詢，設(shè)備故障狀態(tài)的分析等很不方便，數(shù)據(jù)難以共享。原系統(tǒng)故障報警和正常狀態(tài)變化混為一體，不利于故障監(jiān)視和查詢。原系統(tǒng)PLC編程Modsoft只可以在DOS環(huán)境下運行，程序修改檢查很不方便。

2 升級改造的設(shè)計原則

項目改造有其特殊性，在整個項目過程中既要保證項目的實施，同時又要保證原有系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運行，因此，充分考慮到電廠的實際情況在本項目中我們建議改造的基本原則是：分步實施，單獨調(diào)試、新老系統(tǒng)并用，平滑過渡。

監(jiān)控系統(tǒng)局域網(wǎng)按IEEE 802.3設(shè)計，采用全開放的分布式結(jié)構(gòu)，上位機網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)采用雙絞線，下位機網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)采用光纖電纜，通信規(guī)約均為TCP/IP，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率100 Mb/s。功能和數(shù)據(jù)庫分布在系統(tǒng)各節(jié)點上。使本監(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(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)信息交換。

整個系統(tǒng)由電站主控級計算機和現(xiàn)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(shè)備進行控制，對所有機電設(shè)備的運行情況進行全面監(jiān)控，完成電站生產(chǎn)管理、狀態(tài)檢修用途的數(shù)據(jù)采集、處理、歷史數(shù)據(jù)庫的生成、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)拷貝等。

3 升級改造后的計算機監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及軟件結(jié)構(gòu)與配置

3.1 總體結(jié)構(gòu)

徐村水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用全開放分層分布結(jié)構(gòu)，監(jiān)控功能和實時數(shù)據(jù)均分布到各個現(xiàn)地控制單元中，站內(nèi)的各個現(xiàn)地控制單元通過交換機和光纜，構(gòu)成一個星型網(wǎng)絡(luò)，并與主干網(wǎng)交換機相連，主干網(wǎng)絡(luò)中的工業(yè)級交換機，通過多模光口及多模光纖跳線連接，根據(jù)該原則，整個徐村水電站的監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)分為二個層次：

（1）廠站層：全廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，為100 M的工業(yè)以太網(wǎng)。

（2）現(xiàn)地層：現(xiàn)地設(shè)備控制層，采用現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)連接。

3.2 徐村水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該電站監(jiān)控系統(tǒng)由站控級和現(xiàn)地控制單元（LCU）組成，整個網(wǎng)絡(luò)采用100 M星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。站控級實現(xiàn)全廠主要機電設(shè)備的控制，并對所有機電設(shè)備的運行情況進行全面監(jiān)視。現(xiàn)地控制單元共設(shè)有4套LCU,3臺機組分別設(shè)置一套LCU，公用設(shè)備及開關(guān)站共設(shè)置一套LCU；各套現(xiàn)地LCU均通過以太網(wǎng)與站控級交換機連接，各單元通過串口實現(xiàn)與輔機設(shè)備及其它智能設(shè)備的通信。

3.3 軟件結(jié)構(gòu)與配置

H9000計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括四大部分，即計算機系統(tǒng)軟件、基本軟件、應(yīng)用軟件以及工具軟件，如圖1所示。系統(tǒng)軟件是隨計算機硬件設(shè)備一同購入由系統(tǒng)軟件生產(chǎn)廠商提供的軟件，用以提供監(jiān)控系統(tǒng)其它軟件運行的環(huán)境，用戶軟件的開發(fā)手段，如用戶程序的編輯、編譯、聯(lián)接、任務(wù)的插入、運行、退出等?；拒浖菍崿F(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)庫管理，圖形顯示，報表生成等軟件。

圖1 H9000系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)我們的工作經(jīng)驗，H9000系統(tǒng)提供圖2所示工具軟件。工具軟件工作原理見圖2。

圖2 工作原理圖

4 升級改造的內(nèi)容

為了提高現(xiàn)地控制單元的可靠性，為了盡量縮短工期，此次改造設(shè)計為LCU設(shè)備部分升級，即在保留原有I/O模塊基礎(chǔ)上，在原有背板上增加高速以太網(wǎng)通訊模塊，同時機組及公用/開關(guān)站LCU各增加1臺現(xiàn)地MOXA交換機，實現(xiàn)現(xiàn)地LCU直接上網(wǎng)，上位機系統(tǒng)保持現(xiàn)有的設(shè)備不變，只更新軟件。整個電廠監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成光纖交換式星形以太網(wǎng)，提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；整個LCU采用交、直流雙供電電源裝置。保留原有同期裝置、水機保護、交流采樣、變送器等。保留原有端子柜及外圍電纜，更新屏柜相關(guān)附件?，F(xiàn)地LCU配置專門的智能通訊控制器，擴展現(xiàn)地LCU與外圍的通訊接口；現(xiàn)地LCU配置一臺人機交互觸摸屏，實現(xiàn)現(xiàn)地監(jiān)視和控制功能。具體如下：

