毛 琦，周永濱，鄧小剛，張衛(wèi)君，郭 潔，胡志斌，盧小芳，何亞文，劉 宇

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；2.湖南五凌電力有限公司近尾洲水電廠，湖南 衡陽 410007）

0 概述

近尾洲水電廠位于湘江中游，是湘江干流開發(fā)規(guī)劃中的第五級(jí)電站。近尾洲水電廠安裝有3臺(tái)由奧地利制造的燈泡貫流式機(jī)組，單機(jī)容量為21.06 MW,總裝機(jī)容量63.18 MW,設(shè)計(jì)年發(fā)電量2.92億kw·h，是一座具有發(fā)電、航運(yùn)、灌溉等綜合效益的水電工程。

1 改造背景

近尾洲水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)于90年代設(shè)計(jì)，2001年設(shè)備正式投入運(yùn)行，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由奧地利引進(jìn)，主要由主控級(jí)、現(xiàn)地單元控制級(jí)兩層構(gòu)成。主控級(jí)包括操作員工作站、打印機(jī)、SQL服務(wù)器等設(shè)備，現(xiàn)地單元控制級(jí)包括3套機(jī)組、1套公用與開關(guān)站。

電站計(jì)算監(jiān)控系統(tǒng)投運(yùn)至今已超過10年，主控級(jí)、現(xiàn)地LCU、網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵設(shè)備均已淘汰或老化，設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性大幅下降，故障率明顯升高，不利于電站的安全運(yùn)行。原有設(shè)計(jì)方案、技術(shù)理念不能滿足水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)日益發(fā)展的需要。

此外，國內(nèi)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟，國產(chǎn)化計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)在技術(shù)、理念、服務(wù)方面的優(yōu)勢日益顯著，得到越來越多用戶的認(rèn)同。

綜合考慮上述因素，電廠方面經(jīng)過分析比較，最終選用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司所研發(fā)的活H9000V4.0計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件、軟件進(jìn)行全面升級(jí)改造。

2 改造總體思路

2.1 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

（1）為達(dá)到“無人值班（少人值守）”，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(biāo)準(zhǔn)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)。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(gè)節(jié)點(diǎn)中，系統(tǒng)內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)的故障不影響其余節(jié)點(diǎn)的正常工作。

（2）現(xiàn)地控制單元采用PLC直接上網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，充分利用PLC的高可靠性及邏輯控制方面的優(yōu)點(diǎn)，各LCU及各個(gè)輔機(jī)設(shè)備控制單元以可編程序控制器（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(yùn)行可靠，同時(shí)確保各個(gè)LCU不會(huì)因主控級(jí)發(fā)生故障而影響LCU各自承擔(dān)的監(jiān)控功能，LCU在脫離電站主控級(jí)的情況下，能保證機(jī)組安全運(yùn)行。

（3）有關(guān)運(yùn)行控制采用多重軟硬件安全閉鎖和操作權(quán)限制，并加強(qiáng)系統(tǒng)的供電電源的可靠性，現(xiàn)地控制單元LCU采用冗余供電。

2.2 功能的完善

（1）實(shí)現(xiàn)電站遠(yuǎn)方AGC控制功能，穩(wěn)定可靠地與遠(yuǎn)方調(diào)度中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，達(dá)到遠(yuǎn)方調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)對電站的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)的功能。

（2）實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與電站MIS系統(tǒng)、水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)通信，同時(shí)預(yù)留將來可能出現(xiàn)的其它系統(tǒng)可靠的通信通道。

（3）改進(jìn)現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組開機(jī)前需要在現(xiàn)地LCU屏上手動(dòng)對報(bào)警信號(hào)復(fù)歸的設(shè)計(jì)缺陷，增加可以在監(jiān)控上位機(jī)上對所有報(bào)警信號(hào)進(jìn)行手動(dòng)復(fù)歸確認(rèn)。

（4）為滿足與機(jī)組檢修后同步投運(yùn)的安全、可靠要求，現(xiàn)地配置觸摸屏，運(yùn)行人員可以在機(jī)旁完成機(jī)組投運(yùn)或調(diào)試中的操作及輔機(jī)設(shè)備啟停、主備用切換，單步開停機(jī)等操作。

2.3 改造后系統(tǒng)的開放性與可擴(kuò)性

改造后的近尾洲計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)仍然采用開放式分層分布系統(tǒng)，既便于功能和硬件的擴(kuò)充，又能充分保護(hù)用戶的投資。全分布式數(shù)據(jù)庫及軟件模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)更能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴(kuò)充。

