基于Modbus協(xié)議的流域集控聲光報(bào)警技術(shù)

黃海軍，王 旭，章澤生，陳慶松，宋連會(huì)

(華電云南發(fā)電有限公司, 云南 昆明 650228)

遠(yuǎn)程集控中心和水電站“無(wú)人值班、少人值守”的生產(chǎn)管理模式設(shè)想[1]已逐步成為了現(xiàn)實(shí)，國(guó)電投五凌集控、華電金中集控、華能瀾滄江集控、三峽昆明集控等開(kāi)展了各具特色的適應(yīng)性改造工作[2-6]，但現(xiàn)有技術(shù)平臺(tái)仍存在明顯不足：一是“無(wú)人值班，少人值守”模式大大增大了設(shè)備監(jiān)視的難度，集控中心在全面接入電廠信息后，海量的信息涌入，與落后的設(shè)備平臺(tái)間形成了不可調(diào)和的矛盾，漏監(jiān)視、誤操作、誤調(diào)度、應(yīng)急不當(dāng)?shù)葐?wèn)題多發(fā)，已嚴(yán)重制約了流域集控中心的發(fā)展[7-8]；二是電力市場(chǎng)改革逐步深入，現(xiàn)有設(shè)備系統(tǒng)不能很好地滿足現(xiàn)貨市場(chǎng)出清變化大、電網(wǎng)自駕駛要求高等方面的要求；三是值班員在長(zhǎng)時(shí)間精神緊張的工作中，工作敏感性會(huì)自然回落至一個(gè)較低的水平，突發(fā)事件發(fā)生后，可能無(wú)法滿足高質(zhì)量應(yīng)急處置的需要。

2018年初，某大型發(fā)電站有功自發(fā)突升390 MW、無(wú)功突漲122.44 Mvar，由于功率自發(fā)突增現(xiàn)象異常罕見(jiàn)，各設(shè)備系統(tǒng)并未告警，值班員也未能及時(shí)作出處置，對(duì)電網(wǎng)頻率調(diào)控產(chǎn)生了一定的影響。因此，如何提高電力生產(chǎn)監(jiān)視的技術(shù)能力，識(shí)別和預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)，成為遠(yuǎn)程集控中心防范安全風(fēng)險(xiǎn)的迫切需要；同時(shí)，提升遠(yuǎn)程應(yīng)急處置的正確性、速動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性，成為各生產(chǎn)單位管理上的難題。研究中提出了一種聲光報(bào)警的技術(shù)，通過(guò)緊急事件的摘要呈現(xiàn)，強(qiáng)迫值班員快速調(diào)整精神狀態(tài)，進(jìn)入應(yīng)急處置模式，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 聲光報(bào)警的必要性

1.1 遠(yuǎn)程值班的技術(shù)要求

遠(yuǎn)程集控模式的涌現(xiàn)，既是不斷適應(yīng)電力市場(chǎng)改革的直接結(jié)果，又是適應(yīng)大數(shù)據(jù)、智能化等設(shè)備技術(shù)的必然趨勢(shì)[9-10]。

遠(yuǎn)程集控中，值班員擔(dān)任“發(fā)電操控工+維護(hù)監(jiān)督員+生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)哨兵”的角色，即啟停設(shè)備，控制和維持發(fā)電穩(wěn)態(tài)；監(jiān)督維護(hù)工作范圍，確保常規(guī)工作不會(huì)中斷正常的發(fā)電生產(chǎn)；監(jiān)視全廠設(shè)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，常規(guī)缺陷通知維護(hù)人員消缺，緊急事件自行隔離與匯報(bào)，確保生命財(cái)產(chǎn)安全以及保證供電的質(zhì)量。因此，為值班員提供相應(yīng)的設(shè)備監(jiān)視、控制工具，確保生產(chǎn)信息快速、有效提取，是遠(yuǎn)程值班的技術(shù)本質(zhì)要求。

1.2 應(yīng)急處置的及時(shí)性要求

電力是現(xiàn)代社會(huì)的基礎(chǔ)資源，監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求保供電措施必須落實(shí)到位，防范人為安全風(fēng)險(xiǎn)；若發(fā)生異常，須立即進(jìn)行有效的應(yīng)急處置，確保電力供應(yīng)不受影響[11]。

因此，快速轉(zhuǎn)入應(yīng)急狀態(tài)、組織恰當(dāng)?shù)娜藛T對(duì)系統(tǒng)予以有效干預(yù)，是保供電的根本要求。

