蔡丹 牛洪海 蔡金華 王慧

【摘要】本文介紹了PCS-9150系統(tǒng)在四川洪口水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用情況，闡述了主要配置、可靠性設(shè)計(jì)及PCS-9150冗余控制器等系統(tǒng)特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】冗余控制器；水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；可靠性

引言

依據(jù)國(guó)家能源局《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃（征求意見稿）》提出，“十三五”期間，水電保持合理建設(shè)規(guī)模。全國(guó)新開工常規(guī)水電和抽水蓄能電站各6000萬千瓦，共計(jì)1.2億千瓦；2020年水電總裝機(jī)達(dá)到3.8億千瓦。隨著科技水平的不斷發(fā)展和提升，水電站“無人值班，少人值守”對(duì)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求越來越高。本文基于南瑞繼保自主研發(fā)的PCS-9150冗余控制器，闡述了四川通江縣洪口水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的配置及特點(diǎn)。

洪口電站位于通江縣洪口鄉(xiāng)境內(nèi)月灘河上游3.0km的高家灣處，為通江縣境內(nèi)月灘河梯級(jí)開發(fā)的第一級(jí)龍頭電站，為地面廠房。電站裝機(jī)容量2×13.2MW混流式機(jī)組，最大水頭78.6m，最小水頭52.6m，額定水頭68m，設(shè)計(jì)引用流量為44m3/s，多年平均發(fā)電量為8891萬kW·h。電站主要為發(fā)電，并兼顧生態(tài)環(huán)境用水。接入系統(tǒng)方式為一回110kV線路接至萬源電網(wǎng)，主接線110kV側(cè)為線路變壓器組接線，發(fā)電機(jī)電壓側(cè)為擴(kuò)大單元接線。110kV配電裝置型式選擇戶外中型敞開式布置，布置在主廠房上游側(cè)。

1、電站運(yùn)行控制方式

對(duì)洪口水電站的監(jiān)視控制， 有下列三個(gè)等級(jí)的操作

（1）遠(yuǎn)動(dòng)控制層（調(diào)度）操作

調(diào)度中心的值班人員，通過調(diào)度中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)載波和光纖通道，與洪口水電站的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)，其中，電站主控級(jí)計(jì)算機(jī)的收到中調(diào)傳送的AGC及AVC命令后完成最優(yōu)發(fā)電計(jì)算， 確定電站開機(jī)臺(tái)數(shù)，機(jī)組組合和機(jī)組間負(fù)荷分配，并執(zhí)行閉環(huán)/開環(huán)操作。

（2）廠站監(jiān)控層操作

在廠站監(jiān)控層操作能實(shí)現(xiàn)對(duì)電站設(shè)備的控制監(jiān)視，有以下兩種方式。

電站自動(dòng)控制，電站主控級(jí)計(jì)算機(jī)按預(yù)先給定的負(fù)荷曲線或按系統(tǒng)實(shí)時(shí)給定的負(fù)荷及其他限制條件，完成對(duì)電站各機(jī)組的最優(yōu)負(fù)荷分配和控制，此控制方式可選擇閉環(huán)或開環(huán)運(yùn)行。

操作人員后臺(tái)控制，操作人員在操作員站上，通過顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等設(shè)備進(jìn)行操作。對(duì)于功率控制，可實(shí)現(xiàn)單機(jī)控制和成組控制；對(duì)于機(jī)組設(shè)備的工況轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)全部過程自動(dòng)執(zhí)行方式或采用分步按順序組執(zhí)行的方式，即每一步或每一順序組完成后需經(jīng)操作人員確認(rèn)，才能進(jìn)行下一步或下一順序組的操作。

（3）現(xiàn)地控制層

在電站運(yùn)行初期或廠站監(jiān)控層出現(xiàn)故障及根據(jù)需要，操作人員可通過單元控制器的觸摸屏、按鈕等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站設(shè)備的控制及工況的全自動(dòng)轉(zhuǎn)換和分步自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

操作層級(jí)控制權(quán)限，操作層級(jí)分為3層，優(yōu)先級(jí)從高到低依次為現(xiàn)地控制層，廠站監(jiān)控層，遠(yuǎn)動(dòng)控制層。在LCU屏柜上設(shè)置遠(yuǎn)方/就地切換把手，用于現(xiàn)地控制層與廠站監(jiān)控層的控制權(quán)限切換。在廠站控制層的監(jiān)控后臺(tái)畫面設(shè)置廠站控制/遠(yuǎn)動(dòng)控制軟切換把手。只有在遠(yuǎn)動(dòng)控制模式下，遠(yuǎn)動(dòng)控制層下發(fā)遙控/遙調(diào)指令才有效。LCU屏上的遠(yuǎn)方/就地把手處于“就地”位置，此時(shí)廠站監(jiān)控級(jí)命令被閉鎖，但不影響控制器上送信息。

