烏溪江水力發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)改造

石磊箭

（浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠，浙江 衢州 324000）

浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠位于浙江省衢州市，由湖南鎮(zhèn)和黃壇口兩電站構(gòu)成梯級電站，兩電站共有7臺機組。湖站分新、老兩個廠房，新、老廠房相距2 km，老廠房裝機4×50MW，新廠房裝機為1×120MW。黃壇口電站裝機2×26MW。烏溪江電廠總裝機352MW，在浙江電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用。電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)于1998年開始建設(shè)，1999年4月建成并投入運行，采用北京水科院自動化研究所研制開發(fā)的H9000系統(tǒng)。經(jīng)過多年運行，設(shè)備和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都趨于老化，無法滿足長期安全運行的需要，亟待進(jìn)行改造。

1 上位機系統(tǒng)改造

上位機系統(tǒng)是2005年改造后的系統(tǒng)，由于限于當(dāng)時的條件，系統(tǒng)改造后雖然能滿足基本的運行要求，但在以后的運行中逐漸暴露出一些問題，如：信號丟失、對時不準(zhǔn)、歷史數(shù)據(jù)信息不完整；衢城梯調(diào)和兩個站之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用單閉環(huán)網(wǎng)，結(jié)構(gòu)欠合理；上位機硬件設(shè)備老化等問題。

1.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)改造

1.1.1 改造前狀態(tài)

湖南鎮(zhèn)電站、黃壇口電站、衢州梯調(diào)中心之間通過單模光纖互連成單千兆環(huán)網(wǎng)，湖黃站兩個交換機通過電口與湖黃兩站新加交換機相連，如圖1。

圖1 站間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1.2 改造后狀態(tài)

將原來的單環(huán)網(wǎng)以太網(wǎng)改為雙星型以太網(wǎng)。如圖2。

圖2 雙星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)點：充分考慮了發(fā)生光纖斷線故障的情況，也考慮了站內(nèi)主交換機發(fā)生故障的情況。3站之間任意兩站之間光纖中斷或者任意一臺站內(nèi)交換機故障都不會影響集控中心對兩個水電站的監(jiān)控，極大地增加了集控中心對設(shè)備監(jiān)控的可靠性。

1.2 監(jiān)控I區(qū)和信息II、III區(qū)連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改造

1.2.1 改造前狀態(tài)

監(jiān)控I區(qū)向II、III區(qū)傳送的信息主要是廠內(nèi)的SIS系統(tǒng)、水情自動化系統(tǒng)、廠內(nèi)MIS系統(tǒng)，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)控的通訊是通過RS232實現(xiàn)的。監(jiān)控和省公司的信息交換是通過廠外服務(wù)器，采用104規(guī)約，通過路由器和縱向認(rèn)證裝置和省公司的實時數(shù)據(jù)網(wǎng)連接的。兩臺廠外和廠內(nèi)通訊服務(wù)器都集中在黃站，從安全的角度來看，不如將其分在兩個不同的區(qū)域更合理。

1.2.2 改造后狀態(tài)

為提高監(jiān)控I區(qū)網(wǎng)絡(luò)的安全性，有必要簡化監(jiān)控對外數(shù)據(jù)連接接口。①今后監(jiān)控數(shù)據(jù)對外接口采取廠內(nèi)服務(wù)器和SIS系統(tǒng)進(jìn)行單獨連接，水調(diào)自動化系統(tǒng)和營銷系統(tǒng)從SIS系統(tǒng)取數(shù)；②取消廠內(nèi)服務(wù)器1，廠內(nèi)MIS信息也考慮從SIS系統(tǒng)內(nèi)取數(shù)。將兩臺廠外服務(wù)器分別布置在衢城梯調(diào)和黃站，將廠內(nèi)服務(wù)器也分別安排在衢城和黃站，這樣可以提高對外通訊的可靠性如圖3。

圖3 改造后監(jiān)控I區(qū)及信息II網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3 生產(chǎn)電量信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改造

（1）改造前全廠生產(chǎn)電量信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改造前電量信息通

由圖4可以看出，廠內(nèi)SIS系統(tǒng)已經(jīng)采集了電能量，所以擬將湖、黃站電量采集裝置ERTU送往監(jiān)控系統(tǒng)的功能取消。

