扭子水電站綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王軍輝

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001）

扭子水電站[1]位于甘南藏族自治州卓尼縣城上游約20.1 km處的洮河干流上，距蘭州市約360 km，海拔高度2 580 m。工程主要任務(wù)是發(fā)電，為低壩引水式電站，水庫無調(diào)節(jié)能力。工程規(guī)模為四等小型工程。樞紐主要建筑物由泄洪沖沙閘、排冰閘、溢流壩、副壩及引水建筑物、發(fā)電廠房及開關(guān)站組成。水庫正常運行時蓄水位2 604.0 m，水頭25.0 m，電站設(shè)計總的裝機容量30 MW，引用流量139.68 m3/s，多年的平均發(fā)電量1.35×107kW·h，年利用小時數(shù)為4 524 h，保證出力6.797 MW，多年平均發(fā)電量1.35億kW·h。廠房內(nèi)安裝3臺單機容量為10 MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組。電站設(shè)計遵循“無人值班”（少人值守）的原則，采用計算機監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)資料，電站采用110 kV一級電壓接入系統(tǒng)，110 kV出線一回，接入距電站24 km擬建的110 kV臨墰開關(guān)站。該綜合自動化系統(tǒng)[2]包括電站的計算機監(jiān)控、繼電保護及勵磁系統(tǒng)等設(shè)備。

1 設(shè)計要求

扭子水電站綜合自動化系統(tǒng)本著安全、可靠、經(jīng)濟、實用的原則，按“無人值班或少人值守”的原則設(shè)計、采用全計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行配置[3]。該系統(tǒng)高度安全可靠，操作簡單方便，不僅其本身的局部故障不會影響到現(xiàn)場設(shè)備的正常運行，而且系統(tǒng)的MTBF、MTTR及各項可用性技術(shù)指標均達到《水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)要求》的規(guī)定[4]。

系統(tǒng)總線式網(wǎng)絡(luò)采用分層分布開放系統(tǒng)，在便于功能和硬件的擴充的情況下，又能充分保護用戶的投資。軟件通過結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計來提高了系統(tǒng)的規(guī)模擴充性。系統(tǒng)具有先進的人機接口功能，操作便利[5]。系統(tǒng)主要硬件設(shè)備采用進口設(shè)備。保證計算機監(jiān)控系統(tǒng)安全可靠的與電站第一臺機組同步投入運行。中控室內(nèi)上位機操作員工作站通過遠程控制完成電站日常發(fā)電任務(wù)。雙主機冗余配置，采用熱備用工作方式，供運行值班人員現(xiàn)場監(jiān)控使用?，F(xiàn)地控制單元（LCU）、保護和勵磁柜均放在發(fā)電機層，開關(guān)站LCU、公用及廠用LCU、主變保護及線路保護均放置在中控室。

2 總體結(jié)構(gòu)

扭子電站綜合自動化系統(tǒng)以施耐德Quantum系列編程邏輯控制器（PLC）為測控核心，同時擁有GR-100型采集裝置、SID-2D型自動準同期、微機繼電保護、通訊等部分。

系統(tǒng)的開放式分層分布結(jié)構(gòu)符合國際開放系統(tǒng)的標準，當(dāng)使用不同計算機時，保證了系統(tǒng)的互操作性、系統(tǒng)的可擴展性以及設(shè)備更新時的可移植性[6]。與此同時，系統(tǒng)互連環(huán)境、系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和用戶接口環(huán)境皆與國際開放系統(tǒng)組織推薦的開放環(huán)境規(guī)范相符。它的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要是：第一層是主機兼操作員工作站，雙主機冗余配置，采用熱備用工作方式，供運行值班人員使用，選用100 Mbit以太網(wǎng)連接主控機與現(xiàn)地控制單元（LCU），使用高可靠性的網(wǎng)絡(luò)交換機作為網(wǎng)絡(luò)通訊，之間連接的介質(zhì)為光纖。同時主控室配備打印機和語音通信等設(shè)備。第二層為現(xiàn)地控制單元網(wǎng)，本電站共設(shè)五套現(xiàn)地控制單元（LCU），1～3號機組各設(shè)一套LCU，全廠公用及廠用電設(shè)一套LCU，110 kV開關(guān)站設(shè)一套LCU。機組LCU配有微機自動準同期裝置、轉(zhuǎn)速測量及交流采樣裝置。第3層為兼容性網(wǎng)絡(luò)，機組LCU具有RS232/RS485串行通信接口與其他承包商提供的微機調(diào)速器、微機勵磁系統(tǒng)、微機保護等設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信[7]。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 扭子電站綜合自動化結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the integrated automation system for Niuzi Hydropower Station

3 硬件設(shè)計

扭子水電站綜合自動化系統(tǒng)的硬件部分主要有兩部分構(gòu)成，第一部分是上位機子系統(tǒng)，主要包括主控級計算機/操作員站、主控制臺、通信服務(wù)器、全球定位系統(tǒng)、語音系統(tǒng)等構(gòu)成。第二部分為現(xiàn)地子系統(tǒng)，包括現(xiàn)地控制單元和保護單元。

3.1 上位機子系統(tǒng)

