李宏剛 成都市水利電力勘測設(shè)計(jì)院
摘 要：本文簡要介紹了大川河梯級水電站及梯調(diào)中心自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要功能，并就存在的問題提出一些看法供大家探討。
關(guān)鍵詞：大川河梯級水電站 梯調(diào)中心 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 功能 問題
1.概況
大川河梯級水電站位于四川省蘆山縣大川鎮(zhèn)境內(nèi)，其下屬三個引水式小型水電站（中咀電站、長石壩電站、佛山電站）和一個梯級調(diào)度中心，共6臺機(jī)組，總裝機(jī)容量70MW。其中中咀電站裝機(jī)2×14MW，長石壩電站2×10MW，佛山電站2×11MW，梯級電站通過2回110kV出線將電力送至成都電業(yè)局大邑供電局官渡變電站與系統(tǒng)連接。電站距蘆山縣城約74km，距成都市149km，對外交通較為便利。
大川河梯級水電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用南瑞自控公司的NAS－900全分布開放式綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)。按照大川河梯級水電站綜合自動化采用全計(jì)算機(jī)監(jiān)控的方式，電站能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地、站級和設(shè)在長石壩電站的大川河梯級調(diào)度中心控制及省調(diào)調(diào)度。
2.設(shè)計(jì)原則
大川河梯級水電站及梯調(diào)中心自動化監(jiān)控系統(tǒng)是按照“無人值班（少人值守）”的原則進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)配置，采用全微機(jī)控制，最新的計(jì)算機(jī)軟件、硬件及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該系統(tǒng)與電站安全運(yùn)行密切相關(guān)的設(shè)備均雙重化設(shè)置或采用冗余技術(shù)，采用全分布開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，滿足業(yè)主要求的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、技術(shù)先進(jìn) 和便于擴(kuò)充等基本原則。
系統(tǒng)配置和設(shè)備選型適應(yīng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的特點(diǎn)，硬件、軟件均采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)，便于硬件設(shè)備的擴(kuò)充，又可以適應(yīng)功能的增加和系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展。實(shí)時性好，系統(tǒng)維護(hù)性好。在三個電站和梯調(diào)中心計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通訊實(shí)現(xiàn)遙信、遙測、遙控和遙調(diào)功能。系統(tǒng)采用IEEE802.3以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)具有較好的開放性，可以手動優(yōu)先、下層優(yōu)先的方式或其他用戶指定的方式設(shè)置必要的硬件和軟件，使運(yùn)行操作人員能方便在各控制層之間、計(jì)算機(jī)控制與簡化常規(guī)控制設(shè)備之間選定對設(shè)備的控制權(quán)，對無控制權(quán)的控制設(shè)備進(jìn)行閉鎖。
系統(tǒng)采用了PLC直接接入總線，此方式大大提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，避免了PLC通過一體化機(jī)接入以太網(wǎng)的瓶頸，使各個設(shè)備具有安全的獨(dú)立性。主控層以太網(wǎng)采用當(dāng)今最流行的光纖以太網(wǎng)方式及載波備用通道，實(shí)現(xiàn)通信通道的熱備用冗余，突出了系統(tǒng)的高可靠性。
3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
大川河梯級水電站及梯調(diào)中心自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用符合國際開放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的開放式環(huán)境下的全分布計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，在功能上系統(tǒng)分為三級，即調(diào)度控制級、主控級和單元控制級。
