水電機(jī)組自主可控監(jiān)控系統(tǒng)LCU 設(shè)計與測試

艾遠(yuǎn)高，黃家志，謝秋華

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

監(jiān)控系統(tǒng)是水電廠的“大腦中樞”，屬于核心控制系統(tǒng)，是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)[1，2]。其中，現(xiàn)地控制單元（LCU）是監(jiān)控系統(tǒng)直接參與電廠的生產(chǎn)過程控制接口[3]，是系統(tǒng)中最具面向?qū)ο蠓植继卣鞯目刂圃O(shè)備。對巨型水電機(jī)組計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU 進(jìn)行自主可控設(shè)計，掌握核心技術(shù)，并擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，是保障國家能源安全的重要支撐。

同時，為保障國內(nèi)水電站內(nèi)各類使用監(jiān)控系統(tǒng)LCU 產(chǎn)品的設(shè)備的長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行，保障充足的備件儲備，以及設(shè)備改造順利實施，解決水電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)LCU 上存在的備件自主問題，需對水電機(jī)組自主可控監(jiān)控系統(tǒng)LCU 進(jìn)行設(shè)計及對應(yīng)的測試方法研究。

1 自主可控監(jiān)控系統(tǒng)LCU 設(shè)計原則

1.1 可靠性

作為巨型水電機(jī)組自主可控監(jiān)控系統(tǒng)，在穩(wěn)定可靠性方面，要求其具備較高的抗電磁干擾、抗雷電沖擊的能力；同時系統(tǒng)控制功能可靠性、獨(dú)立性要求高。

系統(tǒng)實現(xiàn)方面，需設(shè)計監(jiān)控信號可靠性的判斷。可利用信號的品質(zhì)、模板的品質(zhì)與工作狀態(tài)、采集回路的電源屬性等對信號可靠性進(jìn)行判斷。如對于流程中使用的開關(guān)量信號，通過判斷其品質(zhì)位、模板狀態(tài)以確定其是否可信；對于流程中使用的模擬量，特別是用于觸發(fā)停機(jī)邏輯的模擬量，在信號處理時，同時考慮該模擬量是否存在通道故障或模件故障。

1.2 安全性

水電機(jī)組自主可控監(jiān)控系統(tǒng)除了網(wǎng)絡(luò)安全等方面要求外，還需考慮以下層面安全性：

（1）產(chǎn)品自主安全性。系統(tǒng)核心軟硬件產(chǎn)品(如PLC、操作系統(tǒng)等)自主安全可控，在安全前提下，其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。

（2）系統(tǒng)實現(xiàn)安全性。一方面是合理設(shè)置用戶權(quán)限，另一方面是設(shè)備操作權(quán)限的開放與禁止。設(shè)置用戶權(quán)限主要是對不同級別的用戶權(quán)限進(jìn)行限定，根據(jù)電站監(jiān)控系統(tǒng)使用人員分工的不同而分別設(shè)置[4]。

（3）系統(tǒng)安全閉鎖?？紤]機(jī)組停機(jī)觸發(fā)條件的安全性，增加異常情形下的停機(jī)條件判斷閉鎖條件。如機(jī)組水導(dǎo)油位停機(jī)由單一信號源改為配置雙套油位計，且同時判斷模擬量與開關(guān)量；對于快速門下滑至事故位觸發(fā)一類機(jī)械事故停機(jī)，為避免單一開關(guān)量信號誤動停機(jī)，停機(jī)條件中增加進(jìn)水口閘門開度小于90%的條件閉鎖。

1.3 全面性

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計為分層型控制系統(tǒng)，在現(xiàn)地控制級大量采用現(xiàn)場總線通信技術(shù)，極大地減少了電纜施工；同時為保證監(jiān)控系統(tǒng)功能的獨(dú)立性，一些重要信號除以通信方式傳輸外，還以硬接線的方式接人監(jiān)控系統(tǒng)。

如對于機(jī)組勵磁、繼電保護(hù)、調(diào)速器等系統(tǒng)，由于其與監(jiān)控系統(tǒng)信息交換量不大，同時對監(jiān)控系統(tǒng)功能實現(xiàn)至關(guān)重要，主要用于機(jī)組的控制與調(diào)節(jié)，因此重要信號采用硬接線方式，部分信號輔以通信方式傳輸。如計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對勵磁系統(tǒng)的增、減磁命令通過硬接線開關(guān)量輸出(DO)方式下達(dá)，對調(diào)速器有功功率設(shè)定命令采取硬接線模擬量輸出(AO)為主，數(shù)據(jù)通信作為備用方式。

