PCS—9150系統在水電站計算機監控系統中的應用

蔡丹 牛洪海 蔡金華 王慧

【摘要】本文介紹了PCS-9150系統在四川洪口水電站計算機監控系統的應用情況，闡述了主要配置、可靠性設計及PCS-9150冗余控制器等系統特點。

【關鍵詞】冗余控制器；水電站計算機監控系統；可靠性

引言

依據國家能源局《水電發展“十三五”規劃（征求意見稿）》提出，“十三五”期間，水電保持合理建設規模。全國新開工常規水電和抽水蓄能電站各6000萬千瓦，共計1.2億千瓦；2020年水電總裝機達到3.8億千瓦。隨著科技水平的不斷發展和提升，水電站“無人值班，少人值守”對水電站計算機監控系統的要求越來越高。本文基于南瑞繼保自主研發的PCS-9150冗余控制器，闡述了四川通江縣洪口水電站計算機監控系統的配置及特點。

洪口電站位于通江縣洪口鄉境內月灘河上游3.0km的高家灣處，為通江縣境內月灘河梯級開發的第一級龍頭電站，為地面廠房。電站裝機容量2×13.2MW混流式機組，最大水頭78.6m，最小水頭52.6m，額定水頭68m，設計引用流量為44m3/s，多年平均發電量為8891萬kW·h。電站主要為發電，并兼顧生態環境用水。接入系統方式為一回110kV線路接至萬源電網，主接線110kV側為線路變壓器組接線，發電機電壓側為擴大單元接線。110kV配電裝置型式選擇戶外中型敞開式布置，布置在主廠房上游側。

1、電站運行控制方式

對洪口水電站的監視控制， 有下列三個等級的操作

（1）遠動控制層（調度）操作

調度中心的值班人員，通過調度中心的計算機系統，經載波和光纖通道，與洪口水電站的計算機系統通信，實現遙測、遙信、遙控、遙調，其中，電站主控級計算機的收到中調傳送的AGC及AVC命令后完成最優發電計算， 確定電站開機臺數，機組組合和機組間負荷分配，并執行閉環/開環操作。

（2）廠站監控層操作

在廠站監控層操作能實現對電站設備的控制監視，有以下兩種方式。

電站自動控制，電站主控級計算機按預先給定的負荷曲線或按系統實時給定的負荷及其他限制條件，完成對電站各機組的最優負荷分配和控制，此控制方式可選擇閉環或開環運行。

操作人員后臺控制，操作人員在操作員站上，通過顯示器、鍵盤、鼠標等設備進行操作。對于功率控制，可實現單機控制和成組控制；對于機組設備的工況轉換，可實現全部過程自動執行方式或采用分步按順序組執行的方式，即每一步或每一順序組完成后需經操作人員確認，才能進行下一步或下一順序組的操作。

（3）現地控制層

在電站運行初期或廠站監控層出現故障及根據需要，操作人員可通過單元控制器的觸摸屏、按鈕等設備，實現對電站設備的控制及工況的全自動轉換和分步自動轉換。

操作層級控制權限，操作層級分為3層，優先級從高到低依次為現地控制層，廠站監控層，遠動控制層。在LCU屏柜上設置遠方/就地切換把手，用于現地控制層與廠站監控層的控制權限切換。在廠站控制層的監控后臺畫面設置廠站控制/遠動控制軟切換把手。只有在遠動控制模式下，遠動控制層下發遙控/遙調指令才有效。LCU屏上的遠方/就地把手處于“就地”位置，此時廠站監控級命令被閉鎖，但不影響控制器上送信息。

2、監控系統網絡架構

計算機監控系統采用南瑞繼保PCS-9150水電站監控系統，采用分層分布式，共分2層，廠站監控層和現場控制層。

1）廠站監控層

配置2臺主機兼操作員站，雙屏顯示，2臺主機互為冗余。工作站配置采用當前主流配置。

配置為1臺工程師站，專門用于維護下位機組態及上下機畫面、報表等功能，工程師站可兼做操作員站。

配置2臺電力專用遠動裝置PCS-9799B，冗余配置。遠動裝置為無硬盤無風扇的專用裝置，以部頒CDT、MODBUS、IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、DNP等規約通過模擬通道、數字通道或網絡向調度端/集控站傳送，同時接收調度端/集控站的遙控、遙調命令向變電站內設備轉發。遠動信息采用“直采直送”的方式，PCS-9799B遠動裝置的運行獨立于后臺監控系統，雙方互不影響。

2）現地控制層

現地控制層配置4套LCU，分別為1～2號機組LCU，公用LCU，泄洪閘門LCU。網絡采用雙星型網絡架構。

機組LCU配置南瑞繼保自主研發的1對PCS-9150冗余控制器，1臺10”觸摸屏，1臺PCS-9659D自動準同期裝置及手動同期裝置，實現就地LCU的現地控制，屏面布置簡潔明了。柜內設置遠方/就地切換把手及緊急停機按鈕。

