計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在三門峽水電站中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

三門峽黃河明珠（集團(tuán)）有限公司　劉　謀　張哂昭

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在三門峽水電站中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

三門峽黃河明珠（集團(tuán)）有限公司劉謀張哂昭

文中介紹了三門峽水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)、設(shè)備配置解決辦法，并簡(jiǎn)要分析了該系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用情況，可為其他大中型水電站自動(dòng)化控制的建設(shè)與改造提供參考。

水電站；計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；改造

0　引言

三門峽水利樞紐是黃河干流上修建的第一座大型綜合水利工程，位于黃河中段下游，河南省三門峽市和山西省平陸縣交界處，具有發(fā)電、防洪、防凌、灌溉等綜合利用效益。電站現(xiàn)已安裝7臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，目前總裝機(jī)容量為430MW。

1　電站監(jiān)控概況

三門峽電站監(jiān)控系統(tǒng)自1995年開(kāi)始，先后經(jīng)歷了常規(guī)無(wú)觸點(diǎn)弱點(diǎn)控制、工控機(jī)控制到現(xiàn)地智能可編程控制器等三代技術(shù)革新。目前電站站控級(jí)局域網(wǎng)為單星形網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)地級(jí)設(shè)有7套機(jī)組LCU、1套配電設(shè)備LCU、1套壩頂閘門LCU、兩套220kV開(kāi)關(guān)站LCU。該系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行了15年以上，單網(wǎng)系統(tǒng)可靠性低，已難以滿足電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需要。

2　三門峽水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

2012年起，電站與南京南瑞集團(tuán)公司、中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司合作設(shè)計(jì)，共同開(kāi)發(fā)了三門峽水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

三門峽水電站分為清水和渾水兩個(gè)不同運(yùn)行階段，基于該水電站設(shè)備狀況，借助最新的監(jiān)控技術(shù)，考慮如下要求：

1）滿足渾水發(fā)電時(shí)期停機(jī)特殊操作需求。渾水發(fā)電期間由于發(fā)電水頭低，上游來(lái)水夾雜過(guò)多的雜草、樹(shù)干等污物，個(gè)別的污物穿過(guò)攔污柵，經(jīng)蝸殼卡在固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉之間，造成機(jī)組停機(jī)過(guò)程中導(dǎo)葉無(wú)法關(guān)閉，機(jī)組轉(zhuǎn)速無(wú)法降低至加閘轉(zhuǎn)速。需在水電站1-7號(hào)機(jī)組現(xiàn)地控制盤、中控室控制盤需增加機(jī)組緊急停機(jī)、壩頂工作閘門緊急落門的硬布線回路。在機(jī)組停機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)速無(wú)法降低至加閘轉(zhuǎn)速的情況下，可繞開(kāi)監(jiān)控，人為操作工作閘門落門、跳開(kāi)機(jī)組出口開(kāi)關(guān)，滿足渾水發(fā)電特殊方式下的停機(jī)要求。

2）滿足電力系統(tǒng)高度可靠、冗余要求?？紤]到部分老舊設(shè)備自動(dòng)控制執(zhí)行不到位的情況，需在機(jī)組現(xiàn)地控制單元（LCU）盤柜內(nèi)設(shè)置水機(jī)與輔助系統(tǒng)獨(dú)立的操作回路。

3）滿足該水電廠頻繁開(kāi)停機(jī)，擴(kuò)大單元接線、單元接線機(jī)組綜合調(diào)度需求。該電站在河南電網(wǎng)可用于系統(tǒng)調(diào)峰，開(kāi)停機(jī)頻繁，電網(wǎng)對(duì)各個(gè)發(fā)電子系統(tǒng)要求能有獨(dú)立運(yùn)行能力。

4）實(shí)現(xiàn)自1998年來(lái)逐年改造的各監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信集成。實(shí)現(xiàn)新的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與省調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)、三門峽水電站管理信息系統(tǒng)（MIS）、三門峽水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、三門峽水電站全廠火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、三門峽水電站廠用電系統(tǒng)、三門峽水電站電能計(jì)量系統(tǒng)等的通信集成。

5）依據(jù)三門峽電站水輪發(fā)電機(jī)組工況，機(jī)組有功負(fù)荷在20MW以下工作時(shí)，存在擺度過(guò)大的問(wèn)題，在監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組出力分配過(guò)程中，需躲開(kāi)振動(dòng)區(qū)。

3　電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三門峽水電站1-7號(hào)發(fā)電機(jī)組、1-7號(hào)工作閘門之間的數(shù)據(jù)庫(kù)都采用全分布數(shù)據(jù)庫(kù)。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由一個(gè)電站主控級(jí)和數(shù)個(gè)現(xiàn)地控制單元（LCU）等2個(gè)部分組成。主控級(jí)與LCU之間采用100Mbit/s交換式冗余以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通信，通訊協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議。

