埃塞TEKEZE水電站計算機監控系統的設計與實現

羅 皓，吳志鵬，李守志

（1.中國水利水電科學研究院中水科技公司，北京100038；2.中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京100024；3.北方國際合作股份有限公司，北京100053）

埃塞TEKEZE水電站計算機監控系統的設計與實現

羅 皓1，吳志鵬2，李守志3

（1.中國水利水電科學研究院中水科技公司，北京100038；2.中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京100024；3.北方國際合作股份有限公司，北京100053）

埃塞TEKEZE水電站為非洲最大的水電項目，主要介紹了該電站H 9000計算機監控系統的設計原則，總體結構，系統功能的構成與實現。

TEKEZE水電站；計算機監控系統；設計；LCU

0 引言

埃塞TEKEZE水電站位于埃塞俄比亞北部提克雷省TEKEZE河上，電站總庫容90億m3，壩高180m（非洲第一），共安裝4臺單機容量78MW（非洲第一）的混流式水輪發電機組，其裝機容量占全國總裝機容量的三分之一，有埃塞“三峽”的美譽。該水電站采用北京中水科水電科技開發有限公司研發的H9000計算機監控系統。電站按“無人值班”（少人值守）原則設計。第一臺機組于2009年8月投產，最后一臺機組于2009年10月投產，計算機監控系統與首臺機組同步投運。

1 設計原則

1.1 系統的可靠性

系統應廣泛采用分布處理技術和冗余技術，重要設備應采用熱備冗余配置，保證系統的可靠性。另外，采用軟件冗余措施，數據庫及控制功能的分布處理，系統功能分布在網絡的各個環節中，系統內任一節點的故障不會影響其余節點的正常工作。系統還應是標準化的成熟產品，功能完善并模塊化，并具有完備的硬件確保和軟件的安全措施，防止監控系統的軟硬件故障或缺陷對現場設備的危害。充分利用PLC的高可靠性及邏輯控制方面的優點，保證全廠發電的運行可靠。LCU在脫離電站主控級的情況下，應能保證機組的安全運行。

1.2 系統的完善性

系統按電站“無人值班”（少人值守）的設計原則，整個系統配備完善的應用功能及對外開放的接口功能。能穩定可靠地與上級調度中心進行數據通信，實現上級調度自動化系統對電站的遙測、遙信、遙控、遙調功能。機組現地控制單元具有部分設備狀態現地顯示及必要的常規操作功能，使運行人員在機旁能完成機組投運或調試的工作。還應擁有完善的監測報警功能、軟硬件自診斷和自恢復功能，可隨時對網絡通道、計算機網絡狀態、數據采集狀態、現地PLC網絡模塊的狀態、通訊鏈路狀態等進行監測，以上信息均可在上位機顯示及報警。

1.3 系統的開放性

系統應采用全分布開放模式，主要軟硬件設備選型應符合計算機技術發展迅速的特點，便于功能與硬件的擴充與升級，能在水電廠環境下長期穩定的運行，并具有成功的運行經驗。所有計算機均采用開放的漢化Windows系統，具有運行穩定、數據處理速度快、操作界面靈活等特點。且全部直接接入網絡，以獲得高速通訊能力和資源共享能力。還應具有豐富的開發工具軟件和通訊規約，使系統維護擴充和聯網通訊都非常方便。

1.4 系統的抗干擾能力

系統采用網絡光纖技術，避免了不同信號之間的電信號連接。LCU配置獨立的液晶觸摸屏，避免了現地電磁場的干擾。應對計算機系統的電源進行隔離。現場信號也采取光電隔離或其他隔離措施。

1.5 系統的友善性

人機接口功能強，操作方便，采用面對對象的全漢字界面。向用戶提供強有力的組態開發工具。

2 系統結構

TEKEZE水電站計算機監控系統共分兩層：廠站級主控制層、現地控制單元層。兩層之間采用快速交換式雙以太網總線，構成高可靠性的局域網絡結構。網絡通訊采用雙100MB網絡交換機和光纖，具有高傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。廠站層包括2臺操作員站、1臺調度通訊工作站、1臺廠內通訊工作站、1臺報表工作站、1臺系統工作站、1臺工程師工作站、1臺廠房工作站以及打印機等設備，主要位于廠房計算機室和中控室內。現地層分為7套現地控制單元LCU，包括4臺機組LCU，1臺開關站LCU，1臺公用系統LCU，1臺大壩LCU。分別位于廠房、開關站和進水口，分布及其分散。

