直崗拉卡水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造設(shè)計與實施

黃莉

（青海大唐國際直崗拉卡水電開發(fā)有限公司，青海 尖扎 811999）

直崗拉卡水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造設(shè)計與實施

黃莉

（青海大唐國際直崗拉卡水電開發(fā)有限公司，青海 尖扎 811999）

摘要：直崗拉卡水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造采用南京南瑞集團公司水利水電技術(shù)分公司自主研制的，技術(shù)較為成熟的，基于Linux操作系統(tǒng)跨平臺的全分布開放式NC2000計算機監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由電站主控層及現(xiàn)地控制層組成，采用雙星形網(wǎng)絡(luò)冗余結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電站“無人值班（少人值守）”的自動控制方式。本文介紹了系統(tǒng)改造的必要性、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)的主要功能以及改造實施方案。

關(guān)鍵詞：NC2000；直崗拉卡水電站；計算機監(jiān)控；冗余網(wǎng)絡(luò)；實施方案

1前言

直崗拉卡水電站位于黃河干流上游的青海省尖扎縣與化隆縣交界處，距上游李家峽水電站壩址7.5km，距青海省西寧市公路里程109km。電站安裝5臺單機容量為38MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量190MW。電站以發(fā)電為主，主要建筑物由廠房、泄水閘、開關(guān)站及左岸土石壩組成。電站分兩期工程建設(shè)，第一期建設(shè)4臺機組，于2002 年8月正式開工，2005年5月～2006年6月1～4號機組已相繼發(fā)電。第二期于2013年9月開始5號機組擴容建設(shè)，2014年5月30日投產(chǎn)發(fā)電。

電站發(fā)電機出口電壓為10.5kV，發(fā)電機主變壓器組合方式為2個兩機一變擴大單元接線和1個一機一變單元接線方式，發(fā)電機出口設(shè)有發(fā)電機斷路器。電站以六回110kV線路接入電力系統(tǒng)，110kV側(cè)采用雙母線接線。中控室控制全廠5臺機組及其所有附屬設(shè)備。

2改造前監(jiān)控系統(tǒng)狀況及改造的必要性

該站改造前監(jiān)控系統(tǒng)廠站級控制層（以下簡稱上位機）采用的是ALSTOM研發(fā)的P320監(jiān)控軟件，LCU采用GE9030系列PLC；上位機與LCU間通過工業(yè)交換機連接構(gòu)成環(huán)型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)；LCU包括1F～4F機組、開關(guān)站及公用6個LCU；各LCU均采用1套CPU工作模式，每個LCU具有簡單的機組狀態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)地操作功能。

該系統(tǒng)自投運以來，運行一直較為穩(wěn)定。但隨著設(shè)備運行時間的延長，出現(xiàn)了部分缺陷和隱患，對生產(chǎn)造成了一定的影響。

（1）人機操作不友好，操作界面多采用的圖標，無法漢化，無法在線修改程序，維護困難；

（2）上位機計算機設(shè)備老化嚴重；

（3）備品備件采購周期長；

（4）PLC沒有冗余配置；

（5）隨著電站自動化水平的提高，對監(jiān)控系統(tǒng)在調(diào)度通信、調(diào)度自動化、安全生產(chǎn)與經(jīng)濟運行等方面提出了新的要求；

（6）歷年來電調(diào)、勵磁等相關(guān)自動設(shè)備的新增和改造，使得監(jiān)控信號大量增加，I/O點數(shù)量已不敷使用，系統(tǒng)硬件瓶頸已凸顯，實際上已不能完全滿足目前電力生產(chǎn)的需要；

（7）因5號機組的擴建，LCU與現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)無法完成數(shù)據(jù)通信；

（8）容量為5kVA的UPS不能滿足現(xiàn)場設(shè)備需要。

為徹底解決監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題、提高設(shè)備可靠性和自動化水平，滿足電站安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行的需要，直崗拉卡水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造勢在必行。