整個(gè)系統(tǒng)由電站主控級(jí)計(jì)算機(jī)和現(xiàn)地控制單元（LCU）組成，采用10/100/1000 Mb/s冗余光纖交換式環(huán)型網(wǎng)或雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能對全廠主要機(jī)電設(shè)備進(jìn)行控制，對所有機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行全面監(jiān)控，對電站生產(chǎn)管理、狀態(tài)檢修用途的數(shù)據(jù)采集、處理、歸檔、歷史數(shù)據(jù)庫的生成、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)拷貝，并為MIS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。功能和數(shù)據(jù)庫分布在系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)上，使監(jiān)控系統(tǒng)具有更高的效率、更高的可靠度及更好的可擴(kuò)性。系統(tǒng)支持在線及離線編程，遠(yuǎn)程維護(hù)和全網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)信息交換。更換各發(fā)電機(jī)組、中央控制/公用/開關(guān)站LCU柜內(nèi)PLC及相應(yīng)設(shè)備。

3 主控級(jí)改造

（1）硬件

由于原有系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較長，設(shè)備老化，對生產(chǎn)運(yùn)行帶來較大的安全隱患，因此本次改造將換所有舊系統(tǒng)的硬件，關(guān)鍵設(shè)備均采用當(dāng)前主流進(jìn)口產(chǎn)品：美國HP公司主機(jī)兼操作員站、（遠(yuǎn)動(dòng)、調(diào)度、廠內(nèi)）通信工作站、工程師工作站、報(bào)表工作站等，中心交換機(jī)采用兩臺(tái)德國赫斯曼公司生產(chǎn)的高檔工業(yè)骨干中心交換機(jī)，構(gòu)成10/100/1000 Mb/s自適應(yīng)冗余光纖交換式星型以太網(wǎng)。增設(shè)報(bào)表系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，水情測報(bào)、電能量采集系統(tǒng)接口程序開發(fā)、新增的近區(qū)變、廠用變等電度表接入監(jiān)控系統(tǒng)，并為MIS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。更換衛(wèi)星同步時(shí)鐘裝置，并接入監(jiān)控系統(tǒng)，對整個(gè)系統(tǒng)對時(shí)，具備網(wǎng)絡(luò)對時(shí)功能。更換冗余UPS系統(tǒng)。

4套現(xiàn)地控制單元PLC硬件全部更換，新的PLC硬件均選用法國施耐德公司的Quantum系列產(chǎn)品。大大提高任務(wù)執(zhí)行速度，增加了多任務(wù)特性，存貯容量加大，用戶編程更加方便。

每個(gè)LCU配備的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(jìn)行全廠閉環(huán)控制與調(diào)節(jié)，保證全廠發(fā)電運(yùn)行可靠。（見圖1）

圖1 近尾洲水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造方案配置框圖

（2）軟件

改造后的近尾洲計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)仍然采用開放式分層分布系統(tǒng)，全分布數(shù)據(jù)庫。整個(gè)系統(tǒng)由電站主控級(jí)計(jì)算機(jī)和現(xiàn)地控制單元（LCU）組成，電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能對全廠主要機(jī)電設(shè)備進(jìn)行控制，對所有機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行全面監(jiān)控，對電站生產(chǎn)管理、狀態(tài)檢修用途的數(shù)據(jù)采集、處理、歸檔、歷史數(shù)據(jù)庫的生成、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)拷貝，并為MIS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

電廠和長沙調(diào)度中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間進(jìn)行通訊采用104規(guī)約，實(shí)現(xiàn)遙信、遙測、遙控和遙調(diào)的功能；電廠與衡陽地調(diào)中心計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通訊采用101規(guī)約，實(shí)現(xiàn)遙信、遙測、遙控和遙調(diào)的功能。

4 系統(tǒng)改造的特點(diǎn)

近尾州水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造項(xiàng)目在設(shè)計(jì)和施工過程中出現(xiàn)了一些新問題，并提出了相應(yīng)的解決方案。

4.1 部分模擬量輸出信號(hào)采用差分傳輸方式

施耐德模出模塊140ACO13000的4～20 mA電流信號(hào)輸出，采用的是傳統(tǒng)單端傳輸方式，其公共端為DC24 V負(fù)端，而勵(lì)磁、調(diào)速器相應(yīng)電流輸入同樣為單端輸入，公共端為DC24 V正端。如果強(qiáng)行將公共端連接在一起，將會(huì)出現(xiàn)不同系統(tǒng)電源混接，導(dǎo)致多個(gè)系統(tǒng)無法正常工作的，甚至損壞設(shè)備的嚴(yán)重后果。因此，140ACO13000輸出信號(hào)不能直接傳輸?shù)絼?lì)磁、調(diào)速系統(tǒng)。為解決此矛盾，在模擬量輸入輸出之間加裝了信號(hào)隔離裝置，將單端傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換成了差分傳輸信號(hào)，如圖2所示：

圖2 近尾州模擬量隔離示意圖

此種設(shè)計(jì)解決了信號(hào)不能直接傳輸?shù)膯栴}，同時(shí)采用差分方式有效提高了電流信號(hào)抗共模噪聲的能力，保證了系統(tǒng)電壓及功率調(diào)節(jié)的安全性、準(zhǔn)確性和可靠性。