（2）改造后的生產(chǎn)電量采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。原監(jiān)控系統(tǒng)中的電量數(shù)據(jù)將與監(jiān)控系統(tǒng)獨立，直接上送至新建的電量子站系統(tǒng)，II區(qū)中原采集電量數(shù)據(jù)的設(shè)備和電量子站通訊。

圖5 改造后電能量采集系統(tǒng)

2 現(xiàn)地控制單元LCU改造

2.1 改造前LCU狀態(tài)

2.1.1 設(shè)備老化

現(xiàn)地LCU控制單元，1999年投入運行，主要元器件運行已超過13年，而且隨著運行時間的不斷增長，硬件設(shè)備的穩(wěn)定性逐漸變差，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備老化問題已凸顯出來，采購?fù)愋偷膫淦穫浼苍絹碓嚼щy，這些原因?qū)е铝斯收下手饾u提高，給安全生產(chǎn)帶來隱患。

2.1.2 同期回路設(shè)置的不合理

同一廠站各臺機組的手動同期回路是設(shè)置在同一塊操作屏上的，原先設(shè)計的目的是方便于集中操作和控制，但是實踐中存在幾個方面的問題，首先是PT信號引入回路變得復(fù)雜，從現(xiàn)場的PT二次端子箱到控制室集中控制屏要經(jīng)過很多環(huán)節(jié)，經(jīng)常因為某一環(huán)節(jié)問題導(dǎo)致手動同期無法操作，甚至影響到自動同期的功能。其次，在集中控制室對機組進(jìn)行手動同期操作時由于遠(yuǎn)離現(xiàn)場，無法實際掌握機組的運行情況，對于安全操作是個隱患。另外自動準(zhǔn)同期回路的合閘出口也只通過同期裝置輸出，需要在同期出口再串聯(lián)同期檢查繼電器以最大程度避免非同期合閘的目的。

2.1.3 無工況轉(zhuǎn)換功能

機組控制流程中沒有區(qū)分空轉(zhuǎn)、空載、發(fā)電這些工況轉(zhuǎn)換命令，是通過人為的切除勵磁調(diào)節(jié)器以及切除同期功能來實現(xiàn)機組不同開機工況的需要，人為操作非常費時，也容易措施不當(dāng)而造成不安全事件，所以需要改進(jìn)控制流程，實現(xiàn)上位機各種工況轉(zhuǎn)換命令的區(qū)分。

2.1.4 電源回路不合理

（1）機組的所有設(shè)備，包括LCU、勵磁系統(tǒng)，調(diào)速器，主進(jìn)水閥（事故快門）、電制動裝置的電源都是引自交、直流電源屏，并在LCU屏設(shè)置二級開關(guān)提供給各個用戶，一級開關(guān)的用戶太多，容易因為負(fù)荷過重跳閘，導(dǎo)致所有設(shè)備停電。需要在交、直流電源屏分別引出電源來提供各個用戶。

（2）LCU的交流電源不僅要提供給裝置使用，還要提供柜內(nèi)的電源插座，及輔助設(shè)備，插座提供的臨時設(shè)備出現(xiàn)問題或者輔助設(shè)備故障會影響到主控制設(shè)備的正常運行，需要將之分開。

（3）包括PLC及開關(guān)電源在內(nèi)的控制設(shè)備都是通過逆變電源裝置提供交流220V供電，逆變電源是交直流兩路輸入的，常年運行下來存在著老化不可靠的問題，影響到了主設(shè)備的正常供電。

（4）控制回路使用的24V開關(guān)電源只有主備用2只，提供現(xiàn)場的數(shù)字量和模擬量輸入信號電源、網(wǎng)絡(luò)交換機電源、以及觸摸屏電源，由于現(xiàn)場惡劣的運行環(huán)境，會發(fā)生輸入回路電源接地，從而導(dǎo)致整個24V供電回路電源異常，設(shè)備無法正常運行。需要增加開關(guān)電源個數(shù)，將這些用戶分開單獨供電。

2.1.5 溫度測量回路老化

LCU溫度測量裝置有溫度控制器和溫度巡檢儀兩種，溫度巡檢儀采用兩線制測量溫度，兩線制由于缺少補償功能，測量值會偏高，另外溫度巡檢裝置由于老化，經(jīng)常會發(fā)生溫度測量值突變的情況，影響正常的監(jiān)視，而且巡檢儀采用手動編程器設(shè)置參數(shù)，使用也不方便。考慮取消溫度巡檢儀，改為使用RTD模塊，與新PLC為一整體，為以后實現(xiàn)溫控器與RTD配合動作溫度保護(hù)回路打好基礎(chǔ)，并有利于實現(xiàn)梯度報警功能。

