密云水電廠計算機監控系統改造設計與實現

張衛君，高曉森，毛 琦，史小杰，苗珍山

（1.北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038；2.北京華電水電有限公司，北京101512；3.北京華電集團，北京 100035）

北京密云水電廠位于北京市東北部的潮白河上，距北京市約100 km，是一座以防洪、供水、發電和灌溉為目的的綜合性水利樞紐工程。該電廠裝有4臺18.7 MW 常規水力發電機組和2臺13 MW 抽水蓄能機組，是一座常規水電機組與抽水蓄能機組相結合的混合式電廠。

密云水電廠原計算機監控系統采用的是北京中水科水電科技開發有限公司的H9000（V2.0）系統，已投入運行多年，對電廠的安全生產發揮了重要作用。

隨著計算機和控制器等電子設備的逐漸老化，備品備件難于采購，成為制約電廠安全運行的瓶頸。為進一步提高系統可靠性，提高管理水平和經濟效益，將原有的計算機監控系統進行升級改造為H9000（V4.0）系統。

1 原系統存在的問題及改造設計思路

原系統設計采用的是H9000V2.0 版。隨著技術進步，該系統經過這些年的不斷充實、改進和完善，已經升級發展到V4.0 版（具有更高的系統可靠性和可維護性）。原監控系統硬件設置已不能夠滿足該系統的技術要求，系統的可靠性和可維護性較差。

由于歷史原因，原來開關站及公用系統部分未能接入到計算機監控系統中，成為系統盲區，嚴重影響整個系統的實時性和可靠性。

限于當時PLC的網絡接入能力，在原系統設計中，現地控制層采用工控機作為以太網通信網關、人機聯系接口和現地通信控制器。

為提高密云電廠全廠自動化水平，實現電廠創一流企業的目標，以及基于原監控系統存在的一些問題，系統改造按如下思路設計：

（1）按照無人值班（少人職守）的設計理念，采用“總體設計一次到位，改造分布實施”的原則；

（2）系統硬件選用國際或國內知名品牌的產品，系統軟件采用中水科技公司最新H9000V4.0計算機監控系統，充分保證系統具有高可靠性、先進性和維護方便；

（3）采用PLC 直接上網方式，取消工控機，減少系統的故障環節；

（4）采用嵌入式智能通信控制器，完成LCU與各現地設備，如微機勵磁調節裝置、微機調速裝置、微機保護裝置、機組狀態監測裝置等其它設備的通信；

（5）將開關站及公用系統部分接入計算機監控系統，保證全廠設備監控的完整性，不留控制死區；

（6）充分利用電站的技術優勢，保留并優化原有的工藝流程，盡量減少現場調試周期；

（7）現地LCU盤柜內設備合理布局，盡量保留原有設備（電纜和自動化元器件等）和安裝位置不變，避免過多的重新接線，減少改造工作量，減少投資；

（8）形成全廠統一時鐘系統；

（9）改造過程中，實現新老系統之間的數據互聯，保證與上級調度部門數據通信無中斷。

2 監控系統改造內容

2.1 廠站層

廠站層系統為新建設系統，與原系統廠站層完全獨立。系統采用分層分布開放式系統結構，系統網絡結構采用以太網之星形結構，廠站級主控層及其現地控制單元層之間采用快速交換式以太網絡總線，通訊介質采用100 Mbit/s 網絡交換機和光纖，系統具有較高的傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。網絡上接入的每一個設備都有其特定的功能，實現了功能的分布，既提供了某個設備的故障只影響局部功能的優點，又利于今后的功能擴充。系統總體結構如圖1 所示。

圖1 改造后密云電廠計算機監控系統結構圖

系統按照H9000計算機監控系統的簡化方式配置，廠站層配置兩臺操作員工作站，一臺運行維護站，一臺ON-CALL工作站兼通信站，一臺交換機，一套衛星對時時鐘系統。

操作員工作站的功能包括對整個電廠的運行管理、數據庫管理、綜合計算、事故故障信號的分析處理、圖形顯示、定值設定及變更工作方式、模擬數據的趨勢分析及記錄、統計和制表打印、運行和事故處理指導、歷史數據記錄、整理、歸檔和檢索等。運行值班人員通過操作員站對電廠的生產、設備運行做實時監視。工作站配置聲卡和語音軟件，用于當被監控對象發生事故或故障時，發出語音報警提醒運行人員。兩套操作員工作站互為備用，可無擾動切換。

運行維護工作站供電廠維護人員對系統數據庫、畫面的修改維護工作。ON-CALL 工作站實現電話語音及短信息報警及查詢功能，實現與微機五防系統、上級調度系統的通信。在改造過渡期內，實現與原監控系統的數據通信。衛星對時時鐘系統完成全廠設備的統一對時。