3.1梯級調(diào)度中心
大川河梯級調(diào)度中心總的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要由梯調(diào)中心和中咀電站、長石壩電站、佛山電站組成，網(wǎng)絡(luò)采用星形以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。梯調(diào)中心與各電站通過一條單模光纖和一條載波通道通信，正常情況梯調(diào)中心通過光纖與三個電站進(jìn)行信息交換，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率大于或等于100Mbps，傳輸速率為自適應(yīng)式，采用TCP/IP協(xié)議，遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)光纖網(wǎng)絡(luò)故障時啟動載波通道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
大川河梯級調(diào)度中心的主要功能是對三個電站進(jìn)行集中控制與監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)梯調(diào)中心與各個電站的數(shù)據(jù)通信。配置2臺主控工作站及1臺通信管理機(jī)，1臺工程師工作站，1組模擬返回屏，1臺24口以太網(wǎng)交換機(jī)，2臺打印機(jī)，2臺冗余配置的容量為3KVA的UPS。
●調(diào)度集控工作站
在梯調(diào)中心設(shè)置2臺冗余配置的主機(jī)/操作員工作站，并采用主/從熱備用工作方式，其中1臺為主控機(jī)負(fù)責(zé)各電站的數(shù)據(jù)采集、控制功能的實(shí)現(xiàn)，主要完成各梯級電站的運(yùn)行自動化及其管理，包括整個梯級電站的聯(lián)合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制、歷史數(shù)據(jù)存檔、歸類、檢索和管理，運(yùn)行報(bào)表生成與打印，人機(jī)接口功能等，即完成設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時監(jiān)視與控制。另1臺（備份機(jī)）作為系統(tǒng)管理機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)視網(wǎng)上各臺機(jī)的運(yùn)行情況，備份主控機(jī)的數(shù)據(jù)庫，并在檢測到主控機(jī)故障時立即擔(dān)當(dāng)起主控機(jī)的所有功能并報(bào)警。
●通信管理機(jī)
用于與各電站通信機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信方式為光纖以太網(wǎng)及備用的載波通道。同時通信管理機(jī)還用于與上級電力調(diào)度進(jìn)行遠(yuǎn)動通信，具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)功能。
●工程師工作站
梯級調(diào)度中心作為梯級調(diào)度的管理中心需要對各電站的監(jiān)控軟件進(jìn)行維護(hù)和參數(shù)設(shè)定，設(shè)置1臺工程師工作站作為系統(tǒng)的維護(hù)工作站。
●返回模擬屏
用于顯示電站主接線圖全貌及設(shè)備狀態(tài)、主要電氣參數(shù)、時鐘等。模擬返回屏驅(qū)動由通信管理機(jī)通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
●網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備
大川河梯級水電站監(jiān)控系統(tǒng)采用光纖以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與在線運(yùn)行的各計(jì)算機(jī)和各現(xiàn)地控制單元進(jìn)行通信，接口符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，另外為了保證系統(tǒng)通信的通道冗余，采用載波通信MODEM與各電站進(jìn)行通信。
●打印機(jī)
計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有2臺打印機(jī)，一臺用于打印報(bào)表，另一臺用于報(bào)警連續(xù)紙打印。
●不間斷電源UPS
系統(tǒng)設(shè)置2臺冗余配置的UPS，容量為3KVA。
3.2電站控制級
中咀、長石壩、佛山電站的電站控制級均按統(tǒng)一的方案進(jìn)行配置。主控級由2套主機(jī)/操作員工作站、1臺通信管理機(jī)，1臺24口以太網(wǎng)交換機(jī)、2臺打印機(jī)、2臺冗余配置的容量為3KVA的UPS組成。是電站的實(shí)時監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對全廠的自動化功能、歷史數(shù)據(jù)處理及全廠的人機(jī)對話等功能。
