二灘水力發(fā)電廠大壩閘門的計算機遠程控制改造

丁澤濤 鄭德芳 李桃 周佳

【摘 要】大壩閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)按照“無人值班、少人值守”的要求設(shè)計 ，利用計算機進行自動化監(jiān)測和控制 ，實現(xiàn)閘門的遠程控制。本文介紹了二灘水電廠大壩閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)LCU改造總體要求，總體施工方案和新改造LCU系統(tǒng)配置情況及功能實現(xiàn)方式。重點闡述了自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，以及系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計和閘門的控制原理，為大型水電站大壩閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)LCU改造提供參考方案。

【關(guān)鍵詞】大壩閘門;現(xiàn)地控制單元LCU;改造;遠程控制

0 引言

二灘電廠原計算機監(jiān)控系統(tǒng)由德國ABB公司提供，采用總線式冗余光纖以太網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)，用于監(jiān)視和控制6臺水輪發(fā)電機組、18臺單相主變壓器、500kV GIS開關(guān)站、大壩閘門、進水口快速閘門、水工泄洪閘門、6kV廠用電、輔機等設(shè)備。通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以遠程操作表孔閘門、中孔閘門、底孔閘門、泄洪洞閘門;可以監(jiān)視表孔閘門、中孔閘門、底孔閘門、泄洪洞閘門的開度、當(dāng)前位置狀態(tài)等相關(guān)信息和狀態(tài)以及各類閘門對應(yīng)的油泵、油位、電機的相關(guān)信息和狀態(tài);同時可以監(jiān)視泄洪洞配電室、表孔配電室、中底孔配電室、壩體深井泵配電室相關(guān)的400V開關(guān)的狀態(tài)指示以及壩體深井泵的水位、流量、電機狀態(tài)的相關(guān)信息和狀態(tài)。該系統(tǒng)自1998年投產(chǎn)以來，已連續(xù)運行14年，超過了設(shè)備使用壽命。近幾年來，備品停產(chǎn)、設(shè)備缺陷頻發(fā)，系統(tǒng)不夠開放等問題日益嚴(yán)重。因此，二灘水電站于2013年初正式啟動了計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造項目。[1-2]

在二灘水力發(fā)電廠整個計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造項目之中，大壩閘門LCU改造難度大，風(fēng)險高且改造期已處于年度防汛初期，改造成功與否直接影響到閘門的遠程控制及防汛工作。二灘電廠閘門監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控對象及功能包括： 7個表孔閘門，6個中孔閘門，4個底孔閘門和2個泄洪洞閘門開度監(jiān)視及閘門遠方自動/現(xiàn)地手動控制;動力電源電壓、各閥組的油壓監(jiān)視;中控室主控級與閘門現(xiàn)地控制站的PLC 的通訊;計算機人機操作界面、運行監(jiān)控、系統(tǒng)診斷等。因此，本次改造工作在整個改造施工過程中除了保持原有閘門控制流程及方式不變外，還需對閘門的計算機遠程控制進行優(yōu)化。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

安德里茨計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要由SAT 250 SCALA控制室系統(tǒng)和AK1703智能PLC自動化裝置組成，其顯著的特點：采用了全智能的監(jiān)控部件和模件，所有I/O模板都是智能模板，板上帶有處理器，在真正的意義上做到了全分布、智能分散、功能分散、危險分散的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性。

控制中心主站系統(tǒng)SAT 250 SCALA系統(tǒng)具有極高的適應(yīng)性、穩(wěn)定性、靈活性和安全性。該主站系統(tǒng)基于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，服務(wù)器具有多客戶機支持能力，具有很高可用性、最佳的實時多任務(wù)處理以及完美的功能集成化等特點。整個主站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用當(dāng)今最新以太網(wǎng)技術(shù)——交換式冗余以太網(wǎng)，通信規(guī)約采用基于TCP/IP的IEC60870-5-104國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約。網(wǎng)絡(luò)上接入的每一個設(shè)備都具有自己特定的功能，實現(xiàn)了功能的分布，這樣既具備了網(wǎng)絡(luò)某一設(shè)備故障只影響局部功能的優(yōu)點，又利于今后功能的擴充。