2.1.6 LCU分工不合理

湖南鎮(zhèn)五號機是獨立廠房，廠房公用設(shè)備LCU的數(shù)據(jù)是傳送至機組的LCU，再由機組LCU轉(zhuǎn)送至集控室，如果五號機進(jìn)行檢修，則公用LCU數(shù)據(jù)無法上送，廠房內(nèi)重要的輔機設(shè)備信息就不能很好監(jiān)視。

湖南鎮(zhèn)110kV開關(guān)站LCU包括了湖站老廠房400V設(shè)備的數(shù)據(jù)，而400V設(shè)備應(yīng)該是屬于湖站老廠房公用設(shè)備的范圍，包括廠用電備自投功能以及廠變的交流采樣數(shù)據(jù)都應(yīng)該送至廠房公用LCU。

2.2 改造后LCU狀態(tài)

2.2.1 新LCU功能特點

改造后LCU使用國電南自公司開發(fā)的SD8000系統(tǒng)，采用施耐德Quantum Unity PLC作為監(jiān)控裝置，Quantum自動化平臺是一種具有處理能力的專用計算系統(tǒng)，被設(shè)計用于采用模塊化、可擴展型體系結(jié)構(gòu)之實時控制的工業(yè)及制造業(yè)領(lǐng)域中，該自動化平臺采用模塊化結(jié)構(gòu)有：控制器模塊（CPU）、電源模塊（CPS）、I/O 模塊（Dxx，Axx）、網(wǎng)絡(luò)接口模塊（其中包括現(xiàn)場總線模塊）、（XSM）模塊和電池（XCP）、底板（XBP）和底板擴展模塊（XBE）。

Quantum I/O系統(tǒng)有基于本地機架的本地I/O及通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊的遠(yuǎn)程

I/O和分布式I/O進(jìn)行擴展，LCU包括了南自SDX8000 LCU通訊管理機，LCU觸摸屏可實時顯示機組各測點狀態(tài)，可以下發(fā)順控命令，在與上位機失去通訊時對機組進(jìn)行監(jiān)視和操作。Quantum Unity PLC采用unity pro軟件進(jìn)行編程，unity pro支持使用LD，F(xiàn)BD，IL，ST或SFC等語言進(jìn)行編程，本站采用的是ST結(jié)構(gòu)化語言進(jìn)行編程，語言結(jié)構(gòu)類似于C程序，舉例如下：JZ.DQSG_GC:=1；JZ_KON（IN1:=1，T1:=T#1S）；IF NOT JZ.TJT THEN CTRL.S_TEP:=502；其中的JZ_KON就是用戶自定義的一個定時器功能塊，用戶可以通過建立功能塊來完成復(fù)雜的功能，簡化語言結(jié)構(gòu)。

新LCU在開出回路中增加了2個使能繼電器，只有使能繼電器勵磁才能動作其他開出繼電器，這個設(shè)置可以避免開出回路誤動作。增加了PLC故障無法工作情況下進(jìn)行機組事故停機的常規(guī)事故回路，此事故回路只有在PLC發(fā)出故障情況下投入，此時若有事故發(fā)生會通過常規(guī)自動回路動作事故停機。

2.2.2 老LCU功能改進(jìn)

改造后的LCU包含了手動準(zhǔn)同期功能，PT信號直接從二次端子箱敷設(shè)電纜引入，手動和自動準(zhǔn)同期出口都經(jīng)過了同期檢查繼電器，可以最大程度避免非同期合閘。將LCU與調(diào)速器、勵磁裝置等其他設(shè)備的電源分開，單獨從交、直流電源屏引供電電源，柜內(nèi)的4個24V開關(guān)電源都由交直流兩路電源供給，其中2個開關(guān)電源供給PLC、觸摸屏、交換機等設(shè)備。另2個開關(guān)電源供給輸入輸出信號回路，并可通過開關(guān)單獨切斷輸出回路24V電源，以滿足試驗和故障處理的需要。

