PCS—9150系统在水电站计算机监控系统中的应用

蔡丹 牛洪海 蔡金华 王慧

【摘要】本文介绍了PCS-9150系统在四川洪口水电站计算机监控系统的应用情况，阐述了主要配置、可靠性设计及PCS-9150冗余控制器等系统特点。

【关键词】冗余控制器；水电站计算机监控系统；可靠性

引言

依据国家能源局《水电发展“十三五”规划（征求意见稿）》提出，“十三五”期间，水电保持合理建设规模。全国新开工常规水电和抽水蓄能电站各6000万千瓦，共计1.2亿千瓦；2020年水电总装机达到3.8亿千瓦。随着科技水平的不断发展和提升，水电站“无人值班，少人值守”对水电站计算机监控系统的要求越来越高。本文基于南瑞继保自主研发的PCS-9150冗余控制器，阐述了四川通江县洪口水电站计算机监控系统的配置及特点。

洪口电站位于通江县洪口乡境内月滩河上游3.0km的高家湾处，为通江县境内月滩河梯级开发的第一级龙头电站，为地面厂房。电站装机容量2×13.2MW混流式机组，最大水头78.6m，最小水头52.6m，额定水头68m，设计引用流量为44m3/s，多年平均发电量为8891万kW·h。电站主要为发电，并兼顾生态环境用水。接入系统方式为一回110kV线路接至万源电网，主接线110kV侧为线路变压器组接线，发电机电压侧为扩大单元接线。110kV配电装置型式选择户外中型敞开式布置，布置在主厂房上游侧。

1、电站运行控制方式

对洪口水电站的监视控制， 有下列三个等级的操作

（1）远动控制层（调度）操作

调度中心的值班人员，通过调度中心的计算机系统，经载波和光纤通道，与洪口水电站的计算机系统通信，实现遥测、遥信、遥控、遥调，其中，电站主控级计算机的收到中调传送的AGC及AVC命令后完成最优发电计算， 确定电站开机台数，机组组合和机组间负荷分配，并执行闭环/开环操作。

（2）厂站监控层操作

在厂站监控层操作能实现对电站设备的控制监视，有以下两种方式。

电站自动控制，电站主控级计算机按预先给定的负荷曲线或按系统实时给定的负荷及其他限制条件，完成对电站各机组的最优负荷分配和控制，此控制方式可选择闭环或开环运行。

操作人员后台控制，操作人员在操作员站上，通过显示器、键盘、鼠标等设备进行操作。对于功率控制，可实现单机控制和成组控制；对于机组设备的工况转换，可实现全部过程自动执行方式或采用分步按顺序组执行的方式，即每一步或每一顺序组完成后需经操作人员确认，才能进行下一步或下一顺序组的操作。

（3）现地控制层

在电站运行初期或厂站监控层出现故障及根据需要，操作人员可通过单元控制器的触摸屏、按钮等设备，实现对电站设备的控制及工况的全自动转换和分步自动转换。

操作层级控制权限，操作层级分为3层，优先级从高到低依次为现地控制层，厂站监控层，远动控制层。在LCU屏柜上设置远方/就地切换把手，用于现地控制层与厂站监控层的控制权限切换。在厂站控制层的监控后台画面设置厂站控制/远动控制软切换把手。只有在远动控制模式下，远动控制层下发遥控/遥调指令才有效。LCU屏上的远方/就地把手处于“就地”位置，此时厂站监控级命令被闭锁，但不影响控制器上送信息。

2、监控系统网络架构

计算机监控系统采用南瑞继保PCS-9150水电站监控系统，采用分层分布式，共分2层，厂站监控层和现场控制层。

1）厂站监控层

配置2台主机兼操作员站，双屏显示，2台主机互为冗余。工作站配置采用当前主流配置。

配置为1台工程师站，专门用于维护下位机组态及上下机画面、报表等功能，工程师站可兼做操作员站。

配置2台电力专用远动装置PCS-9799B，冗余配置。远动装置为无硬盘无风扇的专用装置，以部颁CDT、MODBUS、IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、DNP等规约通过模拟通道、数字通道或网络向调度端/集控站传送，同时接收调度端/集控站的遥控、遥调命令向变电站内设备转发。远动信息采用“直采直送”的方式，PCS-9799B远动装置的运行独立于后台监控系统，双方互不影响。

2）現地控制层

现地控制层配置4套LCU，分别为1～2号机组LCU，公用LCU，泄洪闸门LCU。网络采用双星型网络架构。

机组LCU配置南瑞继保自主研发的1对PCS-9150冗余控制器，1台10”触摸屏，1台PCS-9659D自动准同期装置及手动同期装置，实现就地LCU的现地控制，屏面布置简洁明了。柜内设置远方/就地切换把手及紧急停机按钮。