1.3 彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)局限的要求

在“全監(jiān)、全控”模式下[12]，主流計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的文本報(bào)警內(nèi)容太多，無(wú)法分清主次，“漏監(jiān)視”率高；普通畫面需要主動(dòng)翻查，操作繁瑣；光字牌雖可主動(dòng)彈出，但調(diào)頻及現(xiàn)貨市場(chǎng)下須頻繁開(kāi)停機(jī)，可能導(dǎo)致重大操作被迫中斷，而引發(fā)次生事故；語(yǔ)音報(bào)警被動(dòng)監(jiān)視效果好，但常常不能及時(shí)播報(bào)，延遲處理時(shí)機(jī)。因此，亟需一種被動(dòng)監(jiān)屏的工具，為值班員提供早期風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的技術(shù)支撐。

因此，采取聲光報(bào)警技術(shù)，觸發(fā)值班員從按部就班的常規(guī)工作中跳出來(lái)，快速進(jìn)入應(yīng)急處置狀態(tài)，是集控中心迫切的工作需要[13]。

2 聲光報(bào)警的數(shù)據(jù)模型

2.1 聲光報(bào)警模型的構(gòu)建原則

聲光報(bào)警信息的彈出必須恰當(dāng)、及時(shí)，經(jīng)反復(fù)研究，確立了以下原則。

a.由核心設(shè)備告警觸發(fā)，而不包含非關(guān)鍵的狀態(tài)信息。聲光報(bào)警應(yīng)該是緊迫的，因此必須找到一種應(yīng)急狀態(tài)轉(zhuǎn)換的介入點(diǎn)；這些測(cè)點(diǎn)就是生產(chǎn)過(guò)程中的不可逾越的安全紅線，例如有處理時(shí)限要求的告警事件。

b.由可靠的事故、故障信號(hào)觸發(fā)，而不包含頻繁動(dòng)作的事件測(cè)點(diǎn)。水電站的生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜多變，壓力、流量、溫度等容易誤動(dòng)作，不宜引入聲光報(bào)警。

c.由最終狀態(tài)觸發(fā)，而不包括中間狀態(tài)，避免結(jié)構(gòu)臃腫和邏輯復(fù)雜。以圖1緊急停機(jī)流程為例，觸發(fā)源不應(yīng)包含各系統(tǒng)上送的事故信號(hào)，僅選用啟動(dòng)終態(tài)的緊停閥、事故配的動(dòng)作信息即可。

圖1 緊停流程中的最終態(tài)與過(guò)程態(tài)

d.由綜合信息觸發(fā)，而不包含子信號(hào)、也不展示具體的信息。如保護(hù)系統(tǒng)選擇裝置總跳閘信號(hào)，而不是某個(gè)子保護(hù)的動(dòng)作信息。

e.可以由累積發(fā)展或長(zhǎng)時(shí)間演變的預(yù)警信號(hào)來(lái)觸發(fā)。例如：①發(fā)生故障后不能快速恢復(fù)狀態(tài)的操作機(jī)構(gòu)，如彈簧儲(chǔ)能、氣壓、液壓系統(tǒng)等的異常工況;②負(fù)荷跳變、電機(jī)狀態(tài)異常等。

f.側(cè)重由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬接線數(shù)據(jù)觸發(fā)，通信方式上送的數(shù)據(jù)為輔。

2.2 遠(yuǎn)程集控的聲光報(bào)警模型

2.2.1 控制系統(tǒng)的聲光報(bào)警

控制系統(tǒng)的異常是主要的聲光報(bào)警對(duì)象，以防范調(diào)控異常，保障電廠設(shè)備的安全。表1為控制系統(tǒng)的報(bào)警源。

表1 控制系統(tǒng)的報(bào)警源

2.2.2 保護(hù)系統(tǒng)的聲光報(bào)警

及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣異常動(dòng)作，快速安排設(shè)備排查以及重合閘，保護(hù)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全。表2為保護(hù)系統(tǒng)的報(bào)警源。

表2 保護(hù)系統(tǒng)的報(bào)警源

2.2.3 關(guān)鍵設(shè)備的聲光報(bào)警

識(shí)別電氣開(kāi)關(guān)、水工建筑物等的異常，保障電廠和電網(wǎng)的主體設(shè)備安全。表3為關(guān)鍵設(shè)備的報(bào)警源。

表3 關(guān)鍵設(shè)備的報(bào)警源

2.2.4 異常狀態(tài)的聲光報(bào)警

建立負(fù)荷突變、設(shè)定異常等技術(shù)手段，加強(qiáng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的管控。