機組控制流程采用ST結(jié)構(gòu)化語言編程，更接近用戶的理解習(xí)慣，并具有通用模塊化結(jié)構(gòu)，可以通過修改通用程序中的參數(shù)來滿足不同機組和設(shè)備的需要。將開機流程分為空轉(zhuǎn)、空載、發(fā)電等幾個狀態(tài)，可以通過上位機和觸摸屏分別下達(dá)命令實現(xiàn)各個工況之間的轉(zhuǎn)換。增加了RTD測溫模塊，采用三線制輸入，測量更準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)傳輸更快捷。將各LCU功能進(jìn)行了正確的分工，并單獨建立與上位機的通訊連接，實現(xiàn)單獨運行和隔離。對于交流電氣量采用變送器輸入為主，交流采樣輸入為輔助的，正常時機組流程采用變送器輸入作為電氣量當(dāng)前值，當(dāng)檢測到變送器輸入值品質(zhì)不對時自動切換至采用交流采樣值進(jìn)行控制，可以保證在變送器出現(xiàn)故障時機組仍然正常運行。

3 改造過程出現(xiàn)的問題及解決措施

3.1 新、舊系統(tǒng)的過渡

在新系統(tǒng)試驗階段將老系統(tǒng)全部連接在監(jiān)控I網(wǎng)運行，新系統(tǒng)接在II網(wǎng)運行，現(xiàn)地LCU接在I網(wǎng)與老系統(tǒng)通訊，然后逐臺將LCU接至II網(wǎng)與新系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)試驗，以及進(jìn)行新系統(tǒng)與調(diào)度通訊的試驗，待新系統(tǒng)各項功能試驗正常后，再將老系統(tǒng)退出，新系統(tǒng)接至I網(wǎng)，實現(xiàn)新系統(tǒng)的雙網(wǎng)運行。

3.2 實現(xiàn)停機指令的優(yōu)先權(quán)

原機組控制流程中，當(dāng)機組不滿足停機、空載、發(fā)電等狀態(tài)條件時，就判定機組處于不定態(tài)，此時閉鎖開停機操作，需等待條件滿足后才能下達(dá)順控令，在出現(xiàn)故障處于不定態(tài)需要停機時只能通過緊急停機按鈕操作機組停機，此為設(shè)計理念的不同，通過修改程序?qū)崿F(xiàn)了停機令的優(yōu)先權(quán)限，保證無論在任何情況下都可操作停機。

3.3 上位機軟件的修改屏蔽

新監(jiān)控系統(tǒng)上下位機通訊規(guī)約中有對開關(guān)量輸入點進(jìn)行強制設(shè)值的功能，對于維護(hù)工作來說，如果要對開關(guān)量進(jìn)行設(shè)值，應(yīng)該到達(dá)現(xiàn)場了解機組運行情況在PLC維護(hù)軟件中進(jìn)行操作，上位機設(shè)置這一功能，可能會運行人員誤操作，或者維護(hù)人員未了解現(xiàn)場情況就進(jìn)行強制，導(dǎo)致設(shè)備不正常運行。

通過對上位機軟件的修改屏蔽了這一功能。

3.4 電調(diào)通訊問題

試運行中發(fā)生機組調(diào)速器的通訊量信號不正常動作現(xiàn)象，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)調(diào)速器程序中通訊量上送信號的第一位為符號位，即第一位為1時為正，第一位為0時為負(fù)，而在LCU程序中接收上送信號時如果未把第一位進(jìn)行符號校驗，則收到的數(shù)值就不是正確值，解析后的通訊量位置也會產(chǎn)生錯位，導(dǎo)致信號誤報。

通過修改電調(diào)程序，取消了符號位上送，解決了電調(diào)通訊問題。

3.5 事故停機

原控制邏輯中機組在停機狀態(tài)下不響應(yīng)事故信號，為了避免事故出現(xiàn)時因為機組狀態(tài)不正常而導(dǎo)致事故回路拒動，現(xiàn)修改為無論在任何情況下都能響應(yīng)事故信號，走事故停機流程。

4 結(jié)語

改造后的SD8000監(jiān)控系統(tǒng)在烏溪江水電廠使用一年以來，其在數(shù)據(jù)采集實時性、精確性，控制功能上的先進(jìn)性以及全分布式的架構(gòu)保證了電站安全穩(wěn)定運行，也為水電站監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)提供了一個良好的范本。

［1］王定一.水電站控制技術(shù)［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1988.

［2］韓禎祥.電力系統(tǒng)自動監(jiān)視與控制［M］.北京：水利電力出版社，1989.

［3］劉曉波.水電廠LCU若干設(shè)計原則及其發(fā)展趨勢探討［J］.水電站機電技術(shù)，2004（3）.

［4］陳啟卷.水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.