羅 皓，吳志鵬，李守志

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院中水科技公司，北京100038；2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京100024；3.北方國(guó)際合作股份有限公司，北京100053）

埃塞TEKEZE水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅 皓1，吳志鵬2，李守志3

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院中水科技公司，北京100038；2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京100024；3.北方國(guó)際合作股份有限公司，北京100053）

埃塞TEKEZE水電站為非洲最大的水電項(xiàng)目，主要介紹了該電站H 9000計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，總體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能的構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)。

TEKEZE水電站；計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；LCU

0 引言

埃塞TEKEZE水電站位于埃塞俄比亞北部提克雷省TEKEZE河上，電站總庫(kù)容90億m3，壩高180m（非洲第一），共安裝4臺(tái)單機(jī)容量78MW（非洲第一）的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，其裝機(jī)容量占全國(guó)總裝機(jī)容量的三分之一，有埃塞“三峽”的美譽(yù)。該水電站采用北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司研發(fā)的H9000計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。電站按“無(wú)人值班”（少人值守）原則設(shè)計(jì)。第一臺(tái)機(jī)組于2009年8月投產(chǎn)，最后一臺(tái)機(jī)組于2009年10月投產(chǎn)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與首臺(tái)機(jī)組同步投運(yùn)。

1 設(shè)計(jì)原則

1.1 系統(tǒng)的可靠性

系統(tǒng)應(yīng)廣泛采用分布處理技術(shù)和冗余技術(shù)，重要設(shè)備應(yīng)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(kù)及控制功能的分布處理，系統(tǒng)功能分布在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響其余節(jié)點(diǎn)的正常工作。系統(tǒng)還應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)化的成熟產(chǎn)品，功能完善并模塊化，并具有完備的硬件確保和軟件的安全措施，防止監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件故障或缺陷對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的危害。充分利用PLC的高可靠性及邏輯控制方面的優(yōu)點(diǎn)，保證全廠發(fā)電的運(yùn)行可靠。LCU在脫離電站主控級(jí)的情況下，應(yīng)能保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

1.2 系統(tǒng)的完善性

系統(tǒng)按電站“無(wú)人值班”（少人值守）的設(shè)計(jì)原則，整個(gè)系統(tǒng)配備完善的應(yīng)用功能及對(duì)外開(kāi)放的接口功能。能穩(wěn)定可靠地與上級(jí)調(diào)度中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)上級(jí)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)電站的遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)功能。機(jī)組現(xiàn)地控制單元具有部分設(shè)備狀態(tài)現(xiàn)地顯示及必要的常規(guī)操作功能，使運(yùn)行人員在機(jī)旁能完成機(jī)組投運(yùn)或調(diào)試的工作。還應(yīng)擁有完善的監(jiān)測(cè)報(bào)警功能、軟硬件自診斷和自恢復(fù)功能，可隨時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通道、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集狀態(tài)、現(xiàn)地PLC網(wǎng)絡(luò)模塊的狀態(tài)、通訊鏈路狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以上信息均可在上位機(jī)顯示及報(bào)警。

1.3 系統(tǒng)的開(kāi)放性

系統(tǒng)應(yīng)采用全分布開(kāi)放模式，主要軟硬件設(shè)備選型應(yīng)符合計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速的特點(diǎn)，便于功能與硬件的擴(kuò)充與升級(jí)，能在水電廠環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，并具有成功的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。所有計(jì)算機(jī)均采用開(kāi)放的漢化Windows系統(tǒng)，具有運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)處理速度快、操作界面靈活等特點(diǎn)。且全部直接接入網(wǎng)絡(luò)，以獲得高速通訊能力和資源共享能力。還應(yīng)具有豐富的開(kāi)發(fā)工具軟件和通訊規(guī)約，使系統(tǒng)維護(hù)擴(kuò)充和聯(lián)網(wǎng)通訊都非常方便。

1.4 系統(tǒng)的抗干擾能力

系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)光纖技術(shù)，避免了不同信號(hào)之間的電信號(hào)連接。LCU配置獨(dú)立的液晶觸摸屏，避免了現(xiàn)地電磁場(chǎng)的干擾。應(yīng)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電源進(jìn)行隔離。現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)也采取光電隔離或其他隔離措施。

1.5 系統(tǒng)的友善性

人機(jī)接口功能強(qiáng)，操作方便，采用面對(duì)對(duì)象的全漢字界面。向用戶(hù)提供強(qiáng)有力的組態(tài)開(kāi)發(fā)工具。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