2.2.5 檢修異動(dòng)的聲光報(bào)警

監(jiān)測(cè)檢修設(shè)備的異常工況。如檢修狀態(tài)的開(kāi)關(guān)站設(shè)備，如果隔離開(kāi)關(guān)發(fā)生非預(yù)期操作，觸發(fā)聲光報(bào)警。

2.2.6 其他異常的聲光報(bào)警

過(guò)速、水淹頂蓋等高危狀態(tài)信號(hào)，應(yīng)該分秒必爭(zhēng)，盡早介入處理。如表4所示。

可以緩慢處理的告警事件，一般不納入聲光報(bào)警處理。經(jīng)過(guò)篩選，每個(gè)大型水電站的聲光報(bào)警量為200～400條，約占 1%～2%。合理的數(shù)據(jù)模型是技術(shù)成功的關(guān)鍵，宜覆蓋面完整、輕重緩急清晰。

3 聲光報(bào)警的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)?/h3>

上位機(jī)采用國(guó)電南自SD80002.3.0系統(tǒng)，下位機(jī)采用施耐德Modicon M340 PLC、南華機(jī)電AL600U聲光報(bào)警器，如圖2所示。

圖2 聲光報(bào)警系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3.2 邏輯組態(tài)技術(shù)的選型

J集控中心位于網(wǎng)架復(fù)雜、監(jiān)管嚴(yán)格的云南電網(wǎng)，是總調(diào)直調(diào)廠站。因防范漏監(jiān)視等管理需要，配置的聲光報(bào)警源就超過(guò)了1000項(xiàng)，該應(yīng)用在國(guó)內(nèi)并無(wú)先例，因此須研究其數(shù)據(jù)組態(tài)的方式，有以下選擇。

a.上位機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)模式

在上位機(jī)中，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)象或順控流程等模塊進(jìn)行組態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)邏輯的實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 上位機(jī)邏輯組態(tài)界面

上位機(jī)的組態(tài)需要定義輸入屬性、計(jì)算屬性等變量，綁定測(cè)點(diǎn)，編寫邏輯腳本，因此需要大量的界面操作；如果腳本處理不恰當(dāng)，存在出錯(cuò)、運(yùn)算中斷的風(fēng)險(xiǎn)。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)上位機(jī)組態(tài)模式延時(shí)較為明顯，部分瞬時(shí)信號(hào)有丟失的風(fēng)險(xiǎn)。

b.下位機(jī)PLC程序組態(tài)模式

在下位機(jī)中，通過(guò)PLC程序進(jìn)行組態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警的控制邏輯，如圖4所示。

圖4 下位機(jī)組態(tài)示意圖

采用函數(shù)式編程的方法，可以對(duì)各個(gè)聲光報(bào)警源進(jìn)行單獨(dú)處理，互不干擾，運(yùn)算比較可靠；循環(huán)控制比較簡(jiǎn)便，而且后期修改量也??；缺點(diǎn)是不直觀，使用 ST語(yǔ)言進(jìn)行編程有一定的入手門檻。

綜上，考慮功能的可靠性、實(shí)時(shí)性和可維護(hù)性，項(xiàng)目采取了下位機(jī)組態(tài)的方式，并使用Modbus-TCP協(xié)議構(gòu)建上下位機(jī)之間的通信模型。

3.3 下行信文的設(shè)計(jì)

a.數(shù)據(jù)流的設(shè)計(jì)

下行信文用于傳輸原始數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行邏輯組態(tài)。下行數(shù)據(jù)的處理如圖5所示。

圖5 PLC的聲光報(bào)警處理流程圖

b.下行信文的解析

項(xiàng)目Modbus-TCP程序采取“FORCE MULTIPLE REGISTERS”(預(yù)置保持寄存器，功能碼10H)方式下行信文，如圖6所示。

圖6 Modbus-TCP下行報(bào)文示意圖

開(kāi)關(guān)量16位(Bit)構(gòu)成一個(gè)字(Word)，位按“高位在前、低位在后”排序，因此在進(jìn)行圖6“測(cè)點(diǎn)映射”、“壓板映射”等運(yùn)算時(shí)，對(duì)下行信文按圖7排序規(guī)則進(jìn)行解析。

圖7 PLC測(cè)點(diǎn)排序示意圖

以圖6的報(bào)文為例，044是項(xiàng)目自定義的起始報(bào)文，前3個(gè)字表征上位機(jī)信息；每個(gè)字為2字節(jié)(Byte)，那么第24個(gè)字e00(二進(jìn)制值1110000000000000)的含義是：336=8*(2*(24-3))、335、334聲光測(cè)點(diǎn)為動(dòng)作態(tài)，翻查上位機(jī)通信點(diǎn)表庫(kù)(見(jiàn)圖8)，確認(rèn)了該解析的正確性。