各鏈路具備能自動(dòng)切換到備用鏈路功能。可在主控級(jí)退出運(yùn)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組、開(kāi)關(guān)站以及工作閘門的現(xiàn)地單獨(dú)操作。在兼顧設(shè)備運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)上，提高了該水電站設(shè)備調(diào)度的靈活性。

4　計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能

4.1監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行控制方式

三門峽水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)3種控制方式，以滿足電站的運(yùn)行需要，即河南省調(diào)遠(yuǎn)方控制、三門峽水電站控制室控制和單元設(shè)備現(xiàn)地控制。

根據(jù)三門峽水電站管理模式需要，設(shè)置以下控制權(quán)限級(jí)別。

1）現(xiàn)地控制權(quán)限為最高級(jí)別。由于該電廠設(shè)備較為陳舊，特別是水機(jī)、排水等單元系統(tǒng)還未進(jìn)行大規(guī)模改造，有據(jù)動(dòng)情況發(fā)生，有時(shí)需要做必要的現(xiàn)地操作，故在允許情況下可直接進(jìn)行現(xiàn)地操作。

2）控制室控制權(quán)其次。經(jīng)過(guò)1998年至今的多次改造，該水電站大部分設(shè)備已具備自動(dòng)控制功能，其控制在此次監(jiān)控改造時(shí)均已引入系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)控制室直接控制。

3）省調(diào)遠(yuǎn)方控制權(quán)限最低。由于三門峽水電廠機(jī)組負(fù)荷調(diào)整較為迅速，河南電網(wǎng)可將其作為調(diào)峰電廠，河南省調(diào)在必要時(shí)可經(jīng)過(guò)水電廠值班人員在監(jiān)控上設(shè)置河南省調(diào)直接控制權(quán)，以便省調(diào)及時(shí)調(diào)整機(jī)組負(fù)荷。

4.2監(jiān)控系統(tǒng)功能

三門峽水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、有效地完成對(duì)電站被控對(duì)象的安全監(jiān)控，并通過(guò)2M河南省電力專網(wǎng)通信通道與省調(diào)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)功能。

4.2.1監(jiān)控系統(tǒng)中控層完成監(jiān)控

中控層完成對(duì)該水電站1-7號(hào)機(jī)組、水電站各開(kāi)關(guān)、主變壓器、閘門狀態(tài)、輔助系統(tǒng)等的監(jiān)控，主要包括電流、電壓、溫度、開(kāi)度、震動(dòng)、擺度、機(jī)組蝸殼壓力、過(guò)機(jī)含沙量的數(shù)據(jù)采集與處理。并利用NC2000系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，生成友好的可視畫面輔助電站監(jiān)控管理。其主要實(shí)現(xiàn)功能包括：接入監(jiān)控設(shè)備的模擬量、開(kāi)關(guān)量、脈沖量等信息的數(shù)據(jù)采集與處理；自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）、自動(dòng)電壓控制（AVC）和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制（EDC）功能；監(jiān)視、記錄和報(bào)表；雙以太環(huán)網(wǎng)通信；On—call系統(tǒng)。

4.2.2三門峽水電站監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)

1）根據(jù)該水電站運(yùn)行方式需要，在LCU柜中，設(shè)置水機(jī)操作硬接線操作回路，主要有緊急停機(jī)、緊急落工作門、事故復(fù)歸、同期手動(dòng)方式操作、機(jī)組冷卻水閥組控制、鎖定投退，空氣圍帶投撤等按鈕、壓油泵控制按鈕等，其與監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)控制回路并列出口，可以滿足特殊情況下，需全手動(dòng)模式開(kāi)停機(jī)操作要求。

2）采用開(kāi)放、分層分布式結(jié)構(gòu)，機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)與壩頂工作閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，靈活調(diào)控，使其具備有獨(dú)立運(yùn)行能力，確保對(duì)各臺(tái)機(jī)組運(yùn)行、引水工作閘門進(jìn)行有效操控。

3）通過(guò)LCU通訊管理裝置與其它已改造的監(jiān)控單元鏈接，統(tǒng)一采用485串口通訊方式，遵循modbus規(guī)約，解決數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)該電站多種監(jiān)控單元整合。

4）鑒于低水頭發(fā)電，需躲過(guò)機(jī)組共振區(qū)域，通過(guò)上位機(jī)組態(tài)，在自動(dòng)發(fā)電控制界面增加躲避參數(shù)，同時(shí)在負(fù)荷分配機(jī)組PID調(diào)節(jié)模塊中通過(guò)程序處理，專門設(shè)定下發(fā)值規(guī)避區(qū)域，使機(jī)組避開(kāi)振動(dòng)區(qū)。

