羅 皓，周永濱，李清華，熊佳駒，倪會云

（1.中國水利水電科學(xué)研究院中水科技公司，北京 100038;2.文山猴爬巖水電開發(fā)有限責(zé)任公司，云南 丘北 663208）

猴爬巖水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

羅 皓1，周永濱1，李清華1，熊佳駒1，倪會云2

（1.中國水利水電科學(xué)研究院中水科技公司，北京 100038;2.文山猴爬巖水電開發(fā)有限責(zé)任公司，云南 丘北 663208）

主要介紹了云南猴爬巖水電站H 9000計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計原則，總體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能的構(gòu)成與應(yīng)用。

水電站；計算機監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計；應(yīng)用；LCU

丘北猴爬巖水電站位于丘北縣羊街鄉(xiāng)境內(nèi)的清水江干流下游河段上，是清水江流域干流下游河段梯級規(guī)劃的第四個梯級電站，電站裝機容量40MW，年發(fā)電量16688萬kW·h。猴爬巖電站由首部樞紐、引水系統(tǒng)及地面廠房三部分組成。是一個以發(fā)電為主的水電工程。電站廠房裝機2×20MW，總裝機40MW，發(fā)電機為混流式機組。電站選用了北京中水科水電科技開發(fā)有限公司的H9000V4.0計算機監(jiān)控系統(tǒng)，所有設(shè)備均應(yīng)滿足“無人值班”（少人值守）的要求。工程于2009年10月全部完工，計算機監(jiān)控系統(tǒng)與首臺機組同步投運。

1 系統(tǒng)選型

1.1 上位機操作系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)上位機系統(tǒng)采用開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和成熟、可靠、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)上位機全部采用開放的漢化Windows系統(tǒng)，具有運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)處理速度快、操作界面靈活等特點；支持應(yīng)用軟件較多，性價比較高，技術(shù)更新快；計算機管理成本較低，支持多處理器和集群功能；還具備完善的應(yīng)用功能及對外開放的接口功能。

1.2 工作站及服務(wù)器

由于監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)量較大，可靠性和實時性要求高，選擇運行可靠、速度高的電廠服務(wù)器和工作站。主要關(guān)鍵設(shè)備采用國際著名品牌，美國HP的服務(wù)器和工作站。

1.3 可編程邏輯控制器

本系統(tǒng)采用的GE公司系列PLC是一個包括控制器、I/O系統(tǒng)和特殊模塊的家族，它能滿足各種各樣工業(yè)解決方案的要求。該系列有單獨的整體控制構(gòu)架和模塊設(shè)計，已有的記錄表明它在幾十萬項目中得到應(yīng)用。它如此全能的一個原因是因為它有大量的離散量模塊和模擬量模塊，還有特殊模塊可以使用。此外，GE Fanuc提供大范圍的高級通信選項，從簡單串行連接到高速以太網(wǎng)接口以及許多總線模塊。此外相比同等其他公司的產(chǎn)品，它的性價比更高，非常好得滿足了本電廠監(jiān)控系統(tǒng)的需要。

2 設(shè)計思路

猴爬巖水電站按“無人值班”（少人值守）的原則設(shè)計。采用全開放式分層分布控制系統(tǒng)，通過交換機和光纜將控制命令和實時數(shù)據(jù)分布到各個現(xiàn)地控制單元中。監(jiān)控系統(tǒng)能對全廠主要機電設(shè)備進行控制，并對所有機電設(shè)備的運行情況進行全面的監(jiān)視。各單元采用標(biāo)準(zhǔn)模件，既便于功能和硬件的更新和擴展，又能方便日常運行的維護。

實時性好，抗干擾能力強。軟件模塊化、結(jié)構(gòu)化，使系統(tǒng)更能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴充。人機界面采用中文、功能強、操作方便、簡潔、靈活，便于二次開發(fā)。

監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)高度可靠，與電廠安全運行密切相關(guān)的設(shè)備采用雙重化設(shè)置，監(jiān)控系統(tǒng)本身的局部故障不應(yīng)影響現(xiàn)場設(shè)備的正常運行。系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)均應(yīng)滿足DL/T578-1995《水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件》及DL/T5065-1999《水力發(fā)電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》的要求,選擇較高的MTBF指標(biāo)，從部件、單機和系統(tǒng)多層次保證高可靠性要求。

具有本電站和上級調(diào)度中心、梯級電站計算機系統(tǒng)、高頻開關(guān)電源（直流）系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和其它系統(tǒng)之間的通訊接口。滿足遙信、遙測、遙控、和遙調(diào)功能。應(yīng)留有局域網(wǎng)接口，實現(xiàn)廠區(qū)局域網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)共享。并保留INTERNET接口，以擴展遠程監(jiān)視。還應(yīng)具有遠程診斷的功能。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為保證設(shè)計思路的實現(xiàn)，系統(tǒng)采用全分布式立體結(jié)構(gòu)，即功能分布和分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。整個系統(tǒng)分為廠站控制層和現(xiàn)地控制層兩部分。全廠數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫分布在廠站計算機中，各個單元數(shù)據(jù)庫分布在各個LCU中，系統(tǒng)各功能分布在各個節(jié)點上，每個節(jié)點嚴(yán)格執(zhí)行制定的任務(wù)并通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與其他節(jié)點進行通訊。

