姜春文 徐可媛

(江山市碗窯電站，浙江 衢州 324100)

碗窯電站微機(jī)綜合自動化改造探析

姜春文 徐可媛

(江山市碗窯電站，浙江 衢州 324100)

簡要羅列了碗窯水電站常規(guī)的自動控制系統(tǒng)存在的問題，并從實用、經(jīng)濟(jì)、可靠的角度制定改造方案。對監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，上位機(jī)功能，現(xiàn)地單元LCU的先進(jìn)性、穩(wěn)定性、便于維護(hù)等特點作了介紹，分析了監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊方式及優(yōu)缺點，最后對改造的效果及運行中遇到的問題進(jìn)行了探討。該監(jiān)控系統(tǒng)改造方案在同行中具有借鑒意義。

計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；上位機(jī)；現(xiàn)地控制單元；數(shù)據(jù)采集存儲

0 引言

碗窯水電站于1997年5月建成投產(chǎn)，總裝機(jī)容量為2×6 300 kW，采用混流立軸式水輪發(fā)電機(jī)組，電站的主接線采用擴(kuò)大單元接線方式。碗窯水電站自投產(chǎn)以來一直采用常規(guī)的自動控制系統(tǒng)，自動化水平低，運行維護(hù)復(fù)雜，備品備件難以采購，運行人員工作量大，造成電站運行存在嚴(yán)重的安全隱患。為保證電站的安全運行，提高電站的經(jīng)濟(jì)效益，江山市碗窯水庫管理局于2011年決定對碗窯水電站實施微機(jī)綜合自動化改造，實現(xiàn)水電站少人值班(無人值守)的運行方式。

1 存在問題

常規(guī)自動控制系統(tǒng)的邏輯順序控制和調(diào)節(jié)規(guī)律主要由電磁式繼電器等純硬件實現(xiàn)，經(jīng)過十幾年的運行，設(shè)備老化，故障率增加。常規(guī)自動控制系統(tǒng)和計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相比，在可靠性、穩(wěn)定性以及水電站優(yōu)化運行等方面性能均較低下。常規(guī)自動控制系統(tǒng)存在的問題主要有：

(1) 設(shè)備故障率增加，運行不穩(wěn)定；

(2) 常規(guī)的老式繼電器逐漸淘汰，備品備件難以采購；

(3) 繼電保護(hù)每年的校驗、維護(hù)工作量大；

(4) 設(shè)備大，保護(hù)屏柜占用空間大，接線多；

(5) 調(diào)節(jié)性能差，難以實現(xiàn)對水電站設(shè)備的自動調(diào)節(jié)及巡回檢測；

(6) 電站與電力系統(tǒng)通信困難。

2 技改方案

根據(jù)國標(biāo)《小型水電站技術(shù)改造規(guī)程》(SL193—97)和《水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件》(DL/T578—95)的規(guī)定，以及計算機(jī)在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的作用及其與常規(guī)設(shè)備的關(guān)系，水電站采用的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要有3類：

(1) 以計算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)(CBSC)。此系統(tǒng)的主要監(jiān)控功能均由計算機(jī)完成，常規(guī)的控制裝置可以取消。但為了提高整個控制系統(tǒng)的可靠性，也可以保留一小部分現(xiàn)地操作控制設(shè)備作為特殊情況下的備用。

(2) 計算機(jī)輔助監(jiān)控系統(tǒng)(CASC)。采用這種模式時，水電站的控制操作仍主要由常規(guī)的自動裝置來完成，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)運行監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、事件記錄、打印制表和經(jīng)濟(jì)運行計算等功能。采用這種模式，運行中計算機(jī)監(jiān)控部分即使發(fā)生故障，水電站仍能維持正常運行，只是部分功能暫時不能實現(xiàn)。這種模式對計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求可以低些，因而投資也較低，比較容易實現(xiàn)。

