鄧鵬程，諶斐鳴，楊丹丹，毛 琦，王香玲，李傳川，白 瑩

（1.三板溪水電廠，貴州 錦屏 556700；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

三板溪電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計及應用

鄧鵬程1，諶斐鳴1，楊丹丹1，毛 琦2，王香玲2，李傳川2，白 瑩2

（1.三板溪水電廠，貴州 錦屏 556700；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

簡要介紹了三板溪水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計思想、基本結構及設備配置，可供類似水電廠監(jiān)控系統(tǒng)設計參考。

監(jiān)控系統(tǒng)；系統(tǒng)結構；功能

0 引言

三板溪水電站位于沅水上游清水江段，壩址在貴州省黔東南自治州錦屏縣境內(nèi)，距縣城25km，距湖南省懷化市直線距離約140km，是沅水干流上的龍頭電站，工程以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、旅游等綜合效益。電站安裝4臺250MW混流式機組，總裝機容量1000MW，多年平均發(fā)電量24.28億kW·h，年利用小時數(shù)2428h，設計水頭128m，采用一回500kV線路輸出，并入華中電網(wǎng)，送電湖南，承擔湖南電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用，電站本身及其對下游梯級電站的補償作用將顯著改善湖南電力系統(tǒng)的電源結構，并有利于湖南消納三峽的季節(jié)性電量。

三板溪監(jiān)控系統(tǒng)采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司開發(fā)的H9000系統(tǒng)，該系統(tǒng)已于2006年8月與首臺機組發(fā)電同步投入運行。

1 設計思路

（1）系統(tǒng)的可靠性

系統(tǒng)應具有極高的可靠性，廣泛采用分布處理技術和冗余技術。重要設備采用熱備冗余配置，保證系統(tǒng)的可靠性。另外，采用軟件冗余措施，數(shù)據(jù)庫及控制功能分布處理，系統(tǒng)功能分布在網(wǎng)絡的各個節(jié)點中，系統(tǒng)內(nèi)任一節(jié)點的故障不影響其余節(jié)點的正常工作。

（2）系統(tǒng)的開放性與可擴性

系統(tǒng)應采用全分布開放式模式，主要軟硬件設備選型應符合計算機技術發(fā)展迅速的特點，便于功能和硬件的擴充和升級，能在水電廠環(huán)境下長期連續(xù)穩(wěn)定運行，并具有成功的運行經(jīng)驗。

（3）功能的完善性

系統(tǒng)按電站“無人值班”（少人值守）的原則設計，整個系統(tǒng)配備完善的應用功能及對外開放的接口功能。特別是電站遠方AGC控制功能，能穩(wěn)定可靠地與上級調(diào)度中心進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)上級調(diào)度自動化系統(tǒng)對電站的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)功能。

（4）系統(tǒng)的安全性

系統(tǒng)應是標準化的成熟產(chǎn)品，功能完善并模塊化，并具有完備的確保硬件及軟件的安全性措施，防止監(jiān)控系統(tǒng)硬件或軟件的故障或缺陷對現(xiàn)場設備的危害。

（5）抗干擾能力

系統(tǒng)網(wǎng)絡采用光纖技術，避免了不同設備之間的電信號連接。LCU配置獨立的液晶觸摸屏，避免了現(xiàn)地電磁場的干擾。應對計算機系統(tǒng)的電源進行隔離?，F(xiàn)場信號也應采取光電隔離或其他隔離措施。

（6）系統(tǒng)的友善性與可維護性

人機接口功能強，操作方便，采用面向對象的全漢化界面。向用戶提供強有力的組態(tài)開發(fā)工具。

（7）充分利用PLC的高可靠性及邏輯控制方面的優(yōu)點，各LCU以可編程序控制器(PLC)及觸摸顯示屏等為基礎，由PLC完成全廠閉環(huán)控制與調(diào)節(jié)，保證全廠發(fā)電運行可靠。LCU在脫離電站主控級的情況下，應能保證機組安全運行。

（8）現(xiàn)地手動操作與控制

為滿足與機組（或檢修后）同步投運的安全、可靠要求，機組現(xiàn)地控制單元具有部分設備狀態(tài)現(xiàn)地顯示及必要的常規(guī)操作功能，使運行人員在機旁能完成機組投運或調(diào)試中的操作。

（9）系統(tǒng)的各項技術性能指標均達到或超過部頒標準DL/T578-95“水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術條件”的要求。