所謂“上位機子系統(tǒng)”，就是裝設(shè)兩臺既用于電站中央處理的主計算機又兼作操作員工作站在主控級計算/操作員工作站，其中主計算機采用德國西門子工控機，適合于工業(yè)上的特殊應(yīng)用現(xiàn)場。主控制室配備了1套四席雙位的運行人員主控制臺，每席包括了LCD，通用鍵盤和鼠標器分別一套，以及必需的配電盒、小型斷路器、指示燈等設(shè)備。通訊服務(wù)器配有8個串行口，用于電力系統(tǒng)調(diào)度計算機之間、集中調(diào)度中心電站與計算機監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信；用來連接電廠管理MIS系統(tǒng)、打印機、水情系統(tǒng)以及其他需要與計算機系統(tǒng)通信等設(shè)備?，F(xiàn)用的通信服務(wù)器采用德國西門子工控機。系統(tǒng)主控計算機配備高性能聲卡及音響語音系統(tǒng)，語音系統(tǒng)通過先進的語音處理軟件，可對電站故障及事故設(shè)備發(fā)語音告警信號。

3.2 現(xiàn)地子系統(tǒng)

3.2.1 監(jiān)控單元

監(jiān)控單元即現(xiàn)地控制單元（LCU），實現(xiàn)對全場設(shè)備的監(jiān)視與控制，由于扭子電站有3臺發(fā)電機組，本系統(tǒng)配備5臺LCU，分別為3臺機組LCU，一套公用LCU和一套開關(guān)站LCU。LCU由觸摸屏（HMI）、微機自動同期裝置、可編程計算機控制器（PLC）、微機溫度巡檢裝置、微機交流電量測量裝置、微機轉(zhuǎn)速信號裝置組成。斷路器的同期、合閘、分閘操作、廠用電切換等功能以及機組、變壓器、線路、母線的事故、故障保護信號由可編程控制器完成。LCU中的CPU只完成HMI功能。LCU均具有智能型和可編程能力及控制采集功能，LCU均提供實時時鐘，用以記錄過程輸入狀態(tài)發(fā)生變化的時間。機組用的LCU，還應(yīng)具有串行通信接口，用來與其他承包商供應(yīng)的微機調(diào)速器、微機勵磁系統(tǒng)等設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信。開關(guān)站和公用設(shè)備LCU應(yīng)提供串行通信接口與全廠公用輔機設(shè)備PLC柜進行數(shù)據(jù)通信。

可編程控制器（PLC）是現(xiàn)地控制單元的核心部件[8]，當(dāng)前國內(nèi)使用率高的PLC有GE（通用）、西門子、歐姆龍等。結(jié)合電站的特點，主機監(jiān)控選擇法國施奈德公司的昆騰系列PLC完成相應(yīng)控制功能。該系列的PLC是專為拙劣工業(yè)環(huán)境而設(shè)計生產(chǎn)的，具有高性能、強抗干擾能力和高可靠性的優(yōu)點，被廣泛用于各種工業(yè)控制的領(lǐng)域。此PLC采用光電隔離的對外I/O端口，其內(nèi)部核心電路是和被控對象完全無電氣聯(lián)系的，因此干擾信號是無法進入微處理器，保證了系統(tǒng)不會因外部干擾信號發(fā)生故障。LCU配備XSL/A24RS2V1系列溫度巡檢裝置，通過其上的RS-485標準通信口將所采集的數(shù)據(jù)上送計算機監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)電量綜合采集裝置選用GR-100綜合采集裝置，用于每臺機組出線的電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)、電度等數(shù)據(jù)的采集。電站按機組各用一套作為正常同期的微機自動準同期裝置；1臺升壓變壓器線路組高壓側(cè)斷路器用一套準同期裝置。每臺機組現(xiàn)地控制單元提供微機轉(zhuǎn)速儀，該儀器采用電氣殘壓測速方式進行機組轉(zhuǎn)速監(jiān)測，同時可提供7個可設(shè)定的開關(guān)量信號。動作準確、可靠、穩(wěn)定。計算機監(jiān)控系統(tǒng)各LCU內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)場總線進行通訊，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)選用Modbus RTU網(wǎng)。其通訊方式為令牌傳遞形式，通訊介質(zhì)為屏蔽雙絞線，實現(xiàn)了點對點以及網(wǎng)絡(luò)廣播通訊方式的優(yōu)點。

3.2.2 保護單元

關(guān)于扭子水電站的保護，本文主要闡述了發(fā)電機保護、變壓器保護以及110 kV線路保護。

其中發(fā)電機以“雙主單后，主后備保護分開”為原則[9]進行保護，主保護和后備保護分別為WEB-811和WEB-812。保護裝置為雙電源、雙CPU的運行方式。兩CPU之間是相互獨立的，可單獨工作行使其對應(yīng)的保護功能，分別負責(zé)對某一對象進行主保護或?qū)δ骋粚ο筮M行后備保護。每種保護動作后的跳閘方式用戶可以自己整定，無須再修改保護二次回路接線；跳閘觸點可直接接入斷路器跳閘回路。