智能控制器AK1703 ACP是適用于中小型至超大型水電站、抽水蓄能電站的新一代綜合式、開放式、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)地控制單元（LCU），以開放式結(jié)構(gòu)和分布式處理特點而著稱。AK1703為模塊化插槽式結(jié)構(gòu)，硬件、軟件功能全部分散，它在通訊及處理能力、通信接口和規(guī)約、可靠性和軟件設(shè)計等方面與常規(guī)的PLC有著本質(zhì)區(qū)別。

二灘電廠閘門計算機遠程控制系統(tǒng)采用了全計算機控制的分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)點功能、資源相對獨立而又便于為其他節(jié)點共享， 監(jiān)控系統(tǒng)由主控級和現(xiàn)地控制單元（LCU）級組成。主控級與LCU級2層之間采用雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)， 構(gòu)成高可靠的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用高性能的網(wǎng)絡(luò)交換機進行網(wǎng)絡(luò)連接及通信， LCU 與交換機之間的傳輸介質(zhì)為光纖， 具有較高的傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。主控級實現(xiàn)對被監(jiān)控對象的監(jiān)控外，是整個閘門監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心。LCU 級設(shè)5套現(xiàn)地集中控制單元，負責(zé)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和處理，并19個閘門進行遠程控制。現(xiàn)地控制單元（LCU）還可接收閘門現(xiàn)地開度數(shù)顯儀傳輸?shù)? ～ 20 mA 電流信號作為閘門開度信號，在監(jiān)控系統(tǒng)上用以顯示閘門實際開度，閘門系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。

圖1 二灘電廠大壩閘門計算機遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)配置情況及功能實現(xiàn)

大壩閘門的計算機遠程控制由大壩閘門及表孔控制系統(tǒng)、泄洪洞閘門控制系統(tǒng)、中孔閘門控制系統(tǒng)、底孔閘門控制以及壩體深井泵控制系統(tǒng)組成。其中泄洪洞閘門控制系統(tǒng)、中孔閘門控制系統(tǒng)、底孔閘門控制以及壩體深井泵控制系統(tǒng)通過遠程接口RIO經(jīng)交換機與大壩閘門及表孔控制系統(tǒng)鏈接，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)大壩閘門及表孔控制系統(tǒng)處理后送至監(jiān)控系統(tǒng)上位機。上位機作為遠程操作平臺對閘門進行遠端控制。各個站級計算機與LCU 采用工業(yè)以太網(wǎng)連接， 網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)為光纖， 組成一個分層分布式的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

2.1 上位機設(shè)計

安德里茨250SCALA上位機系統(tǒng)基于Windows操作平臺，視窗操作，全漢化顯示，采用文字、聲音、圖形、圖像等手段，把工作人員的操作、事故、故障、參數(shù)越限等情況均作提示。250SCALA上位機系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)節(jié)、優(yōu)化運行、數(shù)據(jù)通信、記錄、管理、運行狀態(tài)顯示、圖表打印等功能。主服務(wù)器為SUN公司生產(chǎn)的SUN ORACLE SPARC T4-1高檔服務(wù)器。兩臺數(shù)據(jù)服務(wù)器的配置相同，操作系統(tǒng)采用Solaris 10 系統(tǒng)，以冗余熱備用方式工作，主備切換無擾動地完成。操作員站為HP公司生產(chǎn)的HP DL380p GEN8。操作系統(tǒng)采用Windows Server2008 R2 Standard 64-bit系統(tǒng)。工程師站服務(wù)器為三臺HP 公司生產(chǎn)的HP DL380p GEN8。3臺工程師站配置相同，其中一臺為移動工程師站。操作系統(tǒng)采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系統(tǒng)。

2.2 現(xiàn)地控制單元設(shè)計

二灘水電站現(xiàn)地控制單元系統(tǒng)采用安德里茨智能控制器AK1703，此設(shè)備基于32位微處理器技術(shù)，采用多CPU體系結(jié)構(gòu)。而且它的每個I/O模板也都帶有各自的CPU，從而具有廣泛的通信方式和龐大的通信能力，可以配置各種通訊方式（以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、串口等） 和一百余種通信規(guī)約。在控制裝置AK1703 中配置了獨立冗余功能，外置的SM-2556以太網(wǎng)通信模板采用國際電力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約IEC60870-5-104，通信速率10 /100 M自適應(yīng)，從而實現(xiàn)了與地下廠房交換機或地面中控室交換機的冗余通信。其中泄洪洞閘門控制系統(tǒng)、中孔閘門控制系統(tǒng)、底孔閘門控制以及壩體深井泵控制系統(tǒng)采用安德里茨遠程智能控制器TM1703，此設(shè)備采用32位低功耗微處理器技術(shù)、多處理器體系。主要完成TM1703 ACP的通信、經(jīng)由外圍I/O模板的周期性或自發(fā)性數(shù)據(jù)采集及處理、控制輸出等功能。每塊主控模板與各I/O外設(shè)采用Ax-Bus實現(xiàn)通信連接。