2 總體結構

2.1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)結構

三板溪計算機監(jiān)控系統(tǒng)是在認真分析研究國內(nèi)外最新計算機硬件產(chǎn)品、軟件產(chǎn)品、網(wǎng)絡技術、實時工業(yè)控制產(chǎn)品與未來發(fā)展趨勢，根據(jù)三板溪發(fā)電廠的具體情況，在水科院自動化所H9000分布開放式計算機控制系統(tǒng)的標準模式基礎上，結合當前計算機技術、網(wǎng)絡技術的最新發(fā)展，在一個較高起點的基礎上設計的一種全新的、分層分布開放式高速網(wǎng)絡型冗余梯級計算機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有良好的可靠性、可擴充性、可移植性，并支持異型機網(wǎng)絡互聯(lián)。

三板溪水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)共分二層：廠站級主控制層、現(xiàn)地控制單元層。兩層之間采用快速交換式雙以太網(wǎng)絡總線，構成高可靠性的局域網(wǎng)絡結構。網(wǎng)絡通訊采用雙100MB網(wǎng)絡交換機和光纖，具有較高傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。100MB網(wǎng)絡交換機通過高品質(zhì)屏蔽雙絞線連接主控層的各個工作站，通過多模光纜分別聯(lián)接現(xiàn)地層分布的各LCU單元。

主控層計算機設備布置在中控室、計算機房。包括兩套數(shù)據(jù)服務器，兩套操作員工作站、一套工程師工作站、三套通訊工作站、一套多媒體ON-CALL工作站、兩臺打印機、一套GPS時鐘同步系統(tǒng)及UPS電源等設備。操作員工作站布置在中控室，其余設備均布置在計算機房。

現(xiàn)地控制層共設有6套控制單元（LCU），包括4套機組LCU、1套開關站LCU、1套公用設備LCU。

圖1 三板溪監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構及系統(tǒng)配置

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)與湖南省調(diào)中心的通信結構

三板溪水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)近期通過遠程通信工作站及調(diào)制解調(diào)器與省調(diào)中心進行遠方數(shù)據(jù)通信，采用光纖路由通道，遠動通訊規(guī)約采用SC1801（V6.0版）。遠期采用電力系統(tǒng)通信路由器設備的雙廣域網(wǎng)口直接與調(diào)度中心進行網(wǎng)絡互聯(lián)，通訊規(guī)約采用IEC60870-5-104。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)與華中網(wǎng)調(diào)中心的通信結構

三板溪水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)近期通過遠程通信工作站及RTU與省調(diào)中心進行遠方數(shù)據(jù)通信，采用光纖路由通道，遠動通訊規(guī)約采用IEC60870-5-101。遠期采用電力系統(tǒng)通信路由器設備的雙廣域網(wǎng)口直接與調(diào)度中心進行網(wǎng)絡互聯(lián)，通訊規(guī)約采用IEC60870-5-104。

3 體系結構

監(jiān)控系統(tǒng)的體系由硬件平臺、支撐平臺、應用軟件三層構架構成。其中支撐平臺由通用支撐平臺、數(shù)據(jù)支撐平臺、應用支撐平臺構成。系統(tǒng)硬件平臺主要設備采用SUN Ultra-Sparc 64位服務器，系統(tǒng)輔助工作站選用HP 32位工作站。系統(tǒng)支撐平臺采用64位Solaris unix及WINDOWS 2003系統(tǒng)，實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用H9000系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫，應用軟件采用中國水利水電科學研究院自動化所研制開發(fā)的H9000系統(tǒng)。本系統(tǒng)軟件包括四大部分，即計算機系統(tǒng)軟件、基本軟件、應用軟件以及工具軟件，如圖2所示。

圖2 H9000系統(tǒng)軟件總體結構圖

系統(tǒng)軟件是隨計算機硬件設備一同購入由系統(tǒng)軟件生產(chǎn)廠商提供的軟件，用以提供監(jiān)控系統(tǒng)其它軟件運行的環(huán)境，用戶軟件的開發(fā)手段，如用戶程序的編輯、編譯、聯(lián)接、任務的插入、運行、退出等?；拒浖菍崿F(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)基本監(jiān)控功能所必須的軟件，如數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)庫管理，圖形顯示，報表生成，語音報警等軟件。應用軟件是實現(xiàn)生產(chǎn)過程操作或控制功能的軟件，如AGC、AVC等，隨著電站特性的不同、功能要求的差異，應用軟件的差別很大，一般需特殊處理。工具軟件是提高系統(tǒng)開發(fā)效率的軟件，它可以減輕軟件開發(fā)與維護強度，提高系統(tǒng)的可維性，使開放系統(tǒng)真正地向用戶開放。

