用智能TCU 取代LCU 的水电站监控系统研究

赵国建，先 嘉，何 军，刘昊鹏

（四川中鼎科技有限公司，四川 成都 610046）

1 概述

目前水电站的自动控制模式基本停留在20 世纪90 年代建立的计算机监控系统为主体的分层分布式系统结构。同时结合分散、分布的孤立控制系统组成全站自动控制系统，其信息交换非常少、网络连接薄弱、专用控制装置的智能化程度低，更不能实现互联互通和数据共享。每一个实现单独控制任务的系统自成一体，均采用自身独立的数据采集、运算、建模算法、人机界面和输出控制等，往往造成全站控制信息相互封锁、多重元件设置、控制器功能单一、资源浪费和自成一体的信息孤岛的状态。

目前的全站控制系统仍然以实现自动控制为目的，主要解决设备控制的自动化水平、控制功能和可靠性问题。这样的系统结构往往需要建立在硬件可靠和软件简单、实用的基础上。其对于实现基于被控对象特性的智能监测、诊断控制、容错控制、预测控制、共享控制、智能保护及在线升级等智能化功能几乎无所作为，传统的监控系统已不适应当前智慧水电厂建设的需求。由于设置LCU 进行现地控制设备之间信息交换的局限，对于控制机组转速和负荷的调速器、控制机组电压的励磁装置与电站辅助设备的自动控制和当前智能控制的要求仍然需要依靠LCU 完成的初衷不仅过去不能，现在更难实现，实际上也是如此：大中型水电站的调速、励磁、辅助设备等的自动控制和未来的智能控制仍然需要专业化程度更高的制造厂商来承担完成。这些控制装置独立、有效并可靠地完成各自的控制任务以及针对对象特征的智能控制和诊断控制，从而有效组成对水电站主辅机设备正常工作的控制任务，比如：调整稳定机组转速、调节稳定机组电压、控制机组操作压力油压和油位、保持机组技术供水、集水井水位正常等；因此，采用构成水电站监控系统的任务控制单元（TCU）取代现地控制单元LCU 直接接入厂站层冗余的高速网络以实现数据共享、实现智慧化电厂的基础数据获得成为必然。

同时，在当前水电站智能化建设中，传统LCU的弊端越来越明显，不仅不能有效实现对控制对象的控制，而且对于大量数据的采集，信息的互联互通越来越力不从心，反而成了全站信息化、数字化、智能化实现的一个瓶颈。因此，若要实现水电站的智能化，必须首先取消LCU，打破水电站所有主辅机设备的控制系统按照专业化分工的原则，不仅需要实现自身的智能化控制升级，同时还应以标准开放的高速信息通信接口方式直接接入厂站层网络的高速公路，让数据共享，透明工厂的实现方成为可能。国内水电站智能化智慧化监控系统的技术水平和状况见参考文献[1-4]。

总之，基于数据控制的智能化和基于信号的自动化有着极大的区别，所有信息化、数字化是智能化的基础，取消LCU，打通信息瓶颈，实现全站设备的信息互联互通和数据流自由开放共享是水电站智能控制的基础，也是智慧电厂的必备。

2 研究目标和技术路径

笔者提供了一种新一代的水电站计算机监控系统。系统包括：主控制单元及一组智能化的任务控制单元（以下简称智能TCU）。主控制单元通过网络与智能任务控制单元连接；每个智能TCU 按照预设程序独立完成一个特定的任务，如调速控制、励磁控制、机组开停机、电气保护、水机保护、转速控制、辅机控制及振动保护等。是一种系统简单、维护方便、高度网络开放、共享数据的全站智能控制架构，建立主控制单元与各个智能TCU 之间双向的高速网络通信，各个智能TCU 之间可以共享数据，实现基于被控对象特性的智能监测、诊断控制、容错控制、预测控制、共享控制、智能保护及在线升级等智能化功能，使实现智慧水电厂的建设成为可能。水电站监控系统通过主控制单元或智能TCU 向目标任务控制单元发送任务控制指令，实现主控制单元与各个智能TCU 之间的双向通信和各个智能TCU之间的信息和控制共享，减少原I/O 接口方式的大量输入输出设备和电缆接线，减少水电站控制系统的结构层级，提高主控级对各智能TCU 基于数据的控制、诊断和维护能力，实现水电站全站的智能控制，提高水电站的控制可靠性和信息化能力，为实现水电站基于数据的智能化监控系统打下基础。该系统现已获得国家发明专利授权（发明专利号：ZL 201710408100.1）。