2、監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用南瑞繼保PCS-9150水電站監(jiān)控系統(tǒng)，采用分層分布式，共分2層，廠站監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)控制層。

1）廠站監(jiān)控層

配置2臺(tái)主機(jī)兼操作員站，雙屏顯示，2臺(tái)主機(jī)互為冗余。工作站配置采用當(dāng)前主流配置。

配置為1臺(tái)工程師站，專門用于維護(hù)下位機(jī)組態(tài)及上下機(jī)畫面、報(bào)表等功能，工程師站可兼做操作員站。

配置2臺(tái)電力專用遠(yuǎn)動(dòng)裝置PCS-9799B，冗余配置。遠(yuǎn)動(dòng)裝置為無硬盤無風(fēng)扇的專用裝置，以部頒CDT、MODBUS、IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、DNP等規(guī)約通過模擬通道、數(shù)字通道或網(wǎng)絡(luò)向調(diào)度端/集控站傳送，同時(shí)接收調(diào)度端/集控站的遙控、遙調(diào)命令向變電站內(nèi)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)。遠(yuǎn)動(dòng)信息采用“直采直送”的方式，PCS-9799B遠(yuǎn)動(dòng)裝置的運(yùn)行獨(dú)立于后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，雙方互不影響。

2）現(xiàn)地控制層

現(xiàn)地控制層配置4套LCU，分別為1～2號(hào)機(jī)組LCU，公用LCU，泄洪閘門LCU。網(wǎng)絡(luò)采用雙星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

機(jī)組LCU配置南瑞繼保自主研發(fā)的1對(duì)PCS-9150冗余控制器，1臺(tái)10”觸摸屏，1臺(tái)PCS-9659D自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置及手動(dòng)同期裝置，實(shí)現(xiàn)就地LCU的現(xiàn)地控制，屏面布置簡(jiǎn)潔明了。柜內(nèi)設(shè)置遠(yuǎn)方/就地切換把手及緊急停機(jī)按鈕。

公用LCU配置1對(duì)PCS-9150冗余控制器，1臺(tái)10”觸摸屏，1臺(tái)多點(diǎn)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置及手動(dòng)同期裝置，實(shí)現(xiàn)公用系統(tǒng)及開關(guān)站LCU的現(xiàn)地控制。

勵(lì)磁、調(diào)速器、交流采樣、溫度巡檢儀等智能裝置需要通訊的設(shè)備通過PLC的串口卡件直接通訊，因此無需配置廠內(nèi)通訊工作站。

3、系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

1）PCS-9150水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供全面冗余機(jī)制，下位機(jī)采用PCS-9150冗余控制器，增加系統(tǒng)可靠性。冗余控制器的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

PLC的控制器冗余

控制器上電后自動(dòng)檢測(cè)是否有主機(jī)存在，如果有則切為備機(jī)，建立與主機(jī)的同步。當(dāng)同步建立后，如果主機(jī)失電或故障則自動(dòng)將控制權(quán)移交從機(jī)，原從機(jī)升級(jí)為主機(jī)，繼續(xù)原主機(jī)切換前的工作狀態(tài)。故障控制器恢復(fù)時(shí)，不再主從切換，除非現(xiàn)主機(jī)故障。冗余控制器切換時(shí)間<6ms。

控制器之間冗余同步網(wǎng)絡(luò)冗余

同步A網(wǎng)故障時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換到B網(wǎng)。故障網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)不切換。當(dāng)A/B同步網(wǎng)絡(luò)同時(shí)失去時(shí)，控制器會(huì)出現(xiàn)雙主情況，故控制器之間配置冗余同步網(wǎng)絡(luò)，大幅減少了雙主的概率。

IO網(wǎng)絡(luò)冗余

每個(gè)控制器對(duì)每個(gè)IO站的IOLink總線冗余配置，即主控制器對(duì)每個(gè)IO站有2路A/B IOLink總線，從控制器對(duì)每個(gè)IO站也有2路A/B IOLink總線?？刂破髯詣?dòng)偵測(cè)IO網(wǎng)絡(luò)A網(wǎng)和B網(wǎng)的狀態(tài)，如果當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)存在故障，則自動(dòng)切換到另外一條網(wǎng)絡(luò)。故障網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)不切換。每個(gè)控制器最多帶4個(gè)IO站，控制器與IO站之間通信采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式。

HMI監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)冗余

每個(gè)控制器自身集成兩個(gè)上位機(jī)百兆網(wǎng)口，監(jiān)控后臺(tái)自動(dòng)偵測(cè)控制器監(jiān)控A網(wǎng)和B網(wǎng)的狀態(tài)，如果當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)存在故障，則自動(dòng)切換到另外一條網(wǎng)絡(luò)。故障網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)不切換。

