用智能TCU 取代LCU 的水電站監(jiān)控系統(tǒng)研究

趙國(guó)建，先 嘉，何 軍，劉昊鵬

（四川中鼎科技有限公司，四川 成都 610046）

1 概述

目前水電站的自動(dòng)控制模式基本停留在20 世紀(jì)90 年代建立的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為主體的分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)結(jié)合分散、分布的孤立控制系統(tǒng)組成全站自動(dòng)控制系統(tǒng)，其信息交換非常少、網(wǎng)絡(luò)連接薄弱、專(zhuān)用控制裝置的智能化程度低，更不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享。每一個(gè)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制任務(wù)的系統(tǒng)自成一體，均采用自身獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、建模算法、人機(jī)界面和輸出控制等，往往造成全站控制信息相互封鎖、多重元件設(shè)置、控制器功能單一、資源浪費(fèi)和自成一體的信息孤島的狀態(tài)。

目前的全站控制系統(tǒng)仍然以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制為目的，主要解決設(shè)備控制的自動(dòng)化水平、控制功能和可靠性問(wèn)題。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)往往需要建立在硬件可靠和軟件簡(jiǎn)單、實(shí)用的基礎(chǔ)上。其對(duì)于實(shí)現(xiàn)基于被控對(duì)象特性的智能監(jiān)測(cè)、診斷控制、容錯(cuò)控制、預(yù)測(cè)控制、共享控制、智能保護(hù)及在線(xiàn)升級(jí)等智能化功能幾乎無(wú)所作為，傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)已不適應(yīng)當(dāng)前智慧水電廠(chǎng)建設(shè)的需求。由于設(shè)置LCU 進(jìn)行現(xiàn)地控制設(shè)備之間信息交換的局限，對(duì)于控制機(jī)組轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的調(diào)速器、控制機(jī)組電壓的勵(lì)磁裝置與電站輔助設(shè)備的自動(dòng)控制和當(dāng)前智能控制的要求仍然需要依靠LCU 完成的初衷不僅過(guò)去不能，現(xiàn)在更難實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上也是如此：大中型水電站的調(diào)速、勵(lì)磁、輔助設(shè)備等的自動(dòng)控制和未來(lái)的智能控制仍然需要專(zhuān)業(yè)化程度更高的制造廠(chǎng)商來(lái)承擔(dān)完成。這些控制裝置獨(dú)立、有效并可靠地完成各自的控制任務(wù)以及針對(duì)對(duì)象特征的智能控制和診斷控制，從而有效組成對(duì)水電站主輔機(jī)設(shè)備正常工作的控制任務(wù)，比如：調(diào)整穩(wěn)定機(jī)組轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)穩(wěn)定機(jī)組電壓、控制機(jī)組操作壓力油壓和油位、保持機(jī)組技術(shù)供水、集水井水位正常等；因此，采用構(gòu)成水電站監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)控制單元（TCU）取代現(xiàn)地控制單元LCU 直接接入廠(chǎng)站層冗余的高速網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、實(shí)現(xiàn)智慧化電廠(chǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲得成為必然。

同時(shí)，在當(dāng)前水電站智能化建設(shè)中，傳統(tǒng)LCU的弊端越來(lái)越明顯，不僅不能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的控制，而且對(duì)于大量數(shù)據(jù)的采集，信息的互聯(lián)互通越來(lái)越力不從心，反而成了全站信息化、數(shù)字化、智能化實(shí)現(xiàn)的一個(gè)瓶頸。因此，若要實(shí)現(xiàn)水電站的智能化，必須首先取消LCU，打破水電站所有主輔機(jī)設(shè)備的控制系統(tǒng)按照專(zhuān)業(yè)化分工的原則，不僅需要實(shí)現(xiàn)自身的智能化控制升級(jí)，同時(shí)還應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放的高速信息通信接口方式直接接入廠(chǎng)站層網(wǎng)絡(luò)的高速公路，讓數(shù)據(jù)共享，透明工廠(chǎng)的實(shí)現(xiàn)方成為可能。國(guó)內(nèi)水電站智能化智慧化監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)水平和狀況見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1-4]。

總之，基于數(shù)據(jù)控制的智能化和基于信號(hào)的自動(dòng)化有著極大的區(qū)別，所有信息化、數(shù)字化是智能化的基礎(chǔ)，取消LCU，打通信息瓶頸，實(shí)現(xiàn)全站設(shè)備的信息互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)流自由開(kāi)放共享是水電站智能控制的基礎(chǔ)，也是智慧電廠(chǎng)的必備。