監(jiān)控系統(tǒng)局域網(wǎng)按IEEE802.3設(shè)計，同樣采用全開放的分布式星形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)采用光纖電纜，通信規(guī)約為TCP/IP，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率不小于100Mb/s。廠站控制層與各個現(xiàn)地LCU都有獨立的工業(yè)以太網(wǎng)交換機。每個交換機都能滿足多個輸入輸出，適應(yīng)電力工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、溫度變化和振動等環(huán)境要求，在實現(xiàn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)功能的前提下滿足數(shù)據(jù)實時性的要求。

廠站級控制層包括3臺操作員工作站，1臺工程師工作站，1臺調(diào)度通訊工作站和1臺衛(wèi)星同步時鐘GPS。現(xiàn)地控制層包括2臺機組控制單元LCU，1臺公用開關(guān)站控制單元LCU和1臺大壩控制單元LCU，此外公用系統(tǒng)LCU輔機還有6個遠程輔助控制單元RTU。

猴爬巖水電站監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 猴爬巖水電站監(jiān)控系統(tǒng)配置框圖

根據(jù)國際電工委員會（IEC）的定義現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。它的關(guān)鍵標(biāo)志是支持雙向、多節(jié)點、總線式全數(shù)字通訊。目前世界上有40多種現(xiàn)場總線，都有其應(yīng)用領(lǐng)域病彼此滲透，在水電行業(yè)，主要總線包括：Modbus Plus、Profibus、ControlNet、Genius等，一般根據(jù)所采用的控制系統(tǒng)及現(xiàn)場情況來決定總線類型。

經(jīng)過多方面比較，猴爬巖電廠采用Genius總線實現(xiàn)了公用LCU與各個RTU之間的連接，Genius I/O優(yōu)點：應(yīng)用智能開關(guān)（Smart Switch）代替保險絲，總線可以長至7500英尺（2280m）并支持冗余電纜，由于減少布線而降低成本，先進的診斷功能增加了600%全系統(tǒng)故障檢測的能力，帶電插拔功能。且安裝方便，不需特殊工具進行連接。整個猴爬巖電站監(jiān)控系統(tǒng)公用系統(tǒng)LCU和各個遠程RTU的連接方式如圖2所示。

圖2 猴爬巖水電站監(jiān)控系統(tǒng)遠程控制單元RTU與公用系統(tǒng)LCU總線連接方式圖

4 廠站控制層的功能與應(yīng)用

4.1 操作員工作站

總共3臺，每臺配備2個21英寸液晶顯示器，其中2臺主機放置在廠房中控室內(nèi)，互為熱備方式工作，平時1臺負責(zé)監(jiān)視控制，1臺負責(zé)監(jiān)視，當(dāng)負責(zé)控制的工作站出現(xiàn)故障時，負責(zé)監(jiān)視的工作站自動升級為控制站。另1臺操作員工作站放在現(xiàn)地控制層的辦公室，以備現(xiàn)地檢修或做實驗之用。

操作員工作站是全廠集中監(jiān)視和控制的核心，功能包括對整個電廠的運行管理、數(shù)據(jù)庫管理、綜合計算、趨勢分析、AGC與AVC計算處理、事故和故障的分析處理、全廠數(shù)據(jù)監(jiān)視、實時圖形、事件畫面、報表、報警復(fù)歸畫面、系統(tǒng)自診斷顯示、操作員權(quán)限管理、機組開停機操作及閉鎖、開關(guān)站斷路器和隔離開關(guān)操作、公用系統(tǒng)所有輔助設(shè)備操作和閘門操作等。

放置在現(xiàn)地控制層的操作員站還負責(zé)完成與電廠保護系統(tǒng)、電度計量標(biāo)記等設(shè)備的通訊。

4.2 工程師工作站

總共1臺，配備1個19英寸液晶顯示器，放置在廠房中控室內(nèi)。用于系統(tǒng)維護和管理人員修改系統(tǒng)參數(shù)、運行監(jiān)視畫面、報警限值、數(shù)據(jù)庫和報表等。還有軟件現(xiàn)場開發(fā)的功能。

4.3 通訊工作站

總共1臺，配備1個19英寸液晶顯示器，放置在廠房中控室內(nèi)。功能是與省調(diào)中心進行遠方數(shù)據(jù)通訊，采用光纖路由通道，遠動通訊規(guī)約采用SC1801。遠期采用電力系統(tǒng)通信路由器設(shè)備的雙廣域網(wǎng)口直接與調(diào)度中心進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，通訊規(guī)約采用IEC60870－5－104。

4.4 GPS衛(wèi)星同步時鐘

在中控室布置一臺GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)，對主站級計算機和各個現(xiàn)地LCU進行衛(wèi)星時鐘同步。對中控室的工作站采用串口通訊與主操作員站對時，并從該站向所有其他工作站和LCU進行廣播，對所有現(xiàn)地LCU的SOE開關(guān)量采用無源脈沖輸出進行對時。