● 主控站工控機(jī)
在中咀、長石壩、佛山電站中控室各設(shè)置2套冗余配置的主機(jī)/操作員工作站，并采用主/從熱備用工作方式，一臺作為主控機(jī)負(fù)責(zé)采集、控制功能的實(shí)現(xiàn)，主要完成全廠的運(yùn)行自動化及其管理。另一臺（備份機(jī)）作為系統(tǒng)管理機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)視網(wǎng)上各臺機(jī)的運(yùn)行情況，備份主控機(jī)的數(shù)據(jù)庫，并在檢測到主控機(jī)故障時擔(dān)負(fù)起主控機(jī)的所有功能并報(bào)警。
● 通信管理機(jī)
用于與梯調(diào)中心遠(yuǎn)動通信，具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)功能，同時通信工作站還預(yù)留與電站水情測報(bào)系統(tǒng)及大壩監(jiān)測系統(tǒng)通信的接口。
● 衛(wèi)星時鐘GPS
用于與各工控機(jī)、現(xiàn)地控制單元LCU通訊對時。
● 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備
用于與在線運(yùn)行的各計(jì)算機(jī)和各現(xiàn)地控制單元進(jìn)行通信。
● 打印機(jī)
計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有2臺打印機(jī)，一臺用于打印報(bào)表，另一臺用于報(bào)警連續(xù)紙打印。
● 不見斷電源UPS
系統(tǒng)設(shè)置2臺冗余配置的UPS，容量為3KVA。
3.3單元控制級
單元控制級按被控對象性質(zhì)分為機(jī)組控制單元LCU、開關(guān)站及公用設(shè)備控制單元LCU。
長石壩、佛山電站分別設(shè)置4個現(xiàn)地控制單元，即2臺機(jī)組控制單元LCU,開關(guān)站及公用設(shè)備現(xiàn)地控制單元LCU，閘門現(xiàn)地控制單元LCU。
中咀電站設(shè)置5個現(xiàn)地控制單元，即2臺機(jī)組控制單元LCU,1臺開關(guān)站及公用設(shè)備現(xiàn)地控制單元LCU，2臺閘門現(xiàn)地控制單元LCU。
各現(xiàn)地控制單元采用PLC直接接入以太網(wǎng)的方式與主控站連接，使得通信可靠性和通信速率都得到有效提高。
● 機(jī)組LCU
LCU設(shè)置在機(jī)旁，實(shí)現(xiàn)對各生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和處理、安全運(yùn)行和監(jiān)視、控制調(diào)節(jié)、事件順序檢測和發(fā)送、數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)診斷等功能。
● 開關(guān)站LCU
開關(guān)站及公用設(shè)備LCU主要對110KV、35KV出線、主變壓器及廠用變壓器、全廠公用油、氣、水輔助系統(tǒng)廠用電系統(tǒng)、直流系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。
● 閘門LCU
各個電站均設(shè)有取水口閘門，由于每個電站的取水口均距電站中控室約5～10km，故采用單模光纖接入相應(yīng)的電站主控層網(wǎng)絡(luò)，但由于中咀電站閘門LCU4、5至中咀控制室具備電話線通道，現(xiàn)可采用帶MODEM接入電站通信管理機(jī)的方式進(jìn)行通信。
4.系統(tǒng)功能
4.1對各主要機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)得監(jiān)視和記錄
系統(tǒng)對各主要設(shè)備得工況參數(shù)進(jìn)行巡回檢測、定時打印、越限報(bào)警、復(fù)限時發(fā)信號并顯示記錄，同時對系統(tǒng)內(nèi)部信息進(jìn)行相關(guān)分析，求出信息之間的相關(guān)度，構(gòu)造新的二次信息作為主信息判斷的輔助信息，防止單一信息可信度差異所造成得決策失誤。
4.2控制和調(diào)節(jié)
監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)預(yù)定的原則和運(yùn)行人員輸入（或來自梯調(diào)中心發(fā)來的）命令，發(fā)出開停機(jī)命令，進(jìn)行各斷路器、隔離開關(guān)分合閘操作，以及和機(jī)組運(yùn)行有關(guān)的閘門的操作。系統(tǒng)對操作過程進(jìn)行校核和監(jiān)視，并進(jìn)行操作記錄。可用增減命令或改變設(shè)定值方式調(diào)節(jié)機(jī)組出力。LCU可接收主計(jì)算機(jī)、操作員工作站或現(xiàn)地輸入的命令，能自動完成開、停機(jī)操作和有功、無功功率的調(diào)節(jié)而不需依賴電站控制中心。在接收電站控制中心命令后，工況轉(zhuǎn)換及調(diào)節(jié)能自動完成，也能分步完成，機(jī)組LCU也能執(zhí)行現(xiàn)地人機(jī)接口發(fā)出的現(xiàn)場命令。監(jiān)控系統(tǒng)軟件可以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備的防誤閉鎖操作。