1.4 可維護(hù)性

巨型水電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)LCU 系統(tǒng)一般具有數(shù)以萬計的信號，涉及機(jī)組控制各個方面，對系統(tǒng)信號穩(wěn)定性、響應(yīng)性等要求高，因而監(jiān)控系統(tǒng)需具有良好的靈活性、開放性、可擴(kuò)充性和可維護(hù)性。針對自主可控監(jiān)控系統(tǒng)維護(hù)便利性，系統(tǒng)需具有足夠的安全冗余度，所有環(huán)節(jié)一般均按雙重冗余配置：

（1）控制設(shè)備的冗余配置[5]。計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計考慮了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的雙冗余配置，以及重要服務(wù)器、工作站、PLC CPU 模件、網(wǎng)絡(luò)通信模件源、總線等設(shè)備的冗余配置，通過控制設(shè)備的冗余配置有效提高系統(tǒng)可靠性。

（2）輸入、輸出信號的適當(dāng)冗余配置。對于重要的設(shè)備，系統(tǒng)適當(dāng)配置冗余的輸入、輸出信號，從而在單個信號故障的情況下，不影響重要設(shè)備控制功能的實現(xiàn)。

（3）重要開關(guān)量輸出信號冗余配置。電站對監(jiān)控系統(tǒng)重要的開關(guān)量輸出[6]，如斷路器合分、投調(diào)速器、投勵磁、投高壓油等均配置了雙路開出。

（4）重要模擬量輸入信號冗余配置。如機(jī)組轉(zhuǎn)速考慮了PT 測速與齒盤測速兩種測速原理，作用于停機(jī)的水導(dǎo)油位，在改進(jìn)時設(shè)置雙油位計測量；測量壓油罐壓力的同時測量油罐壓力與管道壓力，機(jī)組水頭信號在廠房的兩側(cè)均安裝水位測量信號等。通過對重要輸入、輸出信號的冗余配置，提升控制功能的整體可靠性。

2 自主可控監(jiān)控系統(tǒng)LCU 設(shè)計

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與通信

系統(tǒng)可采用成熟的分層分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計冗余的網(wǎng)絡(luò)配置，即控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的雙冗余配置，以及重要服務(wù)器、工作站、PLC CPU 模件、網(wǎng)絡(luò)通信模件源、總線等設(shè)備的冗余配置，通過控制設(shè)備的冗余配置有效提高系統(tǒng)可靠性。

采用成熟的通信規(guī)約進(jìn)行通信，為便于系統(tǒng)維護(hù)，采用開放系統(tǒng)互聯(lián)協(xié)議或適用于工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；通信軟件配置應(yīng)能由用戶修改，以便于將來與其他計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；同時，主控級與現(xiàn)地控制單元的通信協(xié)議是公開的，并有詳細(xì)的說明，以保證將來現(xiàn)地控制單元中的主要設(shè)備改型或升級不受影響。

2.2 數(shù)據(jù)采集及處理

數(shù)據(jù)采集及處理功能主要包括：

（1）采集各現(xiàn)地單元的各類實時數(shù)據(jù)；自動采集智能裝置的有關(guān)信息；自動接收調(diào)度部門的命令信息；自動接收電廠監(jiān)控系統(tǒng)以外的數(shù)據(jù)信息，并對自動采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行可用性檢查；對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行工程單位轉(zhuǎn)換。

（2）具有數(shù)字量輸入點(diǎn)的抖動限值報警及處理；具有模擬量輸入點(diǎn)的梯度限值報警及處理；具有數(shù)字量輸出動作次數(shù)統(tǒng)計及報警（設(shè)備維護(hù)）；具有輸入/輸出通道的自診斷功能。

（3）對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行報警檢查，形成各類報警記錄和發(fā)出報警音響；對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫刷新。

（4）生成各類運(yùn)行報表；形成歷史數(shù)據(jù)記錄；生成曲線圖記錄；具有事件順序記錄的處理能力；事故追憶數(shù)據(jù)處理能力（包括記錄事故時刻的相關(guān)量）。

為便于自主可控監(jiān)控系統(tǒng)日常維護(hù)，需對采集數(shù)據(jù)相關(guān)的源碼值、通道質(zhì)量及數(shù)據(jù)狀態(tài)上送上位機(jī)(圖2)，可在上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中設(shè)定模擬量的量程、限值及死區(qū)。

圖2 模擬量數(shù)據(jù)處理流程

2.3 控制與操作

運(yùn)行操作設(shè)置主要包括：對功能和預(yù)定的決策參數(shù)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，滿足電力調(diào)度發(fā)電控制要求。對運(yùn)行設(shè)備控制方式的設(shè)置：調(diào)度控制級/廠站控制級方式設(shè)置；廠站控制級/現(xiàn)地單元控制級方式設(shè)置；梯調(diào)調(diào)節(jié)/廠站調(diào)節(jié)方式設(shè)置；機(jī)組單控/聯(lián)合控制運(yùn)行方式設(shè)置；運(yùn)行設(shè)備自動/手動控制方式設(shè)置；運(yùn)行人員能夠通過廠站控制級人機(jī)接口，完成對單臺設(shè)備的控制與調(diào)節(jié)。

