基于DCS的水電廠電氣二次控制設(shè)備集成與應(yīng)用

摘要：水電站電氣二次控制設(shè)備有效性與可靠性對(duì)電廠運(yùn)行影響重大，亟需建立集成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控?？紤]到DCS系統(tǒng)技術(shù)水平相對(duì)成熟，基于DCS構(gòu)建水電廠電氣二次控制設(shè)備集成系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)現(xiàn)場控制級(jí)、網(wǎng)絡(luò)通信級(jí)、監(jiān)控管理級(jí)三級(jí)系統(tǒng)體系。針對(duì)系統(tǒng)方案，立足工業(yè)控制主機(jī)、運(yùn)算處理器、嵌入式系統(tǒng)、I/O實(shí)時(shí)接口，采取IEEE 802.11n通信協(xié)議與PI數(shù)據(jù)庫，完成具體集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合某水電廠開展電氣二次控制設(shè)備集成系統(tǒng)驗(yàn)證，能有效監(jiān)控電氣二次設(shè)備參數(shù)，證明了系統(tǒng)的可行性與正確性。

關(guān)鍵詞：DCS系統(tǒng)；水電廠；電氣二次設(shè)備；設(shè)備集成；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2024）20-0074-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.20.017

0 引言

智能水電已經(jīng)成為進(jìn)一步發(fā)展電氣系統(tǒng)控制和保護(hù)的重點(diǎn)內(nèi)容，引領(lǐng)著水電站建設(shè)的方向。在我國能源綜合利用的背景下，建設(shè)智能化、信息化水電廠，需具備遠(yuǎn)程監(jiān)視及控制功U9KavqM0oHFbEhqG2QiZ2Q==能，據(jù)此實(shí)現(xiàn)無人值守下電廠自主控制。而電氣二次設(shè)備如合并單元、控制開關(guān)、電壓表、熔斷器等作為監(jiān)控、保護(hù)和調(diào)節(jié)水電廠一次設(shè)備的低壓電氣設(shè)備對(duì)建設(shè)智能水電作用重大。因此，水電廠可基于DCS集成電氣二次控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在線監(jiān)控，從而提高水電廠管理水平。

1 基于DCS的水電廠電氣二次控制設(shè)備集成系統(tǒng)方案

DCS系統(tǒng)是水電廠的“大腦”與“眼睛”，利用傳感器操作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電氣二次控制設(shè)備監(jiān)測全覆蓋，可就地傳輸設(shè)備參數(shù)型號(hào)至站點(diǎn)，及時(shí)把控電氣二次設(shè)備狀態(tài)，為定期檢修、運(yùn)維管理提供支持。系統(tǒng)框架如圖1所示。

DCS系統(tǒng)由現(xiàn)場控制站、操作員站、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及工程師站構(gòu)成。為保證DCS系統(tǒng)通信更為規(guī)范，設(shè)計(jì)三級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具體如下：

1）現(xiàn)場控制級(jí)。該級(jí)以現(xiàn)場控制站為主，其作為DCS系統(tǒng)中間層，能夠?qū)F(xiàn)場采集電氣二次設(shè)備信息傳輸至服務(wù)器，也能對(duì)二次設(shè)備進(jìn)行順序控制、反饋控制、批量控制等。該系統(tǒng)現(xiàn)場控制站采取PI數(shù)據(jù)庫，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與挖掘。

2）網(wǎng)絡(luò)通信級(jí)。該級(jí)以系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為主，電氣二次設(shè)備獨(dú)立且分散，數(shù)據(jù)基本依賴于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，須通過現(xiàn)場總線、光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)字信號(hào)。

3）監(jiān)控管理級(jí)，以操作員站和工程師站為主。操作員站用于人機(jī)對(duì)話，采取Linux操作軟件，配合顯示器、CPU、主板、內(nèi)存、顯示器等硬件，顯示電氣二次控制設(shè)備數(shù)據(jù)[1]。工程師站則權(quán)限較高，能夠開展組態(tài)工作，利用組態(tài)軟件編寫命令語句，賦予相同模塊不同屬性，如算法規(guī)則、計(jì)算參數(shù)等。

2 基于DCS的水電廠電氣二次控制設(shè)備集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控管理級(jí)

2.1.1 工業(yè)控制主機(jī)