TEKEZE水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)共分兩層：廠站級(jí)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)總線，構(gòu)成高可靠性的局域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)通訊采用雙100MB網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和光纖，具有高傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。廠站層包括2臺(tái)操作員站、1臺(tái)調(diào)度通訊工作站、1臺(tái)廠內(nèi)通訊工作站、1臺(tái)報(bào)表工作站、1臺(tái)系統(tǒng)工作站、1臺(tái)工程師工作站、1臺(tái)廠房工作站以及打印機(jī)等設(shè)備，主要位于廠房計(jì)算機(jī)室和中控室內(nèi)。現(xiàn)地層分為7套現(xiàn)地控制單元LCU，包括4臺(tái)機(jī)組LCU，1臺(tái)開(kāi)關(guān)站LCU，1臺(tái)公用系統(tǒng)LCU，1臺(tái)大壩LCU。分別位于廠房、開(kāi)關(guān)站和進(jìn)水口，分布及其分散。

監(jiān)控系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)采用完全冗余的2個(gè)星型以太網(wǎng)，任何單個(gè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或通道發(fā)生故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常工作。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)按IEEE802.3設(shè)計(jì)，采用全開(kāi)放的分布式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)采用光纜，通訊協(xié)議TCP/IP。速率可達(dá)1000Mb/s。各個(gè)計(jì)算機(jī)和LCU均采用雙網(wǎng)卡接入。系統(tǒng)具備雙網(wǎng)自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警、切換功能，確保通訊正常；廣播數(shù)據(jù)同時(shí)在雙網(wǎng)上進(jìn)行傳輸，確保完整不丟失。

該水電站各個(gè)機(jī)組分別設(shè)置1套LCU，公用系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)站和大壩分別設(shè)置1套LCU，每套LCU既可以作為分布系統(tǒng)的現(xiàn)地智能終端，又可作為獨(dú)立的裝置單獨(dú)運(yùn)行。各套LCU均采用雙電源、雙CPU、雙網(wǎng)絡(luò)等冗余配置，PLC或智能模塊直接接入以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)速率為100MB。另外，配置一臺(tái)彩色液晶觸摸屏作為現(xiàn)地人機(jī)接口，可冗余的交直流雙供電電源，提高供電可靠性。

TEKEZE電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 埃塞TEKEZE水電站監(jiān)控系統(tǒng)配置框圖

3 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 上位機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

操作員工作站2臺(tái)，每臺(tái)配備2個(gè)液晶顯示器，用于對(duì)整個(gè)電廠的設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視與控制。2臺(tái)工作站互為熱備工作方式，平時(shí)正常時(shí)，一臺(tái)負(fù)責(zé)控制，另一臺(tái)負(fù)責(zé)監(jiān)視，當(dāng)監(jiān)控工作站故障或退出時(shí)，監(jiān)視工作站自動(dòng)升級(jí)為監(jiān)控站。操作員工作站是全廠集中監(jiān)視和控制的中心，用來(lái)顯示廠內(nèi)的實(shí)時(shí)圖形、事件畫(huà)面、報(bào)表、報(bào)警復(fù)歸畫(huà)面、系統(tǒng)自診斷顯示、操作員權(quán)限管理和所有設(shè)備控制操作等。

工程師工作站用于維護(hù)和管理人員修改系統(tǒng)參數(shù)、數(shù)據(jù)定值、數(shù)據(jù)庫(kù)、畫(huà)面和報(bào)表。

調(diào)度通訊工作站用于與埃塞國(guó)家電力調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

廠內(nèi)通訊工作站用于與廠內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行通訊。

報(bào)表工作站用于管理廠內(nèi)數(shù)據(jù)報(bào)表的生成與管理。

廠房工作站，放置于廠房，便于廠房值班人員現(xiàn)地監(jiān)視全場(chǎng)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)工作站，功能包括對(duì)整個(gè)電廠的運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、綜合計(jì)算、事故及故障分析等。

黑白及彩色打印機(jī)各一臺(tái)，完成數(shù)據(jù)和報(bào)表打印功能。

在中控室與廠房分別布置一臺(tái)GPS衛(wèi)星時(shí)鐘同步系統(tǒng)。中控室采用串口通訊，廠房采用無(wú)源脈沖輸出。對(duì)主站級(jí)計(jì)算機(jī)和各個(gè)現(xiàn)地LCU進(jìn)行衛(wèi)星時(shí)鐘同步。

為了保護(hù)主站級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行安全，在中控室布置了2臺(tái)15kVA并聯(lián)冗余UPS電源系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備2套，每套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都包括1臺(tái)Cisco以太網(wǎng)交換機(jī)和相應(yīng)數(shù)量的光電轉(zhuǎn)換器等設(shè)備。適應(yīng)電力工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾、溫度、振動(dòng)等惡劣環(huán)境要求，2套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用軟件設(shè)置為完全冗余，在實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能的前提下滿(mǎn)足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求。