(3) 計算機(jī)與常規(guī)裝置雙重監(jiān)控系統(tǒng)(CCSC)。采用CCSC系統(tǒng)，水電站具有2套各自獨立的監(jiān)控系統(tǒng)，相互備用。由于設(shè)置2套各自獨立的監(jiān)控系統(tǒng)，因此其可靠性高，但價格偏貴。而且隨著計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的日趨成熟完善，使用2套各自獨立的監(jiān)控系統(tǒng)顯得多余和浪費。

比較以上3種方案，綜合考慮其各自的設(shè)備特點、投資成本、技改要達(dá)到的預(yù)期目的等，本次碗窯電站微機(jī)綜合自動化改造工程采用了以計算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)(CBSC)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本站的監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布、開放式的可配置結(jié)構(gòu)，以保證系統(tǒng)的互操縱性、可擴(kuò)展性和可移植性。此系統(tǒng)以控制對象分散為主要特征，就水電站而言，控制對象主要是水輪發(fā)電機(jī)組、升壓開關(guān)站、公用設(shè)備等。按控制對象為單元設(shè)置多套相應(yīng)的裝置，構(gòu)成水電站的現(xiàn)地控制單元，完成控制對象的數(shù)據(jù)采集、機(jī)組等主要設(shè)備的控制/調(diào)節(jié)以及裝置的數(shù)據(jù)通信等功能。碗窯電站2個機(jī)組現(xiàn)地控制單元分別用于對2臺機(jī)組及其附屬設(shè)備(調(diào)速器、勵磁、蝶閥、開關(guān)、技術(shù)供水等)實施監(jiān)控，1個公用(含開關(guān)站)現(xiàn)地控制單元用于對全廠的公用系統(tǒng)如油/氣/水系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)、升壓開關(guān)站等進(jìn)行監(jiān)測和控制。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 碗窯電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)簡圖

3.2 系統(tǒng)特點

(1) 可使水電站受控設(shè)備的大量信息實現(xiàn)就地采集處理并完成控制任務(wù)，提高了信息處理的效率和實時性，避免了因向中控室傳送大量信息而使電纜過多導(dǎo)致的一些不良后果。

(2) 受控設(shè)備可以獨立完成其功能。當(dāng)某一臺受控設(shè)備的控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，不影響全廠其他設(shè)備的正常工作；而當(dāng)主控計算機(jī)出現(xiàn)故障時，雖說全廠的功能會受到影響，但子系統(tǒng)依然能夠照常工作。

4 上位機(jī)硬件構(gòu)成和功能[1]

(1) 本系統(tǒng)配有2臺互為冗余的操作員工作站、1臺通信工作站，2套機(jī)組LCU、1套公用LCU、數(shù)據(jù)服務(wù)器、不間斷電源(UPS)、打印機(jī)等，上位機(jī)與PLC之間通過以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中的多功能表、調(diào)速器、溫度巡檢儀通過RS485口，以Modbus RTU協(xié)議與PLC通信。通訊工作站與GPS時鐘進(jìn)行對時，操作員工作站與通訊工作站進(jìn)行對時，保證整個監(jiān)控系統(tǒng)時標(biāo)的統(tǒng)一性。操作員工作站配有音箱進(jìn)行語音報警，且配1臺打印機(jī)進(jìn)行日常報表打印。通常情況下，在操作員主工作站上進(jìn)行操作，當(dāng)操作員主工作站故障時，操作員備工作站自動升為操作員主工作站，兩站采用冗余主備[2]工作方式，任何一臺發(fā)生故障時不會影響系統(tǒng)的正常工作。現(xiàn)地控制單元與主控站工控機(jī)脫離聯(lián)系時，能通過一體化工控機(jī)或操作元件進(jìn)行獨立操作。

(2) 上位機(jī)的功能由上位機(jī)監(jiān)控軟件來實現(xiàn)，主要有控制、調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集存儲管理、數(shù)據(jù)圖形顯示、事故故障處理、參數(shù)設(shè)置、事件記錄、計算統(tǒng)計、數(shù)據(jù)通信、打印、自診斷等功能。

1) 控制。水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件可按設(shè)定的操作程序?qū)λ娬驹O(shè)備進(jìn)行控制，如機(jī)組的開機(jī)控制、斷路器的分合閘控制操作、調(diào)速器/勵磁系統(tǒng)的控制，做到一個指令完成機(jī)組啟動、并網(wǎng)或停機(jī)[3]。