2.3 控制部分軟件設(shè)計

軟件部分主要由PLC 控制及通信程序、大壩閘門監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)通信程序、相關(guān)的人機界面和文字及報警程序組成。PLC采用Siemens AK1703系列，CPU 為CP-2017，PLC 程序采用CAEx Plus編程軟件編寫，采用使用功能圖編輯器（FBD-編輯器）來實現(xiàn)編程。用戶可利用SAT250軟件下達對閘門的控制命令， 同時能夠在界面上看到閘門的實時狀態(tài)。所發(fā)送指令在全廠監(jiān)控以太網(wǎng)中將以廣播通信的方式尋找相對應(yīng)的接收控制源站，然后通過程序按IEC104通信協(xié)議發(fā)送垂詢指令，觀察響應(yīng)數(shù)據(jù)情況，實現(xiàn)對閘門的狀態(tài)監(jiān)視與控制。

2.4 閘門控制流程

基于設(shè)備的安全性及控制的可靠性考慮， 將控制權(quán)劃分為現(xiàn)地控制，電站級控制和流域集控級控制3個級別，并且現(xiàn)地控制操作的優(yōu)先級優(yōu)于主控級控制。當(dāng)控制權(quán)在電站級控制和流域集控級時，PLC智能模塊接收由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的控制命令，實現(xiàn)對閘門的控制， 通過監(jiān)控系統(tǒng)上的“全廠集控中心”控制權(quán)切換按鈕，運行人員可將控制權(quán)切換至現(xiàn)地控制;在現(xiàn)地控制方式下，發(fā)送的監(jiān)控命令會被閉鎖，此時監(jiān)控系統(tǒng)只能監(jiān)視閘門狀態(tài)，啟閉閘門需通過閘門現(xiàn)地觸摸屏來進行。在現(xiàn)地觸摸屏上不但設(shè)有閘門的控制， 還集合了閘門各類狀態(tài)的監(jiān)視、故障報警、流程報警等內(nèi)容，使運行人員即使在現(xiàn)地也能像在中控室一樣， 對閘門的相關(guān)信息了如指掌。

2.5 閘門操作方式

閘門操作方式分為現(xiàn)地操作和遠方操作。大壩閘門遠程控制有以下兩種方式：開度值設(shè)定法（如圖2所示）和監(jiān)控系統(tǒng)命令開出法（如圖3所示）。

圖2 開度值設(shè)定法遠程控制方式

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)命令開出法遠程控制方式

2.6 上位機與現(xiàn)地控制級的網(wǎng)絡(luò)通信

主控級與現(xiàn)地控制級的通信介質(zhì)為光纖， 通信速率為自適應(yīng)100 Mbit· s-1/10 Mbit·s-1， 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用快速工業(yè)以太網(wǎng)。LCU 的PLC 通過其以太網(wǎng)單元與光電收發(fā)器相連， 主控級上位機的以太網(wǎng)卡通過集線器與光電收發(fā)器相連。

3 結(jié)語

二灘水力發(fā)電廠大壩閘門的計算機遠程控制系統(tǒng)改造完成至今已安全穩(wěn)定運行一年，實際運行證明，二灘水力發(fā)電廠大壩閘門的計算機遠程控制系統(tǒng)改造過程中系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計合理，運行穩(wěn)定，滿足了改造總體要求，改造后達到了安全、可靠、經(jīng)濟、實用的設(shè)計目標(biāo)，減輕了運行人員的勞動強度，滿足了“無人值班，少人值守”的要求，為二灘水力發(fā)電廠的安全生產(chǎn)提供了一個現(xiàn)代化的技術(shù)手段，可作為大型水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)閘門控制系統(tǒng)技術(shù)改造的參考。

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