（1）PLC部分保持原有的主備切換的基礎(chǔ)上，增加以太網(wǎng)模塊，采用觸摸屏作為人機接口，增加電源模塊和嵌入式通信控制器。主要改造內(nèi)容包括：

1）盤柜內(nèi)線路改造，取消工控機（網(wǎng)絡(luò)接入功能由PLC的以太網(wǎng)模塊實現(xiàn)、人機界面功能由觸摸屏實現(xiàn)、通信功能由嵌入式通信控制器實現(xiàn)）；

2）PLC增加以太網(wǎng)模塊，實現(xiàn)PLC直接上網(wǎng)的形式與上位機進行數(shù)據(jù)通信；

3）增加觸摸屏，完成現(xiàn)地人機交互界面的軟件開發(fā)；

4）增加嵌入式通信控制器，實現(xiàn)與現(xiàn)地設(shè)備（系統(tǒng)）之間通信的軟件開發(fā)；

5）增加24 V電源模塊，提高現(xiàn)地設(shè)備的供電可靠性；

6）對點、校對各類信號量；

7）處理溫度巡檢及各智能裝置通訊；

8）根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行每臺LCU的模擬實驗（包括單個設(shè)備的遠動操作實驗，以及機組開機流程動靜態(tài)實驗，停機流程動靜態(tài)實驗，緊急停機動靜態(tài)實驗）。

（2）保留上位操作員A、B工作站、通訊A、B工作站和中心網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備均不變，根據(jù)需要，增加了一臺工程師工作站用于以后數(shù)據(jù)庫修改及系統(tǒng)的維護，將原有的H9000V2.0上位機監(jiān)控系統(tǒng)軟件全部升級改造為最新的H9000V4.0系統(tǒng)。主要改造內(nèi)容包括：

1）針對特大型電站海量數(shù)據(jù)的高可靠與高實時性采集，H9000 V4.0系統(tǒng)采取的主要技術(shù)措施包括：同時采用主進程、多子進程及多線程技術(shù)；按數(shù)據(jù)類型的多重TCP/IP連接并行工作模式；PLC數(shù)據(jù)掃描周期的多重數(shù)據(jù)傳送請求與處理；成功開發(fā)了多數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的負荷平衡管理技術(shù)，有效地提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的實時性；

2）H9000 V4.0系統(tǒng)采用最新的GTK圖形標準，重新開發(fā)了OIX人機聯(lián)系軟件，程序代碼運行效率高，人機界面非常友好，保持了H9000系統(tǒng)面向?qū)ο蟛僮鞯奶攸c，支持多屏、多窗口顯示，全鼠標驅(qū)動，圖形可無級縮放，支持矢量漢字，數(shù)據(jù)狀態(tài)等信息，可采用豐富的色彩庫、三維符號圖形庫、字符庫、動態(tài)曲線、表格等方式表示，立體三維、實時動畫等多媒體圖形功能更加豐富多彩。

3）提供多種系統(tǒng)集成工具，可以在短時間內(nèi)快速地完成系統(tǒng)集成、系統(tǒng)投運等工作。

4）系統(tǒng)通訊

◆接受站控級計算機和遠程操作站的控制命令,進行有效性檢查和核對，并執(zhí)行。

◆實現(xiàn)上級調(diào)度對全廠監(jiān)控系統(tǒng)的“四遙”功能。

◆實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)與水位系統(tǒng)、保護系統(tǒng)的通訊。

◆增加了新老系統(tǒng)之間的通訊，新老系統(tǒng)并存，最終實現(xiàn)了新老系統(tǒng)的平滑過渡。

5 結(jié)束語

H9000 V4.0系統(tǒng)是安全可靠、性能卓越、功能完善、使用方便、符合中國國情的新一代水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)。隨著時間的推移必將在國內(nèi)外得到更為廣泛的應(yīng)用，不僅在水電領(lǐng)域，而且在水利及其它工業(yè)控制方面必將有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著H9000 V4.0系統(tǒng)越來越廣泛的應(yīng)用，其新技術(shù)特點將充分發(fā)揮效益并為未來水電監(jiān)控技術(shù)發(fā)展提供有跡可循的依據(jù)及良好的示范。