计算机监控系统在三门峡水电站中的设计与应用

三门峡黄河明珠（集团）有限公司　刘　谋　张哂昭

计算机监控系统在三门峡水电站中的设计与应用

三门峡黄河明珠（集团）有限公司刘谋张哂昭

文中介绍了三门峡水电站计算机监控系统的设计，主要包括监控系统设计要求、结构、设备配置解决办法，并简要分析了该系统的特点及应用情况，可为其他大中型水电站自动化控制的建设与改造提供参考。

水电站；计算机监控系统；改造

0　引言

三门峡水利枢纽是黄河干流上修建的第一座大型综合水利工程，位于黄河中段下游，河南省三门峡市和山西省平陆县交界处，具有发电、防洪、防凌、灌溉等综合利用效益。电站现已安装7台水轮发电机组，目前总装机容量为430MW。

1　电站监控概况

三门峡电站监控系统自1995年开始，先后经历了常规无触点弱点控制、工控机控制到现地智能可编程控制器等三代技术革新。目前电站站控级局域网为单星形网络，现地级设有7套机组LCU、1套配电设备LCU、1套坝顶闸门LCU、两套220kV开关站LCU。该系统已经运行了15年以上，单网系统可靠性低，已难以满足电站安全经济运行的需要。

2　三门峡水电站计算机监控系统设计要求

2012年起，电站与南京南瑞集团公司、中水北方勘测设计研究有限责任公司合作设计，共同开发了三门峡水电站计算机监控系统。

三门峡水电站分为清水和浑水两个不同运行阶段，基于该水电站设备状况，借助最新的监控技术，考虑如下要求：

1）满足浑水发电时期停机特殊操作需求。浑水发电期间由于发电水头低，上游来水夹杂过多的杂草、树干等污物，个别的污物穿过拦污栅，经蜗壳卡在固定导叶与活动导叶之间，造成机组停机过程中导叶无法关闭，机组转速无法降低至加闸转速。需在水电站1-7号机组现地控制盘、中控室控制盘需增加机组紧急停机、坝顶工作闸门紧急落门的硬布线回路。在机组停机时，转速无法降低至加闸转速的情况下，可绕开监控，人为操作工作闸门落门、跳开机组出口开关，满足浑水发电特殊方式下的停机要求。

2）满足电力系统高度可靠、冗余要求。考虑到部分老旧设备自动控制执行不到位的情况，需在机组现地控制单元（LCU）盘柜内设置水机与辅助系统独立的操作回路。

3）满足该水电厂频繁开停机，扩大单元接线、单元接线机组综合调度需求。该电站在河南电网可用于系统调峰，开停机频繁，电网对各个发电子系统要求能有独立运行能力。

4）实现自1998年来逐年改造的各监控系统之间的通信集成。实现新的计算机监控系统与省调监控系统、三门峡水电站管理信息系统（MIS）、三门峡水库调度运用数据采集分析系统、三门峡水电站全厂火灾自动报警系统、三门峡水电站厂用电系统、三门峡水电站电能计量系统等的通信集成。

5）依据三门峡电站水轮发电机组工况，机组有功负荷在20MW以下工作时，存在摆度过大的问题，在监控系统机组出力分配过程中，需躲开振动区。

3　电站计算机监控系统结构

三门峡水电站1-7号发电机组、1-7号工作闸门之间的数据库都采用全分布数据库。整个监控系统由一个电站主控级和数个现地控制单元（LCU）等2个部分组成。主控级与LCU之间采用100Mbit/s交换式冗余以太环网进行通信，通讯协议采用TCP/IP协议。

各链路具备能自动切换到备用链路功能。可在主控级退出运行时，实现机组、开关站以及工作闸门的现地单独操作。在兼顾设备运行可靠性的基础上，提高了该水电站设备调度的灵活性。

4　计算机监控系统功能

4.1监控系统运行控制方式

三门峡水电站计算机监控系统设3种控制方式，以满足电站的运行需要，即河南省调远方控制、三门峡水电站控制室控制和单元设备现地控制。

根据三门峡水电站管理模式需要，设置以下控制权限级别。

1）现地控制权限为最高级别。由于该电厂设备较为陈旧，特别是水机、排水等单元系统还未进行大规模改造，有据动情况发生，有时需要做必要的现地操作，故在允许情况下可直接进行现地操作。

2）控制室控制权其次。经过1998年至今的多次改造，该水电站大部分设备已具备自动控制功能，其控制在此次监控改造时均已引入系统，可以实现控制室直接控制。

3）省调远方控制权限最低。由于三门峡水电厂机组负荷调整较为迅速，河南电网可将其作为调峰电厂，河南省调在必要时可经过水电厂值班人员在监控上设置河南省调直接控制权，以便省调及时调整机组负荷。