3直崗拉卡水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

直崗拉卡水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造采用南京南瑞集團公司水利水電技術(shù)分公司（以下簡稱南瑞）自主研制的，技術(shù)較為成熟的，基于Linux操作系統(tǒng)跨平臺的全分布開放式NC2000計算機監(jiān)控系統(tǒng)，由上位機及LCU監(jiān)視和控制全廠5臺發(fā)電機組、開關(guān)站、廠用電系統(tǒng)、公用輔助設(shè)備及泄洪閘系統(tǒng)。

3.1設(shè)計原則

按“無人值班（少人值班）”原則進行設(shè)計和配置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用全開放、分布式模塊化冗余結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)以“分層管理、集中控制”為原則組成廠站級和現(xiàn)地控制單元級兩部分，系統(tǒng)配置和設(shè)備選型符合計算機技術(shù)迅速發(fā)展的特點，充分利用計算機領(lǐng)域的先進技術(shù)。

監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件均采用模塊化結(jié)構(gòu)，使之有良好的擴充性，便于實現(xiàn)系統(tǒng)功能、軟件及硬件設(shè)備的擴充，更好地完成運行管理智能化。同時，系統(tǒng)還具有高度的安全性和可靠性、實時性和實用性，符合控制系統(tǒng)危險分擔原則。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)的通信必須滿足國家經(jīng)貿(mào)委最新頒布的《電網(wǎng)和電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全防護規(guī)定》及電力系統(tǒng)有關(guān)“發(fā)電廠二次系統(tǒng)安全防護指南”和“電力二次系統(tǒng)安全防護總體方案”的最新文件和規(guī)定的要求進行軟、硬件隔離。

3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用全分布開放式的全廠集中監(jiān)控方案，符合技術(shù)發(fā)展的趨勢，系統(tǒng)功能分布配置，主要設(shè)備采用冗余配置。設(shè)有負責完成全廠集中監(jiān)控任務(wù)的廠站級集中控制系統(tǒng)及負責完成機組、開關(guān)站、公用設(shè)備監(jiān)控任務(wù)的現(xiàn)地控制系統(tǒng)。電廠控制系統(tǒng)的設(shè)備布置在有空調(diào)的中央控制室?，F(xiàn)地控制系統(tǒng)以可編程邏輯控制器（PLC）為基礎(chǔ)構(gòu)成。計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1直崗拉卡水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上位機與現(xiàn)地控制系統(tǒng)之間的通信聯(lián)系采用冗余星形交換式100Mb/s光纖以太網(wǎng)的方式。設(shè)置2臺工業(yè)型千兆以太網(wǎng)主交換機，分別通過屏蔽雙絞線介質(zhì)連接與上位機工作站連接，以及通過多膜光纜連接至現(xiàn)地控制LCU中的2套現(xiàn)地控制交換機。

上位機系統(tǒng)采用南瑞的NC2000監(jiān)控系統(tǒng)軟件，包括2臺主機、2臺操作員站、1臺語音機、1臺工程師站、1臺廠內(nèi)通信機、2臺調(diào)度通信機、1套報表打印服務(wù)器、2臺打印機、1套GPS時鐘同步系統(tǒng)及UPS電源等設(shè)備，負責全廠的信號采集和控制、自動發(fā)電控制和自動電壓控制、與上級調(diào)度中心調(diào)度自動化計算機系統(tǒng)通訊等。主機、工程師站、廠內(nèi)及調(diào)度通信機布置在計算機室，其余設(shè)備均布置在中控室。

現(xiàn)地控制單元（LCU）包括5臺機組LCU、開關(guān)站LCU、公用LCU共7套，現(xiàn)地控制單元PLC均采用南瑞的MB80系列PLC。

3.3系統(tǒng)功能

（1）數(shù)據(jù)采集和處理

系統(tǒng)對電站主、輔設(shè)備的運行狀態(tài)和運行參數(shù)自動采集各現(xiàn)地控制單元的各類實時數(shù)據(jù)；自動采集來自電網(wǎng)調(diào)度中心、集控中心的數(shù)據(jù)；自動采集外接系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息；接收由運行人員向計算機監(jiān)控系統(tǒng)手動登錄的數(shù)據(jù)信息；并對采集的數(shù)據(jù)進行有效性、合理性判斷、輸入線路誤差補償、越復(fù)限報警及記錄，設(shè)備故障、事故及狀態(tài)異位報警及記錄等。