该水电站监控系统包括：主控制单元及智能TCU，主控制单元与多个智能TCU 通过厂站级网络连接，每个智能TCU 根据预设程序单独完成一个特定任务，其中机组侧工作组的特定任务包括：开停机控制、调速控制、励磁调节、转速测控、电气保护、水机保护、振动保护和辅机测控等；每个智能TCU 包括通信设备、I/O 设备、存储器和控制器，智能TCU通过I/O 接口与一个被控的主辅机设备连接；每个智能TCU 之间和/或主控制单元与智能TCU 之间通过网络设备建立数据通信。

主控制单元或智能TCU 向目标智能TCU 发送任务控制指令，其中，任务控制指令包括目标智能TCU 中的目标主机或辅机设备的名称及控制指令的内容；目标智能TCU 根据接收到的任务控制指令对目标主机或辅机设备进行控制；目标主机或辅机设备根据任务控制指令执行相应的操作，从而实现主控制单元与各个智能TCU 之间的双向通信以及各个智能TCU 之间的信息共享，减少原I/O 接口方式的大量输入输出设备和硬接线，减少了水电站监控系统的结构层级，提高了主控级对各智能TCU 基于数据的控制、诊断和维护能力，提高了水电站的控制可靠性和信息化能力，为实现水电站基于数据的智能化监控系统打下了基础。

3 实施方案

图1 为水电站监控系统10 示意图。

图1 水电站监控系统10 示意图

（1）水电站监控系统10 包括：主控制单元100及智能TCU200。主控制单元100 与一个智能TCU200 通信连接。主控制单元100 为水电站监控系统10 运行的核心，智能TCU200 的数目可为多个，智能TCU200 用于对水电站中工作的各个主机或辅机设备的任务进行控制，主控制单元100 配合智能TCU200 构成对水电站的数据采集与监视控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系统，实现对水电站的数据采集和监视控制功能。在本研究方案中，主控制单元100 通过网络与智能TCU200 通信连接，网络是水电站厂站层的TCP/IP的高速冗余网络，有线网络或无线网络，以使主控制单元100 通过网络与智能TCU200 实现双向通信。

（2）智能TCU200 包括：通信设备、I/O 设备、存储器和控制器等，智能TCU200 通过I/O 接口与一个主机或辅机设备300 连接，其组成包含被控对象和控制设备的控制系统。其中，每个智能TCU200 根据预设程序单独地执行一项特定任务，特定任务包括：开停机控制、调速控制、励磁控制、转速控制、温度控制、振摆控制或辅机控制等。多个智能TCU200可构成对一发电机组或公用设备中所有任务进行控制的任务组20。在一个水电站中可根据发电机组及公用设备的数量设置相应数量的任务组20。

（3）通信设备用于在智能TCU200 之间进行数据和指令的传输，智能TCU200 之间通过通信设备通信连接，建立数据通信，以实现各个主机或辅机设备300 之间的信息共享。通信设备还用于主控制单元100 与智能TCU200 之间的双向通信，主控制单元100 与智能TCU200 通过通信设备建立数据通信。

（4）主机或辅机设备300 通过I/O 接口与任务组20 中的智能TCU200 连接，主机或辅机设备300 为水电站中完成发电过程的被控设备，主机或辅机设备300 包括但不限于：水轮机、发电机、调速器液压柜、励磁功率柜、油压装置、空压机、集水井等。主机或辅机设备300 可以是上述装置中的一种或多种任意组合。

（5）每个智能TCU200 中的通信设备可以根据需要接入智能TCU200 的主机或辅机设备300 的任务及主机或辅机设备300 对应的空间位置关系进行设置，以保证智能TCU200 中的通信设备的设置位置可以满足接入智能TCU200 中的主机或辅机设备300 的通信需求。

4 结语

当前国内的水电站监控系统的技术还处于20世纪90 年代水平，目前还没有新一代的技术在水电站监控系统领域进行实际应用。笔者介绍的采用智能TCU 组成的被控主辅机设备的水电站监控系统，在减少原I/O 接口方式的大量输入输出设备和电缆接线、减少水电站监控系统的结构层级、提高主控级对各智能TCU 基于数据的控制、诊断和维护能力，实现水电站全站的智能控制以及提高水电站的控制的可靠性和信息化水平等方面具有根本性、革命性的意义，是一条实现水电站智能化、智慧化的有效、可靠的途径。