2 研究目標(biāo)和技術(shù)路徑

筆者提供了一種新一代的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)包括：主控制單元及一組智能化的任務(wù)控制單元（以下簡(jiǎn)稱(chēng)智能TCU）。主控制單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與智能任務(wù)控制單元連接；每個(gè)智能TCU 按照預(yù)設(shè)程序獨(dú)立完成一個(gè)特定的任務(wù)，如調(diào)速控制、勵(lì)磁控制、機(jī)組開(kāi)停機(jī)、電氣保護(hù)、水機(jī)保護(hù)、轉(zhuǎn)速控制、輔機(jī)控制及振動(dòng)保護(hù)等。是一種系統(tǒng)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、高度網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放、共享數(shù)據(jù)的全站智能控制架構(gòu)，建立主控制單元與各個(gè)智能TCU 之間雙向的高速網(wǎng)絡(luò)通信，各個(gè)智能TCU 之間可以共享數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于被控對(duì)象特性的智能監(jiān)測(cè)、診斷控制、容錯(cuò)控制、預(yù)測(cè)控制、共享控制、智能保護(hù)及在線(xiàn)升級(jí)等智能化功能，使實(shí)現(xiàn)智慧水電廠(chǎng)的建設(shè)成為可能。水電站監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)主控制單元或智能TCU 向目標(biāo)任務(wù)控制單元發(fā)送任務(wù)控制指令，實(shí)現(xiàn)主控制單元與各個(gè)智能TCU 之間的雙向通信和各個(gè)智能TCU之間的信息和控制共享，減少原I/O 接口方式的大量輸入輸出設(shè)備和電纜接線(xiàn)，減少水電站控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層級(jí)，提高主控級(jí)對(duì)各智能TCU 基于數(shù)據(jù)的控制、診斷和維護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)水電站全站的智能控制，提高水電站的控制可靠性和信息化能力，為實(shí)現(xiàn)水電站基于數(shù)據(jù)的智能化監(jiān)控系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。該系統(tǒng)現(xiàn)已獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)（發(fā)明專(zhuān)利號(hào)：ZL 201710408100.1）。

該水電站監(jiān)控系統(tǒng)包括：主控制單元及智能TCU，主控制單元與多個(gè)智能TCU 通過(guò)廠(chǎng)站級(jí)網(wǎng)絡(luò)連接，每個(gè)智能TCU 根據(jù)預(yù)設(shè)程序單獨(dú)完成一個(gè)特定任務(wù)，其中機(jī)組側(cè)工作組的特定任務(wù)包括：開(kāi)停機(jī)控制、調(diào)速控制、勵(lì)磁調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速測(cè)控、電氣保護(hù)、水機(jī)保護(hù)、振動(dòng)保護(hù)和輔機(jī)測(cè)控等；每個(gè)智能TCU 包括通信設(shè)備、I/O 設(shè)備、存儲(chǔ)器和控制器，智能TCU通過(guò)I/O 接口與一個(gè)被控的主輔機(jī)設(shè)備連接；每個(gè)智能TCU 之間和/或主控制單元與智能TCU 之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建立數(shù)據(jù)通信。

主控制單元或智能TCU 向目標(biāo)智能TCU 發(fā)送任務(wù)控制指令，其中，任務(wù)控制指令包括目標(biāo)智能TCU 中的目標(biāo)主機(jī)或輔機(jī)設(shè)備的名稱(chēng)及控制指令的內(nèi)容；目標(biāo)智能TCU 根據(jù)接收到的任務(wù)控制指令對(duì)目標(biāo)主機(jī)或輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行控制；目標(biāo)主機(jī)或輔機(jī)設(shè)備根據(jù)任務(wù)控制指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而實(shí)現(xiàn)主控制單元與各個(gè)智能TCU 之間的雙向通信以及各個(gè)智能TCU 之間的信息共享，減少原I/O 接口方式的大量輸入輸出設(shè)備和硬接線(xiàn)，減少了水電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層級(jí)，提高了主控級(jí)對(duì)各智能TCU 基于數(shù)據(jù)的控制、診斷和維護(hù)能力，提高了水電站的控制可靠性和信息化能力，為實(shí)現(xiàn)水電站基于數(shù)據(jù)的智能化監(jiān)控系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。

