三門峽黃河明珠（集團）有限公司　劉　謀　張哂昭

計算機監(jiān)控系統(tǒng)在三門峽水電站中的設(shè)計與應用

三門峽黃河明珠（集團）有限公司劉謀張哂昭

文中介紹了三門峽水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，主要包括監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)、設(shè)備配置解決辦法，并簡要分析了該系統(tǒng)的特點及應用情況，可為其他大中型水電站自動化控制的建設(shè)與改造提供參考。

水電站；計算機監(jiān)控系統(tǒng)；改造

0　引言

三門峽水利樞紐是黃河干流上修建的第一座大型綜合水利工程，位于黃河中段下游，河南省三門峽市和山西省平陸縣交界處，具有發(fā)電、防洪、防凌、灌溉等綜合利用效益。電站現(xiàn)已安裝7臺水輪發(fā)電機組，目前總裝機容量為430MW。

1　電站監(jiān)控概況

三門峽電站監(jiān)控系統(tǒng)自1995年開始，先后經(jīng)歷了常規(guī)無觸點弱點控制、工控機控制到現(xiàn)地智能可編程控制器等三代技術(shù)革新。目前電站站控級局域網(wǎng)為單星形網(wǎng)絡，現(xiàn)地級設(shè)有7套機組LCU、1套配電設(shè)備LCU、1套壩頂閘門LCU、兩套220kV開關(guān)站LCU。該系統(tǒng)已經(jīng)運行了15年以上，單網(wǎng)系統(tǒng)可靠性低，已難以滿足電站安全經(jīng)濟運行的需要。

2　三門峽水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計要求

2012年起，電站與南京南瑞集團公司、中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司合作設(shè)計，共同開發(fā)了三門峽水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

三門峽水電站分為清水和渾水兩個不同運行階段，基于該水電站設(shè)備狀況，借助最新的監(jiān)控技術(shù)，考慮如下要求：

1）滿足渾水發(fā)電時期停機特殊操作需求。渾水發(fā)電期間由于發(fā)電水頭低，上游來水夾雜過多的雜草、樹干等污物，個別的污物穿過攔污柵，經(jīng)蝸殼卡在固定導葉與活動導葉之間，造成機組停機過程中導葉無法關(guān)閉，機組轉(zhuǎn)速無法降低至加閘轉(zhuǎn)速。需在水電站1-7號機組現(xiàn)地控制盤、中控室控制盤需增加機組緊急停機、壩頂工作閘門緊急落門的硬布線回路。在機組停機時，轉(zhuǎn)速無法降低至加閘轉(zhuǎn)速的情況下，可繞開監(jiān)控，人為操作工作閘門落門、跳開機組出口開關(guān)，滿足渾水發(fā)電特殊方式下的停機要求。

2）滿足電力系統(tǒng)高度可靠、冗余要求。考慮到部分老舊設(shè)備自動控制執(zhí)行不到位的情況，需在機組現(xiàn)地控制單元（LCU）盤柜內(nèi)設(shè)置水機與輔助系統(tǒng)獨立的操作回路。

3）滿足該水電廠頻繁開停機，擴大單元接線、單元接線機組綜合調(diào)度需求。該電站在河南電網(wǎng)可用于系統(tǒng)調(diào)峰，開停機頻繁，電網(wǎng)對各個發(fā)電子系統(tǒng)要求能有獨立運行能力。

4）實現(xiàn)自1998年來逐年改造的各監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信集成。實現(xiàn)新的計算機監(jiān)控系統(tǒng)與省調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)、三門峽水電站管理信息系統(tǒng)（MIS）、三門峽水庫調(diào)度運用數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、三門峽水電站全廠火災自動報警系統(tǒng)、三門峽水電站廠用電系統(tǒng)、三門峽水電站電能計量系統(tǒng)等的通信集成。

5）依據(jù)三門峽電站水輪發(fā)電機組工況，機組有功負荷在20MW以下工作時，存在擺度過大的問題，在監(jiān)控系統(tǒng)機組出力分配過程中，需躲開振動區(qū)。