目前國內(nèi)使用較多的變壓器保護是WFB-812系列微機變壓器保護，對于110 kV及以下電壓等級可選用BH-812系列進行變壓器保護配置。BH-812系列引進“啟動+出口”的方式，從而保證在用跳閘矩陣方式時出口端整定的靈活性；保證信息和報文能夠上傳，COMTRADE與錄波數(shù)據(jù)可兼容；保證通信接口具有強的兼容性、開放性，支持IEC60870-5-103通訊規(guī)約。該系列具有自適應(yīng)調(diào)整比率制動式差動特性；該系列設(shè)定了15路非電量保護功能，其中可通過CPU延遲發(fā)信號或跳閘的有8路；同時，該系列具有較強的抗TA飽和和TA暫態(tài)特性的不一致性能力[9]。

110 kV線路保護采用WXH-801系列微機線路保護。該系列的主保護是由帶補償?shù)恼蚬收戏至糠较蛟土阈蚍较蛟?gòu)成，具有全線速動功能；后備保護是由三段式相間距離和接地距離以及六段零序電流方向保護構(gòu)成；WXH-802配置示意圖如圖2所示，該配置的全線速動主保護是由綜合距離方向元件和零序方向元件構(gòu)成，后備保護同WXH-801系列微機線路保護的后備保護，并配有綜合重合閘。

圖2 110 kV線路保護配置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the 110 kV line protection configurations

而對于10 kV的線路保護，國內(nèi)使用較多的是WXH-820系列微機保護裝置，同時，此系列的微機線路保護測控裝置還可用于保護和測控中低壓線路，主要應(yīng)用于66 kV及以下各電壓等級線路及出饋線，在安裝保護裝置時，可采用集中和開關(guān)柜就地的方式。而WXH-821系列綜合微機保護測控裝置采用兩段過電流式保護；WXH-822系列綜合微機保護測控裝置采用三段式電流電壓方向保護；關(guān)于WXH-823系列微機保護測控裝置，是集光纖電流差動保護、電流電壓保護和三相一次重合閘基本配置于一體的成套線路保護裝置，常常被用于電壓等級≤66 kV的間接接地系統(tǒng)或者是小電阻接地系統(tǒng)[9]。

廠用變保護采用WCB-820系列微機廠用變保護裝置，主要適用于3～10 kV電壓等級小接地電流系統(tǒng)或小電阻接地系統(tǒng)中的廠用變、所用變或接地變的保護?？稍陂_關(guān)柜上就地安裝。

4 軟件設(shè)計

扭子電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件是基于Windows 2000操作系統(tǒng)，具有多任務(wù)、實時數(shù)據(jù)響應(yīng)快、可擴充性好、使用方便等特點，適合于實時的控制。由于使用標準的智能擴展卡來獲取數(shù)據(jù)，引進面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，Windows 2000操作系統(tǒng)的維護、擴展方便可行[10]。該電站監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件可以不用依賴具體的硬件平臺，配置簡單，操作靈活。

該應(yīng)用軟件的特點是：具有良好的人機界面;具有良好的可移植性；具有良好的通用性；具有良好的實用性；具有良好的開放性。該應(yīng)用軟件使電站工作人員操作更加便利，維護技術(shù)人員制作畫面的、顯示畫面、打印制表、設(shè)置參數(shù)以及操作控制的工作可通過工作站完成，同時微機還可以幫助運行人員完成自動控制、打印制表、畫面顯示等多種功能[10]。Windows 2000操作系統(tǒng)的具體軟件功能構(gòu)成如圖3所示。

該系統(tǒng)的基本功能分為5部分：

1）顯示LCD畫面。運行工作人員可挑選和召喚畫面顯示，且同時多幅畫面可同時顯示。

2）制作畫面和設(shè)置參數(shù)功能。維護技術(shù)人員可以進行下列制作和設(shè)置功能，修改各類圖如主接線圖、流程圖、模擬圖等，修改報警的上、下限，變比等各類參數(shù)。

圖3 系統(tǒng)的軟件功能構(gòu)成Fig. 3 The formation of software features of the system

3）打印制表功能。可隨時進行打印或備份所有顯示的畫面，自動定時打印報表以及各類事故報警。

4）操作控制功能。對需要控制的設(shè)備進行必要的操作控制。

5）其他附加功能。例如順序記錄事件功能（SOE），追憶事故功能，以及系統(tǒng)的安全防護功能，可通過設(shè)置或修改口令、系統(tǒng)對時、系統(tǒng)自診斷進行系統(tǒng)的安全維護[11]。

5 結(jié)論

扭子水電站綜合自動化系統(tǒng)的成功投用，表明了項目設(shè)計合理，為其他綜合自動化系統(tǒng)的配置提供了參考。實現(xiàn)了電站“無人值守”的目標，達到了水電站二次側(cè)設(shè)備簡潔、安全、經(jīng)濟以及便于管理的目的。滿足了運行值班人員可以通過監(jiān)控就可以對全場各主要設(shè)備、公用設(shè)備、線路的運行狀態(tài)和參數(shù)進行實時監(jiān)控，使電站可以安全穩(wěn)定的生產(chǎn)運行。

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