4.3有功功率聯(lián)合控制
監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)中調(diào)提供的負(fù)荷曲線或?qū)崟r給定值，或值班操作人員即時給定的有功功率值，以及各機(jī)組的效率特性曲線、電站即時的運(yùn)行工況并考慮機(jī)組振動、氣蝕等約束條件，計(jì)算在機(jī)組負(fù)荷變化后的水頭下電站的機(jī)組最優(yōu)開機(jī)組合，并按照等微增率。動態(tài)規(guī)劃或用戶要求的其他方式計(jì)算機(jī)組間最優(yōu)負(fù)荷分配。
電力系統(tǒng)頻率過低時可按照低頻啟動準(zhǔn)則，自動啟動備用機(jī)組。
自動發(fā)電控制還可接收廠內(nèi)高頻切機(jī)、系統(tǒng)振蕩壓負(fù)荷等電力系統(tǒng)自動裝置或功能模塊發(fā)出的控制信號按給定順序完成停機(jī)、開機(jī)或壓負(fù)荷的自動操作。
自動發(fā)電控制可完成各臺機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換時的協(xié)調(diào)工作，保證機(jī)組和電力系統(tǒng)所受的干擾最少。
4.4無功功率聯(lián)合控制
按給定時段的高壓母線電壓值，定時計(jì)算，自動調(diào)節(jié)和分配各機(jī)組無功功率，自動維持高壓母線和無功負(fù)荷的合理分配。
自動電壓控制功能能按照電力系統(tǒng)要求，維持母線電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各臺機(jī)組間無功功率按等功率因數(shù)分配，進(jìn)相運(yùn)行時，可在校驗(yàn)發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定、定子端部發(fā)熱程度以及廠用母線電壓水平的基礎(chǔ)上，合理分配每臺機(jī)組的無功功率。
4.5經(jīng)濟(jì)調(diào)度
能實(shí)現(xiàn)在線經(jīng)濟(jì)調(diào)度。在進(jìn)行遙調(diào)時應(yīng)根據(jù)各電站的情況綜合安排，計(jì)算各電站機(jī)組群的優(yōu)化組合，以保證聯(lián)合運(yùn)行的總出力經(jīng)濟(jì)合理。根據(jù)水庫進(jìn)水量計(jì)算、水耗計(jì)算、綜合利用效率計(jì)算，并進(jìn)行水文、水情、氣象資料預(yù)測處理，使水庫運(yùn)行優(yōu)化合理。
4.6數(shù)據(jù)通信
通過一路光纖以太網(wǎng)通道，一路載波通道，與梯調(diào)中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通訊，電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上送遙測、遙信信息，接收電網(wǎng)的遙調(diào)、遙控命令。實(shí)現(xiàn)對各LCU、微機(jī)保護(hù)、調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器等自動裝置、工業(yè)電視系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、廠長終端接口等系統(tǒng)的通信。
4.7運(yùn)行管理指導(dǎo)
自動統(tǒng)計(jì)主要設(shè)備的運(yùn)行小時數(shù)、動作次數(shù)、事故和故障次數(shù)等數(shù)據(jù)，建立設(shè)備運(yùn)行檔案，為合理安排設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)提供依據(jù)。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所儲存信息以及實(shí)時采集的信息，正常操作或發(fā)生事故時，能自動或由運(yùn)行人員召喚提出操作指導(dǎo)意見。
4.8統(tǒng)計(jì)和制表打印
4.9故障自診斷和自恢復(fù)功能
大川河梯級水電站及梯級調(diào)度中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件、軟件工作進(jìn)行監(jiān)視和保護(hù)的功能，能及時測出故障部位，切除故障模塊并在人機(jī)街面上給出指示，便于運(yùn)行人員迅速更換并恢復(fù)系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)每一級都具備自恢復(fù)功能，即當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)程序死鎖或失控時，能自動恢復(fù)到原來狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)還可以在線運(yùn)行診斷軟件，當(dāng)發(fā)生程序死鎖或失控時，能自動啟動冗余系統(tǒng)或發(fā)出冗余切換請求，并具備自恢復(fù)功能。
