無人值班水電站監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

張虎飛

(大唐重慶分公司，重慶401121)

我國水利資源十分豐富，水電發(fā)展十分迅速，但是其中相當(dāng)一部分水電站仍然存在設(shè)計(jì)保守、自動(dòng)化程度低、監(jiān)控設(shè)備分散、用人眾多的特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)及電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，技術(shù)先進(jìn)、性能可靠的微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)開始得到了廣泛的應(yīng)用。采用自動(dòng)化程度較高、安全可靠的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)己是大勢(shì)所趨。本文在深入研究國內(nèi)外水電自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計(jì)了一種無人值班自動(dòng)化系統(tǒng)控制方案，該系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的優(yōu)點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)原則

1.1 遠(yuǎn)程操作安全可靠。無人值班水電站要通過遠(yuǎn)控中心進(jìn)行控制命令下發(fā)，遠(yuǎn)控中心一般設(shè)計(jì)在市區(qū)。遠(yuǎn)程工作站可以用2 種方式接入電站監(jiān)控系統(tǒng):1)把遠(yuǎn)程工作站配置到電站控制系統(tǒng)之中，將遠(yuǎn)程工作站作為電站的一臺(tái)監(jiān)控主機(jī)運(yùn)行。這種方案簡(jiǎn)單易行并且相對(duì)可靠，但通常只能監(jiān)控1 個(gè)電站。如果多個(gè)電站同時(shí)接入同一工作站，相應(yīng)的配置復(fù)雜且不易實(shí)現(xiàn)。2)遠(yuǎn)程工作站以通信方式與電站監(jiān)控系統(tǒng)中通信機(jī)進(jìn)行連接。這種方式可以實(shí)現(xiàn)多電站的方便接入，但是接收信息有限，且因?yàn)榕c主機(jī)之間多了一個(gè)通信機(jī)轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，相對(duì)可靠性不高。

1.2 不同廠家設(shè)備之間信息共享。監(jiān)控系統(tǒng)中不僅涉及監(jiān)控廠家設(shè)備，還包括調(diào)速器、勵(lì)磁、保護(hù)、直流系統(tǒng)、備自投、消防系統(tǒng)等設(shè)備。通常，不同廠家之間的設(shè)備硬接線沒有涵蓋所有信息。這就要求不同設(shè)備廠家之間的智能設(shè)備能相互獲取數(shù)據(jù)，以提高控制的可靠性。

1.3 設(shè)備運(yùn)行自動(dòng)化。監(jiān)控系統(tǒng)不僅能滿足事故流程的自啟動(dòng)，還應(yīng)包括機(jī)組啟動(dòng)、機(jī)組工況轉(zhuǎn)換、閘門操作、各種輔助設(shè)備以及斷路器、隔離開關(guān)的自動(dòng)控制。

1.4 通信安全可靠。 《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》(電監(jiān)會(huì)2005 五號(hào)令)規(guī)定:電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)工作應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證的原則。因此控制區(qū)(安全區(qū)Ⅰ區(qū))的監(jiān)控系統(tǒng)和非控制區(qū)(安全Ⅱ區(qū))之間通信必須實(shí)現(xiàn)邏輯隔離。有條件的應(yīng)該在網(wǎng)絡(luò)中配備一套入侵檢測(cè)設(shè)備，以應(yīng)對(duì)外部對(duì)電站控制系統(tǒng)的入侵。

1.5 選用高質(zhì)量的自動(dòng)化設(shè)備。在自動(dòng)控制當(dāng)中，所有啟動(dòng)源都是由傳感器或者其它設(shè)備所發(fā)出，監(jiān)控系統(tǒng)接收到啟動(dòng)源信號(hào)后通過各種執(zhí)行設(shè)備完成流程操作。這就要求參與整個(gè)控制過程的設(shè)備具有高度可靠性。