4 系統(tǒng)特點

（1）系統(tǒng)采用開放系統(tǒng)結構和成熟、可靠、標準化的硬件、軟件和網(wǎng)絡結構，各計算機均采用開放的漢化操作系統(tǒng)UNIX或Window2003，網(wǎng)絡軟件為TCP/IP，圖形符合X/Window。監(jiān)控系統(tǒng)的全部計算機都直接接入網(wǎng)絡，可獲得高速通訊能力和資源共享能力。

（2）主要關鍵設備選用國際上著名品牌產(chǎn)品，如美國SUN公司的64位服務器及工作站，美國Quantum可編程控制器等，確保系統(tǒng)可靠性指標。

（3）網(wǎng)絡上接入的每一個設備都具有自己特定的功能，實現(xiàn)功能的分布。即提供了某個設備故障只影響局部功能的優(yōu)點，又利于今后的功能擴充。

（4）為了滿足系統(tǒng)無人值班、少人值守對系統(tǒng)可靠性的要求，整個系統(tǒng)的重要設備采用冗余技術，如主機服務器、操作員工作站、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫冗余技術、UPS電源等。

（5）具有豐富的開發(fā)工具軟件和通訊規(guī)約，使系統(tǒng)維護擴充和聯(lián)網(wǎng)通訊非常方便。實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與上級調(diào)度中心、電廠MIS等其他計算機系統(tǒng)的通信。

（6）主要設備如全部計算機工作站及LCU的PLC直接接入網(wǎng)絡，可獲得高速通訊能力和資源共享能力。PLC直接聯(lián)以太網(wǎng)，速率100Mb/s，可靠性指標高。

（7）系統(tǒng)任何設備的冗余與切換均由軟件實現(xiàn)，取消硬件切換裝置，將系統(tǒng)硬件故障點減至最少。

（8）所有計算機系統(tǒng)在失電被動停機時，存儲器無數(shù)據(jù)丟失。當電源恢復時，能自動再啟動。

（9）采用100MB以太網(wǎng)構成系統(tǒng)的主干網(wǎng)通道，進一步保證了整個系統(tǒng)的實時性與可靠性。

5 系統(tǒng)主要功能

5.1 數(shù)據(jù)采集與處理

系統(tǒng)對電站主要設備的運行狀態(tài)和運行參數(shù)自動定時進行采集，并作必要的預處理、計算，存于實時數(shù)據(jù)庫，供計算機系統(tǒng)用于畫面顯示、更新，控制調(diào)節(jié)，記錄檢索，統(tǒng)計報表，操作、管理指導和事故分析等。

電站現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)的采集基本由各自的LCU來完成，現(xiàn)場數(shù)據(jù)包括：模擬量、脈沖量、數(shù)字量、一般開關量和中斷開關量。

數(shù)據(jù)采樣周期可根據(jù)系統(tǒng)性能參數(shù)要求進行調(diào)整。故障、事故報警信號隨機優(yōu)先傳遞，并顯示故障、事故發(fā)生的時間，地點，性質(zhì)及參數(shù)、說明。

為提高系統(tǒng)的實時性，模擬量無變化時不傳送，當變化超過傳送死區(qū)時傳送；狀態(tài)量有狀變時才傳送；數(shù)據(jù)采集分為周期式和隨機式兩種方式。

為適合現(xiàn)場運行情況，對所有采集的數(shù)據(jù)點均可通過人機聯(lián)系設置掃查投入與退出、報警使能與禁止標志，對其參數(shù)限值可進行人工修改設置，并可用人工設定值取代采集值，以剔除壞點。

5.2 綜合計算

監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)實時采集到的數(shù)據(jù)進行周期、定時或召喚計算分析，形成各種計算數(shù)據(jù)庫與歷史數(shù)據(jù)庫，幫助運行人員對電廠設備的運行進行全面監(jiān)視與綜合管理。

5.3 安全監(jiān)視

安全監(jiān)視是計算機監(jiān)控系統(tǒng)的重要功能之一，計算機系統(tǒng)實時監(jiān)視電站各類設備的運行狀態(tài)和參數(shù)，當它們發(fā)生異常、運行狀態(tài)發(fā)生變更或參數(shù)超越設定限值等時，計算機系統(tǒng)及時報告值班運行人員進行處理，同時進行實時記錄，以便分析查驗。

為方便報警記錄信息查詢，H9000系統(tǒng)提供靈活的歷史數(shù)據(jù)查詢手段，如過濾器功能，對各種報警歷史數(shù)據(jù)進行分類、篩選形成報告。報告可打印。