DCS電氣二次控制設(shè)備集成系統(tǒng)中，操作員站與工程師站采取工業(yè)級(jí)PC，能夠運(yùn)行于高粉塵、劇烈振動(dòng)、電磁干擾等惡劣環(huán)境下，由CPU卡、同步對(duì)時(shí)卡、存儲(chǔ)卡等構(gòu)成。考慮水電廠現(xiàn)場條件復(fù)雜，設(shè)備采取抗干擾、防塵、加固設(shè)計(jì)，設(shè)置不同接口外設(shè)[2]。該P(yáng)C機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)4U機(jī)箱、2.5 GHz CPU，硬盤160 GB，液晶CRT21″，單網(wǎng)卡100M，兼顧現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)研發(fā)需求，且具備全鋼機(jī)殼，雙正風(fēng)扇，底板插槽為PLC-E總線擴(kuò)展，設(shè)計(jì)14槽背板，滿足220 kV及以上電壓要求。

2.1.2 運(yùn)算處理器

電氣二次設(shè)備監(jiān)控中，采取XEONX5570核心處理器，為雙路服務(wù)器，主頻2 930 MHz，支持超線程與DDR3內(nèi)存技術(shù)。該處理器采用45 nm工藝，高速緩存8M，功率95 W，內(nèi)存48 GB，配以Linux系統(tǒng)，能夠輸出電氣二次設(shè)備數(shù)據(jù)，并采取軟總線并行CPU處理，滿足不同結(jié)構(gòu)、電壓等級(jí)、接口形式電氣二次設(shè)備要求，實(shí)現(xiàn)處理器數(shù)據(jù)傳輸。

2.1.3 嵌入式系統(tǒng)

Linux系統(tǒng)作為免費(fèi)開源的操作系統(tǒng)，能夠根據(jù)電氣二次設(shè)備控制需求，對(duì)源代碼自由修改，且操作更為安全，支持X86、PowerPC、ARM等硬件平臺(tái)，能夠在多種設(shè)備上運(yùn)行系統(tǒng)，滿足監(jiān)控要求。

2.1.4 I/O實(shí)時(shí)接口

通信接口利用PCIe卡槽連接操作站設(shè)備，負(fù)責(zé)將電氣二次設(shè)備數(shù)據(jù)同步、高速發(fā)送至被測間隔，利用FPGA處理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組包、協(xié)議轉(zhuǎn)換、同步處理功能[3]，而時(shí)鐘同步、電源管理、CPU管控、以太網(wǎng)PHY模塊則單獨(dú)布置于系統(tǒng)級(jí)芯片中，如圖2所示。

外部接口則有無線以太網(wǎng)接口、電源接口、GPS數(shù)傳接口、串行以太網(wǎng)接口等。FPGA是接口卡核心，采取EP4CE22與PE4CGX22結(jié)構(gòu)；PHY芯片是88E1512，以此實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制裝置與監(jiān)控管理裝置的數(shù)據(jù)交互。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信級(jí)

2.2.1 通信要求

水電廠DCS電氣二次控制中，通信采用IEEE 802.11n協(xié)議，以O(shè)FDM與MIMO為核心技術(shù)，最高傳輸速率600 MB/s，平均300 MB/s，能夠兼容802.11b/g?？紤]水電廠實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，總線、光纖傳輸需考慮多徑傳輸、障礙物、電磁干擾等影響，即相同信源不同傳輸路徑互相干擾，加上水電站電氣設(shè)備運(yùn)行電磁輻射、相鄰頻段設(shè)備等，均會(huì)影響通信效果[4]。為滿足電氣二次設(shè)備控制要求，通信技術(shù)指標(biāo)要求如下：采集數(shù)據(jù)周期<250 μs，通信延時(shí)<4 ms，同步精度>10 μs，數(shù)據(jù)離散度<1 ms，采樣精度>16 bit，無數(shù)據(jù)丟包情況。

2.2.2 通信機(jī)制

根據(jù)水電廠通信要求，二次開發(fā)IEEE 802.11n通信機(jī)制，解決傳輸數(shù)據(jù)延時(shí)、丟幀問題。具體如下：

1）采樣值雙通道通信。水電廠電氣二次設(shè)備采樣值數(shù)據(jù)差異較大，要求采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、優(yōu)先傳輸，滿足監(jiān)控要求，以免臨頻、射頻干擾，選擇采用5.8 GHz頻率完成SV報(bào)文傳輸。