（2）控制與調(diào)節(jié)

通過監(jiān)控系統(tǒng)人機接口設(shè)備，運行人員對電站設(shè)備進行控制、調(diào)節(jié)、工況轉(zhuǎn)換及參數(shù)設(shè)置等操作。操作包括機組開機/停機順序控制、有功/無功功率調(diào)節(jié)、斷路器以及刀閘的分/合閘操作、閘門的提/降操作、泵以及閥門的啟/停及開/關(guān)控制等。系統(tǒng)提供了完善的防誤操作功能，可以確保由計算機系統(tǒng)發(fā)出的命令安全可靠。

（3）設(shè)備運行管理及指導(dǎo)

歷史數(shù)據(jù)庫存儲；統(tǒng)計機組工況轉(zhuǎn)換次數(shù)及運行、停機、線路運行、停運時間累計；被控設(shè)備動作次數(shù)累計及事故動作次數(shù)累計；發(fā)電量累計及峰谷負荷時的發(fā)電量分時累計；事故處理指導(dǎo)；異常操作閉鎖；操作指導(dǎo)等。

（4）自動發(fā)電控制（AGC）

第二階段：當陰極側(cè)含水量上升至飽和狀態(tài)時，繼續(xù)產(chǎn)生的水就會在陰極側(cè)結(jié)冰堆積。同時，化學反應(yīng)放出的熱提高電池溫度。如果電池溫度在陰極側(cè)催化劑層全部被冰覆蓋之前仍低于0℃，燃料電池就會停止運行，此時冷啟動失敗。反之，冰會在融化過程中吸收熱量，保證電池溫度在0℃左右[14]。

自動發(fā)電控制（AGC）分廠內(nèi)AGC和遠方調(diào)度AGC兩種。廠內(nèi)AGC按電站運行值班員設(shè)置的參數(shù)或監(jiān)測的參數(shù)運行。遠方調(diào)度AGC則由調(diào)度系統(tǒng)自動設(shè)置的參數(shù)運行。AGC自動跟蹤系統(tǒng)頻率、全廠總功率給定值或全廠負荷曲線等，由AGC進行站內(nèi)機組間有功優(yōu)化分配，計算出全廠功率調(diào)整值或應(yīng)發(fā)總功率，自動發(fā)出開停機命令及有功調(diào)節(jié)命令。

（5）自動電壓控制（AVC）

按照遠方調(diào)度系統(tǒng)的要求，維護母線電壓實時定值。AVC周期監(jiān)視母線電壓，一旦母線電壓超出允許范圍，即根據(jù)設(shè)置的母線電壓無功調(diào)差系數(shù)計算需增減的全廠無功值，在發(fā)電運行的機組間進行優(yōu)化分配。開環(huán)運行時只提出指導(dǎo)性的數(shù)據(jù)顯示于人機界面上，供運行值班員參考，閉環(huán)運行時，調(diào)節(jié)信號直接作用于機組勵磁調(diào)節(jié)器。

（6）人機接口

系統(tǒng)采用基于Linux全圖形人機界面，漢字界面，操作簡便靈活，具有多窗口無級縮放，人機界面非常友好。操作過程中有可靠性校核與閉鎖功能，人機聯(lián)系窗口有系統(tǒng)管理窗口、監(jiān)控窗口、時鐘窗口、報警窗口等。

（7）系統(tǒng)時鐘管理

系統(tǒng)設(shè)有統(tǒng)一的衛(wèi)星時鐘系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)通訊和脈沖的方式定時校對系統(tǒng)內(nèi)各計算機的實時時鐘，包括廠站級計算機、現(xiàn)地各LCU系統(tǒng)時鐘，保證監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部時鐘的同步一致。時鐘系統(tǒng)同時提供保護裝置、故障錄波裝置、失步解列裝置等時鐘同步信號，保證全廠各系統(tǒng)設(shè)備的時鐘同步。