人機(jī)接口冗余

主機(jī)可設(shè)置為多節(jié)點(diǎn)互為備用，值班節(jié)點(diǎn)故障，備用節(jié)點(diǎn)自動(dòng)切換為值班狀態(tài)。

電源冗余

控制器和IO單元均為雙電源配置（AC/DC 110V～220V寬壓設(shè)計(jì)），無需配置交直流雙供電裝置。

對(duì)時(shí)冗余，

控制器本身自動(dòng)支持GPS/北斗對(duì)時(shí)（優(yōu)先級(jí)從低到高依次為網(wǎng)絡(luò)NTP對(duì)時(shí)、串口B碼對(duì)時(shí)、光口B碼對(duì)時(shí)等），無需額外配置，常規(guī)配置網(wǎng)絡(luò)NTP對(duì)時(shí)和串口對(duì)時(shí)，為SOE事件時(shí)標(biāo)提供精準(zhǔn)的時(shí)間。

2）IO卡件支持熱插拔

任何一塊卡件故障，現(xiàn)場(chǎng)需要更換卡件時(shí)，支持帶電熱插拔，無需設(shè)置卡件地址，控制器會(huì)自動(dòng)識(shí)別。更換過程無需斷電，全部在線完成，簡(jiǎn)單、快捷、安全。

3）寬溫I/O模件（工作溫度-20℃～+55℃）

4）控制器/IO模件全金屬結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強(qiáng)，電磁兼容性強(qiáng)，EMC等級(jí)可至4級(jí)，可以應(yīng)用在惡劣的強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中。

同時(shí)PCS-9150 PLC控制器配套標(biāo)準(zhǔn)算法模塊，包括各種PID、自整定控制模塊、算術(shù)邏輯運(yùn)算、模擬量/開關(guān)量手操器、操作器、超前滯后、數(shù)字邏輯等，可定制生成其它特殊算法，如狀態(tài)變量和模糊算法。支持可讀寫永久存貯器，存貯系統(tǒng)文件和組態(tài)數(shù)據(jù)，支持控制策略的在線無擾更新；支持功能塊圖組態(tài)，所見即所得。在線監(jiān)視時(shí)功能塊有背景色指示狀態(tài)，方便快捷。

4、監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)

南瑞繼保的PCS-9150水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具備靈活開放的體系結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)、海量數(shù)據(jù)庫(kù)，全面支持IEC61850/103/ModbusTCP/OPC等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，圖模庫(kù)一體化建模，友好的人機(jī)界面，支持離線維護(hù)、在線無擾更新等高級(jí)功能。

系統(tǒng)功能模塊可方便的進(jìn)行裁剪和擴(kuò)充，“即插即用”，適合多種用戶需求。

監(jiān)控系統(tǒng)支持廠級(jí)AGC發(fā)電控制及自動(dòng)電壓控制，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)電站的要求，如調(diào)功、調(diào)頻等運(yùn)行方式，對(duì)系統(tǒng)的頻率、穩(wěn)定極限進(jìn)行監(jiān)視，自動(dòng)進(jìn)行有關(guān)電站機(jī)組起、停控制，機(jī)組有功/無功功率自動(dòng)調(diào)整，減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高電能生產(chǎn)質(zhì)量，滿足新型電力市場(chǎng)對(duì)電力生產(chǎn)單位電能質(zhì)量的要求。

監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)留WEB信息發(fā)布系統(tǒng)接口。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，水電站ONCALL功能逐漸被WEB發(fā)布功能所替代。通過WEB信息發(fā)布服務(wù)器，管理信息系統(tǒng)不再需要與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)規(guī)約轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)通訊，也不需要存儲(chǔ)和管理這些數(shù)據(jù)，客戶端只需采用IE瀏覽器，建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈接，運(yùn)行管理人員便可訪問WEB服務(wù)器，瀏覽查詢現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

手機(jī)APP應(yīng)用作為WEB發(fā)布的補(bǔ)充，目前也逐步推廣到小水電站的遠(yuǎn)程監(jiān)視中。通過Web發(fā)布，安全分區(qū)隔離，可定制水電站監(jiān)控系統(tǒng)手機(jī)APP應(yīng)用，通過手機(jī)APP應(yīng)用瀏覽，運(yùn)行管理人員可實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，為“無人值班，少人值守”提供更為便捷的瀏覽方式。

5、結(jié)束語(yǔ)

以南瑞繼保PCS-9150冗余控制器為核心的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在洪口電站的順利投運(yùn)及穩(wěn)定運(yùn)行，配套軟件的使用方便快捷，便于調(diào)試，大幅縮短了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，獲得越來越多的水電站用戶的認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)：

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[2]DLT 578-2008 水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件

[3]PCS-9150系統(tǒng)說明書