3 實(shí)施方案

圖1 為水電站監(jiān)控系統(tǒng)10 示意圖。

圖1 水電站監(jiān)控系統(tǒng)10 示意圖

（1）水電站監(jiān)控系統(tǒng)10 包括：主控制單元100及智能TCU200。主控制單元100 與一個(gè)智能TCU200 通信連接。主控制單元100 為水電站監(jiān)控系統(tǒng)10 運(yùn)行的核心，智能TCU200 的數(shù)目可為多個(gè)，智能TCU200 用于對(duì)水電站中工作的各個(gè)主機(jī)或輔機(jī)設(shè)備的任務(wù)進(jìn)行控制，主控制單元100 配合智能TCU200 構(gòu)成對(duì)水電站的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制功能。在本研究方案中，主控制單元100 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與智能TCU200 通信連接，網(wǎng)絡(luò)是水電站廠(chǎng)站層的TCP/IP的高速冗余網(wǎng)絡(luò)，有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，以使主控制單元100 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與智能TCU200 實(shí)現(xiàn)雙向通信。

（2）智能TCU200 包括：通信設(shè)備、I/O 設(shè)備、存儲(chǔ)器和控制器等，智能TCU200 通過(guò)I/O 接口與一個(gè)主機(jī)或輔機(jī)設(shè)備300 連接，其組成包含被控對(duì)象和控制設(shè)備的控制系統(tǒng)。其中，每個(gè)智能TCU200 根據(jù)預(yù)設(shè)程序單獨(dú)地執(zhí)行一項(xiàng)特定任務(wù)，特定任務(wù)包括：開(kāi)停機(jī)控制、調(diào)速控制、勵(lì)磁控制、轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、振擺控制或輔機(jī)控制等。多個(gè)智能TCU200可構(gòu)成對(duì)一發(fā)電機(jī)組或公用設(shè)備中所有任務(wù)進(jìn)行控制的任務(wù)組20。在一個(gè)水電站中可根據(jù)發(fā)電機(jī)組及公用設(shè)備的數(shù)量設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的任務(wù)組20。

（3）通信設(shè)備用于在智能TCU200 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸，智能TCU200 之間通過(guò)通信設(shè)備通信連接，建立數(shù)據(jù)通信，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)主機(jī)或輔機(jī)設(shè)備300 之間的信息共享。通信設(shè)備還用于主控制單元100 與智能TCU200 之間的雙向通信，主控制單元100 與智能TCU200 通過(guò)通信設(shè)備建立數(shù)據(jù)通信。

（4）主機(jī)或輔機(jī)設(shè)備300 通過(guò)I/O 接口與任務(wù)組20 中的智能TCU200 連接，主機(jī)或輔機(jī)設(shè)備300 為水電站中完成發(fā)電過(guò)程的被控設(shè)備，主機(jī)或輔機(jī)設(shè)備300 包括但不限于：水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速器液壓柜、勵(lì)磁功率柜、油壓裝置、空壓機(jī)、集水井等。主機(jī)或輔機(jī)設(shè)備300 可以是上述裝置中的一種或多種任意組合。

（5）每個(gè)智能TCU200 中的通信設(shè)備可以根據(jù)需要接入智能TCU200 的主機(jī)或輔機(jī)設(shè)備300 的任務(wù)及主機(jī)或輔機(jī)設(shè)備300 對(duì)應(yīng)的空間位置關(guān)系進(jìn)行設(shè)置，以保證智能TCU200 中的通信設(shè)備的設(shè)置位置可以滿(mǎn)足接入智能TCU200 中的主機(jī)或輔機(jī)設(shè)備300 的通信需求。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)的水電站監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)還處于20世紀(jì)90 年代水平，目前還沒(méi)有新一代的技術(shù)在水電站監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。筆者介紹的采用智能TCU 組成的被控主輔機(jī)設(shè)備的水電站監(jiān)控系統(tǒng)，在減少原I/O 接口方式的大量輸入輸出設(shè)備和電纜接線(xiàn)、減少水電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層級(jí)、提高主控級(jí)對(duì)各智能TCU 基于數(shù)據(jù)的控制、診斷和維護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)水電站全站的智能控制以及提高水電站的控制的可靠性和信息化水平等方面具有根本性、革命性的意義，是一條實(shí)現(xiàn)水電站智能化、智慧化的有效、可靠的途徑。