三板溪电厂计算机监控系统设计及应用

2010-05-16邓鹏程谌斐鸣杨丹丹王香玲李传川

水电站机电技术 2010年3期

关键词：三板工作站机组

邓鹏程，谌斐鸣，杨丹丹，毛琦，王香玲，李传川，白莹

（1.三板溪水电厂，贵州锦屏 556700；2.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

三板溪电厂计算机监控系统设计及应用

邓鹏程1，谌斐鸣1，杨丹丹1，毛琦2，王香玲2，李传川2，白莹2

（1.三板溪水电厂，贵州锦屏 556700；2.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

简要介绍了三板溪水电厂计算机监控系统的设计思想、基本结构及设备配置，可供类似水电厂监控系统设计参考。

监控系统；系统结构；功能

0 引言

三板溪水电站位于沅水上游清水江段，坝址在贵州省黔东南自治州锦屏县境内，距县城25km，距湖南省怀化市直线距离约140km，是沅水干流上的龙头电站，工程以发电为主，兼有防洪、灌溉、旅游等综合效益。电站安装4台250MW混流式机组，总装机容量1000MW，多年平均发电量24.28亿kW·h，年利用小时数2428h，设计水头128m，采用一回500kV线路输出，并入华中电网，送电湖南，承担湖南电力系统的调峰、调频和事故备用，电站本身及其对下游梯级电站的补偿作用将显著改善湖南电力系统的电源结构，并有利于湖南消纳三峡的季节性电量。

三板溪监控系统采用北京中水科水电科技开发有限公司开发的H9000系统，该系统已于2006年8月与首台机组发电同步投入运行。

1 设计思路

（1）系统的可靠性

系统应具有极高的可靠性，广泛采用分布处理技术和冗余技术。重要设备采用热备冗余配置，保证系统的可靠性。另外，采用软件冗余措施，数据库及控制功能分布处理，系统功能分布在网络的各个节点中，系统内任一节点的故障不影响其余节点的正常工作。

（2）系统的开放性与可扩性

系统应采用全分布开放式模式，主要软硬件设备选型应符合计算机技术发展迅速的特点，便于功能和硬件的扩充和升级，能在水电厂环境下长期连续稳定运行，并具有成功的运行经验。

（3）功能的完善性

系统按电站“无人值班”（少人值守）的原则设计，整个系统配备完善的应用功能及对外开放的接口功能。特别是电站远方AGC控制功能，能稳定可靠地与上级调度中心进行数据通信，实现上级调度自动化系统对电站的遥测、遥信、遥控、遥调功能。

（4）系统的安全性

系统应是标准化的成熟产品，功能完善并模块化，并具有完备的确保硬件及软件的安全性措施，防止监控系统硬件或软件的故障或缺陷对现场设备的危害。

（5）抗干扰能力

系统网络采用光纤技术，避免了不同设备之间的电信号连接。LCU配置独立的液晶触摸屏，避免了现地电磁场的干扰。应对计算机系统的电源进行隔离。现场信号也应采取光电隔离或其他隔离措施。

（6）系统的友善性与可维护性

人机接口功能强，操作方便，采用面向对象的全汉化界面。向用户提供强有力的组态开发工具。

（7）充分利用PLC的高可靠性及逻辑控制方面的优点，各LCU以可编程序控制器(PLC)及触摸显示屏等为基础，由PLC完成全厂闭环控制与调节，保证全厂发电运行可靠。LCU在脱离电站主控级的情况下，应能保证机组安全运行。

（8）现地手动操作与控制

为满足与机组（或检修后）同步投运的安全、可靠要求，机组现地控制单元具有部分设备状态现地显示及必要的常规操作功能，使运行人员在机旁能完成机组投运或调试中的操作。

（9）系统的各项技术性能指标均达到或超过部颁标准DL/T578-95“水电站计算机监控系统基本技术条件”的要求。

2 总体结构

2.1 计算机监控系统结构

三板溪计算机监控系统是在认真分析研究国内外最新计算机硬件产品、软件产品、网络技术、实时工业控制产品与未来发展趋势，根据三板溪发电厂的具体情况，在水科院自动化所H9000分布开放式计算机控制系统的标准模式基础上，结合当前计算机技术、网络技术的最新发展，在一个较高起点的基础上设计的一种全新的、分层分布开放式高速网络型冗余梯级计算机监控系统。该系统具有良好的可靠性、可扩充性、可移植性，并支持异型机网络互联。