4.2监控系统功能

三门峡水电站计算机监控系统能实时、准确、有效地完成对电站被控对象的安全监控，并通过2M河南省电力专网通信通道与省调实现遥测、遥信、遥控、遥调功能。

4.2.1监控系统中控层完成监控

中控层完成对该水电站1-7号机组、水电站各开关、主变压器、闸门状态、辅助系统等的监控，主要包括电流、电压、温度、开度、震动、摆度、机组蜗壳压力、过机含沙量的数据采集与处理。并利用NC2000系统进行开发，生成友好的可视画面辅助电站监控管理。其主要实现功能包括：接入监控设备的模拟量、开关量、脉冲量等信息的数据采集与处理；自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）和经济运行控制（EDC）功能；监视、记录和报表；双以太环网通信；On—call系统。

4.2.2三门峡水电站监控功能的实现

1）根据该水电站运行方式需要，在LCU柜中，设置水机操作硬接线操作回路，主要有紧急停机、紧急落工作门、事故复归、同期手动方式操作、机组冷却水阀组控制、锁定投退，空气围带投撤等按钮、压油泵控制按钮等，其与监控系统自动控制回路并列出口，可以满足特殊情况下，需全手动模式开停机操作要求。

2）采用开放、分层分布式结构，机组监控系统与坝顶工作闸门自动控制系统有机结合，灵活调控，使其具备有独立运行能力，确保对各台机组运行、引水工作闸门进行有效操控。

3）通过LCU通讯管理装置与其它已改造的监控单元链接，统一采用485串口通讯方式，遵循modbus规约，解决数据交换，实现该电站多种监控单元整合。

4）鉴于低水头发电，需躲过机组共振区域，通过上位机组态，在自动发电控制界面增加躲避参数，同时在负荷分配机组PID调节模块中通过程序处理，专门设定下发值规避区域，使机组避开振动区。

5）增加风闸起落、剪断销剪断信号采集功能。通过一套风闸及剪断销测点I/O采集装置，实现对机组24个剪断销信号器信号接点以及12个风闸位置接点的采集，当剪断销或风闸中的任意一路接点

信号有效时，系统可以及时准确判断出故障部位，并发出报警，以供工作人员有针对性分析和排除故障，保证设备的安全运转，同时装置又要有硬接点输出，以供机组控制流程使用。

5　三门峡水电站计算机监控系统特点

1）系统采用分布式体系结构，符合技术发展趋势，以双局域网为核心，实现各服务器、工作站功能分担、数据分散处理，处理速度快，工作效率高，冗余化的设计和开放式的系统结构，使系统既可靠实用又便于扩充，整个系统先进、可靠、性价比高，各工作站/服务器在系统中处于平等地位，系统的后续扩充不会引起原系统大的变化，网络节点设备资源相对独立，又可为其他节点共享，为今后功能扩充提供了较大的方便。

2）采用部分设备单元手动回路与自动控制回路并列出口，解决三门峡水电厂浑水发电期间的特殊运行操作要求。

3）实现与机组工作闸门、开关站的集中控制。三门峡水电站监控系统设计之初，便考虑对水电站、闸门设备和220KV、110KV开关站进行集控。前期对工作闸门自动控制系统的改造，考虑到其与相关机组的有机结合，闸门控制整体作为一个独立的LCU单元接入全厂监控系统中，但在单台机组的监控页面中，增加对应工作闸门的运行状态及信息，同时在机组LCU控制单元增加闸门指示开度以及紧急落门按钮，可实现一体化操作；在对开关站自动化改造中，可以在全厂监控系统中实时显示开关站相关开关、刀闸的状态，配合视频监视系统，实现远方对开关站开关、刀闸的自动操作功能，考虑到可能存在刀闸合不到位的情况，为确保安全，每一步流程的操作、执行都得由运行人员确认位置方可进行下一步操作。

6　结束语

三门峡水电站计算机监控系统在设计方面充分考虑新、老设备的接口衔接以及部分生产设备因老化安全可靠性不高问题，能够满足早期水电站需要分阶段分批次进行改造的要求，并能使该电厂发电机组始终保持在稳定的发电状态下运行，但为满足该电站实际运行需求，监控系统中加入了较多的手动控制单元，这对运行操作人员提出了较高的操作要求，为保证机组安全运行，还需继续探索更加可靠技术应对方案。

［1］施冲，朱辰，庞敏.水电厂无人值守与监控系统改造［J］.水电自动化与大坝监测，2002，26（5）：10-13.

［2］王善永.基于MB80的大型抽水蓄能电站计算机监控系统研究［J］.水电厂自动化，2006，109（4）：49-53.

［3］水电厂计算机监控系统基本技术条件［M］.北京：中国电力出版社出版，2008.

刘谋，男，工程师，主要从事电气自动化技术管理方面的工作。

张哂昭，男，工程师，主要从事水电厂电气自动化及运行管理方面的工作。