公用LCU配置1对PCS-9150冗余控制器，1台10”触摸屏，1台多点自动准同期装置及手动同期装置，实现公用系统及开关站LCU的现地控制。

励磁、调速器、交流采样、温度巡检仪等智能装置需要通讯的设备通过PLC的串口卡件直接通讯，因此无需配置厂内通讯工作站。

3、系统可靠性设计

1）PCS-9150水电站计算机监控系统提供全面冗余机制，下位机采用PCS-9150冗余控制器，增加系统可靠性。冗余控制器的典型网络结构见图1。

PLC的控制器冗余

控制器上电后自动检测是否有主机存在，如果有则切为备机，建立与主机的同步。当同步建立后，如果主机失电或故障则自动将控制权移交从机，原从机升级为主机，继续原主机切换前的工作状态。故障控制器恢复时，不再主从切换，除非现主机故障。冗余控制器切换时间<6ms。

控制器之间冗余同步网络冗余

同步A网故障时，会自动切换到B网。故障网络恢复时不切换。当A/B同步网络同时失去时，控制器会出现双主情况，故控制器之间配置冗余同步网络，大幅减少了双主的概率。

IO网络冗余

每个控制器对每个IO站的IOLink总线冗余配置，即主控制器对每个IO站有2路A/B IOLink总线，从控制器对每个IO站也有2路A/B IOLink总线。控制器自动侦测IO网络A网和B网的状态，如果当前网络存在故障，则自动切换到另外一条网络。故障网络恢復时不切换。每个控制器最多带4个IO站，控制器与IO站之间通信采用点对点通讯方式。

HMI监控网络冗余

每个控制器自身集成两个上位机百兆网口，监控后台自动侦测控制器监控A网和B网的状态，如果当前网络存在故障，则自动切换到另外一条网络。故障网络恢复时不切换。

人机接口冗余

主机可设置为多节点互为备用，值班节点故障，备用节点自动切换为值班状态。

电源冗余

控制器和IO单元均为双电源配置（AC/DC 110V～220V宽压设计），无需配置交直流双供电装置。

对时冗余，

控制器本身自动支持GPS/北斗对时（优先级从低到高依次为网络NTP对时、串口B码对时、光口B码对时等），无需额外配置，常规配置网络NTP对时和串口对时，为SOE事件时标提供精准的时间。

2）IO卡件支持热插拔

任何一块卡件故障，现场需要更换卡件时，支持带电热插拔，无需设置卡件地址，控制器会自动识别。更换过程无需断电，全部在线完成，简单、快捷、安全。

3）宽温I/O模件（工作温度-20℃～+55℃）

4）控制器/IO模件全金属结构，抗干扰能力强，电磁兼容性强，EMC等级可至4级，可以应用在恶劣的强电磁干扰环境中。

同时PCS-9150 PLC控制器配套标准算法模块，包括各种PID、自整定控制模块、算术逻辑运算、模拟量/开关量手操器、操作器、超前滞后、数字逻辑等，可定制生成其它特殊算法，如状态变量和模糊算法。支持可读写永久存贮器，存贮系统文件和组态数据，支持控制策略的在线无扰更新；支持功能块图组态，所见即所得。在线监视时功能块有背景色指示状态，方便快捷。

4、监控系统特点

南瑞继保的PCS-9150水电站计算机监控系统具备灵活开放的体系结构，实时、海量数据库，全面支持IEC61850/103/ModbusTCP/OPC等标准规约，图模库一体化建模，友好的人机界面，支持离线维护、在线无扰更新等高级功能。

系统功能模块可方便的进行裁剪和扩充，“即插即用”，适合多种用户需求。

监控系统支持厂级AGC发电控制及自动电压控制，根据系统对电站的要求，如调功、调频等运行方式，对系统的频率、稳定极限进行监视，自动进行有关电站机组起、停控制，机组有功/无功功率自动调整，减轻运行人员的劳动强度，提高电能生产质量，满足新型电力市场对电力生产单位电能质量的要求。

监控系统预留WEB信息发布系统接口。随着计算机信息技术及网络技术的发展，水电站ONCALL功能逐渐被WEB发布功能所替代。通过WEB信息发布服务器，管理信息系统不再需要与监控系统进行复杂的数据规约转换及数据通讯，也不需要存储和管理这些数据，客户端只需采用IE浏览器，建立一个网络链接，运行管理人员便可访问WEB服务器，浏览查询现场设备及系统的运行情况。

手机APP应用作为WEB发布的补充，目前也逐步推广到小水电站的远程监视中。通过Web发布，安全分区隔离，可定制水电站监控系统手机APP应用，通过手机APP应用浏览，运行管理人员可实时了解现场设备运行状态，为“无人值班，少人值守”提供更为便捷的浏览方式。

5、结束语

以南瑞继保PCS-9150冗余控制器为核心的水电站计算机监控系统在洪口电站的顺利投运及稳定运行，配套软件的使用方便快捷，便于调试，大幅缩短了现场调试时间，获得越来越多的水电站用户的认可。

参考文献：

[1]DLT_5065-2009 水力发电厂计算机监控系统设计规范

[2]DLT 578-2008 水电厂计算机监控系统基本技术条件

[3]PCS-9150系统说明书