2）采樣值重復(fù)發(fā)送。為克服水電廠電氣二次設(shè)備環(huán)境惡劣數(shù)據(jù)丟幀問題，采取數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送的方式，可提高10倍傳輸效率。并且下行數(shù)據(jù)以單向廣播通信，全部監(jiān)控所需電壓、電流數(shù)據(jù)組包發(fā)送，由接收端拆分處理，以免不同間隔終端爭奪通信道路使用權(quán)，增加延時(shí)[5]。以實(shí)際電氣二次設(shè)備數(shù)據(jù)而言，裸采樣數(shù)據(jù)每個(gè)A/D模擬量2 B，以太網(wǎng)可攜帶報(bào)文46 B，根據(jù)采樣周期250 μs，需要2 MB/s帶寬，設(shè)置帶寬6M，可重復(fù)發(fā)送3次。

3）應(yīng)用層插值。根據(jù)802.11n協(xié)議，接收端接收數(shù)據(jù)，向發(fā)送端回傳ACK包告知，如果發(fā)送端未能收到ACK包，認(rèn)為傳輸中數(shù)據(jù)包丟失，需重新發(fā)送，數(shù)據(jù)抖動(dòng)與延時(shí)較大[6]。該系統(tǒng)中，設(shè)置數(shù)據(jù)插值機(jī)制，對(duì)于多次發(fā)送仍然錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)直接拋棄，采取插值算法將其補(bǔ)齊，無須多次重復(fù)發(fā)包。

4）接收層緩存。接收端構(gòu)建內(nèi)存區(qū)緩存處理接收數(shù)據(jù)，緩存時(shí)長為0～100 ms，數(shù)據(jù)精度100 μs，以該機(jī)制消除數(shù)據(jù)抖動(dòng)，保證數(shù)據(jù)平滑、無抖動(dòng)輸出，為系統(tǒng)提供高質(zhì)量、真實(shí)的電氣二次設(shè)備數(shù)據(jù)。

2.2.3 通信硬件

DCS系統(tǒng)中，通信數(shù)據(jù)鏈路硬件包括基帶級(jí)與射頻級(jí)部分；射頻級(jí)模擬前端處理，完成濾波、下變頻、放大等；基帶級(jí)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、制訂通信報(bào)文等。鏈路中數(shù)據(jù)包括電氣二次設(shè)備開關(guān)量信息，通過管理軟件對(duì)各模塊加以協(xié)調(diào)，提供數(shù)據(jù)終端控制、時(shí)鐘、電源功能，如圖3所示。

基帶物理層涉及幀同步、編碼解碼、信道估計(jì)、頻率同步等通信算法。發(fā)送信號(hào)時(shí)，由收發(fā)器直接輸出小功率射頻信號(hào)，利用功率放大器將其放大，通過收發(fā)切換器輻射至系統(tǒng)空間。接收信號(hào)時(shí)，感應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)，以切換器、低噪聲放大器處理，進(jìn)而解調(diào)信號(hào)。

2.3 現(xiàn)場控制級(jí)

數(shù)據(jù)庫作為DCS系統(tǒng)電氣二次設(shè)備監(jiān)控基礎(chǔ)，要求具備先進(jìn)的壓縮技術(shù)、采集技術(shù)、系統(tǒng)訪問結(jié)構(gòu)及廣泛接口技術(shù)。DCS系統(tǒng)采集、監(jiān)視數(shù)據(jù)功能強(qiáng)大，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)欠佳，原因在于每個(gè)廠商獨(dú)立研發(fā)DCS數(shù)據(jù)庫，開放性不足，缺乏后續(xù)開發(fā)能力，需在DCS系統(tǒng)外構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)。而PI系統(tǒng)能夠直觀顯示水電廠生產(chǎn)過程，實(shí)時(shí)獲取原始電氣二次設(shè)備數(shù)據(jù)，通過可配置報(bào)表，即可了解電氣二次設(shè)備采集數(shù)據(jù)[7]。PI系統(tǒng)由分析工具、服務(wù)器軟件、可視化工具構(gòu)成，服務(wù)器處于最底層，采集、分配和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，包括自定義數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)等；分析工具可轉(zhuǎn)化有價(jià)值數(shù)據(jù)為操作信息；可視化工具能夠傳遞信息，支持決策。而在PI服務(wù)器應(yīng)用中，面對(duì)水電廠電氣二次設(shè)備不直觀、雜亂、特征不明顯的數(shù)據(jù)，需要對(duì)其進(jìn)行挖掘，具體流程如下：

