柬埔寨达岱电厂监控系统动态调试思路与应用

赵文胜，王靖欧

（柬埔寨达岱水电有限公司，柬埔寨王国金边 12152）

0 引言

柬埔寨达岱电厂，位于柬埔寨西部的国公省境内，是由中国重型机械有限公司以 BOT（Build-Operate-Transfer，建设——经营——转让）方式，在柬投资建设的大型电厂，电站安装3台单机容量为82 MW的竖轴混流式水轮发电机组，总装机容量246 MW，年均发电量8.49亿kW·h，在柬埔寨电网具有重要地位（高峰时期占柬埔寨全国电网发电容量近1/3）。达岱电厂于2014年8月完成了3台机组的安装调试并投入运行。在随后的机组运行中，出现了多次控制故障及偶发性的负荷调节异常现象，对电网的安全运行造成了不良影响。在查找故障原因的过程中，应用了动态调试环节中较为典型的测试方法，这些方法成为解决问题的关键。

1 系统概述

柬埔寨达岱电厂监控系统采用的是许继集团有限公司的CBZ8000综合自动化系统，采用面向对象的分层分布式设计思想，全厂实时数据库和历史数据库分布在厂站计算机中，各单元数据库分布在各LCU（Logical Control Unit，逻辑控制单元）中，系统各功能分布在系统的各个节点上，每个节点严格执行指定的任务，并通过系统网络与其他节点进行通信。该设备采用的是施耐德昆腾系列PLC，编程主要采用Ladder Diagram（梯形图）语言和Structured Tex（t结构化文本）编写而成。

2 采取思路

在计算机监控系统中，控制是逻辑的应用，而调节是算法的输出。程序在投运前的静态调试，主要通过开发人员的逻辑思维来分析源程序代码和排错。但程序是客观事物的反映，客观事物本来就互相关联、互相纠缠，代码之间的大量迭代无法避免。这些已经完成了试运行，但毫无征兆出现的严重故障，只能通过动态调试的方式来消除。

2.1 调节故障

电站投运后，机组运行中在监控系统给定有功调节操作时，会偶发持续减有功指令。例如，设定有功增加时，监控系统却出现减有功脉冲，使有功调节方向错误；或者在减有功时，负荷已经达到给定值，但减脉冲仍然保持，造成负荷继续下降，甚至将有功减到零。在异常出现的时间段内，在上位机重新进行设值和手动增加有功，均无法干预到负荷的异常调节。排除监控系统外部因素和硬件故障后，判断应为程序逻辑故障造成。根据动态调试定位进行分类，应着重从算法上介入。

2.2 控制故障

在某种特定条件下执行控制流程时，上位机发分步开机令去执行开机检查操作，但指令下达后，程序就会处于一种完全不受控状况，流程自动执行每一步开机的操作指令，直到完成机组的开机并网。在故障出现的时间段，强制开机令退出和补发停机令，同样无法中断流程执行，这样的控制故障更多考虑逻辑方面的跳转。

3 应用情况

动态调试需要让系统在真实的环境中执行，对系统行为进行分析。利用IDE（Integrated Development Environment）集成开发环境配置的调试工具，或者自己编写的子程序跟踪软件的运行，来协助解决程序中的错误。在动态调试中,最重要的技术是采用白盒测试法（White-Box Testing），白盒测试是一种被广泛使用的逻辑测试方法，通过程序内部逻辑驱动，来进行路径和分支测试。达岱电厂的负荷调节异常情况的处理，就分别采用这两种测试方法进行。

3.1 路径测试

（1）达岱电厂的调节故障的偶发性，主要就是由于贯穿在程序内部的逻辑，存在着不确定性和无穷性，因此不能穷举所有的逻辑路径。此时可先利用思维导图（Mind Manager）软件，以发散思维的方式，从程序的动作出口入手，倒推故障出现的各种可能性及关键参数。将故障原因集中到程序中的几个重要中间变量上，相当于定位至路径的交叉路口（Intersection），同时在程序不同地方设立检查点，检查程序的状态，以确定实际运行状态与预期状态是否一致。由于故障的出现无规律可循，梯形图LD语言也无法记录执行过程，只能通过长期跟踪，可以利用施耐德Unity Pro软件中的Trending tool功能，不间断地对控制程序中的几个相关变量进行录波监视，分别获得了故障前后的变量记录及动作图形。

（2）故障时刻出现在机组增加负荷设定至72 MW,当负荷接近72 MW设定值时，突然出现减速令，值班人员手动将设值复归，1F（1#发电机）负荷稳定在65 MW，,但手动重新设值82 MW后，再次出现减速令，此次即使将设值复归，减速令仍持续输出，直至将1F负荷减至10 MW，后自动减负荷情况消失。