機(jī)組控制分為開停機(jī)流程控制、對象設(shè)備控制、有功/無功調(diào)節(jié)、條件計算、強(qiáng)置、溫度量的閉鎖和解鎖等。

功率調(diào)節(jié)包含有功功率調(diào)節(jié)和無功功率調(diào)節(jié)。有功功率調(diào)節(jié)模式可分為功率模擬量給定方式、功率脈沖量調(diào)節(jié)模式和開度模式，無功功率調(diào)節(jié)模式可分為電壓模式、電流模式和無功模式。

如機(jī)組無功調(diào)節(jié)，LCU 計算無功設(shè)定值（Qset）和無功實發(fā)值（Q）的差值（Δq）

其中，Qdb為無功偏差設(shè)定死區(qū)值，計算出脈沖寬度、間隔時間和方向，下發(fā)至勵磁調(diào)節(jié)器。在電壓模式下，增減勵磁的電壓給定值；在電流模式下，增減勵磁的電流給定值；在無功模式下，增減勵磁的無功給定值（圖3）。

圖3 無功功率調(diào)節(jié)流程示意圖

2.4 交互接口

為提高系統(tǒng)安全性和可維護(hù)性，自主可控監(jiān)控系統(tǒng)LCU 還需具備如下性能：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用分布式數(shù)據(jù)庫及軟件模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計，使系統(tǒng)能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴(kuò)充，并能進(jìn)行系統(tǒng)自診斷。

（2）配置觸摸屏，通過串口或現(xiàn)場總線與PLC 控制器通信，顯示系統(tǒng)LCU 重要設(shè)備狀態(tài)。

（3）自診斷實現(xiàn)。系統(tǒng)通信接口、功能模件及外圍設(shè)備等診斷出故障時，自動發(fā)出信號；對于冗余設(shè)備，應(yīng)自動切換到備用設(shè)備。同時LCU 系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)視指示燈、繼電器等輔助手段多樣，幫助人員準(zhǔn)確快速定位故障點(diǎn)。

（4）分析報警。能夠?qū)崿F(xiàn)面向系統(tǒng)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的智能分析報警，系統(tǒng)工作場景綜合智能分析報警，控制過程智能分析報警等功能。

3 自主可控監(jiān)控系統(tǒng)LCU 測試方法

3.1 硬件測試

自主可控監(jiān)控系統(tǒng)LCU 硬件測試主要包括PLC 模件測試、主要元件測試（表1），自主可控性能測試（表2）等。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)LCU 硬件檢測(部分)

表2 監(jiān)控系統(tǒng)LCU 自主可控檢測項目(部分)

3.2 軟件測試

自主可控監(jiān)控系統(tǒng)LCU 軟件測試主要包括以下內(nèi)容：

（1）自有知識產(chǎn)權(quán)程度分析。測試編程組態(tài)軟件和監(jiān)控畫面組態(tài)軟件自有知識產(chǎn)權(quán)程度。

（2）軟件適配性測試，包含監(jiān)控系統(tǒng)LCU 編程組態(tài)軟件與國產(chǎn)中標(biāo)麒麟、凝思等國產(chǎn)操作系統(tǒng)適配性。

（3）軟件編程語言友好性測試。編程與IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的一致性及用戶習(xí)慣的適應(yīng)性。

（4）軟件功能分析，編程組態(tài)軟件和監(jiān)控畫面組態(tài)軟件功能分析，如LCU 程序中的順控流程完整性、機(jī)組對象設(shè)備控制的完備性等功能。

（5）軟件可維護(hù)性，維護(hù)及使用人員可對自主可控系統(tǒng)軟件調(diào)試及升級維護(hù)。

4 結(jié)語

巨型水電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)LCU 負(fù)責(zé)機(jī)組現(xiàn)地設(shè)備監(jiān)視和控制調(diào)節(jié)，對于保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。為解決水電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)上存在的備件自主問題，本文對巨型水電機(jī)組計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行自主可控設(shè)計，并對對應(yīng)的測試方法進(jìn)行了總結(jié)研究。本研究方法已在某巨型水電站進(jìn)行了現(xiàn)場測試，測試效果達(dá)到預(yù)期，對巨型水電機(jī)組自主可控監(jiān)控系統(tǒng)LCU 現(xiàn)場應(yīng)用有著重要參考價值，同時，監(jiān)控系統(tǒng)自主可控設(shè)計對加快工控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化進(jìn)程具有重要意義。