周 彤,潘二強,李清華,羅偉城,牛曉光,高 偉

（中國水利水電科學研究院中水科技公司，北京 100038）

湖南筱溪水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)及其特點

周 彤,潘二強,李清華,羅偉城,牛曉光,高 偉

（中國水利水電科學研究院中水科技公司，北京 100038）

介紹了湖南筱溪水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，針對軸流轉(zhuǎn)槳式機組特點，分析了H 9000V 4.0系統(tǒng)在筱溪水電站的應(yīng)用特點。

計算機監(jiān)控；H 9000V 4.0；應(yīng)用特點

筱溪水電站是湖南省重點能源工程之一，是以發(fā)電為主，兼有航運、灌溉、旅游、養(yǎng)殖等綜合效益的大（Ⅱ）型水利水電樞紐工程。電站位于資水干流中游、湖南省新邵縣坪上鎮(zhèn)筱溪村，電站裝機規(guī)模13.5萬kW，安裝4臺軸流式水輪機組，其中：3臺單機容量為40MW，1臺單機容量為15MW。年利用小時3730h，年平均發(fā)電量5.035億kW·h。自從2008年全面投產(chǎn)以來，極大地緩解了華南地區(qū)用電緊張的局勢，為邵陽地區(qū)乃至湖南省的經(jīng)濟發(fā)展提供了強大的能源支持。電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)按“無人值班”（少人值守）運行方式設(shè)計，系統(tǒng)采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司的H9000V4.0系統(tǒng)，于2008年1月28日與筱溪電站首臺機組一起正式并網(wǎng)運行。

1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計原則

筱溪水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)按“無人值班”（少人值守）的原則設(shè)計，采用全計算機控制的分層分布開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由主控層及電站現(xiàn)地控制層組成。系統(tǒng)整體必須安全可靠、實用經(jīng)濟、技術(shù)先進，易于維護，有較強的升級換代能力。整個系統(tǒng)采取總體設(shè)計一次到位，根據(jù)現(xiàn)場進度分期施工的辦法，可分步實施。具體設(shè)計原則說明如下：

（1）系統(tǒng)的可靠性

為達到“無人值班”，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有極高的可靠性，采用國際著名廠商的成熟而可靠的、標準化的硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和漢化操作系統(tǒng)；廣泛采用分布處理技術(shù)和冗余技術(shù)。系統(tǒng)關(guān)鍵部位采用冗余配置，互為備用，如現(xiàn)地控制單元PLC雙CPU熱備、主機操作員工作站、主控級UPS電源及LCU供電電源設(shè)備等。加強監(jiān)控系統(tǒng)的供電電源的可靠性，特別是現(xiàn)地控制單元LCU的供電；

現(xiàn)地控制單元采用PLC直接上網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，取消工控機等中間環(huán)節(jié)，提高LCU的整體可靠性能；各個LCU也不會因主控級發(fā)生故障而影響LCU各自承擔的監(jiān)控功能。

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(luò)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；有關(guān)運行控制采用多重軟硬件安全閉鎖和操作權(quán)限制；系統(tǒng)具有自診斷、自恢復(fù)功能，故障不造成誤輸出。

（2）系統(tǒng)的開放性與可擴性

系統(tǒng)主要硬件設(shè)備選型符合計算機技術(shù)發(fā)展迅速的特點，采用全分布開放式系統(tǒng)，并具有成功的運行經(jīng)驗，能在水電廠環(huán)境下長期連續(xù)穩(wěn)定運行。系統(tǒng)中的各工作站計算機及其系統(tǒng)軟件均符合開放系統(tǒng)要求，便于功能和硬件的擴充和升級。充分保護用戶投資，使系統(tǒng)能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴充要求。在數(shù)據(jù)庫及硬件接口等方面留有擴大的裕量。