4.10其他輔助功能
監(jiān)控系統(tǒng)允許通過程序開發(fā)終端或工程師工作站，借助于本系統(tǒng)，進(jìn)行功能再開發(fā)、增修畫面等工作，而不影響在線主機(jī)運(yùn)行。
5.軟件系統(tǒng)
系統(tǒng)在硬件選擇上以系統(tǒng)的開放性和兼容性為指導(dǎo)思想，具有很大的靈活性，支持異型機(jī)聯(lián)網(wǎng)。軟件方面主機(jī)、工作站及各LCU均使用WINDOWS操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)具有良好開放性、實(shí)時性、可移植性、高可靠性，采用C++編程，面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)、具有友好的人機(jī)界面，注重系統(tǒng)的可維護(hù)性，并提供了系統(tǒng)維護(hù)工具。隨系統(tǒng)提供的基本軟件包括自動發(fā)電控制（AGC）和自動電壓控制（AVC）軟件、實(shí)時執(zhí)行軟件（NAS-901軟件包）、編程語言（VISUAL C++等）、自診斷軟件（NAS-901診斷包）、數(shù)據(jù)庫管理軟件（SQL SERVER）、通信管理軟件（NAS-901通信軟件包）、經(jīng)濟(jì)調(diào)度軟件（NAS-901高級應(yīng)用程序）、工具軟件（交互式圖形、報(bào)表、數(shù)據(jù)庫生成軟件）。系統(tǒng)的上位機(jī)部分包含數(shù)據(jù)管理、實(shí)時控制、系統(tǒng)維護(hù)、通訊服務(wù)等功能，電站運(yùn)行人員、工程師可通過各自的工作站完成畫面制作、畫面顯示、打印報(bào)表、參數(shù)設(shè)置和操作控制等功能。
6.存在的問題和建議
目前中咀電站2臺機(jī)組及長石壩梯級調(diào)度中心的監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)全部投運(yùn)8個多月，長石壩電站、佛山電站也即將投入運(yùn)行。筆者有幸參加了大川河梯級水電站及梯調(diào)中心監(jiān)控系統(tǒng)的部分安裝調(diào)試工作，現(xiàn)就安裝調(diào)試和運(yùn)行中出線的一些問題在此提出以下看法：
6.1
公用LCU雖然采用交、直流同時供電方式，AC220V取自廠用電系統(tǒng)，DC220V取自直流系統(tǒng)。雖然交直流電源同時消失的幾率是很小的，但是這種情況一旦出現(xiàn)整個公用LCU裝置將陷于癱瘓，所以建議公用LCU裝置電源再從調(diào)度中心模擬屏的UPS電源取一回，增加其高可靠性。
6.2
機(jī)組LCU采用的單元測控裝置對遙測量的采集速度較慢，信息不穩(wěn)定，使得1F機(jī)組轉(zhuǎn)子電流、2F機(jī)組定子電流、定子電壓、頻率等模擬量時有時無。建議在后續(xù)的改造中監(jiān)控系統(tǒng)遙測量采集采用性能更為優(yōu)異的測控裝置。
6.3
如1F機(jī)組停機(jī)過程中制動閘不能自動投入，1F機(jī)組在上位機(jī)及前置機(jī)上只能向上加負(fù)荷而不能減有功負(fù)荷的問題還有待于同監(jiān)控系統(tǒng)廠家技術(shù)人員進(jìn)行深入的探討后再行解決。在此提出，希望引起大家重視！
7.結(jié)語
通過中咀電站大半年的運(yùn)行情況來看，大川河梯級水電站監(jiān)控系統(tǒng)總體上運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，操作方便，人機(jī)界面友好，維護(hù)量小，未發(fā)生影響機(jī)組運(yùn)行的故障或事故。雖然該監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)了一些不如人意的地方，但這些問題必將在后續(xù)梯級電站投運(yùn)前得到不斷完善，為大川河水力發(fā)電廠及其調(diào)度中心早日實(shí)現(xiàn)“無人值班，少人值守”創(chuàng)造更為有利的條件。
參考文獻(xiàn)：
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【2】 國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會.水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)收規(guī)程.
【3】 水利部長江水利委員會.水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件
作者簡介：
李宏剛：男，電氣工程師，主要從事水電站電氣工程設(shè)計(jì)工作。
