水電站分散電氣控制系統(tǒng)組態(tài)中的防誤操作設(shè)計(jì)研究

彭家友

摘要：文章根據(jù)筆者在水電站工作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)分散電氣控制系統(tǒng)（DCS）組態(tài)中防誤操作設(shè)計(jì)的重要性和必要性進(jìn)行了論述，并對(duì)防誤操作設(shè)計(jì)的思路和要點(diǎn)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：水電站；分散電氣控制系統(tǒng)；系統(tǒng)組態(tài)；防誤操作設(shè)計(jì)；電力系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TV736 文章編號(hào)：1009-2374（2016）06-0119-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.059

1 概述

目前，分散電氣控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用，特別是在中小型水電站自動(dòng)化設(shè)計(jì)中，要按“無(wú)人值班、少人值守”的總體要求設(shè)計(jì)，采用分散電氣控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)，對(duì)水電站的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，已取得了非常成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和業(yè)績(jī)。分散控制系統(tǒng)具有控制功能強(qiáng)大、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、人機(jī)界面優(yōu)良、信息資源共享等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)電力系統(tǒng)而言，安全性和可靠性始終是第一位的，如果發(fā)生誤操作，輕者造成設(shè)備損壞、電量損失、工期延誤，重者造成人身傷亡、大面積停電、水淹廠房等惡性事故，因此防誤設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

2 分散控制系統(tǒng)組態(tài)的含義和發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 分散控制系統(tǒng)的含義

分散控制系統(tǒng)又稱(chēng)總體分散型控制系統(tǒng)，它是以微處理機(jī)為核心的分散型直接控制裝置。它的控制功能分散、管理集中。它與集中控制系統(tǒng)比較有以下特點(diǎn)：（1）可靠性高（即危險(xiǎn)分散）；（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理（即結(jié)構(gòu)分散）；（3）由于控制功能分散，子系統(tǒng)可靠性提高，對(duì)管理計(jì)算機(jī)的要求可以降低，對(duì)微型機(jī)的要求也可以降低。

2.2 “組態(tài)”的含義

“組態(tài)”的含義是“配置”“設(shè)定”“設(shè)置”等，是指用戶通過(guò)類(lèi)似“搭積木”的簡(jiǎn)單方式來(lái)完成自己所需要的軟件功能。“監(jiān)控”即“監(jiān)視和控制”，是指通過(guò)計(jì)算機(jī)信號(hào)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備或過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視、控制和管理。簡(jiǎn)單地說(shuō)，組態(tài)軟件能夠從自動(dòng)化過(guò)程和裝備中采集各種信息，并將信息以圖形化等更易于理解的方式進(jìn)行顯示，將重要的信息以各種手段傳送給相關(guān)人員，對(duì)信息執(zhí)行必要的分析處理和存儲(chǔ)、發(fā)出控制指令等。DCS自1975年問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)了3次比較大的變革，目前已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域，成為工業(yè)控制系統(tǒng)的主流。我國(guó)改革開(kāi)放以來(lái)，科學(xué)技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，分散控制系統(tǒng)技術(shù)也相繼應(yīng)運(yùn)而生，其發(fā)展規(guī)模不斷擴(kuò)大。目前我國(guó)自主研發(fā)的DCS系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、價(jià)格低廉、備品備件方便、組態(tài)學(xué)習(xí)難度低等特點(diǎn)，已可與國(guó)際上的同類(lèi)設(shè)備相提并論，具有巨大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 水電站分散電氣控制系統(tǒng)誤操作的原因

3.1 人為因素

人為因素主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：（1）現(xiàn)場(chǎng)操作人員專(zhuān)業(yè)知識(shí)、工作能力不夠；（2）工作責(zé)任心不強(qiáng)；（3）不嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程操作，習(xí)慣性違章等。

3.2 軟件因素

軟件設(shè)計(jì)存在漏洞，如對(duì)重要的操作節(jié)點(diǎn)未設(shè)置用戶權(quán)限，任何人都可以操作，很容易發(fā)生誤操作；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)流程不熟悉，邏輯混亂，造成機(jī)組失控、設(shè)備損壞等。

3.3 硬件因素

（1）控制系統(tǒng)的重要設(shè)備如PLC程序控制器、I/O模塊、電源模塊等質(zhì)量差，工作不穩(wěn)定；（2）通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不合理，抗干擾能力差；（3）現(xiàn)地自動(dòng)化元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝調(diào)試質(zhì)量差，不能真實(shí)反映設(shè)備實(shí)際狀態(tài)，該動(dòng)作時(shí)拒動(dòng)，不該動(dòng)作時(shí)誤動(dòng)等。