（3）功能的完善性

本系統(tǒng)按電站“無人值班”的原則設(shè)計，整個系統(tǒng)配備完善的應(yīng)用功能。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（湖南省調(diào)、地調(diào)）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。實現(xiàn)遠方AGC功能；監(jiān)控系統(tǒng)能與電站泄洪閘門系統(tǒng)、電廠信息管理系統(tǒng)MIS、電廠水調(diào)自動化系統(tǒng)、梯調(diào)自動化系統(tǒng)及將來可能出現(xiàn)的其它系統(tǒng)進行可靠的通信；電站各個現(xiàn)地控制單元LCU與現(xiàn)地各個單功能裝置，如微機調(diào)速器裝置、微機勵磁裝置、微機保護系統(tǒng)、機組油壓控制裝置及高壓氣系統(tǒng)、低壓氣系統(tǒng)等輔機系統(tǒng)等的通信。

（4）系統(tǒng)的安全性

系統(tǒng)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(shè)備的危害。針對電站集中監(jiān)控的特點，在保證操作安全性、通訊安全性方面也采用了一定的可靠性措施。按照國家電力監(jiān)管委員會關(guān)于《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》的文件精神，監(jiān)控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間以網(wǎng)絡(luò)方式互聯(lián)時，必須采取經(jīng)國家有關(guān)部門認證的專用、可靠的安全隔離設(shè)施，以保證網(wǎng)絡(luò)的安全性。

（5）抗干擾能力

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用光纖技術(shù)，避免了不同設(shè)備之間的電信號連接?，F(xiàn)地控制單元的人機界面接口單元配置獨立的液晶顯示屏，避免了現(xiàn)地電磁場的干擾。對計算機系統(tǒng)的電源進行隔離。現(xiàn)場信號也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?qū)ο蟮娜珴h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(chǔ)，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，能保證機組安全運行。

（8）現(xiàn)地手動操作與控制

為滿足機組安裝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(shè)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(shù)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(shù)條件”的要求。

2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與通信結(jié)構(gòu)

筱溪水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用以太網(wǎng)之環(huán)形結(jié)構(gòu)，廠站級主控層及其現(xiàn)地控制單元層之間采用快速交換式環(huán)以太網(wǎng)絡(luò)總線，構(gòu)成高可靠冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通訊介質(zhì)采用100MB網(wǎng)絡(luò)交換機和光纖，系統(tǒng)具有較高的傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。

電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過通信工作站，通過電力專用調(diào)制解調(diào)器，按照IEC60870-5-101規(guī)約，直接與上級調(diào)度中心進行通信，發(fā)送調(diào)度所需的遙測、遙信并接受下發(fā)的遙控、遙調(diào)指令，完成網(wǎng)調(diào)對水電站的四遙功能。

2.2 廠站層設(shè)備配置

廠站層設(shè)備包括2臺操作員工作站、1臺工程師工作站、1臺套通信工作站、1臺套終端服務(wù)器、1套網(wǎng)絡(luò)交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、2臺打印機、1臺套GPS時鐘同步系統(tǒng)、1套大屏幕顯示系統(tǒng)，及UPS電源等設(shè)備。操作員工作站及2臺打印機布置在中控室，其余設(shè)備均布置在計算機房。

2.3 現(xiàn)地層設(shè)備配置

現(xiàn)地層采用現(xiàn)地控制單元與專用功能裝置既相互配合，又相對獨立的設(shè)計原則，以提高系統(tǒng)的可靠性和整體性。LCU主機與外部獨立裝置及通訊方式進行數(shù)據(jù)交換。共設(shè)有5套現(xiàn)地控制單元（LCU），包括4套機組LCU、1套開關(guān)站/公用設(shè)備LCU。根據(jù)筱溪水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)工程I/O要求，實際I/O配置表如表1：

LCU完成對監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理，負責向網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)信息，并自動服從上位機的命令和管理。同時各LCU也具有控制、調(diào)節(jié)操作和監(jiān)視功能，配備有人機觸摸屏，當與上位機系統(tǒng)脫機時，仍具有必要的監(jiān)視和控制功能。