圖8 上位機(jī)的測(cè)點(diǎn)動(dòng)作表

3.4 上行信文的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋和歷史記錄功能，如壓板的強(qiáng)制狀態(tài)、AI的品質(zhì)值、DO的輸出值等，須設(shè)計(jì)上行信文。如圖9、圖10所示。

圖9 上行AI信文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖10 上行DI信文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為了避免大量的數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)造成擁塞，上行信文以依次堆疊 AI、SOE、DI、DO等數(shù)據(jù)的方式最大化減少了上送的數(shù)據(jù)量。

4 聲光報(bào)警的運(yùn)算邏輯

在完成數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建、數(shù)據(jù)的傳輸解析后，須組織好數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系。

4.1 聲光報(bào)警的閉鎖

a.為避免信號(hào)反復(fù)變位導(dǎo)致的刷屏，每個(gè)信號(hào)、每個(gè)LCU區(qū)域、每個(gè)廠站均具備獨(dú)立的檢修屏蔽報(bào)警功能；

b.廠站和LCU的“檢修”軟開(kāi)關(guān)退出后，該組織中的所有聲光報(bào)警測(cè)點(diǎn)均恢復(fù)正常報(bào)警。

4.2 測(cè)點(diǎn)的組合輸出

聲光報(bào)警觸發(fā)源數(shù)據(jù)量大，因此需要對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總(見(jiàn)表5)，有助于快速定位，做出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。

表5 聲光報(bào)警的組合報(bào)警

聲光報(bào)警的各類動(dòng)作信號(hào)，應(yīng)當(dāng)配置歷史信息，以便于追溯。

4.3 報(bào)警時(shí)長(zhǎng)與信號(hào)復(fù)位

每個(gè)測(cè)點(diǎn)報(bào)警后，需要人工復(fù)歸才能取消輸出，即報(bào)警燈應(yīng)該常亮直到全部復(fù)位并復(fù)歸后才能滅燈。

4.4 畫面配置

配置聲光報(bào)警畫面，便于進(jìn)行屏蔽、復(fù)位等操作，以及狀態(tài)監(jiān)視。

圖11 聲光屏蔽示意圖

4.5 PLC 運(yùn)算邏輯簡(jiǎn)圖

綜上，PLC中ST語(yǔ)言構(gòu)建的的運(yùn)算邏輯概括如圖12所示。

圖12 PLC中的聲光報(bào)警邏輯簡(jiǎn)圖

4.6 聲光報(bào)警的應(yīng)用

作為一種改變值班模式的技術(shù)，聲光報(bào)警發(fā)生時(shí)，驅(qū)使人員快速進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)；配合監(jiān)控系統(tǒng)畫面(如跳閘矩陣、閉鎖邏輯圖等)準(zhǔn)確快速定位事件要素，進(jìn)行包括事件核實(shí)、人員組織、暫停檢修工作、風(fēng)險(xiǎn)隔離、緊急匯報(bào)等一系列符合應(yīng)急規(guī)程的操作，在事故早期關(guān)鍵的3 min完成組織、介入處理，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，將不安全事件控制和消除于萌芽狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

聲光報(bào)警的設(shè)置大大提高了特殊事件的應(yīng)急處置效率，應(yīng)急介入時(shí)間可提前至25 s以內(nèi)，處置效率提升30%～75%。應(yīng)急模式的快速切入，有利于快速控制異常，避免對(duì)社會(huì)供電造成不當(dāng)?shù)挠绊?，也為開(kāi)展水電站“無(wú)人值班”管控模式改革等工作提供重要的支撐。

聲光報(bào)警觸發(fā)源的選配，要深挖管理本質(zhì)要求，確立恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)模型構(gòu)建原則。聲光報(bào)警是對(duì)核心狀態(tài)進(jìn)行提醒、觸發(fā)應(yīng)急處置模式的工具，可以克服文本報(bào)警無(wú)重點(diǎn)、語(yǔ)音報(bào)警不及時(shí)等方面的弱點(diǎn)，但其無(wú)法替代語(yǔ)音、文本等傳統(tǒng)工具；因此不宜增加過(guò)多的信號(hào)，不宜引入過(guò)度復(fù)雜的邏輯，防范系統(tǒng)各部件配合失效現(xiàn)象。