公用LCU配置1對PCS-9150冗余控制器，1臺10”觸摸屏，1臺多點自動準同期裝置及手動同期裝置，實現公用系統及開關站LCU的現地控制。

勵磁、調速器、交流采樣、溫度巡檢儀等智能裝置需要通訊的設備通過PLC的串口卡件直接通訊，因此無需配置廠內通訊工作站。

3、系統可靠性設計

1）PCS-9150水電站計算機監控系統提供全面冗余機制，下位機采用PCS-9150冗余控制器，增加系統可靠性。冗余控制器的典型網絡結構見圖1。

PLC的控制器冗余

控制器上電后自動檢測是否有主機存在，如果有則切為備機，建立與主機的同步。當同步建立后，如果主機失電或故障則自動將控制權移交從機，原從機升級為主機，繼續原主機切換前的工作狀態。故障控制器恢復時，不再主從切換，除非現主機故障。冗余控制器切換時間<6ms。

控制器之間冗余同步網絡冗余

同步A網故障時，會自動切換到B網。故障網絡恢復時不切換。當A/B同步網絡同時失去時，控制器會出現雙主情況，故控制器之間配置冗余同步網絡，大幅減少了雙主的概率。

IO網絡冗余

每個控制器對每個IO站的IOLink總線冗余配置，即主控制器對每個IO站有2路A/B IOLink總線，從控制器對每個IO站也有2路A/B IOLink總線。控制器自動偵測IO網絡A網和B網的狀態，如果當前網絡存在故障，則自動切換到另外一條網絡。故障網絡恢復時不切換。每個控制器最多帶4個IO站，控制器與IO站之間通信采用點對點通訊方式。

HMI監控網絡冗余

每個控制器自身集成兩個上位機百兆網口，監控后臺自動偵測控制器監控A網和B網的狀態，如果當前網絡存在故障，則自動切換到另外一條網絡。故障網絡恢復時不切換。

人機接口冗余

主機可設置為多節點互為備用，值班節點故障，備用節點自動切換為值班狀態。

電源冗余

控制器和IO單元均為雙電源配置（AC/DC 110V～220V寬壓設計），無需配置交直流雙供電裝置。

對時冗余，

控制器本身自動支持GPS/北斗對時（優先級從低到高依次為網絡NTP對時、串口B碼對時、光口B碼對時等），無需額外配置，常規配置網絡NTP對時和串口對時，為SOE事件時標提供精準的時間。

2）IO卡件支持熱插拔

任何一塊卡件故障，現場需要更換卡件時，支持帶電熱插拔，無需設置卡件地址，控制器會自動識別。更換過程無需斷電，全部在線完成，簡單、快捷、安全。

3）寬溫I/O模件（工作溫度-20℃～+55℃）

4）控制器/IO模件全金屬結構，抗干擾能力強，電磁兼容性強，EMC等級可至4級，可以應用在惡劣的強電磁干擾環境中。

同時PCS-9150 PLC控制器配套標準算法模塊，包括各種PID、自整定控制模塊、算術邏輯運算、模擬量/開關量手操器、操作器、超前滯后、數字邏輯等，可定制生成其它特殊算法，如狀態變量和模糊算法。支持可讀寫永久存貯器，存貯系統文件和組態數據，支持控制策略的在線無擾更新；支持功能塊圖組態，所見即所得。在線監視時功能塊有背景色指示狀態，方便快捷。

4、監控系統特點

南瑞繼保的PCS-9150水電站計算機監控系統具備靈活開放的體系結構，實時、海量數據庫，全面支持IEC61850/103/ModbusTCP/OPC等標準規約，圖模庫一體化建模，友好的人機界面，支持離線維護、在線無擾更新等高級功能。

系統功能模塊可方便的進行裁剪和擴充，“即插即用”，適合多種用戶需求。

監控系統支持廠級AGC發電控制及自動電壓控制，根據系統對電站的要求，如調功、調頻等運行方式，對系統的頻率、穩定極限進行監視，自動進行有關電站機組起、停控制，機組有功/無功功率自動調整，減輕運行人員的勞動強度，提高電能生產質量，滿足新型電力市場對電力生產單位電能質量的要求。

監控系統預留WEB信息發布系統接口。隨著計算機信息技術及網絡技術的發展，水電站ONCALL功能逐漸被WEB發布功能所替代。通過WEB信息發布服務器，管理信息系統不再需要與監控系統進行復雜的數據規約轉換及數據通訊，也不需要存儲和管理這些數據，客戶端只需采用IE瀏覽器，建立一個網絡鏈接，運行管理人員便可訪問WEB服務器，瀏覽查詢現場設備及系統的運行情況。

手機APP應用作為WEB發布的補充，目前也逐步推廣到小水電站的遠程監視中。通過Web發布，安全分區隔離，可定制水電站監控系統手機APP應用，通過手機APP應用瀏覽，運行管理人員可實時了解現場設備運行狀態，為“無人值班，少人值守”提供更為便捷的瀏覽方式。

5、結束語

以南瑞繼保PCS-9150冗余控制器為核心的水電站計算機監控系統在洪口電站的順利投運及穩定運行，配套軟件的使用方便快捷，便于調試，大幅縮短了現場調試時間，獲得越來越多的水電站用戶的認可。

參考文獻：

[1]DLT_5065-2009 水力發電廠計算機監控系統設計規范

[2]DLT 578-2008 水電廠計算機監控系統基本技術條件

[3]PCS-9150系統說明書