瀘定水電站計算機監控系統結構及特點

桂雪芹

（四川華電瀘定水電有限責任公司，四川 瀘定 626100）

瀘定水電站計算機監控系統按照 “無人值班（少人值守）”的原則設計，能實現現地控制單元（LCU）、中控室、四川省電力調度中心的監視和控制。上位機采用北京中水科技水電科技開發有限公司開發的H9000水電廠計算機監控系統結構及配置；下位機LCU由國電南京自動化股份有限公司供貨，以施耐德可編程控制器 （PLC）為基礎構成。

1 監控系統網絡結構

瀘定水電站計算機監控系統采用全開放的分層分布式雙星型網絡結構，由網絡上分布的各節點計算機單元組成。各節點計算機單元采用局域網（LAN）連接，與四川省調采用廣域網 （WAN）連接。

計算機監控系統按IEEE802.3標準設計，網絡傳輸協議為TCP/IP，采用千兆工業以太網交換機，該交換機以1 000 Mb/s的速率通過RJ45口與千兆交換式工業以太網上的各計算機節點連接，傳輸介質采用雙絞線；另外，該交換機以100 Mb/s的速率通過光口或RJ45口與百兆交換式工業以太網上的各計算機節點連接，傳輸介質采用光纖。

局域網設備由2組千兆工業以太網交換機和網絡連接設備組成。這2組交換機構成冗余配置，通過RJ45口以點對點的方式與2臺系統服務器、2臺調度遠動通信工作站、2臺操作員工作站、1臺工程師/編程員工作站、1臺培訓工作站、1臺廠內通信數據服務器、網絡打印機及時鐘同步裝置相連；通過多模光口與7套現地控制單元 （1～7LCU）內的現地級冗余交換機相連，通過單模光口與閘首現地控制單元 （8LCU）內的現地級冗余交換機相連。

2 監控系統控制和調節方式

正常情況下，瀘定水電站的控制、調節方式有3種：四川省調級調控方式，即四川省調發調控命令給電站計算機監控系統或直接控制各機組及500kV開關設備和進行AGC（自動發電控制系統）、AVC（自動電壓控制系統）控制；站控級調控方式，即中控室操作員工作站按上級的調控指令自動執行控制和調節；現地LCU級調控方式，即各現地LCU按上級的調控指令自動或手動執行控制和調節。

瀘定水電站計算機監控系統能滿足上述多種調控方式的要求，為了保證控制和調節的正確性、可靠性，操作步驟按 “選擇—確認—執行”進行，每一步都有嚴格的軟件校核、檢錯和安全閉鎖邏輯功能，硬件方面也有防誤措施。無論在哪種調控方式下，電站計算機監控系統均將實時數據和運行參數等按各級要求上傳至各級調控層。

調控權限采用現地優先的原則，優先級別從高到低依次為現地級、站控級、四川省調級。調控權限可通過各級的現地/遠方切換開關或軟功能鍵進行切換和閉鎖，原則上，上一層可以要求下一層切換調控權，下一層應按上一層的要求切換調控權，只有當下一層的調控權切換到上一層，上一層才能進行控制和調節。

3 監控系統參數給定方式

（1）有功功率。由上級調度部門計算機根據AGC算法自動給出電站總負荷設定值；根據上級調度部門下達的負荷曲線給定電站總負荷；由運行人員根據上級調度要求手動給定電站總負荷。

（2）頻率。由上級調度部門自動給出頻率定值或限值；由運行人員根據上級調度要求手動給出頻率定值或限值。

（3）無功功率。由上級調度部門計算機根據AVC算法自動給出電站總無功功率設定值；由上級調度部門下達的負荷曲線給定電站總無功功率；由運行人員根據上級調度要求手動給定電站總無功功率。

（4）電壓。由上級調度部門計算機根據AVC算法自動給出電壓定值或限值；由運行人員根據上級調度要求手動給定電壓或限值。

4 計算機監控系統主要功能

4.1 數據采集和處理

數據采集包括：各LCU的各類實時數據，來自電網調度中心的數據，外接系統的數據信息，由運行人員向計算機監控系統手動登錄的數據信息。

數據處理包括：①對采集的數據進行可用性檢查，對不可用的數據給出不可用信息，并禁止系統使用；②對接收的數據進行報警處理檢查，對采集的數據進行數據庫刷新；③生成各類報警記錄并發出音響、語音、電話和短信報警；④形成各類運行報表、歷史數據記錄、趨勢曲線記錄、分時計量電度記錄和全廠功率總加記錄；⑤機組水頭、效率、加權平均效率等計算；⑥進行事件順序記錄、追憶及處理；⑦主、輔設備動作 （或啟/停）次數和運行時間的統計。