4 水電站分散電氣控制系統(tǒng)防誤操作設(shè)計(jì)的一般原則

對(duì)于水電站電氣控制系統(tǒng)防誤操作設(shè)計(jì)的一般原則，筆者認(rèn)為：（1）要杜絕誤操作開(kāi)關(guān)設(shè)備；（2）要防止誤執(zhí)行控制流程，造成發(fā)電機(jī)組失控；（3）在事故情況下能夠迅速地按事先設(shè)定的程序把所控的設(shè)備轉(zhuǎn)為安全狀態(tài)。開(kāi)關(guān)柜的“五防”功能另有專(zhuān)門(mén)文章介紹，本文不作贅述，僅討論如何利用組態(tài)軟件的聯(lián)鎖技術(shù)實(shí)現(xiàn)“五防”閉鎖。防止誤執(zhí)行控制流程除了要在單元機(jī)組的順控流程中設(shè)置嚴(yán)密的啟停條件外，還要根據(jù)電力系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，嚴(yán)格按照邏輯順序執(zhí)行流程。事故處理是電站控制系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能，即在發(fā)生事故時(shí)能夠迅速把事故設(shè)備在電氣上和機(jī)械上隔離出來(lái)，防止事故擴(kuò)大，把損失降到最小。

5 水電站分散電氣控制系統(tǒng)組態(tài)防誤操作設(shè)計(jì)思路和要點(diǎn)

小型水電站一套完整的分散電氣控制系統(tǒng)的功能就是對(duì)整個(gè)電站的所有機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行全面監(jiān)視，并對(duì)主要機(jī)電設(shè)備進(jìn)行控制和操作。在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上需要考慮的因素很多，單就為了防止誤操作、提高系統(tǒng)的安全可靠性方面，筆者認(rèn)為應(yīng)該考慮以下三個(gè)方面：

5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理

5.1.1 采用全計(jì)算機(jī)控制的分層分布開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，一般可分為三層，即由遠(yuǎn)端集控層、站級(jí)控制層和現(xiàn)地控制層組成。

現(xiàn)地控制層是系統(tǒng)最重要的部分，它直接監(jiān)控被監(jiān)控設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程，既可作為分布系統(tǒng)中的現(xiàn)地智能終端，又可作為獨(dú)立的裝置單獨(dú)運(yùn)行，在脫離主控級(jí)的狀態(tài)下亦能夠完成其監(jiān)控范圍內(nèi)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理、設(shè)定值修改、設(shè)備工況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換、事故處理等任務(wù)，要求處理速度快、有容錯(cuò)、糾錯(cuò)能力，并帶有其監(jiān)控范圍內(nèi)的完整的數(shù)據(jù)庫(kù)。

站級(jí)控制層能對(duì)全站主要機(jī)電設(shè)備進(jìn)行控制，對(duì)所有機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行全面監(jiān)視，對(duì)電站生產(chǎn)管理、狀態(tài)檢修用途的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、歸檔并生成歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，為電站其他系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，通過(guò)遠(yuǎn)動(dòng)通信管理機(jī)實(shí)現(xiàn)與調(diào)度中心交換數(shù)據(jù)。

遠(yuǎn)端集控層功能與站級(jí)控制層一樣，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)把現(xiàn)地控制層采集的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)方集控中心，同時(shí)把集控中心的指令傳回現(xiàn)地LCU，以實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班，少人值守”的目的。

5.1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一般來(lái)講網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有星形結(jié)構(gòu)和環(huán)形結(jié)構(gòu)，為提高可靠性現(xiàn)在多采用環(huán)形結(jié)構(gòu)。對(duì)小型水電站可建立一套具有自愈能力的100Mbps單環(huán)光纖環(huán)網(wǎng)，構(gòu)成以太網(wǎng)骨干網(wǎng)，所有支持以太網(wǎng)通信的設(shè)備直接連接在這個(gè)骨干網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)彼此之間的數(shù)據(jù)交換。

5.1.3 系統(tǒng)的關(guān)鍵部位采用冗余配置，互為熱備用，如采用交直流雙電源裝置確保系統(tǒng)供電可靠，并采取電源避雷措施（防雷抗浪涌保護(hù)器）進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