3.2 現(xiàn)地控制層的實(shí)現(xiàn)

主控制器。選用GE公司的90-30系列PLC。該系列PLC不僅具有該系列共有的I/O能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、程序執(zhí)行速度快、強(qiáng)大的通訊能力強(qiáng)大外，還具有高程度的可靠性和容錯(cuò)能力。PLC主要完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制。主要模塊包括中央處理器CPU模塊、通訊模塊、開(kāi)關(guān)量模塊、模擬量模塊。開(kāi)關(guān)量全部為無(wú)緣節(jié)點(diǎn)，模擬量為4～20mA。

現(xiàn)地人機(jī)接口單元。LCU選用日本DIGITAL公司的Pro-face觸摸屏，具有高可靠性、防塵、防震、抗電磁干擾等優(yōu)良性能。觸摸屏與PLC以網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)地實(shí)時(shí)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和數(shù)據(jù)以更快速、方便的完成對(duì)各個(gè)外部設(shè)備的操作。

通訊控制器。采用MOXA公司的嵌入式通訊控制器UC7410。具備8個(gè)RS232/485串口和雙10/100Mb/s以太網(wǎng)口。該設(shè)備用以太網(wǎng)口與PLC連接，通過(guò)8個(gè)串口與交流采樣裝置、電量采集裝置、溫度裝置、勵(lì)磁、調(diào)速器等設(shè)備進(jìn)行通訊。

交流采樣裝置。采用瑞士DAE公司的ACUVIM多功能交流采集裝置，所有表記與PLC通過(guò)通訊控制器實(shí)現(xiàn)串口通訊。

溫度測(cè)量裝置。采用國(guó)內(nèi)著名品牌DAS型溫度巡檢裝置，帶點(diǎn)陣式液晶顯示屏，具備漢顯功能，最大巡測(cè)可達(dá)128點(diǎn)，可調(diào)整測(cè)量電阻類(lèi)型與電阻接線方式，數(shù)據(jù)可通過(guò)串口通訊方式送達(dá)PLC。

同期裝置。機(jī)組LCU采用深圳智能設(shè)備有限公司的SID單對(duì)象微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。開(kāi)關(guān)站選用8對(duì)象SID－2H微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。該同期裝置采用多種抗干擾措施和訪屏蔽措施，同期速度快，精度高，還可設(shè)置Y/△補(bǔ)償。

輔機(jī)控制系統(tǒng)。采用GE公司VersaMAX系列PLC負(fù)責(zé)輔助設(shè)備（直流系統(tǒng)、油氣水系統(tǒng)）的信號(hào)采集與控制，并通過(guò)Genius通訊的方式與主站LCU的PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

4 系統(tǒng)功能

4.1 數(shù)據(jù)采集與處理

系統(tǒng)對(duì)電站主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)定時(shí)采集，并作必要的預(yù)處理和計(jì)算，存于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并用于畫(huà)面顯示、控制調(diào)節(jié)、記錄檢索、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、操作指導(dǎo)和事故分析等。電廠各種數(shù)據(jù)（模擬量、開(kāi)關(guān)量、脈沖量和數(shù)字量）的采集基本由各LCU來(lái)完成。數(shù)據(jù)采樣周期可根據(jù)系統(tǒng)性能參數(shù)要求調(diào)整，優(yōu)先傳送事故和故障報(bào)警信號(hào)。模擬量設(shè)置死區(qū)，只有超過(guò)死區(qū)才傳送。所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均可通過(guò)人工設(shè)置掃查投入與退出，報(bào)警使能與禁止，模擬量量程等。

4.2 綜合計(jì)算

監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行周期、定時(shí)或召喚計(jì)算分析，形成各種計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，幫助運(yùn)行人員對(duì)電廠設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行全面監(jiān)視和綜合管理。

4.3 安全監(jiān)視

當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生異常，采集數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定限值時(shí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)將及時(shí)報(bào)告值班運(yùn)行人員進(jìn)行處理，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，以便分析檢驗(yàn)。為方便查詢(xún)，系統(tǒng)還提供了靈活的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)手段，和打印功能。

4.4 事故順序記錄

當(dāng)電廠發(fā)生事故造成重要設(shè)備動(dòng)作時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)將立即以中斷方式響應(yīng)并自動(dòng)顯示、記錄事故名稱(chēng)及時(shí)間，自動(dòng)推出相關(guān)畫(huà)面并作原因分析和提示處理方法。