4.2 安全運行監視

（1）對瀘定水電站主要機電設備的運行狀態和參數、操作進行實時監視，具有檢修、運行狀態的切換功能，當設備處于檢修狀態時，該設備所有的開出控制功能 （包括電量和有/無功的累計）均被閉鎖。

（2）機組開/停機過程監視。在液晶顯示器上顯示機組開/停機過程的主要操作步驟，當發生過程阻滯時，能夠顯示阻滯原因，并將機組自動轉入安全工況或停機。

（3）通訊通道監視。計算機監控系統監視通信通道 （包括交換機、路由器、光纜等），對冗余通道能自動或手動切換。

（4）操作員的監視手段多樣化。如：液晶顯示器顯示數據、文字、圖形、曲線和表格等，事故或故障的音響、語音、電話、短信報警，模擬屏顯示、打印輸出等。

4.3 自動發電控制 （AGC）

自動發電控制根據總的有功和頻率設定值自動分配到各機組，充分考慮電站運行方式，具備有功聯合控制、給定頻率控制和優化運行等功能。其中，有功聯合控制指按有功總給定值，在所有參與有功聯合控制的機組間合理分配負荷；給定頻率控制指按給定的 （母線）頻率，對參與自動發電的機組進行有功功率的自動調整；優化運行指根據總的負荷和頻率的要求，在遵循最少調節次數、最少自動開/停機次數的前提下，確定最佳運行機組的臺數和組合，實現運行機組間的最佳負荷分配。在自動發電控制時，能夠實現機組的自動開、停機功能。不具備自動發電控制條件的機組自動退出自動發電控制。自動發電控制允許運行人員通過人機接口投入或退出。

AGC能實現開環、半開環、閉環3種工作模式。其中，開環模式只給出運行指導，所有的給定值及開/停機命令不被機組接受和執行；半開環模式指負荷給定值和開/停機命令需運行人員確認后執行；閉環模式指所有的功能均自動完成。

AGC能對各機組有功功率的控制分別設置 “聯控/單控”方式。 “聯控”方式下，該機組參與AGC聯合控制； “單控”方式下，該機組不參與AGC聯合控制，但可接收操作員對該機組的其他控制。

AGC給定值方式有：給定總有功功率、給定日負荷曲線、給定頻率、給定頻率限值。

AGC約束條件包括：調度系統對發電的要求，水庫、河流的特性及運行要求，電站當前接入系統的方式；機組空蝕區，機組振動區；機組最大負荷限制，機組開度限制，線路負荷限制，機組事故，機組當前狀態 （健康狀態、累計運行時間、連續停機時間、輔助設備狀態），帶廠用電機組優先運行；全廠旋轉備用容量，負荷調整頻度最少，自動開/停機頻度最少，全廠耗水量最少。機組事故情況下，首先使用全廠旋轉備用容量，同時根據情況決定是否采用冷備用機組容量。其中，機組空蝕區、機組振動區、機組最大負荷限制等是隨水頭變化的非線性函數。依據水頭的變化 （水頭的變幅是可設定的），振動區范圍及個數等應可以自動/手動重新設定。

4.4 自動電壓控制 （AVC）

AVC根據總的無功和電壓設定值自動分配到各機組，能根據開關站500kV母線電壓，對全廠無功進行實時調節，使系統電壓維持在給定值運行，并使無功在運行機組間合理分配。能對各機組無功功率的控制分別設置 “聯控/單控”方式。處于 “聯控”方式時，該機組參與AVC聯合控制；處于 “單控”方式時，該機組不參與AVC聯合控制，但可接收操作員對該機組的其他控制。

