基于Citect的水電站綜合自動化計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：根據(jù)云南某電站改造要求，水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布開放式結(jié)構(gòu)，重點介紹了基于Citect的水電站綜合自動化計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)內(nèi)容，該系統(tǒng)可在提高設(shè)備自動化運(yùn)行水平的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)減員增效，使電站發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)效益，確保電站的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng);Citect;水電站

1 概述

云南某電站內(nèi)安裝了兩臺500 kW的水輪發(fā)電機(jī)組及一臺550 kW的水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)額定電壓為6.3 kV。電站總裝機(jī)容量為1 550 kW，相對容量較小，故電站發(fā)電機(jī)電壓側(cè)接線仍選擇單母線方式，發(fā)電機(jī)電壓母線上接3臺發(fā)電機(jī)進(jìn)線、1臺主變出線及1臺近區(qū)變出線。

該電站投產(chǎn)距今已近30年，沒有現(xiàn)代化的綜合自動化計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，不能實現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組的一鍵開停機(jī)控制，中控室監(jiān)控信息殘缺不全，不能實時反映現(xiàn)場情況。

本次實施的技術(shù)改造工程，利用現(xiàn)代化水電站技術(shù)和設(shè)備，實現(xiàn)電站綜合自動化目標(biāo)，使電站安全可靠運(yùn)行，實現(xiàn)水電站“無人值班”（少人值守）的目標(biāo)，在提高設(shè)備自動化運(yùn)行水平的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)減員增效，提升運(yùn)行管理條件和水平，使電站發(fā)揮更大經(jīng)濟(jì)效益，確保電站的安全運(yùn)行。

2 工藝及設(shè)計要求

水電站主要工藝設(shè)備有：壓力鋼管、進(jìn)水閥、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)、機(jī)組冷卻水系統(tǒng)、主變壓器、10 kV斷路器等。由壓力鋼管而來的水經(jīng)過進(jìn)水閥，再經(jīng)過調(diào)速器控制的水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)入到水輪機(jī)中。水流經(jīng)過水輪機(jī)時，將水能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)軸又帶動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在勵磁系統(tǒng)提供的磁場中轉(zhuǎn)動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能輸出。最后電能經(jīng)過主變壓器升壓后，通過斷路器輸送給電網(wǎng)。水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將決定發(fā)出的交流電的頻率，為保證這個頻率的穩(wěn)定且與電網(wǎng)一致，就必須控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。為了控制轉(zhuǎn)速，調(diào)速器采用閉環(huán)控制的方式對水輪機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，即采樣發(fā)出的交流電的頻率信號，并將其反饋到控制水輪機(jī)導(dǎo)葉開合角度的控制系統(tǒng)中，控制水輪機(jī)的輸出功率。機(jī)組冷卻水系統(tǒng)為機(jī)組的軸承和軸承瓦提供冷卻水，控制溫度在允許范圍內(nèi)。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 ? ?設(shè)計原則

計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布開放式結(jié)構(gòu)，遵循先進(jìn)性、實用性、安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性、開放性原則，滿足電站生產(chǎn)管理和水力發(fā)電工藝對自動化控制的要求，保證電站運(yùn)行管理達(dá)到“無人值班，少人值守”目標(biāo)。計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)“集中監(jiān)控和管理、分散控制、數(shù)據(jù)共享”，以保證整個水電站的運(yùn)行協(xié)調(diào)、一致。

3.2 ? ?系統(tǒng)架構(gòu)

電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用開放式分層分布結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)控制層分為站控層及現(xiàn)地單元控制層兩級，上下層級間采用星型以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如圖1所示。

站控層設(shè)置2臺工程師兼操作員工作站，承擔(dān)上位機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)、全站的運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)采集和處理、與現(xiàn)地單元控制級的通信、電站AGC、AVC等任務(wù);1臺通信服務(wù)器，完成與電力調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換;此外還將設(shè)置1套GPS時鐘、1臺網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

現(xiàn)地單元控制級按每臺機(jī)組、開關(guān)站及全廠公用設(shè)備等分別設(shè)置2套機(jī)組LCU、1套開關(guān)站/公用LCU。現(xiàn)地控制單元負(fù)責(zé)所轄設(shè)備的監(jiān)視、控制以及接受上位機(jī)控制命令，并將各單元設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)、相關(guān)故障及事故信號上送電站級。在與上位機(jī)脫離的情況下，各現(xiàn)地控制單元能夠保證獨立完成各轄區(qū)設(shè)備的監(jiān)視與控制。