2) 調(diào)節(jié)。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組完成開機(jī)并網(wǎng)后，機(jī)組的有功、無功調(diào)節(jié)模式將由操作員在上位機(jī)上選定，由操作員在上位機(jī)上設(shè)置好調(diào)節(jié)參數(shù)，通過數(shù)據(jù)通訊送至機(jī)組LCU，使水電站實現(xiàn)自動按給定的有功、無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)運行，或自動按恒定功率因數(shù)運行，或自動按上游水位運行等。根據(jù)系統(tǒng)工況自動調(diào)整機(jī)組運行參數(shù)，實現(xiàn)電站經(jīng)濟(jì)運行[3]。

3) 數(shù)據(jù)采集存儲管理。水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)能夠?qū)F(xiàn)地LCU自動采集的水電站的各種參數(shù)，按一定的時間間隔分類儲存在計算機(jī)中，形成歷史數(shù)據(jù)庫，用于數(shù)據(jù)查詢、報表打印輸出等。水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集的參數(shù)有模擬量參數(shù)和狀態(tài)量參數(shù)2大類。

4) 事故故障處理。水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)在電站發(fā)生事故、故障時，能及時快速進(jìn)行處理，并給出事故、故障信息，在上位機(jī)顯示器上立即推出事故、故障提示信息，通知運行人員事故、故障發(fā)生位置。監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)與現(xiàn)地控制單元LCU聯(lián)合，快速準(zhǔn)確地處理事故、故障，上位機(jī)自動將事故、故障發(fā)生的時間和有關(guān)數(shù)據(jù)記錄下來，以便分析事故、故障。

5) 數(shù)據(jù)通信。水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信包括監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)部通信和監(jiān)控系統(tǒng)的外部通信。內(nèi)部通信指上位機(jī)與現(xiàn)地單元的通信；外部通信指上位機(jī)與電力系統(tǒng)的通信、與水電站信息管理系統(tǒng)的通信、與水庫水情測報等其他計算機(jī)系統(tǒng)的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

6) 自診斷[2]。水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件具有自診斷功能，能通過自診斷給出計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件、軟件故障信息，如通信故障情況等，便于運行人員快速查找、處理故障。

5 現(xiàn)地控制單元硬件構(gòu)成和特點

(1) 水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組LCU的硬件主要由可編程控制器、液晶顯示觸摸屏、智能交流電參數(shù)測量儀、微機(jī)自動準(zhǔn)同期裝置、溫度巡檢裝置、通訊服務(wù)器、交/直流雙供電、繼電器、開關(guān)、按鈕、指示燈、屏柜等設(shè)備、裝置構(gòu)成。

(2) 碗窯電站的現(xiàn)地控制單元可編程控制器使用施耐德BMXP342020 M340系列PLC，它是新一代軟硬件自動化平臺，集各種強(qiáng)勁功能和創(chuàng)新設(shè)計于一身，為復(fù)雜設(shè)備制造商和中小型項目提供各種自動化功能的最佳技術(shù)和高效、靈活、經(jīng)濟(jì)的解決方案。BMXP342020 M340系列PLC具有以下特點：

1) 先進(jìn)性。CPU具有卓越的運算能力、超大內(nèi)存以及獨創(chuàng)的“即插即載”存儲卡；CPU同時內(nèi)置USB口和以太網(wǎng)、CANopen或Modbus；豐富的運動控制功能塊庫，為獨立軸和主/從軸的位置控制系統(tǒng)提供了“即插即動”的解決方案；使用統(tǒng)一的Unity軟件平臺，程序可不受限制地從一種機(jī)型移植到另一種；模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝和擴(kuò)展靈活，模塊支持熱插拔；超強(qiáng)穩(wěn)定可靠性，遠(yuǎn)超國際標(biāo)準(zhǔn)。

