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摘要：随着计算机和网络技术的迅猛发展，面向对象的水电厂计算机监控系统在各国水电站中得到广泛应用。作者以拉美地区某中型水电站为例，在其计算机监控系统设计中，从安全及经济运行的角度出发，改进了原技术方案和硬件配置，提高了自动化控制水平和系统安全性。本文主要介绍了计算机监控系统的结构设计和配置，并详细阐述了其系统功能。
关键词 水电站 监控系统 自动化控制
概况
本文中所涉及的拉美地区某中型水电站（以下简称R电站）为引水式电站，原装设有3台立式混流水轮发电机组，单机容量均为34.8MW。R电站后于2012年对原3台机组监控系统进行了改造升级，同时新增1台40MW立式混流式水轮发电机组，该机组有调相运行任务。改造方案选用了国内某知名品牌监控系统，在保持原3台机组监控功能基础上，还需将新增4号机组纳入监控对象范畴。
监控系统结构设计
2.1监控系统主要设计原则
（1）按照电站自动化要求，R电站为全计算机监视控制方式，并按照能实现各设备现地控制、现地控制单元（LCU）、中控室/站控层和远方监控的指导思想进行总体设计和配置。
（2）实现电站计算机监控系统与继电保护、励磁、调速器及油压系统、球阀、直流系统、MCC、计量系统、振摆监测、压力钢管事故蝶阀、超声波流量监测等装置和设备之间的通信。
（3）系统配置和设备选型符合计算机发展迅速的特点，充分利用计算机领域的先进技术并达到当前国际先进水平。系统高度可靠、冗余，其本身的局部故障不影响现场设备的正常运行。
（4）系统为全分布、全开放式系统，全厂实时数据库和历史数据库分布在厂站级计算机中，各单元实时数据库分布在各个LCU上，系统功能分布在各个节点上，每个节点严格执行指定的任务并通过系统控制网与其它节点进行通信。
（5）系统具有高度的可靠性和利用率，系统结构设计应在满足系统要求的前提下尽量采用已在其他同等规模水电厂控制系统中成功应用的设备和功能，新功能的扩展应可以通过现有的硬件或增加新的节点方便地实现。
（6）考虑机组调相运行工况，具备对调相机组的监测、控制和水机保护功能。
2.2监控系统结构及硬件配置
R电站计算机监控系统采用开放式分层分布系统，全分布数据库。考虑到R电站在该国电网中的地位及未来发展需求，电站按照“无人值班”（少人值守）进行高标准的设计。整个系统由电站上位机系统和现地控制单元（LCU）组成，通过中控室的两台工业级百兆以太网主交换机以双星型以太网拓扑结构联结，厂站控制层网络传输速率为10Mbps/100Mbps自适应式，通讯协议采用TCP／IP协议，主用网络发生链路故障时能自动切换到备用链路。系统结构如图1所示。
图1 R电站计算机监控系统结构图
电站水轮发电机组、公用开关站系统、大坝各设置一套LCU。LCU直接采集被监控设备开关量、模拟量、电度量等信号并通过Ethernet/IP通讯协议向上位机系统上传采集数据。LCU既可作为分布系统中的现地终端，又可作为独立装置单独运行。当现地控制单元和主控计算机通信中断时，各现地控制单元能独立运行并继续进行控制和监视，保证电站安全运作。
电站上位机系统能接受各LCU的越限报警信号，对于轻度越限，只发报警信号；对于严重越限，除发报警信号外，还作用于事故停机。电站上位机系统还设有其监控范围内完整的实时数据和历史数据，LCU分别设有其监控范围内完整的实时数据，LCU与电站上位机系统通信中断后，能保存至少2小时的历史数据，并在通信正常后自动恢复上位机历史数据。
2.2.1上位机系统
R电站上位机系统采用Wonderware公司的Intouch软件，其主要设备包括数据服务器、操作员工作站、工程师站、GPS对时设备、通信网络设备、远程登陆和访问设备、打印设备、UPS等。
（1）数据服务器1台：主要负责实现主控制层实时数据采集和处理、记录数据的计算和处理、实时数据和运行文档的保存和检索、实时数据库的生成和管理、历史数据库的生成和管理、系统时钟管理等方面功能。（2）操作员工作站3台：操作员工作站的功能包括图形显示、定值设定及变更工作方式等，并采用双机热备用的工作方式，任何一台计算机故障，系统仍可正常运行，提高了系统的安全可靠性。
（3）工程师站1台：主要负责实现监控系统的开发、编制和修改应用软件、建立系统数据库、系统维护和管理、程序下载、远程诊断维护等功能，同时还可以对运行和维护人员进行培训。受训人员接受培训时，工程师站初始信息来自数据服务器，在模拟监控整个电站的过程中不会产生任何实际的控制输出，不影响电站设备的正常运作。
（4）GPS：配置1套GPS时钟装置作为电站计算机监控系统以及其它装置的基准时钟。GPS卫星时钟系统通过SNTP协议向监控系统厂级管理工作站传送时钟信息，并通过向各LCU的SOE模件发送IRIG-B码对时信号实现下位机对时功能。同时也可提供IRIG-B码对时信号给调速、励磁等设备以满足其对时需要。