3　電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三門峽水電站1-7號發(fā)電機組、1-7號工作閘門之間的數(shù)據(jù)庫都采用全分布數(shù)據(jù)庫。整個監(jiān)控系統(tǒng)由一個電站主控級和數(shù)個現(xiàn)地控制單元（LCU）等2個部分組成。主控級與LCU之間采用100Mbit/s交換式冗余以太環(huán)網(wǎng)進行通信，通訊協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議。

各鏈路具備能自動切換到備用鏈路功能。可在主控級退出運行時，實現(xiàn)機組、開關(guān)站以及工作閘門的現(xiàn)地單獨操作。在兼顧設(shè)備運行可靠性的基礎(chǔ)上，提高了該水電站設(shè)備調(diào)度的靈活性。

4　計算機監(jiān)控系統(tǒng)功能

4.1監(jiān)控系統(tǒng)運行控制方式

三門峽水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)3種控制方式，以滿足電站的運行需要，即河南省調(diào)遠方控制、三門峽水電站控制室控制和單元設(shè)備現(xiàn)地控制。

根據(jù)三門峽水電站管理模式需要，設(shè)置以下控制權(quán)限級別。

1）現(xiàn)地控制權(quán)限為最高級別。由于該電廠設(shè)備較為陳舊，特別是水機、排水等單元系統(tǒng)還未進行大規(guī)模改造，有據(jù)動情況發(fā)生，有時需要做必要的現(xiàn)地操作，故在允許情況下可直接進行現(xiàn)地操作。

2）控制室控制權(quán)其次。經(jīng)過1998年至今的多次改造，該水電站大部分設(shè)備已具備自動控制功能，其控制在此次監(jiān)控改造時均已引入系統(tǒng)，可以實現(xiàn)控制室直接控制。

3）省調(diào)遠方控制權(quán)限最低。由于三門峽水電廠機組負荷調(diào)整較為迅速，河南電網(wǎng)可將其作為調(diào)峰電廠，河南省調(diào)在必要時可經(jīng)過水電廠值班人員在監(jiān)控上設(shè)置河南省調(diào)直接控制權(quán)，以便省調(diào)及時調(diào)整機組負荷。

4.2監(jiān)控系統(tǒng)功能

三門峽水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)能實時、準確、有效地完成對電站被控對象的安全監(jiān)控，并通過2M河南省電力專網(wǎng)通信通道與省調(diào)實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)功能。

4.2.1監(jiān)控系統(tǒng)中控層完成監(jiān)控

中控層完成對該水電站1-7號機組、水電站各開關(guān)、主變壓器、閘門狀態(tài)、輔助系統(tǒng)等的監(jiān)控，主要包括電流、電壓、溫度、開度、震動、擺度、機組蝸殼壓力、過機含沙量的數(shù)據(jù)采集與處理。并利用NC2000系統(tǒng)進行開發(fā)，生成友好的可視畫面輔助電站監(jiān)控管理。其主要實現(xiàn)功能包括：接入監(jiān)控設(shè)備的模擬量、開關(guān)量、脈沖量等信息的數(shù)據(jù)采集與處理；自動發(fā)電控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）和經(jīng)濟運行控制（EDC）功能；監(jiān)視、記錄和報表；雙以太環(huán)網(wǎng)通信；On—call系統(tǒng)。

4.2.2三門峽水電站監(jiān)控功能的實現(xiàn)

1）根據(jù)該水電站運行方式需要，在LCU柜中，設(shè)置水機操作硬接線操作回路，主要有緊急停機、緊急落工作門、事故復歸、同期手動方式操作、機組冷卻水閥組控制、鎖定投退，空氣圍帶投撤等按鈕、壓油泵控制按鈕等，其與監(jiān)控系統(tǒng)自動控制回路并列出口，可以滿足特殊情況下，需全手動模式開停機操作要求。

2）采用開放、分層分布式結(jié)構(gòu)，機組監(jiān)控系統(tǒng)與壩頂工作閘門自動控制系統(tǒng)有機結(jié)合，靈活調(diào)控，使其具備有獨立運行能力，確保對各臺機組運行、引水工作閘門進行有效操控。