1.6 監(jiān)控系統(tǒng)具備良好的接口擴(kuò)展和系統(tǒng)故障自恢復(fù)功能。

1.7 實(shí)時(shí)性好，具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。

1.8 人機(jī)界面友好，操作方便。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成。上位機(jī)按功能可分為:主機(jī)、操作員站、通信機(jī)、工程師站、Oncall 機(jī)、歷史庫服務(wù)器、Web 服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。電站可以根據(jù)實(shí)際需求把幾種功能綜合在1 臺(tái)服務(wù)器上以降低成本。下位機(jī)主要包括:機(jī)組LCU、公用LCU、開關(guān)站LCU、壩區(qū)LCU 等。如圖1 所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 主機(jī)采用冗余配置，其主要功能是對(duì)下位機(jī)LCU 的數(shù)據(jù)采集處理，控制指令下發(fā)、上位機(jī)信息邏輯處理、向其它服務(wù)器廣播數(shù)據(jù)庫信息、接收其它服務(wù)器數(shù)據(jù)信息。

2.2 歷史庫服務(wù)器主要記錄電站運(yùn)行過程中，各種輸入和輸出信息記錄，包括操作、自診斷、各種測(cè)量點(diǎn)信息等。

2.3 操作員站采用冗余配置，其主要功能是對(duì)受控設(shè)備的監(jiān)視和控制。站內(nèi)控制一般都是經(jīng)過操作員站下發(fā)控制命令，然后經(jīng)過主機(jī)再下發(fā)給受控設(shè)備。根據(jù)需要操作員站的功能可以合并在主機(jī)中實(shí)現(xiàn)。

2.4 工程師站主要是系統(tǒng)維護(hù)及作為其它節(jié)點(diǎn)的備用設(shè)備。通常監(jiān)控系統(tǒng)信息修改在工程師站完成，修改完畢之后再同步到其它主機(jī)節(jié)點(diǎn)或者下載至現(xiàn)地LCU。其它服務(wù)器故障時(shí)，可以方便地把工程師站運(yùn)行方式改為其它節(jié)點(diǎn)類型，這樣保證了設(shè)備的冗余和可靠性。

2.5 通信機(jī)主要作為站內(nèi)和站外通信用。站內(nèi)通信主要包含:GPS 對(duì)時(shí)、水情測(cè)報(bào)、直流屏、消防系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)等需要和上位機(jī)通信的設(shè)備。站外通信主要包括:各級(jí)調(diào)度、集控中心、遠(yuǎn)程工作站等。

2.6 遠(yuǎn)程工作站的作用是可以在較遠(yuǎn)的地方方便地對(duì)電站設(shè)備進(jìn)行人工控制。遠(yuǎn)程工作站通常具備操作員的特點(diǎn)，對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。

2.7 各種現(xiàn)地LCU 采集各種接入設(shè)備的信息，組織上送給上位機(jī)或者以通信方式傳送給其它LCU，并接收上位機(jī)或其它LCU 發(fā)送過來的信息和對(duì)接入設(shè)備進(jìn)行各種控制。

3 自動(dòng)控制方案實(shí)現(xiàn)

3.1 閘門系統(tǒng)。閘門系統(tǒng)在電站系統(tǒng)中具有極其重要的作用，它需要保證水頭的穩(wěn)定，并根據(jù)上游流量和水庫庫容使水位保持在安全范圍內(nèi)。閘門系統(tǒng)需要多個(gè)水位變送器保證水位信息的可靠，同時(shí)需要獲取水情測(cè)報(bào)相關(guān)信息計(jì)算出上、下游之間的流量差，LCU 根據(jù)獲得的采集信息下發(fā)對(duì)不同閘門的控制。閘門系統(tǒng)一般有進(jìn)水口快速門和泄洪門。進(jìn)水口快速門在發(fā)電的時(shí)候處于全開狀態(tài)，停機(jī)的時(shí)候可以選擇全開或者全關(guān)。相對(duì)容易控制，在開機(jī)前或開機(jī)過程中進(jìn)行自動(dòng)開啟操作。在緊急停機(jī)或其它需要的情況下進(jìn)行快速關(guān)閉。泄洪門通常不在全開或全關(guān)位置。如果這類閘門需要自動(dòng)控制來調(diào)節(jié)水位和流量的相對(duì)穩(wěn)定，就需要結(jié)合上、下游水位和流量來調(diào)整。為了防止泄洪門頻繁動(dòng)作，必須在閘門開度范圍內(nèi)設(shè)定若干區(qū)間，然后根據(jù)劃分的區(qū)間在PLC 程序中設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)步驟對(duì)照表。在控制過程中可以根據(jù)對(duì)照表逐步調(diào)節(jié)，也可根據(jù)不同的智能算法進(jìn)行疊加調(diào)節(jié)，同時(shí)在人工調(diào)節(jié)或者越過邊界條件時(shí)應(yīng)退出自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3.2 機(jī)組LCU。機(jī)組LCU 是監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，其設(shè)計(jì)必須嚴(yán)謹(jǐn)和可靠。為保證LCU 和監(jiān)控上位機(jī)通信中斷后仍可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組LCU 必須具備不同運(yùn)行模式的切換功能。為了方便不同設(shè)備之間的信息共享，在設(shè)計(jì)LCU 時(shí)最好選擇同類型的PLC，相同的PLC 之間可以方便地實(shí)現(xiàn)信息的網(wǎng)絡(luò)互取，信息共享后不同設(shè)備之間也可以進(jìn)行統(tǒng)籌控制。