（5）网络设备：上、下位机通讯网络采用双星型拓扑结构，并分别在上位机系统和各现地LCU单元内设置网管型交换机，主干网发生光纤断点时，可以在500毫秒内自动切换到热备网络并恢复通讯。
2.2.2现地控制单元
R电站现地控制单元包括1#机组LCU、2#机组LCU、3#机组LCU、4#机组LCU、公用开关站LCU和闸门LCU。LCU直接监控运行设备的生产过程，既可作为分布系统中的现地智能终端，又可作为独立装置单独运行。机组、公用开关站及闸门LCU均采用美国Rockwell自动化AB系列PLC。LCU通过Controlnet通道和RS-232串口与被监控设备控制柜及其它智能设备通信。由于闸门配电房距离厂区较远，闸门LCU通过光纤配线架与厂区局域网交换机通信，通信介质为单模光缆。LCU设有其监控范围内完整的实时数据和历史数据，当与上位机系统通信中断时，能保存至少2小时的历史数据，并能在通信正常后响应上位机系统的命令将中断期间的历史数据信息传输到上位机系统，以便恢复上位机的历史数据库。在LAN网上的各LCU之间还能够实现部分DI、AI及其它综合点的数据共享。
系统功能及特点
R电站监控系统可以完全按设计要求实现机组停机、空转、空载、发电和调相的工况转换。借助于键盘和鼠标，可查询电站实时生产过程的状况或征询操作指导意见，并将有关参数、条文用画面显示或打印出来。通过上位机画面显示的图形、数据的实时变化、闪烁和简报报警，可以很好的监视电站的实时运行状况，并可通过画面中的软功能键对电厂的运行设备发出控制命令，如机组启/停、发电-调相状态转换、有（无）功功率增/减、断路器分/合闸、泄洪闸开启/关闭等。通过监控系统还可以对控制操作权的归属进行切换，如中控室工作方式选择切换、顺控全自动工作方式和顺控分步自动工作方式选择切换等。
R电站监控系统除了具备一些常规的监控功能，如自动报警、经济运行、调相、报表打印等外，还具备以下功能和特点：
可靠的冗余结构
采用分布式设计，保证当现地控制单元与上位机系统通信中断时，LCU仍然可以实现对运行设备的监视和控制。硬件上采用多层次的冗余措施，操作员工作站、网络交换机、网络通道、UPS、Controlnet通讯通道等皆实现冗余配置。每套LCU系统内都设置有冗余电源模块并采用交直流互为热备用，在每个用电单元回路中还配置有两套开关电源，当一路电源故障时可无缝切换到热备用电源，不影响现地控制单元的正常运行。对于LCU系统的核心设备PLC，还配置有双CPU，并具备I/O模块热插拔等功能。整个系统由软硬件实现冗余设备的检测与故障诊断，同时实现冗余部件的无扰动切换，单一部件的故障不影响现地控制单元的正常运作。
多重的安全保障
（1）监控系统对每一操作都能提供检查和校核，当操作有误时能自动禁止并报警。任何自动或手动操作可用存储记录或作提示指导，并按控制层次实现操作闭锁，其优先顺序为：单元控制层第一，主控层第二。
（2）主控层和现地控制单元LCU的通信涉及控制信息时，对响应有效信息或没有响应有效信息有明确肯定的指示。当通信失败时，能够有2～5次尝试恢复通信并发出报警信息，监控系统信息中的一个单元错误不会导致系统关键性的故障。
（3）监控系统设计采取以下措施保证硬件和软件的安全性：具有电源故障保护和自动重新启动功能；能预置初态和重新设置；设备本身具有自检能力并能故障报警；设备故障能自动切除或切换；系统中任何地方单个元件的故障不造成生产设备误动；CPU负载留有一定冗余，在重载情况下，其最大负载率不超过70％。
独立的水机保护回路
R电站机组的水机保护回路在设计时没有选择传统的硬保护回路，而是改用Rockwell自动化的CompactLogix 1769系列PLC作为后备保护PLC，用PLC控制方式代替复杂导线回路实现的水机保护功能，大大减少了检修维护工作量。后备PLC拥有独立的工作电源和信号采集回路，在主PLC故障的情况下也能独立运行。在机械或电气事故发生时，能够独立跳闸，很好的对水轮发电机组起到了保护作用，为机组的安全运行提供了双重保障。
结束语
R电站计算机监控系统监控对象包括了全厂主要的电气一次、二次设备，由于机组容量大、需要监视控制的设备多，因此它要求监控系统自动化程度高、安全稳定及可维护性强。R电站监控系统以安全可靠为首要设计因素，在兼顾系统可维护性、灵活性之余还考虑到了该电站所在国家地区的传统设计习惯，使当地的运行人员能够快速上手，短时间内掌握操作方法。作为重要的人机接口，R电站监控系统博得了第一使用者的好感，为进一步在当地推广国产计算机监控系统品牌打下坚实基础。
参考文献：
[1] 徐洁，王惠民，戎刚.水电厂计算机监控及流域集控技术.中国电力出版社，2016.
[2] 朱雪雄. 水电站计算机监控系统分析与应用. 黄河水利出版社，2017
[3] 陈启卷，李延频. 水电厂计算机监控系统. 中国水利水电出版社，2010.
论文作者:姜凯,耿志平
论文发表刊物:《科技新时代》2018年9期
论文发表时间:2018/11/14
标签：电站论文; 监控系统论文; 系统论文; 现地论文; 机组论文; 上位论文; 计算机论文; 《科技新时代》2018年9期论文;