2) 穩(wěn)定可靠。100%符合國際標(biāo)準(zhǔn)和海事認(rèn)證；抗振動可達(dá)3g(g=9.8 m/s2)，抗沖擊可達(dá)30g；溫度范圍0～60 ℃，海拔高度達(dá)4 000 m；防輻射15 V/m，防靜電8 kV。

3) 便于維護(hù)。內(nèi)置8 MB SD卡，即插即載，無需備份電池；通過串行調(diào)制解調(diào)器(RTC、GSM/GPRS、Radio)或者ADSL鏈路，提供全方位的遠(yuǎn)程訪問服務(wù)；內(nèi)置Web服務(wù)器和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)頁，用戶可自定義網(wǎng)頁；支持熱插拔功能，CPU對更換模塊自動配置，便于維護(hù)。

6 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊方式和優(yōu)缺點[4]

(1) 水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的站內(nèi)通信方式主要有點對點RS232串行通信、多級聯(lián)RS485串行通信、LAN局域網(wǎng)(以太網(wǎng))通信等。本次碗窯電站微機(jī)綜合自動化改造工程采用的就是星形以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 碗窯電站微機(jī)綜合自動化改造工程采用的星形以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)

(2) 優(yōu)點：1) 在星形以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，僅僅一個節(jié)點和其余所有的節(jié)點相連接，稱這個節(jié)點為主節(jié)點(中心節(jié)點)，除了主節(jié)點外，其余所有節(jié)點均不相互連接；2) 所有節(jié)點來的信息都集中到主節(jié)點，信息交換由主節(jié)點集中進(jìn)行，主節(jié)點具有中斷交換信息的功能，它中斷來自各節(jié)點的信息，并把集中到主節(jié)點的信息轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的節(jié)點；3) 由于主節(jié)點與

其他各節(jié)點之間的鏈路是專用的，因此線路的傳輸效率高，便于程序信息研制和資源共享，通信也簡單。

(3) 缺點：1) 若主節(jié)點出現(xiàn)故障，將產(chǎn)生廣泛的影響；2) 這種網(wǎng)絡(luò)通信線路不能共用，利用率低，一般適合小規(guī)模控制系統(tǒng)。

7 改造結(jié)果及運行中遇到的問題

(1) 經(jīng)過3個月的努力，碗窯電站于2012年1月投入試運行，運行中遇到不間斷電源損壞的小問題，其他都很穩(wěn)定正常。技術(shù)改造后監(jiān)控系統(tǒng)至今已經(jīng)過2年多的穩(wěn)定運行，實時性、可靠性、安全性、兼容性、可維修性、經(jīng)濟(jì)性等各項指標(biāo)都達(dá)到了規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求及國家的有關(guān)規(guī)程規(guī)定。實踐證實，本次技改達(dá)到了預(yù)期目的，實現(xiàn)了電站“少人值班”的目標(biāo)。

(2) 運行中遇到的問題：原設(shè)計中配了1臺5 kVA不間斷電源，于2012年5月運行中出現(xiàn)損壞，原因是設(shè)計配置功率偏小。已改成2臺5 kVA不間斷電源，將原來的負(fù)載分成2路供給。

8 結(jié)語

碗窯電站微機(jī)綜合自動化改造投資少、見效快，基本實現(xiàn)了電站“少人值班”的目標(biāo)，使電站重新進(jìn)入安全、可靠、穩(wěn)定、高效的運行環(huán)境，同時也能為其他電站的技改提供參考、借鑒。

[1]浙江省水電管理中心.水電站運行與管理[M].浙江工商大學(xué)出版社，2011

[2]DL/T578—95 水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件[S]

[3]SDJ337—89 小型水輪發(fā)電站自動化設(shè)計規(guī)定(試行)[S]

[4]許建安.水電站自動化技術(shù)[M].中國水利水電出版社，2006

2014-06-16

姜春文(1972—)，男，浙江江山人，工程師，主要從事電站機(jī)電設(shè)備的運行管理、維護(hù)與安裝等工作。

徐可媛(1974—)，女，浙江江山人，工程師，主要從事電站機(jī)電設(shè)備的運行管理、維護(hù)工作。