1）準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。該環(huán)節(jié)包括選擇與集成兩步，將不同格式、來源、特性的數(shù)據(jù)在物理或邏輯上有機(jī)集中，根據(jù)需求抽取原始數(shù)據(jù)的一組為目標(biāo)數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)預(yù)處理。該環(huán)節(jié)消除數(shù)據(jù)噪聲，推導(dǎo)缺少數(shù)據(jù)，清理重復(fù)記錄，變換數(shù)據(jù)類型，通信應(yīng)用層插值即為補(bǔ)值環(huán)節(jié)。

3）挖掘數(shù)據(jù)。該環(huán)節(jié)需確定數(shù)據(jù)任務(wù)，包括數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)總結(jié)、關(guān)聯(lián)規(guī)則等，根據(jù)不同數(shù)據(jù)及任務(wù)需求，確定數(shù)據(jù)算法，完成挖掘工作。

3 基于DCS的水電廠電氣二次控制設(shè)備集成系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 案例分析

以某水電廠為例，開展電氣二次控制設(shè)備集成系統(tǒng)驗(yàn)證，將工控PC機(jī)、電纜等按照系統(tǒng)要求逐一布置，配置2套集成系統(tǒng)、10個(gè)核心處理器、13套工控PC機(jī)，選擇國產(chǎn)廠家配置設(shè)備，現(xiàn)場完成安裝設(shè)置。

3.2 功能應(yīng)用

3.2.1 信號(hào)變送

系統(tǒng)可讀取電氣二次設(shè)備信號(hào)，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，如電壓、振動(dòng)、壓力等數(shù)據(jù)，完成信號(hào)變送；并對(duì)傳感器型號(hào)開展預(yù)處理，如調(diào)整信號(hào)幅值電平、抑制信號(hào)干擾等。47ebe4a3136facd3978ab5a0e6b8b37643fe8bd5d9fb9cb9c644f865343eecbf

3.2.2 數(shù)據(jù)采集

信號(hào)預(yù)處理后經(jīng)過轉(zhuǎn)換、記錄，讀取電氣二次設(shè)備實(shí)時(shí)信號(hào)，傳輸至PI系統(tǒng)緩沖區(qū)，完成數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)工作。軟件可編輯、添加、刪除電氣二次設(shè)備電流、電壓幅值、頻率及相位。該狀態(tài)處于采集列表內(nèi)，勾選后即可抽取有價(jià)值數(shù)據(jù)整合。

3.2.3 權(quán)限管理

集成系統(tǒng)設(shè)置人員權(quán)限，部分重要參數(shù)禁止一般操作人員修改或查看，僅專業(yè)工程師方能設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，提高系統(tǒng)保密性；并對(duì)不同權(quán)限用戶設(shè)置密碼，以此保護(hù)賬號(hào)安全性。

3.2.4 二次回路可視化

電氣二次設(shè)備運(yùn)行中，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)利用PI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬二次回路可視化，通過通信報(bào)文，確定二次回路變化，展示實(shí)時(shí)狀態(tài)，輸出電氣波形、矢量圖、頻率等參數(shù)，支撐水電廠運(yùn)行維護(hù)、檢修等作業(yè)。

4 結(jié)束語

本文通過深入研究基于DCS的水電廠電氣二次控制設(shè)備集成系統(tǒng)，探討現(xiàn)場控制級(jí)、網(wǎng)絡(luò)通信級(jí)、監(jiān)控管理級(jí)設(shè)計(jì)措施，對(duì)電氣二次設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸、通信、存儲(chǔ)等提出解決方案。基于DCS與水電廠二次控制設(shè)備結(jié)合，確定了集成系統(tǒng)方案，能夠有效傳輸電氣二次設(shè)備數(shù)據(jù)，具備信號(hào)變送、數(shù)據(jù)采集、權(quán)限管理、二次回路可視化等功能，滿足在線監(jiān)控要求，為水電廠安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供了支持，有利于推動(dòng)水電行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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收稿日期：2024-06-11

作者簡介：李煥宇（1991—），男，吉林人，工程師，研究方向：水電廠電氣二次。