監(jiān)控系統(tǒng)提供完備的硬件及軟件自診斷功能，包括在線周期性診斷、請求診斷和離線診斷。診斷內(nèi)容包括：計算機內(nèi)存自檢；硬件及其接口自檢（包括外圍設(shè)備、通信接口、各種功能模件等）。當診斷出故障時，應(yīng)自動發(fā)出信號；對于冗余設(shè)備，應(yīng)自動切換到備用設(shè)備；自恢復(fù)功能（包括軟件及硬件的監(jiān)控定時器功能）；掉電保護；雙機系統(tǒng)故障檢測及自動切換。當以主／熱備用方式運行的雙機中的主用機故障退出運行時，備用機應(yīng)能不中斷任務(wù)且無擾動地成為主用機運行。

（9）系統(tǒng)的權(quán)限管理

系統(tǒng)配置用戶授權(quán)管理系統(tǒng)軟件，對不同用戶建立帳號及密碼。根據(jù)用戶工作性質(zhì)對其進行授權(quán)。

（10）系統(tǒng)通信

與調(diào)度自動化系統(tǒng)的通信，采用IEC104通訊規(guī)約，將數(shù)據(jù)實時上送至青海電力調(diào)度，數(shù)據(jù)傳輸通道按主、備方式配置，接入青海電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)。

監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部由以太網(wǎng)連接的各設(shè)備之間通訊，將各LCU采集的數(shù)據(jù)實時上送廠站級各主機，同時，操作控制命令通過點對點方式下送各相應(yīng)LCU設(shè)備。

（11）現(xiàn)地控制單元LCU功能

每套LCU單元均是一套完整的監(jiān)控系統(tǒng)。與系統(tǒng)廠站級聯(lián)網(wǎng)時，作為監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，實現(xiàn)系統(tǒng)指定的功能。而當與系統(tǒng)廠站級脫離時，則能獨立運行，實現(xiàn)LCU的現(xiàn)地監(jiān)控功能，確保被控設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

4系統(tǒng)主要特點

（1）整個系統(tǒng)采用開放的、分層、分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要設(shè)備的冗余設(shè)計，主機、操作員站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、CPU等采用雙機熱備工作方式，系統(tǒng)可靠性高。

（2）本電站采用全計算機監(jiān)控方式，中控室不設(shè)常規(guī)集中控制設(shè)備，以計算機監(jiān)控系統(tǒng)作為唯一的監(jiān)控設(shè)備和手段；各現(xiàn)地控制單元層除保留簡單獨立繼電器接線外不設(shè)常規(guī)監(jiān)控回路。

（3）采用分布式設(shè)計，能保證當現(xiàn)地控制單元與主站級系統(tǒng)脫離后仍然能在當?shù)貙崿F(xiàn)對有關(guān)設(shè)備的監(jiān)視和控制功能，當與主站級恢復(fù)聯(lián)系后又能自動地服從主站級系統(tǒng)的控制和管理。

（4）在機組LCU中配置用于水力機械事故的簡化的獨立繼電器接線，當電站發(fā)生重要水力機械事故（包括過速、軸承瓦溫過高、事故低油壓、按下緊急停機按鈕等）而電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)因故退出運行時，由獨立繼電器接線實現(xiàn)事故停機。

（5）本計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用全分布式結(jié)構(gòu)體系，即系統(tǒng)功能分布和數(shù)據(jù)庫分布。全廠數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫分布在電站層各節(jié)點計算機中，各現(xiàn)地單元數(shù)據(jù)庫分布在各個LCU中，系統(tǒng)各項功能分布在系統(tǒng)的各個節(jié)點上，每個節(jié)點計算機嚴格執(zhí)行所指定的任務(wù)并通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與其他節(jié)點計算機進行通訊。

（6）現(xiàn)場智能總線技術(shù)的應(yīng)用，LCU與智能儀表和輔機設(shè)備控制單元采用了工業(yè)現(xiàn)場總線，節(jié)約了大量的信號電纜。