4.5 趨勢(shì)分析

系統(tǒng)對(duì)某些重要的模擬量會(huì)進(jìn)行趨勢(shì)分析，當(dāng)其變化速率超過(guò)限值時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警。

4.6 報(bào)表功能

監(jiān)控系統(tǒng)可自動(dòng)生成的報(bào)表數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)等自動(dòng)保存，形成歷史數(shù)據(jù)庫(kù)?？呻S時(shí)檢索或打印。

4.7 系統(tǒng)自診斷和自恢復(fù)

這是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班、少人值守的重要條件。由于本系統(tǒng)是分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，具備完善的自診斷和自恢復(fù)功能，不僅自檢，還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備間的互檢，并行成報(bào)告。

4.8 開(kāi)停機(jī)過(guò)程控制及閉鎖功能

開(kāi)停機(jī)過(guò)程監(jiān)視與控制。當(dāng)開(kāi)停機(jī)指令下達(dá)之后，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)顯示相應(yīng)的開(kāi)停機(jī)畫(huà)面。以流程框圖的形式展開(kāi)每一個(gè)過(guò)程，當(dāng)流程受阻時(shí)可顯示受阻時(shí)間、部位和原因。閉鎖庫(kù)和防誤操作功能?？纱_保計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的命令安全可靠，用戶(hù)無(wú)需編程，只需將需要進(jìn)行閉鎖的關(guān)系按照格式填入定義文件即可。如閉鎖條件滿(mǎn)足則執(zhí)行命令。

4.9 遙測(cè)遙信功能

LCU通過(guò)通訊控制器以RS-485的方式與多功能交流采集裝置和溫度巡檢裝置等設(shè)備進(jìn)行通訊。

4.10 人機(jī)界面功能

在現(xiàn)地LCU通過(guò)觸摸屏上的顯示界面、報(bào)警界面和操作界面，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地監(jiān)控功能。

4.11 時(shí)間同步功能

通過(guò)硬件與網(wǎng)絡(luò)同步，由GPS實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間同步，均通過(guò)NTP協(xié)議進(jìn)行對(duì)時(shí)，精度高且程序簡(jiǎn)單便于維護(hù)。

4.12 各個(gè)LCU具體功能

機(jī)組LCU1-4?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)地/遠(yuǎn)方控制方式的切換；機(jī)組開(kāi)停機(jī)控制（包括單步控制和連續(xù)控制）；事故停機(jī)和緊急停機(jī)控制；輔機(jī)控制；發(fā)電機(jī)出口斷路器等設(shè)備操作；功率調(diào)節(jié)；自/手動(dòng)同期并網(wǎng)操作；與發(fā)電機(jī)交流采樣裝置、溫度巡檢裝置、調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)和機(jī)組輔機(jī)系統(tǒng)通過(guò)MODBUS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約進(jìn)行串口通訊并上送數(shù)據(jù)。

開(kāi)關(guān)站LCU5。220kV斷路器的分合操作和同期并列；220kV隔離開(kāi)關(guān)分合操作；以及相互操作之間的閉鎖功能；遠(yuǎn)方/現(xiàn)地控制方式的切換；與線路交流采樣裝置實(shí)現(xiàn)通訊并上送數(shù)據(jù)。

公用LCU6。廠用斷路器的合分操作；公用系統(tǒng)輔機(jī)的監(jiān)視與控制。

大壩LCU7。大壩進(jìn)水口閘門(mén)、弧門(mén)、齒輪門(mén)、導(dǎo)流洞引水門(mén)等設(shè)備的監(jiān)視與控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

TEKEZE水電站監(jiān)控系統(tǒng)完全滿(mǎn)足了埃塞電廠方面的要求，為該站實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班”（少人值守）奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。自投運(yùn)以來(lái)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，系統(tǒng)運(yùn)行良好，對(duì)電站正常運(yùn)行和該國(guó)電網(wǎng)的穩(wěn)定起到了非常大的作用，證明了TEKEZE計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和主要功能十分安全可靠。不但發(fā)揮了集中控制的優(yōu)越性，極大提高了電站的發(fā)電效益，更合理利用了水能資源，取得了電站經(jīng)濟(jì)效益的最大化，也為國(guó)外大型水電站項(xiàng)目的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

[1]王德寬.水電廠綜合自動(dòng)化及“無(wú)人值班”技術(shù)[M].中國(guó)電力出版社，2001.

[2]方欽輝，等.現(xiàn)代水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)與試驗(yàn)[M].中國(guó)電力出版社，2004.

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1672-5387（2011）03-0047-03

2011-04-11

羅皓（1983-），男，助理工程師，從事水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成和調(diào)試工作。