三板溪水电站计算机监控系统共分二层：厂站级主控制层、现地控制单元层。两层之间采用快速交换式双以太网络总线，构成高可靠性的局域网络结构。网络通讯采用双100MB网络交换机和光纤，具有较高传输速率和良好的抗电磁干扰能力。100MB网络交换机通过高品质屏蔽双绞线连接主控层的各个工作站，通过多模光缆分别联接现地层分布的各LCU单元。

主控层计算机设备布置在中控室、计算机房。包括两套数据服务器，两套操作员工作站、一套工程师工作站、三套通讯工作站、一套多媒体ON-CALL工作站、两台打印机、一套GPS时钟同步系统及UPS电源等设备。操作员工作站布置在中控室，其余设备均布置在计算机房。

现地控制层共设有6套控制单元（LCU），包括4套机组LCU、1套开关站LCU、1套公用设备LCU。

图1 三板溪监控系统网络结构及系统配置

2.2 监控系统与湖南省调中心的通信结构

三板溪水电站计算机监控系统近期通过远程通信工作站及调制解调器与省调中心进行远方数据通信，采用光纤路由通道，远动通讯规约采用SC1801（V6.0版）。远期采用电力系统通信路由器设备的双广域网口直接与调度中心进行网络互联，通讯规约采用IEC60870-5-104。

2.3 监控系统与华中网调中心的通信结构

三板溪水电站计算机监控系统近期通过远程通信工作站及RTU与省调中心进行远方数据通信，采用光纤路由通道，远动通讯规约采用IEC60870-5-101。远期采用电力系统通信路由器设备的双广域网口直接与调度中心进行网络互联，通讯规约采用IEC60870-5-104。

3 体系结构

监控系统的体系由硬件平台、支撑平台、应用软件三层构架构成。其中支撑平台由通用支撑平台、数据支撑平台、应用支撑平台构成。系统硬件平台主要设备采用SUN Ultra-Sparc 64位服务器，系统辅助工作站选用HP 32位工作站。系统支撑平台采用64位Solaris unix及WINDOWS 2003系统，实时数据库系统采用H9000系统实时数据库，应用软件采用中国水利水电科学研究院自动化所研制开发的H9000系统。本系统软件包括四大部分，即计算机系统软件、基本软件、应用软件以及工具软件，如图2所示。

图2 H9000系统软件总体结构图

系统软件是随计算机硬件设备一同购入由系统软件生产厂商提供的软件，用以提供监控系统其它软件运行的环境，用户软件的开发手段，如用户程序的编辑、编译、联接、任务的插入、运行、退出等。基本软件是实现监控系统基本监控功能所必须的软件，如数据采集，数据处理，数据库管理，图形显示，报表生成，语音报警等软件。应用软件是实现生产过程操作或控制功能的软件，如AGC、AVC等，随着电站特性的不同、功能要求的差异，应用软件的差别很大，一般需特殊处理。工具软件是提高系统开发效率的软件，它可以减轻软件开发与维护强度，提高系统的可维性，使开放系统真正地向用户开放。

4 系统特点

（1）系统采用开放系统结构和成熟、可靠、标准化的硬件、软件和网络结构，各计算机均采用开放的汉化操作系统UNIX或Window2003，网络软件为TCP/IP，图形符合X/Window。监控系统的全部计算机都直接接入网络，可获得高速通讯能力和资源共享能力。

（2）主要关键设备选用国际上著名品牌产品，如美国SUN公司的64位服务器及工作站，美国Quantum可编程控制器等，确保系统可靠性指标。

（3）网络上接入的每一个设备都具有自己特定的功能，实现功能的分布。即提供了某个设备故障只影响局部功能的优点，又利于今后的功能扩充。

（4）为了满足系统无人值班、少人值守对系统可靠性的要求，整个系统的重要设备采用冗余技术，如主机服务器、操作员工作站、网络、数据库冗余技术、UPS电源等。

（5）具有丰富的开发工具软件和通讯规约，使系统维护扩充和联网通讯非常方便。实现监控系统与上级调度中心、电厂MIS等其他计算机系统的通信。

（6）主要设备如全部计算机工作站及LCU的PLC直接接入网络，可获得高速通讯能力和资源共享能力。PLC直接联以太网，速率100Mb/s，可靠性指标高。

（7）系统任何设备的冗余与切换均由软件实现，取消硬件切换装置，将系统硬件故障点减至最少。

（8）所有计算机系统在失电被动停机时，存储器无数据丢失。当电源恢复时，能自动再启动。

（9）采用100MB以太网构成系统的主干网通道，进一步保证了整个系统的实时性与可靠性。

5 系统主要功能

5.1 数据采集与处理

系统对电站主要设备的运行状态和运行参数自动定时进行采集，并作必要的预处理、计算，存于实时数据库，供计算机系统用于画面显示、更新，控制调节，记录检索，统计报表，操作、管理指导和事故分析等。