表1 各LCU I/O配置

每臺LCU配有數(shù)據(jù)采集控制單元PLC，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、電廠主輔設(shè)備的控制及設(shè)備的調(diào)節(jié)與控制（包括順控）。進行全廠閉環(huán)控制與調(diào)節(jié)，保證全廠發(fā)電運行可靠。控制器不僅實時性指標要高，還應(yīng)有相當高的可靠性。按照本電站“無人值班”的設(shè)計原則，現(xiàn)地控制單元設(shè)備的配置采取以下基本原則：PLC雙CPU熱備；LCU雙電源供電；各個I/O機箱與熱備CPU主站的連接為冗余RIO通道；PLC配置2塊標準TCP/IP以太網(wǎng)卡直接上以太網(wǎng)（100M速率FX光纖口）。

LCU現(xiàn)地人機接口單元選用法國施耐德公司XBTG 6330液晶觸摸屏，其具有高可靠性、防塵、抗震、抗電磁干擾等優(yōu)良性能。

系統(tǒng)對各機組、開關(guān)站LCU的電量測量均采用交流采樣方式，選用瑞士CARLO GAVAZZI公司的ACUVIM多功能交流采樣儀表，作為220kV線路及220kV母線的電量的測量及機組電量的測量，該裝置與智能通信控制器的RS485相連。由于盤內(nèi)DC24V電源為冗余結(jié)構(gòu)，供電可靠，交流采樣裝置全部選用直流24V電源供電。

LCU所配的智能通信控制器為臺灣MOXA公司的MOXA UC-7410-LX，該裝置為RISC-based智能通訊服務(wù)器，具有2個10/100M以太網(wǎng)口和8個RS485或RS232通信口，完成LCU與各現(xiàn)地設(shè)備，如微機勵磁調(diào)節(jié)裝置、微機調(diào)速裝置、機組油壓裝置、微機保護裝置、電能計量裝置等其它設(shè)備的通信。通信控制器的8個獨立RS485標準串行通信端口可實現(xiàn)與多達8x31個從通信裝置通信。

地方政府在構(gòu)建和維護良好的市場環(huán)境秩序中發(fā)揮著不可替代作用。也就是說，地方政府這只“看得見的手”，與市場機制“看不見的手”一起協(xié)同發(fā)揮不同的重要作用。但當前我國對中小微企業(yè)合法權(quán)益的保護，特別是知識產(chǎn)權(quán)保護仍存在漏洞；有些地方政府下屬主管部門對小微企業(yè)擔保抵押條件辦理手續(xù)，如對企業(yè)動產(chǎn)、不動產(chǎn)權(quán)屬證明的辦理拖拉滯后；缺乏專門針對提高小微企業(yè)從業(yè)人員素質(zhì)的培訓等，這些都給小微企業(yè)發(fā)展帶來極大的負面影響。

每臺機組LCU及開關(guān)站LCU配置一臺多對象的雙微機同期裝置WX-98G/X（8對象）。WX-98G/X雙微機同期裝置為H9000系統(tǒng)的配套產(chǎn)品。具有加、減速，增、減磁等功能，并可自動測量開關(guān)合閘時間、自動調(diào)整PT電壓相位、自動識別差頻和合環(huán)并網(wǎng)等功能。

3 針對軸流轉(zhuǎn)槳式機組的負荷調(diào)節(jié)

筱溪水電站水輪發(fā)電機組采用的是軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，三臺單機容量40MW，一臺15MW。針對三聯(lián)調(diào)速器以及軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組的負荷調(diào)節(jié)方式，在一般的負荷調(diào)節(jié)過程中我們給定一個脈寬周期t_period，然后根據(jù)實際負荷與給定負荷之間的差值IN與最大差值的IN_max的比例，算出調(diào)節(jié)脈寬，實時脈寬為：T_on.公式如下：

根據(jù)此公式，如果t_period與IN_max為定值，則T_on根據(jù)IN輸入值得變化表現(xiàn)為一個衰減脈沖，這樣的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)出來的脈寬在一般情況下對水輪機負荷的調(diào)節(jié)很合適。