5.2 軟件開(kāi)發(fā)安全可靠

整套分散電氣控制系統(tǒng)軟件應(yīng)以國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的工業(yè)控制軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以性價(jià)比優(yōu)越的大中型可編程控制器、智能數(shù)據(jù)采集模塊及高性能的工業(yè)控制微機(jī)為硬件核心，利用組態(tài)軟件靈活先進(jìn)的特點(diǎn)進(jìn)行深入開(kāi)發(fā)，提供一套具有良好開(kāi)放性、實(shí)時(shí)性、可移植性、高可靠性，符合開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的WINDOWS2000/XP多任務(wù)執(zhí)行程序。

5.2.1 系統(tǒng)控制權(quán)限設(shè)置。分散控制系統(tǒng)需設(shè)置不同的權(quán)限，正常情況下有權(quán)限的層級(jí)才能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，但事故情況下除外，如緊急停機(jī)命令就不受控制權(quán)限的閉鎖，任何時(shí)候都具有最高的優(yōu)先權(quán)。操作步驟按“選擇→返?！鷪?zhí)行”的方式進(jìn)行，并且每一步驟都有嚴(yán)格的軟件校核、檢錯(cuò)和安全閉鎖邏輯功能。

5.2.2 順控過(guò)程監(jiān)視。對(duì)單元機(jī)組自動(dòng)或分步開(kāi)機(jī)、停機(jī)、緊急停機(jī)及運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換的過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視。例如開(kāi)機(jī)時(shí)在監(jiān)控畫(huà)面上直接顯示出整個(gè)過(guò)程：開(kāi)啟球閥、啟動(dòng)技術(shù)供水泵、開(kāi)調(diào)速器、轉(zhuǎn)速調(diào)整、投勵(lì)磁、投同期并網(wǎng)等。如果發(fā)生異常情況，程序中止，并確保機(jī)組自動(dòng)轉(zhuǎn)換到安全狀態(tài)。

5.2.3 單步操作閉鎖。單步操作主要作為系統(tǒng)調(diào)試或其他特殊情況下使用，操作員操作前需要先進(jìn)行登錄，在輸入正確的用戶名和密碼后才能進(jìn)入操作界面。如操作某個(gè)高壓斷路器時(shí)，應(yīng)在畫(huà)面上同時(shí)推出主接線圖和相關(guān)閉鎖條件，只有當(dāng)條件滿足時(shí)，才能進(jìn)行操作，否則操作無(wú)效，并給出哪些條件不滿足的具體提示信息，可有效地防止誤操作的發(fā)生。

5.2.4 報(bào)警功能。當(dāng)系統(tǒng)中的設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變、繼電保護(hù)裝置或安控裝置動(dòng)作時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)推出報(bào)警信息，包括實(shí)時(shí)報(bào)警記錄表、點(diǎn)亮光字牌、發(fā)出報(bào)警語(yǔ)音等。實(shí)時(shí)報(bào)警記錄表必須嚴(yán)格按照事件發(fā)生的先后順序記錄，并且根據(jù)事件的性質(zhì)和重要性用不同的顏色加以區(qū)分，如電氣保護(hù)或隨機(jī)保護(hù)動(dòng)作時(shí)用紅色顯示；發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷、定子溫度升高等用黃色顯示。操作人員可按事先確定的不同的處理程序及時(shí)進(jìn)行處理，避免臨時(shí)慌亂，造成延誤或擴(kuò)大事態(tài)。

5.3 硬件配置

5.3.1 對(duì)系統(tǒng)中的核心部件，如操作站服務(wù)器、可編程控制器PLC、觸摸屏計(jì)算機(jī)等必修選用性價(jià)比高的國(guó)內(nèi)外知名廠商的產(chǎn)品，且在電力系統(tǒng)中已有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可靠性高。

5.3.2 對(duì)于安裝在現(xiàn)地的自動(dòng)化元件和執(zhí)行元件，如壓力開(kāi)關(guān)、示流信號(hào)器、測(cè)速裝置、交采裝置、電動(dòng)閥等，直接反映設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)和動(dòng)作情況，必須采用安全可靠的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，確保給系統(tǒng)提供及時(shí)準(zhǔn)確的真實(shí)數(shù)據(jù)，以免發(fā)生錯(cuò)誤的判斷，錯(cuò)誤地啟動(dòng)控制程序；同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要?jiǎng)幼黛`活可靠，避免造成誤動(dòng)和拒動(dòng)。自動(dòng)化元器件可靠與否對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性起著至關(guān)重要的作用。

6 結(jié)語(yǔ)

伴隨著電力系統(tǒng)的日益發(fā)展壯大，對(duì)控制系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。本文對(duì)水電站分散控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)中如何防止誤操作的思路和要點(diǎn)作了一些粗淺的分析，以期拋磚引玉，供同行互相探討。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：秦遜玉）