4.2 施工安全性

（1）高空作業(yè)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，需要人員在4 m高橋架進(jìn)行電纜敷設(shè)工作，這就對現(xiàn)場人員的安全提出了極高的要求。首先，要求每個(gè)參與施工人員從思想上認(rèn)識(shí)施工安全的極端重要性，在保證安全的前提下高效的完成工作任務(wù)；第二，嚴(yán)格按照施工方案進(jìn)行施工作業(yè)，現(xiàn)場人員不能擅做主張，隨意更改施工方法；第三，現(xiàn)場人員必須佩戴安全帽、安全帶等防護(hù)設(shè)備，不佩戴安全帽不得進(jìn)入施工現(xiàn)場，不佩戴安全帶不得登上橋架；第四，現(xiàn)場高空作業(yè)實(shí)行雙重監(jiān)督機(jī)制，即：現(xiàn)場指揮管理人員為第一層監(jiān)督，施工時(shí)間必須時(shí)刻在現(xiàn)場指揮監(jiān)督，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題解決問題，防患于未然，電廠相關(guān)人員為第二層監(jiān)督，對現(xiàn)場進(jìn)行指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)問題可隨時(shí)暫停施工，并及時(shí)提供關(guān)于現(xiàn)場的咨詢服務(wù)；第五，對可能出現(xiàn)的意外情況進(jìn)行預(yù)案處理，將損失降到最低。

（2）帶強(qiáng)電作業(yè)

現(xiàn)地LCU改造過程中，由于部分設(shè)備不能斷電，且進(jìn)入LCU的開入信號(hào)為DC220 V強(qiáng)電信號(hào)。此外原技術(shù)圖紙與實(shí)際接線有誤差，盤柜內(nèi)部原配線繁雜凌亂。因此，施工過程中的人員及設(shè)備安全受到威脅。對此，提出了有針對性防護(hù)措施；①在施工現(xiàn)場鋪設(shè)絕緣墊，施工人員佩戴絕緣手套；②拆除原設(shè)備前，對屏柜內(nèi)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行登記，由電廠人員進(jìn)行確認(rèn)；③使用電壓測試筆測定每個(gè)端子的電壓等級(jí)，對高于36 V安全電壓的端子進(jìn)行標(biāo)記和隔離處理；④施工過程有專人監(jiān)督，任何人不得單獨(dú)作業(yè)；⑤配線完成屏柜上電前，按照圖紙嚴(yán)格檢查配線情況，尤其是電源供電系統(tǒng)，確保無短路、無強(qiáng)弱電交叉混接；⑥確保所有設(shè)備開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，按照交流、直流一段、直流二段順序逐一給電，后對電源系統(tǒng)所有端子及空開的極性、電壓等級(jí)等進(jìn)行測定，無誤后逐一開啟設(shè)備電源，出現(xiàn)不正常情況立即關(guān)掉進(jìn)線電源。

4.3 現(xiàn)地人機(jī)界面報(bào)警數(shù)據(jù)庫功能完善

近尾州水電廠現(xiàn)地人機(jī)界面首次采用昆侖通態(tài)高性能TPC系列觸摸屏，其報(bào)警數(shù)據(jù)庫的組態(tài)采用實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)庫和歷史報(bào)警數(shù)據(jù)庫分開但相結(jié)合的方式，實(shí)時(shí)報(bào)警一覽表只顯示當(dāng)前的報(bào)警，無報(bào)警時(shí)無任何條目顯示；歷史報(bào)警一覽表最多追溯2000條報(bào)警記錄，歷史報(bào)警數(shù)據(jù)庫會(huì)記錄任何報(bào)警的變位情況，報(bào)警解除也不會(huì)消失。

這種方式，既滿足廠方對現(xiàn)地人機(jī)界面可追溯性的要求，又可使報(bào)警信息一目了然，在現(xiàn)地觸摸屏功能有限的情況下，最大限度實(shí)現(xiàn)了功能齊全、界面友好。

5 結(jié)束語

在多方面的大力支持和配合下，近尾洲水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造順利完成，新的監(jiān)控系統(tǒng)接受上級(jí)調(diào)度中心的調(diào)度指令，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方調(diào)度中心及站內(nèi)閉環(huán)運(yùn)行、自動(dòng)監(jiān)測和控制，對于提高電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益，提高電站安全運(yùn)行水平，改善職工運(yùn)行條件及提高電能生產(chǎn)的質(zhì)量等方面產(chǎn)生的積極效果得到業(yè)主的肯定與好評。同時(shí)此次監(jiān)控系統(tǒng)的改造為今后改造國外監(jiān)控系統(tǒng)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1]王德寬，袁 宏，王崢瀛，等.H9000 V4.0計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)計(jì)算特點(diǎn)概要[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2007（3）.

[2]張 毅，王德寬，等.面向巨型機(jī)組特大型水電站監(jiān)控系統(tǒng)的研制與開發(fā)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2008，（1）.