水电机组自主可控监控系统LCU 设计与测试

艾远高，黄家志，谢秋华

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

监控系统是水电厂的“大脑中枢”，属于核心控制系统，是保障电网安全运行的重要基础[1，2]。其中，现地控制单元（LCU）是监控系统直接参与电厂的生产过程控制接口[3]，是系统中最具面向对象分布特征的控制设备。对巨型水电机组计算机监控系统LCU 进行自主可控设计，掌握核心技术，并拥有完全自主知识产权，是保障国家能源安全的重要支撑。

同时，为保障国内水电站内各类使用监控系统LCU 产品的设备的长期安全、稳定运行，保障充足的备件储备，以及设备改造顺利实施，解决水电机组监控系统LCU 上存在的备件自主问题，需对水电机组自主可控监控系统LCU 进行设计及对应的测试方法研究。

1 自主可控监控系统LCU 设计原则

1.1 可靠性

作为巨型水电机组自主可控监控系统，在稳定可靠性方面，要求其具备较高的抗电磁干扰、抗雷电冲击的能力；同时系统控制功能可靠性、独立性要求高。

系统实现方面，需设计监控信号可靠性的判断。可利用信号的品质、模板的品质与工作状态、采集回路的电源属性等对信号可靠性进行判断。如对于流程中使用的开关量信号，通过判断其品质位、模板状态以确定其是否可信；对于流程中使用的模拟量，特别是用于触发停机逻辑的模拟量，在信号处理时，同时考虑该模拟量是否存在通道故障或模件故障。

1.2 安全性

水电机组自主可控监控系统除了网络安全等方面要求外，还需考虑以下层面安全性：

（1）产品自主安全性。系统核心软硬件产品(如PLC、操作系统等)自主安全可控，在安全前提下，其技术指标达到行业先进水平。

（2）系统实现安全性。一方面是合理设置用户权限，另一方面是设备操作权限的开放与禁止。设置用户权限主要是对不同级别的用户权限进行限定，根据电站监控系统使用人员分工的不同而分别设置[4]。

（3）系统安全闭锁。考虑机组停机触发条件的安全性，增加异常情形下的停机条件判断闭锁条件。如机组水导油位停机由单一信号源改为配置双套油位计，且同时判断模拟量与开关量；对于快速门下滑至事故位触发一类机械事故停机，为避免单一开关量信号误动停机，停机条件中增加进水口闸门开度小于90%的条件闭锁。

1.3 全面性

监控系统设计为分层型控制系统，在现地控制级大量采用现场总线通信技术，极大地减少了电缆施工；同时为保证监控系统功能的独立性，一些重要信号除以通信方式传输外，还以硬接线的方式接人监控系统。

如对于机组励磁、继电保护、调速器等系统，由于其与监控系统信息交换量不大，同时对监控系统功能实现至关重要，主要用于机组的控制与调节，因此重要信号采用硬接线方式，部分信号辅以通信方式传输。如计算机监控系统对励磁系统的增、减磁命令通过硬接线开关量输出(DO)方式下达，对调速器有功功率设定命令采取硬接线模拟量输出(AO)为主，数据通信作为备用方式。

1.4 可维护性

巨型水电机组监控系统LCU 系统一般具有数以万计的信号，涉及机组控制各个方面，对系统信号稳定性、响应性等要求高，因而监控系统需具有良好的灵活性、开放性、可扩充性和可维护性。针对自主可控监控系统维护便利性，系统需具有足够的安全冗余度，所有环节一般均按双重冗余配置：

（1）控制设备的冗余配置[5]。计算机监控系统设计考虑了网络设备，包括控制网络与信息网络的双冗余配置，以及重要服务器、工作站、PLC CPU 模件、网络通信模件源、总线等设备的冗余配置，通过控制设备的冗余配置有效提高系统可靠性。

（2）输入、输出信号的适当冗余配置。对于重要的设备，系统适当配置冗余的输入、输出信号，从而在单个信号故障的情况下，不影响重要设备控制功能的实现。

（3）重要开关量输出信号冗余配置。电站对监控系统重要的开关量输出[6]，如断路器合分、投调速器、投励磁、投高压油等均配置了双路开出。

（4）重要模拟量输入信号冗余配置。如机组转速考虑了PT 测速与齿盘测速两种测速原理，作用于停机的水导油位，在改进时设置双油位计测量；测量压油罐压力的同时测量油罐压力与管道压力，机组水头信号在厂房的两侧均安装水位测量信号等。通过对重要输入、输出信号的冗余配置，提升控制功能的整体可靠性。

2 自主可控监控系统LCU 设计

2.1 网络结构与通信

系统可采用成熟的分层分布系统结构，并设计冗余的网络配置，即控制网络与信息网络的双冗余配置，以及重要服务器、工作站、PLC CPU 模件、网络通信模件源、总线等设备的冗余配置，通过控制设备的冗余配置有效提高系统可靠性。