AVC給定值方式有：給定母線電壓限值、給定母線電壓、給定無功設定值。

AVC約束條件包括：機端電壓限制、機組進相深度限制、定子繞組發熱限制、轉子繞組發熱限制、機組最大無功限制。

4.5 人機接口及操作要求

電站人機接口按照人性化理念設計，在確保安全的前提下，更加注重易學、易讀、易操作性。

（1）人機接口的原則。對系統參數、數據的錄入和任何改動都限制權限和設置口令，并有完整的操作記錄，將每次操作的人員、步驟、時間、結果均記錄在案，并存入歷史數據庫中。人機接口具有漢字顯示和打印功能。畫面調用分自動和召喚兩種方式，自動方式用于事故、故障及過程監視等情況，召喚方式為運行人員隨機調用。任何人機聯系請求無效時，顯示出錯信息。任何操作進行到某一步不再繼續完成該項操作的情況下，則可自動或人工刪除操作信息。被控對象的選擇和控制的連續過程只能在同一個操作員工作站上進行。運行人員可根據權限在控制臺上方便地設置或修改運行方式和參數。

（2）畫面顯示。液晶顯示器作為站控級主要人機接口設備，實時顯示廠內主設備的運行狀態、操作變化過程、事故和故障以及有關參數。事故畫面具有自動推出和最高優先權 （采用多窗口技術）。

（3）語音報警及ON-CALL。當發生事故或故障時，立即發出語音報警并顯示具體信息 （包括報警發生的時間、對象名稱、報警性質等），顯示顏色隨報警信息類別而改變，若當前畫面具有該報警對象，則該對象的標志 （或參數）閃光和改變顏色；可通過人機接口在線或離線禁止全部或某個LCU的中文語音報警功能。報警音響將事故和故障區分開，音響可自動或手動解除。對于任何確認的誤報警，運行人員可手動退出該報警。

（4）記錄及打印。各類操作記錄，各類事故和故障記錄，各類異常報警和狀態變化記錄，趨勢記錄 （圖形及列表數據），事故追憶及相關量記錄，報表記錄，各種記錄打印，畫面及屏幕拷貝。

4.6 設備運行管理指導

運行指導是指將電廠的一些重要而又復雜的操作條件以及進行這些操作形成的專家經驗輸入計算機，當進行這些操作時，計算機根據當前的狀態進行條件判斷，提出操作指導意見。運行指導的內容主要包括：①機組開停機操作指導；②隔離刀閘操作連鎖指導；③根據需要，提供編制運行和檢修操作票的指導，操作票自動生成；④重要事故、故障原因及處理提示；⑤主要電氣操作票功能；⑥其他運行管理需要的數據積累和記錄等。

4.7 系統自診斷與自恢復

系統自診斷與自恢復功能是實現無人值班 （少人值守）的重要條件，系統是由多個設備構成，每個設備不僅能夠進行內部自檢，還可互檢，形成系統檢測報告。并將異常情況及時報警，通知運行或維護人員，以便及時進行處理，并對某些異常情況進行自動隔離與自恢復處理，保證系統的連續運行。

4.8 系統通信

計算機監控系統對通信通道、通信狀態進行監視，并在操作員工作站上顯示通信故障報警信息和通信狀態等信息，對冗余通信通道能自動或手動切換。其通信內容為：通過局域網實現計算機監控系統內部各節點間的通信，與四川省調通過冗余通信通道進行通信。以電力調度數據專網為主通道，常規遠動專用通道 （即點對點方式）為備用通道。主通道采用IEC60870-5-104協議，備用通道采用IEC60870-5-101協議。

5 結語

瀘定水電站計算機監控系統目前還未完全實施，隨著后續工程的完工，系統將逐步進行完善，就后續即將形成的系統提出以下幾點建議：

（1）系統兼容方面。由于電站監控系統上位機、下位機供應商不同，整個監控系統上、下位機之間的兼容和配合面臨一定的考驗，兩套設備的兼容問題在設計時已經進行了充分的論證，需要在后續安裝實踐過程中進行細致的實驗并妥善留存實驗數據。

（2）由于電站為引水式發電，廠房距離泄洪閘門、工作閘門現地控制屏距離最遠距離長達2 km，“閘門提升”、 “閘門降落”、 “緊急落門”等重要信號從中控室發出，將通過較長的信號電纜送至閘門現地操作系統。該段信號電纜敷設路徑經過318國道，在電纜敷設過程中，必須充分考慮到重車碾壓、自然災害等因素，高度設防，確保控制信號的正確收發。

（3）根據電力系統二次安全防護規定，發電廠網絡將劃分為控制區和非控制區。計算機監控系統位于控制區，與非控制區之間必須采取必要的安全隔離和防護，以確保系統的安全性和高可靠性。