但是考慮到筱溪電站移民的問題，水庫蓄水達不到額定水頭，造成機組出力不夠，水輪機在并網(wǎng)開始調(diào)負荷而導葉開度尚未達到50%期間，負荷變化只有1～2MW，由于水輪機出力不足，導致導葉需要達到相應(yīng)的開度才有變化，這樣導葉的開度就比額定的開度要大，因此導葉開啟時間加長而負荷卻沒有變化，這樣就影響了電網(wǎng)調(diào)度對負荷調(diào)節(jié)時間的要求。針對這種情況，提出以下修改方案：

（1）修改t_period參數(shù)，這樣會使t_period參數(shù)增大，根據(jù)公式則T_on也相應(yīng)的變大。輸出脈沖的變大會使給調(diào)速器的命令脈沖數(shù)增大，從而使調(diào)功的時間加長，負荷增加減少變化，達到我們的要求。但是輸出時間的增加對油壓裝置要求很高，而電機功率小的話會造成頻繁啟泵，從而有可能造成事故低油壓，造成緊急停機同時對電機壽命造成損耗；

（2）修改IN_max參數(shù)，這樣改小IN_max參數(shù)，根據(jù)公式則在定周期內(nèi)T_on也相應(yīng)的變大。從而起到加快調(diào)負荷的要求。但是這樣的修改依然有一個弊端，這樣會出現(xiàn)IN＞IN_max的情況，而這種情況下，信號一直輸出，從而使調(diào)節(jié)時間加長，也會是油壓裝置電機頻繁啟動，有可能導致事故低油壓，造成緊急停機同時對電機壽命造成損耗；

（3）修改IN參數(shù)，增大IN參數(shù)，根據(jù)公式，則在定周期內(nèi)T_on也相應(yīng)的變大。從而起到加快調(diào)負荷的要求。而這樣修改調(diào)節(jié)周期時間不會發(fā)生變化，只是在調(diào)節(jié)周期內(nèi)的脈沖時間增加。只要脈沖周期不會大于調(diào)節(jié)周期，一般在電廠負荷調(diào)節(jié)內(nèi)是可以運行的。

最終，我們決定對IN參數(shù)做出修改，從而達到調(diào)節(jié)的要求，修改如下：

當IN小于10（MW）加另一個常數(shù)賦值給IN.

當IN大于10（MW）小于20（MW）加另一個常數(shù)賦值給IN.

當IN大于20（MW）小于30（MW）加另一個常數(shù)賦值給IN.

當IN大于40（MW）時直接賦值給IN.

其中常數(shù)值不能太大，以免調(diào)節(jié)太快.針對我們這樣的修改，負荷調(diào)節(jié)就根據(jù)負荷差值的大小進行分段調(diào)節(jié)，在不同的差值區(qū)里，計算基準值不一樣，從而使負荷調(diào)節(jié)時間在原來的周期時間不變的情況下，調(diào)節(jié)時間加長，經(jīng)過現(xiàn)場實際調(diào)試和運行結(jié)果來看，滿足各方對負荷調(diào)節(jié)的要求。而且針對此情況我們還可以在此基礎(chǔ)縮小調(diào)節(jié)周期時間，從而還能再增加調(diào)節(jié)時間，使負荷調(diào)節(jié)再快一點。但是最終的調(diào)節(jié)時間還是要根據(jù)現(xiàn)場情況來做判斷，過快的調(diào)節(jié)對油壓裝置的要求太高。

這個方法在筱溪電站的實際運行中負荷調(diào)節(jié)滿足電廠以及地調(diào)中心的調(diào)節(jié)要求，得到一致的認可。

4 結(jié)束語

筱溪水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)自2008年投運并完成現(xiàn)場驗收以來，運行穩(wěn)定、可靠，性能完全達到設(shè)計要求。各種高級應(yīng)用軟件也已通過了測試及時間的考驗，為電廠安全運行提供了可靠的保障。

[1]方輝欽.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]姚維達，楊春霞，黃鳳珍，等.H9000系統(tǒng)在洪江水電站中的應(yīng)用[A].第二屆水力發(fā)電技術(shù)國際會議論文集[C].中國電力出版社，2009.

TP273+.5

B

1672-5387（2011）03-0053-03

2011-04-11

周彤（1982-），女，助理工程師，從事計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)、研制工作。