3.3 ? ?Citect介紹

Citect是一種管理控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）解決方案，用于管理和監(jiān)視制造、主要生產(chǎn)、工具傳遞和設(shè)備管理中的流程。其所有開發(fā)功能都集成于Citect工程管理器、Citect工程編輯器、Citect圖形編輯器三大軟件之中，比其他模塊化的組態(tài)軟件更易于組態(tài)。

Citect包含以下組件：I/O服務(wù)器、報警服務(wù)器、趨勢服務(wù)器、報表服務(wù)器、控制客戶端。采用開放式架構(gòu)，豐富的第三方驅(qū)動可以與各種PLC互連，具有高度可擴(kuò)展性，從幾百個點到幾十萬個點的信息監(jiān)控都可以靈活使用。多種冗余支持，包含I/O服務(wù)器冗余、數(shù)據(jù)鏈路冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余以及報警、趨勢和報表服務(wù)器冗余。特殊的負(fù)載分擔(dān)系統(tǒng)，不同計算機(jī)和CPU承擔(dān)Citect組件任意組合，從而更好地利用可用的基礎(chǔ)設(shè)施。Citect軟件獨特的冗余機(jī)制和集群功能，突破了多層級集中監(jiān)控系統(tǒng)難以統(tǒng)一管理的技術(shù)瓶頸，提高了設(shè)備的利用率并同時降低了維護(hù)費(fèi)用。網(wǎng)絡(luò)中的授權(quán)客戶端能夠通過跨集群對全局?jǐn)?shù)據(jù)庫實現(xiàn)訪問，實現(xiàn)了維護(hù)數(shù)據(jù)信息的全網(wǎng)一致性。

3.4 ? ?監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.4.1 ? ?安全性開發(fā)

設(shè)計了管理員和操作員兩個安全登錄級別。不同的管理員、操作員分別有獨立的登陸賬號與登陸密碼，并由系統(tǒng)記錄各登陸人員的賬號、級別、登陸時間、退出時間以及進(jìn)行的相關(guān)操作。

3.4.2 ? ?I/O服務(wù)器與現(xiàn)場設(shè)備的通信設(shè)置

本電站設(shè)計兩臺服務(wù)器兼做操作員站，布置成冗余I/O服務(wù)器、報警服務(wù)器、趨勢服務(wù)器、報表服務(wù)器、控制客戶端。I/O服務(wù)器等通常只在主服務(wù)器上運(yùn)行，僅在主服務(wù)器發(fā)生故障時切換到備用服務(wù)器繼續(xù)運(yùn)行，相對其他組態(tài)軟件通信開銷減半。當(dāng)主服務(wù)器恢復(fù)時，備用服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)同步，確保所有數(shù)據(jù)與報警服務(wù)不會丟失，保證了數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。

驅(qū)動程序使Citect能夠與系統(tǒng)中的設(shè)備通信。Citect中的每項通信設(shè)置都需要驅(qū)動程序才能實施協(xié)議和傳輸。這往往意味著兩個不同的驅(qū)動程序，但是在某些情況下，它們會被結(jié)合為一個驅(qū)動程序——“板”驅(qū)動程序。Citect擁有超過180個可用設(shè)備驅(qū)動程序，可通過幾個通信類型實現(xiàn)與大批產(chǎn)品設(shè)備的通信，包括支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通用驅(qū)動程序，例如OPC和Modbus。本項目選用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus TCP協(xié)議與各LCU進(jìn)行通信。

I/O設(shè)備可以通過通信快速向?qū)нM(jìn)行配置，主要包含配置I/O服務(wù)器、I/O板卡、I/O端口以及通信地址等參數(shù)，如圖2所示。

3.4.3 ? ?工藝流程

為了方便電站所有設(shè)備的監(jiān)視與控制，開發(fā)了主接線圖、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)圖、直流系統(tǒng)圖、保護(hù)測量圖、計量系統(tǒng)圖、機(jī)組狀態(tài)圖、機(jī)組流程圖、LCU輸入輸出圖、公用及輔助設(shè)備圖等相關(guān)工藝圖，如圖3所示。主接線圖實現(xiàn)電氣一次設(shè)備的狀態(tài)顯示與分合閘操作，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)圖顯示各網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的通信狀態(tài)，機(jī)組流程圖實現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組的一鍵開停機(jī)操作。