5）增加風(fēng)閘起落、剪斷銷剪斷信號(hào)采集功能。通過(guò)一套風(fēng)閘及剪斷銷測(cè)點(diǎn)I/O采集裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組24個(gè)剪斷銷信號(hào)器信號(hào)接點(diǎn)以及12個(gè)風(fēng)閘位置接點(diǎn)的采集，當(dāng)剪斷銷或風(fēng)閘中的任意一路接點(diǎn)

信號(hào)有效時(shí)，系統(tǒng)可以及時(shí)準(zhǔn)確判斷出故障部位，并發(fā)出報(bào)警，以供工作人員有針對(duì)性分析和排除故障，保證設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)裝置又要有硬接點(diǎn)輸出，以供機(jī)組控制流程使用。

5　三門峽水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)

1）系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，符合技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，以雙局域網(wǎng)為核心，實(shí)現(xiàn)各服務(wù)器、工作站功能分擔(dān)、數(shù)據(jù)分散處理，處理速度快，工作效率高，冗余化的設(shè)計(jì)和開(kāi)放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)既可靠實(shí)用又便于擴(kuò)充，整個(gè)系統(tǒng)先進(jìn)、可靠、性價(jià)比高，各工作站/服務(wù)器在系統(tǒng)中處于平等地位，系統(tǒng)的后續(xù)擴(kuò)充不會(huì)引起原系統(tǒng)大的變化，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備資源相對(duì)獨(dú)立，又可為其他節(jié)點(diǎn)共享，為今后功能擴(kuò)充提供了較大的方便。

2）采用部分設(shè)備單元手動(dòng)回路與自動(dòng)控制回路并列出口，解決三門峽水電廠渾水發(fā)電期間的特殊運(yùn)行操作要求。

3）實(shí)現(xiàn)與機(jī)組工作閘門、開(kāi)關(guān)站的集中控制。三門峽水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，便考慮對(duì)水電站、閘門設(shè)備和220KV、110KV開(kāi)關(guān)站進(jìn)行集控。前期對(duì)工作閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)的改造，考慮到其與相關(guān)機(jī)組的有機(jī)結(jié)合，閘門控制整體作為一個(gè)獨(dú)立的LCU單元接入全廠監(jiān)控系統(tǒng)中，但在單臺(tái)機(jī)組的監(jiān)控頁(yè)面中，增加對(duì)應(yīng)工作閘門的運(yùn)行狀態(tài)及信息，同時(shí)在機(jī)組LCU控制單元增加閘門指示開(kāi)度以及緊急落門按鈕，可實(shí)現(xiàn)一體化操作；在對(duì)開(kāi)關(guān)站自動(dòng)化改造中，可以在全廠監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)顯示開(kāi)關(guān)站相關(guān)開(kāi)關(guān)、刀閘的狀態(tài)，配合視頻監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方對(duì)開(kāi)關(guān)站開(kāi)關(guān)、刀閘的自動(dòng)操作功能，考慮到可能存在刀閘合不到位的情況，為確保安全，每一步流程的操作、執(zhí)行都得由運(yùn)行人員確認(rèn)位置方可進(jìn)行下一步操作。

6　結(jié)束語(yǔ)

三門峽水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方面充分考慮新、老設(shè)備的接口銜接以及部分生產(chǎn)設(shè)備因老化安全可靠性不高問(wèn)題，能夠滿足早期水電站需要分階段分批次進(jìn)行改造的要求，并能使該電廠發(fā)電機(jī)組始終保持在穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài)下運(yùn)行，但為滿足該電站實(shí)際運(yùn)行需求，監(jiān)控系統(tǒng)中加入了較多的手動(dòng)控制單元，這對(duì)運(yùn)行操作人員提出了較高的操作要求，為保證機(jī)組安全運(yùn)行，還需繼續(xù)探索更加可靠技術(shù)應(yīng)對(duì)方案。

［1］施沖，朱辰，龐敏.水電廠無(wú)人值守與監(jiān)控系統(tǒng)改造［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2002，26（5）：10-13.

［2］王善永.基于MB80的大型抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.水電廠自動(dòng)化，2006，109（4）：49-53.

［3］水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件［M］.北京：中國(guó)電力出版社出版，2008.

劉謀，男，工程師，主要從事電氣自動(dòng)化技術(shù)管理方面的工作。

張哂昭，男，工程師，主要從事水電廠電氣自動(dòng)化及運(yùn)行管理方面的工作。