电站现场各种数据的采集基本由各自的LCU来完成，现场数据包括：模拟量、脉冲量、数字量、一般开关量和中断开关量。

数据采样周期可根据系统性能参数要求进行调整。故障、事故报警信号随机优先传递，并显示故障、事故发生的时间，地点，性质及参数、说明。

为提高系统的实时性，模拟量无变化时不传送，当变化超过传送死区时传送；状态量有状变时才传送；数据采集分为周期式和随机式两种方式。

为适合现场运行情况，对所有采集的数据点均可通过人机联系设置扫查投入与退出、报警使能与禁止标志，对其参数限值可进行人工修改设置，并可用人工设定值取代采集值，以剔除坏点。

5.2 综合计算

监控系统可根据实时采集到的数据进行周期、定时或召唤计算分析，形成各种计算数据库与历史数据库，帮助运行人员对电厂设备的运行进行全面监视与综合管理。

5.3 安全监视

安全监视是计算机监控系统的重要功能之一，计算机系统实时监视电站各类设备的运行状态和参数，当它们发生异常、运行状态发生变更或参数超越设定限值等时，计算机系统及时报告值班运行人员进行处理，同时进行实时记录，以便分析查验。

为方便报警记录信息查询，H9000系统提供灵活的历史数据查询手段，如过滤器功能，对各种报警历史数据进行分类、筛选形成报告。报告可打印。

5.4 人机联系功能

在进行控制操作的人机联系时，具有操作权限的判别∶有关控制操作的人机联系，充分利用显示画面、鼠标、控制窗口三者相结合的方式，操作过程中有可靠性校核与闭锁功能，一般对话步骤：选择被控对象，弹出操作性质控制窗口，选择操作，认可后执行或取消终止执行。操作提示全部汉化。

5.5 厂内自动发电控制（AGC）和经济运行（EDC）

自动发电控制分现地AGC和远方AGC两种。现地AGC按现地运行值班员设置的参数或监测的参数运行。远方AGC则按由远方调度系统自动设置的参数运行。

AGC功能根据给定的运行方式，如全厂调功方式、负荷曲线方式、调频方式等，将自动跟踪系统频率、全厂总功率给定值或全厂负荷曲线等，计算出功率调整值或全厂应发总功率。

AGC功率给定值在全厂有功给定值的基础上扣除不参加AGC成组运行机组的实发功率。系统在接收到全厂有功给定值后，扣除不参加AGC机组的实发功率值，再将剩余部分分配到参加AGC控制的机组中去。

经济运行程序 (EDC)根据AGC给出的全厂总有功功率(或总日负荷曲线)设定值，以发电耗水量最小为优化准则，计及各种约束条件，建立数学模型，确定本站4台机组的最佳负荷分配，开机台数、开停机顺序以及机组间负荷的优化分配，进行机组的自动开停机控制与自动负荷调节。

5.6 生产管理与统计

监控系统可将自动生成的报表数据、报警数据等自动保存，形成生产统计报表历史数据。另外，各种报警记录数据也存放在计算机硬盘上，形成报警记录历史数据。可保存的历史数据多少可根据计算机硬盘空间的大小确定，将历史数据经优化筛选后存入光盘，以便于必要时进行检索和打印。

5.7 系统自诊断与自恢复

完善的系统自诊断与自恢复功能是实现“无人值班”(少人值守)的重要条件。

本系统为分布式网络控制系统，具备完善的自诊断与自恢复功能。系统各设备不仅自检，还可通过网络进行设备间的互检，形成系统检测报告。并将系统异常情况及时报警通知运行人员以及时处理，并可对某些异常情况进行自动自恢复或冗余部件切换处理。

5.8 闭锁条件库与防误操作功能

系统具有完善的防误操作功能，可以确保由计算机系统发出的命令安全可靠。用户不需编程，只需将各种操作闭锁关系按规定的格式填入定义文件，建立相应的数据库即可。ControlLock会自动对计算机系统的各项指令进行条件判断，满足条件则执行，不满足条件则闭锁，并给运行人员进行闭锁原因提示。LCU收到命令后需进行条件判断再执行命令。