3）通過LCU通訊管理裝置與其它已改造的監(jiān)控單元鏈接，統(tǒng)一采用485串口通訊方式，遵循modbus規(guī)約，解決數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)該電站多種監(jiān)控單元整合。

4）鑒于低水頭發(fā)電，需躲過機組共振區(qū)域，通過上位機組態(tài)，在自動發(fā)電控制界面增加躲避參數(shù)，同時在負荷分配機組PID調(diào)節(jié)模塊中通過程序處理，專門設(shè)定下發(fā)值規(guī)避區(qū)域，使機組避開振動區(qū)。

5）增加風閘起落、剪斷銷剪斷信號采集功能。通過一套風閘及剪斷銷測點I/O采集裝置，實現(xiàn)對機組24個剪斷銷信號器信號接點以及12個風閘位置接點的采集，當剪斷銷或風閘中的任意一路接點

信號有效時，系統(tǒng)可以及時準確判斷出故障部位，并發(fā)出報警，以供工作人員有針對性分析和排除故障，保證設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)，同時裝置又要有硬接點輸出，以供機組控制流程使用。

5　三門峽水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)特點

1）系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，符合技術(shù)發(fā)展趨勢，以雙局域網(wǎng)為核心，實現(xiàn)各服務器、工作站功能分擔、數(shù)據(jù)分散處理，處理速度快，工作效率高，冗余化的設(shè)計和開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)既可靠實用又便于擴充，整個系統(tǒng)先進、可靠、性價比高，各工作站/服務器在系統(tǒng)中處于平等地位，系統(tǒng)的后續(xù)擴充不會引起原系統(tǒng)大的變化，網(wǎng)絡節(jié)點設(shè)備資源相對獨立，又可為其他節(jié)點共享，為今后功能擴充提供了較大的方便。

2）采用部分設(shè)備單元手動回路與自動控制回路并列出口，解決三門峽水電廠渾水發(fā)電期間的特殊運行操作要求。

3）實現(xiàn)與機組工作閘門、開關(guān)站的集中控制。三門峽水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計之初，便考慮對水電站、閘門設(shè)備和220KV、110KV開關(guān)站進行集控。前期對工作閘門自動控制系統(tǒng)的改造，考慮到其與相關(guān)機組的有機結(jié)合，閘門控制整體作為一個獨立的LCU單元接入全廠監(jiān)控系統(tǒng)中，但在單臺機組的監(jiān)控頁面中，增加對應工作閘門的運行狀態(tài)及信息，同時在機組LCU控制單元增加閘門指示開度以及緊急落門按鈕，可實現(xiàn)一體化操作；在對開關(guān)站自動化改造中，可以在全廠監(jiān)控系統(tǒng)中實時顯示開關(guān)站相關(guān)開關(guān)、刀閘的狀態(tài)，配合視頻監(jiān)視系統(tǒng)，實現(xiàn)遠方對開關(guān)站開關(guān)、刀閘的自動操作功能，考慮到可能存在刀閘合不到位的情況，為確保安全，每一步流程的操作、執(zhí)行都得由運行人員確認位置方可進行下一步操作。

6　結(jié)束語

三門峽水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計方面充分考慮新、老設(shè)備的接口銜接以及部分生產(chǎn)設(shè)備因老化安全可靠性不高問題，能夠滿足早期水電站需要分階段分批次進行改造的要求，并能使該電廠發(fā)電機組始終保持在穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài)下運行，但為滿足該電站實際運行需求，監(jiān)控系統(tǒng)中加入了較多的手動控制單元，這對運行操作人員提出了較高的操作要求，為保證機組安全運行，還需繼續(xù)探索更加可靠技術(shù)應對方案。

［1］施沖，朱辰，龐敏.水電廠無人值守與監(jiān)控系統(tǒng)改造［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2002，26（5）：10-13.

［2］王善永.基于MB80的大型抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.水電廠自動化，2006，109（4）：49-53.

［3］水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件［M］.北京：中國電力出版社出版，2008.

劉謀，男，工程師，主要從事電氣自動化技術(shù)管理方面的工作。

張哂昭，男，工程師，主要從事水電廠電氣自動化及運行管理方面的工作。