監控系統主干網絡采用完全冗余的2個星型以太網，任何單個的網絡設備或通道發生故障不會影響整個網絡的正常工作。系統網絡按IEEE802.3設計，采用全開放的分布式結構，網絡介質采用光纜，通訊協議TCP/IP。速率可達1000Mb/s。各個計算機和LCU均采用雙網卡接入。系統具備雙網自動檢測、報警、切換功能，確保通訊正常；廣播數據同時在雙網上進行傳輸，確保完整不丟失。

該水電站各個機組分別設置1套LCU，公用系統、開關站和大壩分別設置1套LCU，每套LCU既可以作為分布系統的現地智能終端，又可作為獨立的裝置單獨運行。各套LCU均采用雙電源、雙CPU、雙網絡等冗余配置，PLC或智能模塊直接接入以太網，網絡速率為100MB。另外，配置一臺彩色液晶觸摸屏作為現地人機接口，可冗余的交直流雙供電電源，提高供電可靠性。

TEKEZE電站監控系統的結構如圖1所示。

圖1 埃塞TEKEZE水電站監控系統配置框圖

3 計算機監控系統實現

3.1 上位機系統的實現

操作員工作站2臺，每臺配備2個液晶顯示器，用于對整個電廠的設備運行進行監視與控制。2臺工作站互為熱備工作方式，平時正常時，一臺負責控制，另一臺負責監視，當監控工作站故障或退出時，監視工作站自動升級為監控站。操作員工作站是全廠集中監視和控制的中心，用來顯示廠內的實時圖形、事件畫面、報表、報警復歸畫面、系統自診斷顯示、操作員權限管理和所有設備控制操作等。

工程師工作站用于維護和管理人員修改系統參數、數據定值、數據庫、畫面和報表。

調度通訊工作站用于與埃塞國家電力調度系統進行通訊。

廠內通訊工作站用于與廠內通風系統、保護系統等設備進行通訊。

報表工作站用于管理廠內數據報表的生成與管理。

廠房工作站，放置于廠房，便于廠房值班人員現地監視全場數據。

系統工作站，功能包括對整個電廠的運行管理、數據庫管理、綜合計算、事故及故障分析等。

黑白及彩色打印機各一臺，完成數據和報表打印功能。

在中控室與廠房分別布置一臺GPS衛星時鐘同步系統。中控室采用串口通訊，廠房采用無源脈沖輸出。對主站級計算機和各個現地LCU進行衛星時鐘同步。

為了保護主站級計算機的運行安全，在中控室布置了2臺15kVA并聯冗余UPS電源系統。

網絡設備2套，每套網絡設備都包括1臺Cisco以太網交換機和相應數量的光電轉換器等設備。適應電力工業現場的電磁干擾、溫度、振動等惡劣環境要求，2套網絡設備用軟件設置為完全冗余，在實現計算機監控系統功能的前提下滿足數據實時性要求。

3.2 現地控制層的實現

主控制器。選用GE公司的90-30系列PLC。該系列PLC不僅具有該系列共有的I/O能力強、實時性高、程序執行速度快、強大的通訊能力強大外，還具有高程度的可靠性和容錯能力。PLC主要完成現場設備的數據采集和實時控制。主要模塊包括中央處理器CPU模塊、通訊模塊、開關量模塊、模擬量模塊。開關量全部為無緣節點，模擬量為4～20mA。

現地人機接口單元。LCU選用日本DIGITAL公司的Pro-face觸摸屏，具有高可靠性、防塵、防震、抗電磁干擾等優良性能。觸摸屏與PLC以網絡連接，實現在現地實時監視現場設備的運行參數和數據以更快速、方便的完成對各個外部設備的操作。

通訊控制器。采用MOXA公司的嵌入式通訊控制器UC7410。具備8個RS232/485串口和雙10/100Mb/s以太網口。該設備用以太網口與PLC連接，通過8個串口與交流采樣裝置、電量采集裝置、溫度裝置、勵磁、調速器等設備進行通訊。

交流采樣裝置。采用瑞士DAE公司的ACUVIM多功能交流采集裝置，所有表記與PLC通過通訊控制器實現串口通訊。

溫度測量裝置。采用國內著名品牌DAS型溫度巡檢裝置，帶點陣式液晶顯示屏，具備漢顯功能，最大巡測可達128點，可調整測量電阻類型與電阻接線方式，數據可通過串口通訊方式送達PLC。

同期裝置。機組LCU采用深圳智能設備有限公司的SID單對象微機自動準同期裝置。開關站選用8對象SID－2H微機自動準同期裝置。該同期裝置采用多種抗干擾措施和訪屏蔽措施，同期速度快，精度高，還可設置Y/△補償。

輔機控制系統。采用GE公司VersaMAX系列PLC負責輔助設備（直流系統、油氣水系統）的信號采集與控制，并通過Genius通訊的方式與主站LCU的PLC實現數據傳輸。