（3）Trending tool功能可以记录下预置参数的每一条记录，20:57:03机组实发有功33 MW，上位机设定负荷72 MW，之前调节都正常，实发值逐渐接近设定值，在死区附近波动时，20:57:43用于减有功调节时间计算的%MW1268参数，产生一个负值，即-130。

（4）机组调节脉冲式通过程序中INT_TO_TIME功能块，将数值转换为毫秒（ms），正常情况下，减有功环节内%MW1268都应该是正值，例如，等于500时，输出的脉冲值就应该是500 ms。如果%MW1268计算出负值，理论上应该处于增有功的控制环节内，这个值要被闭锁，不应进入减有功流程。分析原因是实发有功在设定有功附近波动时，由于程序没有跟上PLC的扫描进度，将负值赋到了减有功流程，从而产生了错误的跳转。INT类型中负数用二进制原码换算的范围是（-32768～0），因此计算出的减有功的输出脉冲时间（32768-130=32638），为32 s 638 ms。也就是说要持续进行32 s的减有功指令，并且一直被保持。这就是为什么负荷持续下降的核心问题。

（5）根据找到的故障原因，有针对性的对相关程序进行了修改，增加了增减有功是否为负值判据，若为负值，不进行时间换算，等待下一个扫描周期再换算。增加了功率调节自保持回路的相关复位条件。在增有功和减有功的输出，TON功能块之前，增加有功可调（%M1225）条件，有功不可调则输出取消。程序修改调试完成后，经过近1年实际运行检验，未再出现过异常情况。

3.2 分支测试

（1）分支测试是通过针对特定条件设计测试方法，对软件的逻辑路径进行覆盖，跟踪程序在路上如何的执行。监控系统流程控制主要采用的是结构化文本ST语言，大部分的逻辑路径分支采用CASE语句。这样在静态调试时，可以很方便的设置断点，当执行到特定语句或改变特定变量的值时，程序停止执行，以便分析程序此时的状态。但在动态调试时，只能利用程序语言提供的调试功能，分析程序的动态行为，针对发生的控制故障，编写调试程序来实时检查主存和寄存器，记录流程在各分支上执行的跳转。

（2）与路径测试（可以利用Trending tool功能记录若干变量的相互关联）不同，分支测试更多的是针对同一变量的在线跟踪，可以定义数组，通过编写程序将流程的执行写到数组中去。并设置软件开关，随时观察变量在分支程序中的执行步骤。优点是，可以与PLC的扫描周期同步，从寄存器中精确读取变量在每个扫描周期的变动情况。

（3）对变量的初始赋值，可以通过变量表，也可以通过赋值语句。通过分支测试，发现当程序重新编译下载时，部分寄存器处于被清空的初始态，变量还未被赋值。这部分变量的初始态通常是0值，而首次赋值与变量所处语句的位置有很密切的关系。负责程序跳转的变量数组，是在主程序最后一行进行的赋值，而各子程序段的判断条件，都没有考虑到对0值进行限制。在初始扫描周期完成后，还未执行赋值的故障变量数组，就在缺少限制的子程序循环中，一旦击发条件满足，就可导致流程的不受控执行。

4 问题思考

在IEC 6-1131/3标准中，定义了5种标准编程语言，监控系统的控制软件通常会融合多种程序语言进行编写，优点是在功能上能进行互补和直观，可发挥程序语言各自的优势。对于整体程序的动态调试，除了依靠软件自身进行语句覆盖 SC（Statement Coverage）编译检查外，如果有可能，针对故障问题的测试方法，可以采用判定条件覆盖CDC（Condition/Decision Coverage），即设计足够多的测试用例，使判定中每个条件的所有可能至少出现一次，并且每个判定本身的判定结果也至少出现一次。但是无论采取哪种测试方法，目的是发现程序存在的问题，而不是证明程序没有问题。

5 结语

对于监控系统方面的故障，难点在于故障原因难于定位，而一旦找到故障原因，问题自然迎刃而解。合理运用动态调试中的经典方法，对负荷调节异常、控制环节故障这类的偶发性故障确实起到了重要作用。随着技术及软件的发展，特别是IEC 61850规约的引入，对系统与设备之间的控制环节也提出了更高的要求，监控系统正在朝着网络化、互联网的方向发展，系统间的信息传输将呈现多层次、多局部交错互联的形态，并由此实现信息的沟通、汇集和共享。基于系统层面的动态调试将会越来越深入，掌握传统的调试思路及方法，多采用逆向思维去分析问题，将对系统的稳定和故障排除起到决定性作用。