（7）LCU采用兩回路電源供電，由一路直流和一路交流互相切換接入LCU電源，保證LCU設(shè)備供電的可靠。

（8）采用并聯(lián)冗余方式的UPS電源，2臺15kVA 的UPS平均分配負荷，切換無擾動，電壓輸出波型連續(xù)。每套UPS采用1路交流220V和1路直流220V電源輸入，輸出交流220V穩(wěn)定電源。同時，UPS將所有的狀態(tài)、故障信息送給監(jiān)控系統(tǒng)。

5改造實施方案

改造過渡期間，新、舊監(jiān)控系統(tǒng)上位機并列獨立運行，操作員站的顯示器并列放置在中控室操作臺。LCU改造前，其所監(jiān)控設(shè)備在舊監(jiān)控系統(tǒng)操作員站進行監(jiān)視和操作控制；改造完成后，則在新監(jiān)控系統(tǒng)操作員站進行監(jiān)視和操作控制，隨著LCU改造，逐步完成LCU接入新監(jiān)控系統(tǒng)。

按照施工計劃，監(jiān)控系統(tǒng)改造分4個階段，由電站相關(guān)技術(shù)人員制定各階段設(shè)備的具體施工方案，并據(jù)此進行改造施工：第1階段，在全廠停電期間，進行開關(guān)站LCU改造、新監(jiān)控系統(tǒng)臨時操作員站的搭建；第2階段，進行新監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)柜、服務(wù)器柜及上位機系統(tǒng)的搭建、臨時操作員站與上位機的合并、UPS及5號機組LCU安裝；第3階段，根據(jù)電站檢修任務(wù)安排，逐步對各LCU進行改造，并在最后1臺LCU改造同時完成公用LCU改造；第4階段，AGC/AVC功能調(diào)試和系統(tǒng)全面消缺、完善。

電站對本次改造施工進行了精心組織和周密安排，成立了監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)改造領(lǐng)導(dǎo)小組，從技術(shù)要求、施工組織、質(zhì)量監(jiān)督等方面進行分層把關(guān)。該小組在設(shè)備現(xiàn)場安裝調(diào)試期解決了大量實際施工問題，如用于線路斷路器同期的母線側(cè)電壓調(diào)整二次接線，以及根據(jù)原有電纜排布情況改進設(shè)計、優(yōu)化端子布置以最大程度合理利用原有電纜等。

為保證電站正常生產(chǎn)活動和經(jīng)濟效益，盡量縮短機組停運時間，本次改造施工進行了嚴格的工期控制。其中，開關(guān)站LCU改造安排在全廠停電期間進行，工期為7d；機組LCU改造隨各機組年度大小修進行，工期為7d。為保證工期和質(zhì)量，施工班組實行了“分屏負責制”，即改造設(shè)備1個現(xiàn)場技術(shù)總負責人和1個工作負責人，根據(jù)LCU屏柜數(shù)量、工作量分設(shè)1～2個工作小組，每個小組由1名小組負責人和1名小組成員組成。改造前期拆屏、信號對線等工作量大時，各小組并行開展工作，保證工期進度；后期試驗階段，則由現(xiàn)場技術(shù)總負責人、工作負責人和小組負責人共同配合完成。這種施工組織方法任務(wù)清晰、責任明確，各小組之間配合性好，工作效率高，可資參考借鑒。

6結(jié)語

截至2014年9月，直崗拉卡水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造已進行至機組LCU改造安裝階段，整個監(jiān)控系統(tǒng)改造工作預(yù)計于2015年4月完成。改造從根本上解決了該站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備老化問題，改造后監(jiān)控系統(tǒng)缺陷明顯減少，影響安全生產(chǎn)的相關(guān)隱患基本消除，為電站安全穩(wěn)定運行奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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中圖分類號：TV736

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）12-0023-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.12.009

收稿日期：2014-07-31

作者簡介：黃莉（1980-），女，助理工程師，從事水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備管理工作。