3.3 開關(guān)站LCU。開關(guān)站LCU 主要對(duì)主變高壓側(cè)以上出線斷路器和刀閘進(jìn)行監(jiān)控。一般只需要在開機(jī)過程中對(duì)從發(fā)電機(jī)到出線末端線路上的斷路器和刀閘進(jìn)行自動(dòng)分合操作，以達(dá)到自動(dòng)發(fā)電的目的。分閘操作一般只在事故停機(jī)過程中機(jī)組出口斷路器無法跳開的情況下，再對(duì)出線斷路器進(jìn)行自動(dòng)分閘控制。其它情況分閘操作都是由保護(hù)裝置進(jìn)行控制。

3.4 公用LCU。公用LCU 系統(tǒng)主要包含廠用電、柴油發(fā)電機(jī)、直流系統(tǒng)及部分輔助設(shè)備的監(jiān)控。輔助設(shè)備主要包括電站的油、氣、水三大系統(tǒng)，這三大系統(tǒng)應(yīng)能保證機(jī)組的正常運(yùn)行。在開機(jī)過程中，油、氣、水必須自動(dòng)開啟至正常，而且必須具有故障快速恢復(fù)功能。

3.5 其它LCU 主要包括機(jī)組在線監(jiān)測(cè)、火災(zāi)報(bào)警、視頻監(jiān)控等設(shè)備。這些設(shè)備可以根據(jù)安全等級(jí)按需要接入電站監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站更安全可靠的控制。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用

無人值班水電站監(jiān)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)、網(wǎng)絡(luò)可靠、故障風(fēng)險(xiǎn)分散、供電可靠、良好的人機(jī)結(jié)口等特點(diǎn)。系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)出先進(jìn)、嚴(yán)謹(jǐn)、高度自動(dòng)化的控制方案;所有設(shè)備滿足精度高、穩(wěn)定性好的要求;參與控制的自動(dòng)化元器件冗余配置;在投運(yùn)過程中除了常規(guī)試驗(yàn)外，必須進(jìn)行異常情況或者邊界情況的模擬來保證系統(tǒng)的安全可靠。

無人值班水電站監(jiān)控系統(tǒng)主要運(yùn)用在梯級(jí)電站或者偏遠(yuǎn)地區(qū)。此系統(tǒng)可以很好地解決運(yùn)行和維護(hù)人員數(shù)量不足的問題，同時(shí)可以節(jié)約人力運(yùn)營(yíng)成本。這種高可靠性的設(shè)備要求可以延長(zhǎng)維護(hù)周期，增加電站運(yùn)行壽命，節(jié)約維護(hù)成本。系統(tǒng)在大唐重慶分公司所屬龍河梯級(jí)電站、郁江(馬巖洞)梯級(jí)電站等均已投運(yùn)，效果顯著。

5 結(jié)束語

在國外監(jiān)控系統(tǒng)高度自動(dòng)化的背景下，我國也應(yīng)積極汲取最新水電站控制技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，不斷提高智能水電站水平，為電站安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行提供強(qiáng)有力的技術(shù)設(shè)備支撐。

〔1〕現(xiàn)代水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)與試驗(yàn)〔M〕． 中國電力出版社，2004．

〔2〕水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范〔S〕． 中國電力出版社，2004．