圖3右邊部分是各類頁面菜單，如各種工藝流程畫面、當(dāng)前報警頁面、歷史報警頁面、變量標(biāo)簽頁面、數(shù)據(jù)分析的趨勢頁面、各種服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)頁面、歷史數(shù)據(jù)庫配置和報表頁面。

3.4.4 ? ?變量標(biāo)簽

Citect所有的設(shè)備變量標(biāo)簽都存儲在Variable.DBF文件中，可以采用Microsoft Office Excel對其進(jìn)行編輯保存，大大提高了變量創(chuàng)建的效率，節(jié)約了開發(fā)時間。另外，Citect支持?jǐn)?shù)組，如果采用數(shù)組變量，將大大減少對工程項目的變量數(shù)量。

3.4.5 ? ?報警設(shè)置

Citect軟件支持255種報警分類，可以將不同種類的報警進(jìn)行個性化區(qū)分，比如顯示字體、顏色、保存到不同文件等;在報警篩選上也提供了篩選條件，可以按照報警分類號碼進(jìn)行報警的篩選，從而顯示客戶想要查看的某一類報警。報警分為數(shù)字量報警、模擬量報警、高級報警、帶時間標(biāo)簽數(shù)字量報警、帶時間標(biāo)簽?zāi)M量報警等多種報警方式。

本項目所有報警分成事故報警、一般故障報警、操作報警、硬件設(shè)備報警等四類，為事故報警和一般故障報警設(shè)置了報警聲音以提醒運(yùn)行操作人員。

首先將wav聲音文件存放在本工程目錄下的Sounds文件夾下，再在Citect工程管理器的工具菜單中打開計算機(jī)設(shè)置編輯器，在報警參數(shù)里添加參數(shù)[Alarm]Sound1=[RUN]：Sounds＼Alarm.wav;[Alarm]Sound2=[RUN]：Sounds＼skAlarm.wav。Sound1表示1類報警動作時播放的聲音文件，Sound2表示2類報警動作時播放的聲音文件。

3.4.6 ? ?趨勢

Citect的趨勢系統(tǒng)可以幫助我們更好了解設(shè)備的性能。趨勢化可以用來進(jìn)行可視性動態(tài)分析（趨勢以及SPC圖線）、生產(chǎn)記錄，或者為了提高效率以及預(yù)防性維護(hù)而定期記錄設(shè)備狀態(tài)。

為每個需要做數(shù)據(jù)分析的變量創(chuàng)建趨勢標(biāo)簽。它會按一定周期連續(xù)從I/O設(shè)備變量收集數(shù)據(jù)，每次對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣時，趨勢系統(tǒng)將獲得一個數(shù)據(jù)點并把數(shù)據(jù)保存在硬盤中。

根據(jù)系統(tǒng)的趨勢模板創(chuàng)建趨勢畫面，在畫面中要查看某個數(shù)據(jù)的趨勢，只需要在趨勢畫面中添加本數(shù)據(jù)的趨勢標(biāo)簽即可。

3.4.7 ? ?報表

Citect自帶的報表功能太過簡單，無法滿足水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的需求，所以我們通過Citect的API接口把實時數(shù)據(jù)存儲到MYSQL數(shù)據(jù)庫中，再通過自己開發(fā)的報表顯示軟件把數(shù)據(jù)展示出來。因此，需要在Citect工程管理器的工具菜單中打開計算機(jī)設(shè)置編輯器，添加確定采用CtAPI接口的遠(yuǎn)程計算機(jī)是否可以對本機(jī)進(jìn)行訪問的參數(shù)[CtAPI]Remote值設(shè)為1。

4 結(jié)語

Citect作為水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，充分體現(xiàn)了簡單易用、組態(tài)性能強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高、響應(yīng)速度快、畫面直觀生動、能降低單機(jī)數(shù)據(jù)處理負(fù)荷等優(yōu)點，但也存在一些缺點，比如報警聲音無法做到直接讀出報警內(nèi)容，報表功能過于簡單等。

收稿日期：2020-01-09

作者簡介：余興林（1981—），男，四川武勝人，工程師，云南能投威士科技股份有限公司副總工程師，主要從事新技術(shù)和智能監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)等工作。