4.5 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

中控室網(wǎng)絡(luò)柜內(nèi)配有一臺Cisco以太網(wǎng)交換機，所有LCU全部配備了MOXA工業(yè)交換機，廠站控制層與現(xiàn)地控制層之間采用快速交換式以太網(wǎng)絡(luò)總線，構(gòu)成高可靠性的局域性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)通訊采用100MB網(wǎng)絡(luò)交換機和光纖，具有很高的傳輸速度和良好的抗電磁干擾能力。100MB的網(wǎng)絡(luò)交換機通過帶屏蔽雙絞線連接所有工作站，各個LCU通過多模光纜與廠站控制層相連。

4.6 UPS電源

為保證所有工作站的正常工作，在中控室還配置了2臺3kVA的UPS不間斷供電電源。2臺電源互為冗余熱備，且均有長達3h的電池保證其在廠用交流電源消失時能繼續(xù)正常工作。

4.7 打印機

中控室布置1臺黑白打印機和1臺彩色打印機，負責(zé)完成打印功能。

5 現(xiàn)地控制層的功能與應(yīng)用

現(xiàn)地控制層包括2臺機組LCU、1臺公用開關(guān)站LCU、1臺大壩LCU和6臺輔機RTU。LCU的基本配置包括：可編程邏輯控制器PLC、現(xiàn)地觸摸屏、通訊控制器和工業(yè)交換機。LCU全部采用GE9030系列PLC，RTU全部采用GEVersaMax系列PLC?，F(xiàn)地控制層基本功能為：對電站主要設(shè)備的運行狀態(tài)和運行參數(shù)進行自動定時采集，并作必要的預(yù)處理和計算；實現(xiàn)開停機和其他各種設(shè)備的控制流程；現(xiàn)地可使用觸摸屏對各種設(shè)備的操作和運行監(jiān)視；與各種外部設(shè)備進行串口通訊等。

5.1 機組LCU功能

2臺機組LCU分別放置在2臺發(fā)電機旁，負責(zé)采集發(fā)電機、水輪機及其輔助系統(tǒng)，出口斷路器，主變壓器等設(shè)備的數(shù)據(jù)，將所有開關(guān)量、模擬量、脈沖量等數(shù)據(jù)信息經(jīng)PLC處理后打包上送到廠站控制層。實現(xiàn)機組自動開停機流程、緊急停機流程，功率調(diào)節(jié)，機組同期并網(wǎng)、各個輔助設(shè)備的單步操作流程。通過通訊控制器與保護系統(tǒng)、調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)、多功能交流采集裝置、溫度巡檢裝置等外部設(shè)備進行串口通訊。

5.2 公用開關(guān)站LCU功能

1臺公用開關(guān)站LCU放置在繼保室內(nèi)，負責(zé)采集220kV開關(guān)站及其線路保護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息并上送廠站控制層。監(jiān)控對象為220kV線路上的斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘等開關(guān)站設(shè)備。此外還通過Genius總線的方式與6個公用系統(tǒng)輔助設(shè)備控制柜RTU進行數(shù)據(jù)傳輸，并將其數(shù)據(jù)處理后一并打包送至上位機系統(tǒng)。通過通訊控制器與線路上的多功能交流采集裝置、消防系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)等設(shè)備進行串口通訊。

5.3 大壩LCU功能

1臺大壩LCU放置大壩控制室內(nèi)，監(jiān)控對象為大壩進水口閘門、弧門、齒輪門、深井泵等設(shè)備。并將其數(shù)據(jù)經(jīng)PLC處理后通過單模光纖（因距中控室距離較遠）傳輸至廠站控制層。

5.4 遠程RTU功能

6臺遠程RTU分別控制檢修（滲漏）排水系統(tǒng)、主變風(fēng)扇系統(tǒng)、漏油泵系統(tǒng)、通風(fēng)電機系統(tǒng)、技術(shù)供水系統(tǒng)和高（低）壓氣機系統(tǒng)。采用施耐德系列低壓斷路器、接觸器和軟起動裝置對各個輔機系統(tǒng)進行控制。并通過GEVersaMax系列PLCGenius總線的方式經(jīng)過公用開關(guān)站LCU與廠站控制層進行數(shù)據(jù)傳輸。

6 結(jié)束語

猴爬巖電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)自2009年10月投運以來，運行穩(wěn)定可靠，設(shè)備無任何故障，自動開停機成功率為100%。電廠的自動化水平和安全生產(chǎn)水平有了很高的起點。為實現(xiàn)“無人值班”（少人值守）奠定了堅實的基礎(chǔ)，取得了非常好的社會效益和經(jīng)濟效益。

[1]方欽輝.現(xiàn)代水電廠計算機監(jiān)控技術(shù)與試驗[M].中國電力出版社，2004.

[2]王德寬.水電廠綜合自動化及“無人值班”技術(shù)[M].中國電力出版社，2001.

TP273+.5

B

1672-5387（2011）03-0050-03

2011-04-11

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