采用成熟的通信规约进行通信，为便于系统维护，采用开放系统互联协议或适用于工业控制的标准协议；通信软件配置应能由用户修改，以便于将来与其他计算机系统进行数据交换；同时，主控级与现地控制单元的通信协议是公开的，并有详细的说明，以保证将来现地控制单元中的主要设备改型或升级不受影响。

2.2 数据采集及处理

数据采集及处理功能主要包括：

（1）采集各现地单元的各类实时数据；自动采集智能装置的有关信息；自动接收调度部门的命令信息；自动接收电厂监控系统以外的数据信息，并对自动采集的数据进行可用性检查；对采集的数据进行工程单位转换。

（2）具有数字量输入点的抖动限值报警及处理；具有模拟量输入点的梯度限值报警及处理；具有数字量输出动作次数统计及报警（设备维护）；具有输入/输出通道的自诊断功能。

（3）对采集的数据进行报警检查，形成各类报警记录和发出报警音响；对采集的数据进行数据库刷新。

（4）生成各类运行报表；形成历史数据记录；生成曲线图记录；具有事件顺序记录的处理能力；事故追忆数据处理能力（包括记录事故时刻的相关量）。

为便于自主可控监控系统日常维护，需对采集数据相关的源码值、通道质量及数据状态上送上位机(图2)，可在上位机数据库中设定模拟量的量程、限值及死区。

图2 模拟量数据处理流程

2.3 控制与操作

运行操作设置主要包括：对功能和预定的决策参数进行控制调节，满足电力调度发电控制要求。对运行设备控制方式的设置：调度控制级/厂站控制级方式设置；厂站控制级/现地单元控制级方式设置；梯调调节/厂站调节方式设置；机组单控/联合控制运行方式设置；运行设备自动/手动控制方式设置；运行人员能够通过厂站控制级人机接口，完成对单台设备的控制与调节。

机组控制分为开停机流程控制、对象设备控制、有功/无功调节、条件计算、强置、温度量的闭锁和解锁等。

功率调节包含有功功率调节和无功功率调节。有功功率调节模式可分为功率模拟量给定方式、功率脉冲量调节模式和开度模式，无功功率调节模式可分为电压模式、电流模式和无功模式。

如机组无功调节，LCU 计算无功设定值（Qset）和无功实发值（Q）的差值（Δq）

其中，Qdb为无功偏差设定死区值，计算出脉冲宽度、间隔时间和方向，下发至励磁调节器。在电压模式下，增减励磁的电压给定值；在电流模式下，增减励磁的电流给定值；在无功模式下，增减励磁的无功给定值（图3）。

图3 无功功率调节流程示意图

2.4 交互接口

为提高系统安全性和可维护性，自主可控监控系统LCU 还需具备如下性能：

（1）结构设计。采用分布式数据库及软件模块化、结构化设计，使系统能适应功能的增加和规模的扩充，并能进行系统自诊断。

（2）配置触摸屏，通过串口或现场总线与PLC 控制器通信，显示系统LCU 重要设备状态。

（3）自诊断实现。系统通信接口、功能模件及外围设备等诊断出故障时，自动发出信号；对于冗余设备，应自动切换到备用设备。同时LCU 系统内监视指示灯、继电器等辅助手段多样，帮助人员准确快速定位故障点。

（4）分析报警。能够实现面向系统、设备运行状态的智能分析报警，系统工作场景综合智能分析报警，控制过程智能分析报警等功能。

3 自主可控监控系统LCU 测试方法

3.1 硬件测试

自主可控监控系统LCU 硬件测试主要包括PLC 模件测试、主要元件测试（表1），自主可控性能测试（表2）等。

表1 监控系统LCU 硬件检测(部分)

表2 监控系统LCU 自主可控检测项目(部分)

3.2 软件测试

自主可控监控系统LCU 软件测试主要包括以下内容：

（1）自有知识产权程度分析。测试编程组态软件和监控画面组态软件自有知识产权程度。

（2）软件适配性测试，包含监控系统LCU 编程组态软件与国产中标麒麟、凝思等国产操作系统适配性。

（3）软件编程语言友好性测试。编程与IEC 61131-3标准的一致性及用户习惯的适应性。

（4）软件功能分析，编程组态软件和监控画面组态软件功能分析，如LCU 程序中的顺控流程完整性、机组对象设备控制的完备性等功能。

（5）软件可维护性，维护及使用人员可对自主可控系统软件调试及升级维护。

4 结语

巨型水电机组监控系统LCU 负责机组现地设备监视和控制调节，对于保证机组安全稳定运行具有重要意义。为解决水电机组监控系统上存在的备件自主问题，本文对巨型水电机组计算机监控系统进行自主可控设计，并对对应的测试方法进行了总结研究。本研究方法已在某巨型水电站进行了现场测试，测试效果达到预期，对巨型水电机组自主可控监控系统LCU 现场应用有着重要参考价值，同时，监控系统自主可控设计对加快工控系统产业链国产化进程具有重要意义。