2.2 現地層

現地層配置6套機組LCU和1套開關站LCU，6套機組LCU是在原系統上改造，開關站LCU全部為新增加設備。

原系統現地控制層采用工控機作為以太網通信網關、人機聯系接口和現地通信控制器。由于工控機產品采用了硬盤、風扇等旋轉運動部件，風扇損壞后，在很短時間內就會使工控機燒毀，造成巨大的經濟損失。同時此型號工控機已經停產，備品采購非常困難，一旦發生故障將影響機組安全穩定運行，所以其可靠性大大降低，成為整個系統中的薄弱環節。

改造后通過PLC 直接上網方式，完成現地PLC 與廠站層設備的連接，實現數據采集與控制。LCU采用PLC 直接聯網的方式，提高了系統的可靠性，采用彩色液晶觸摸屏作為現地人機接口，實現現地控制與顯示功能。每套LCU通過增加一臺嵌入式通信控制器，完成LCU與各現地設備，包括微機勵磁調節裝置、微機調速裝置、微機保護裝置、機組狀態監測裝置、溫度巡檢裝置、多功能儀表等其它設備的通信。

3 改造過程中幾個關鍵問題

3.1 改造過渡期安全穩定運行

密云水電廠計算機監控系統改造工期安排時間跨度大，各現地控制單元按檢修計劃安排分批進行。根據檢修計劃在停機檢修過程中實施機組現地LCU的改造，作好安全措施后將單獨一臺LCU與舊系統脫離，現地調試完成后接入新系統中。廠站層系統隨首臺LCU改造一次建設完成。

監控系統改造期間，為不影響正常生產，有多種過渡期方案可供采用[1]。對于全廠機組參與調度AGC運行且改造期間AGC不中斷運行的電廠，采用平滑過渡的方案，即通過新老系統之間的通信，將新系統改造完成機組數據送往老系統，老系統接收到調度全廠給定經AGC 運算分配后對新系統控制的機組進行功率調節控制；對于調度無自動控制要求的電廠，為確保安全，采用新老系統獨立運行的過渡方案，新老系統并列獨立運行，新系統將改造完成機組數據送入老系統，由老系統完成全廠數據上送調度部門，在全廠所有LCU改造完成后，與調度通信任務改由新系統完成，新老系統之間數據只監視不控制。因調度對密云水電廠無自動控制要求，且新系統配置了廠站層交換機，所以采取了新老系統獨立運行的過渡方案，新系統通過串口方式以CDT規約向老系統傳送數據。

3.2 PLC程序軟件移植

系統改造中LCU保留原CPU 模塊，I/O 模塊，增加以太網模塊。原PLC 編程軟件為LM90，LM90 為DOS 環境下的編程方式，程序的可讀性與維護性差，所以在此次改造中將編程軟件由LM90升級為基于Windows的ProficyME。軟件移植過程中，充分考慮兩種編程軟件的差異及PLC程序軟件升級在編程規約上的差異，利用電廠長期運行積累的技術優勢，保留并優化原有的工藝流程。

3.3 抽水蓄能機組控制

密云水電廠1號機組與2號機組為抽水蓄能機組，與常規機組運行及控制方式存在差異。兩臺抽水蓄能機組為半壓啟動雙轉速斜流轉漿機組，過程控制復雜，如果控制不當，特別容易產生機組的過電壓、水泵逆功率、產生差動保護誤動及機組振動等難題，在改造過程中，經過周密的論證和嚴格的試驗，解決了這些問題。

3.4 通信控制器軟件開發

由于電廠部分自動化設備老舊，多采用自定義的非通用規約格式，監控系統所配置通信控制器在與這些設備進行串口通信時需開發相應的規約軟件，如溫度巡檢設備、繼電保護設備等。通信控制器采用UC-7410-LX 通信智能控制器，CPU 主頻266 MHz，128M內存，其串口處理速度與能力比現場自動化設備串口通信能力強太多，所以在速度匹配上存在問題，經常出現召喚報文發出后收不到回應，后經過軟件延時處理，解決速度匹配的問題。

在與繼電保護設備的通信調試過程中，發現只有保護動作信號報文，無復歸報文，在現地實際信號復歸后，由于無復歸報文送到通信控制器，上位機報警信號不復歸。通過對UC通信軟件的處理和PLC通信數據上送區的處理，結合上位機信號復歸令對信號進行復歸的方式，解決保護信號復歸的問題。

4 結束語

密云水電廠計算機監控系統改造工程已通過竣工驗收，該系統運行穩定、各項功能完善、操作維護方便，大大提高了該廠的生產效益和自動化水平。此改造工程的設計與實現，將為其它同類水電廠監控系統改造提供很好的參考價值，特別是對抽水蓄能機組的監控系統設計開發提供了寶貴經驗。

[1]袁 宏，楊春霞，等.監控系統升級改造策略在烏江渡發電廠的應用[J].水電站機電技術，2011，34（6）：73－76.

[2]周永濱，盧小芳，等.H9000 系統在凌津灘水電站監控改造中的應用[J].水電站機電技術，2011，34（3）：45－46.