5.4 人機聯(lián)系功能

在進行控制操作的人機聯(lián)系時，具有操作權限的判別∶有關控制操作的人機聯(lián)系，充分利用顯示畫面、鼠標、控制窗口三者相結合的方式，操作過程中有可靠性校核與閉鎖功能，一般對話步驟：選擇被控對象，彈出操作性質(zhì)控制窗口，選擇操作，認可后執(zhí)行或取消終止執(zhí)行。操作提示全部漢化。

5.5 廠內(nèi)自動發(fā)電控制（AGC）和經(jīng)濟運行（EDC）

自動發(fā)電控制分現(xiàn)地AGC和遠方AGC兩種。現(xiàn)地AGC按現(xiàn)地運行值班員設置的參數(shù)或監(jiān)測的參數(shù)運行。遠方AGC則按由遠方調(diào)度系統(tǒng)自動設置的參數(shù)運行。

AGC功能根據(jù)給定的運行方式，如全廠調(diào)功方式、負荷曲線方式、調(diào)頻方式等，將自動跟蹤系統(tǒng)頻率、全廠總功率給定值或全廠負荷曲線等，計算出功率調(diào)整值或全廠應發(fā)總功率。

AGC功率給定值在全廠有功給定值的基礎上扣除不參加AGC成組運行機組的實發(fā)功率。系統(tǒng)在接收到全廠有功給定值后，扣除不參加AGC機組的實發(fā)功率值，再將剩余部分分配到參加AGC控制的機組中去。

經(jīng)濟運行程序 (EDC)根據(jù)AGC給出的全廠總有功功率(或總日負荷曲線)設定值，以發(fā)電耗水量最小為優(yōu)化準則，計及各種約束條件，建立數(shù)學模型，確定本站4臺機組的最佳負荷分配，開機臺數(shù)、開停機順序以及機組間負荷的優(yōu)化分配，進行機組的自動開停機控制與自動負荷調(diào)節(jié)。

5.6 生產(chǎn)管理與統(tǒng)計

監(jiān)控系統(tǒng)可將自動生成的報表數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)等自動保存，形成生產(chǎn)統(tǒng)計報表歷史數(shù)據(jù)。另外，各種報警記錄數(shù)據(jù)也存放在計算機硬盤上，形成報警記錄歷史數(shù)據(jù)?？杀４娴臍v史數(shù)據(jù)多少可根據(jù)計算機硬盤空間的大小確定，將歷史數(shù)據(jù)經(jīng)優(yōu)化篩選后存入光盤，以便于必要時進行檢索和打印。

5.7 系統(tǒng)自診斷與自恢復

完善的系統(tǒng)自診斷與自恢復功能是實現(xiàn)“無人值班”(少人值守)的重要條件。

本系統(tǒng)為分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，具備完善的自診斷與自恢復功能。系統(tǒng)各設備不僅自檢，還可通過網(wǎng)絡進行設備間的互檢，形成系統(tǒng)檢測報告。并將系統(tǒng)異常情況及時報警通知運行人員以及時處理，并可對某些異常情況進行自動自恢復或冗余部件切換處理。

5.8 閉鎖條件庫與防誤操作功能

系統(tǒng)具有完善的防誤操作功能，可以確保由計算機系統(tǒng)發(fā)出的命令安全可靠。用戶不需編程，只需將各種操作閉鎖關系按規(guī)定的格式填入定義文件，建立相應的數(shù)據(jù)庫即可。ControlLock會自動對計算機系統(tǒng)的各項指令進行條件判斷，滿足條件則執(zhí)行，不滿足條件則閉鎖，并給運行人員進行閉鎖原因提示。LCU收到命令后需進行條件判斷再執(zhí)行命令。

6 結束語

三板溪計算機監(jiān)控系統(tǒng)從投入試運行到現(xiàn)在，各項功能穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，所有設備運行正常，操作控制正確可靠，其中現(xiàn)地開停機成功率為100%，遠方開停機成功率為100%，AGC動作正確率達到100%，系統(tǒng)可用率高，取得了非常好的社會效益和經(jīng)濟效益。

[1]周民，姚維達，張毅，等.H9000計算機監(jiān)控系統(tǒng)的新版本[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2002，(4)：17-18.

TP273+.5

B

1672-5387（2010）03-0013-03

2010-04-28

鄧鵬程，男，工程師，從事電力系統(tǒng)自動化設備維護檢修和電力信息系統(tǒng)應用研究。（E-mail：dpcsbx@163.com）