4 系統功能

4.1 數據采集與處理

系統對電站主要設備的運行狀態和運行參數進行自動定時采集，并作必要的預處理和計算，存于實時數據庫，供計算機系統實現并用于畫面顯示、控制調節、記錄檢索、統計報表、操作指導和事故分析等。電廠各種數據（模擬量、開關量、脈沖量和數字量）的采集基本由各LCU來完成。數據采樣周期可根據系統性能參數要求調整，優先傳送事故和故障報警信號。模擬量設置死區，只有超過死區才傳送。所有數據點均可通過人工設置掃查投入與退出，報警使能與禁止，模擬量量程等。

4.2 綜合計算

監控系統可根據采集到的實時數據進行周期、定時或召喚計算分析，形成各種計算數據庫和歷史數據庫，幫助運行人員對電廠設備的運行進行全面監視和綜合管理。

4.3 安全監視

當運行狀態發生異常，采集數據超過設定限值時計算機監控系統將及時報告值班運行人員進行處理，同時進行實時記錄，以便分析檢驗。為方便查詢，系統還提供了靈活的歷史數據庫查詢手段，和打印功能。

4.4 事故順序記錄

當電廠發生事故造成重要設備動作時，監控系統將立即以中斷方式響應并自動顯示、記錄事故名稱及時間，自動推出相關畫面并作原因分析和提示處理方法。

4.5 趨勢分析

系統對某些重要的模擬量會進行趨勢分析，當其變化速率超過限值時會發出報警。

4.6 報表功能

監控系統可自動生成的報表數據、報警數據等自動保存，形成歷史數據庫。可隨時檢索或打印。

4.7 系統自診斷和自恢復

這是實現無人值班、少人值守的重要條件。由于本系統是分布式網絡控制系統，具備完善的自診斷和自恢復功能，不僅自檢，還可通過網絡進行設備間的互檢，并行成報告。

4.8 開停機過程控制及閉鎖功能

開停機過程監視與控制。當開停機指令下達之后，監控系統自動顯示相應的開停機畫面。以流程框圖的形式展開每一個過程，當流程受阻時可顯示受阻時間、部位和原因。閉鎖庫和防誤操作功能。可確保計算機系統發出的命令安全可靠，用戶無需編程，只需將需要進行閉鎖的關系按照格式填入定義文件即可。如閉鎖條件滿足則執行命令。

4.9 遙測遙信功能

LCU通過通訊控制器以RS-485的方式與多功能交流采集裝置和溫度巡檢裝置等設備進行通訊。

4.10 人機界面功能

在現地LCU通過觸摸屏上的顯示界面、報警界面和操作界面，實現現地監控功能。

4.11 時間同步功能

通過硬件與網絡同步，由GPS實現系統時間同步，均通過NTP協議進行對時，精度高且程序簡單便于維護。

4.12 各個LCU具體功能

機組LCU1-4。可實現現地/遠方控制方式的切換；機組開停機控制（包括單步控制和連續控制）；事故停機和緊急停機控制；輔機控制；發電機出口斷路器等設備操作；功率調節；自/手動同期并網操作；與發電機交流采樣裝置、溫度巡檢裝置、調速器、勵磁系統和機組輔機系統通過MODBUS標準規約進行串口通訊并上送數據。

開關站LCU5。220kV斷路器的分合操作和同期并列；220kV隔離開關分合操作；以及相互操作之間的閉鎖功能；遠方/現地控制方式的切換；與線路交流采樣裝置實現通訊并上送數據。

公用LCU6。廠用斷路器的合分操作；公用系統輔機的監視與控制。

大壩LCU7。大壩進水口閘門、弧門、齒輪門、導流洞引水門等設備的監視與控制。

5 結束語

TEKEZE水電站監控系統完全滿足了埃塞電廠方面的要求，為該站實現“無人值班”（少人值守）奠定了堅實的基礎。自投運以來，設備運轉正常，系統運行良好，對電站正常運行和該國電網的穩定起到了非常大的作用，證明了TEKEZE計算機監控系統的設計原則和主要功能十分安全可靠。不但發揮了集中控制的優越性，極大提高了電站的發電效益，更合理利用了水能資源，取得了電站經濟效益的最大化，也為國外大型水電站項目的應用打下了良好的基礎。

[1]王德寬.水電廠綜合自動化及“無人值班”技術[M].中國電力出版社，2001.

[2]方欽輝，等.現代水電廠計算機監控系統技術與試驗[M].中國電力出版社，2004.

TV736

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1672-5387（2011）03-0047-03

2011-04-11

羅皓（1983-），男，助理工程師，從事水電站計算機監控系統設計、集成和調試工作。