水電廠一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)

肖啟志，張娟勇，鐘 永

（1.五凌電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.洪江水力發(fā)電廠，湖南 懷化 418200）

水電廠一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)

肖啟志1，張娟勇2，鐘 永2

（1.五凌電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.洪江水力發(fā)電廠，湖南 懷化 418200）

隨著遠(yuǎn)程集控和智能化發(fā)展，水電廠對(duì)監(jiān)控信息一體化需求日趨強(qiáng)烈，在水電廠進(jìn)行一體化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一體化監(jiān)控系統(tǒng)；時(shí)鐘管理系統(tǒng)；現(xiàn)地控制單元

0 概述

國(guó)內(nèi)水電建設(shè)經(jīng)過高速開發(fā)階段后，多數(shù)水電廠已經(jīng)運(yùn)行10多年，進(jìn)入改造高峰期。然而10年前水電廠建設(shè)整體自動(dòng)化水平不高，普遍存在部分設(shè)備信息采集不全，各設(shè)備系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立、平行布置，缺乏標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的對(duì)外通信接口，無法上送信息或上送信息不全的現(xiàn)象，影響遠(yuǎn)程集控和生產(chǎn)數(shù)據(jù)挖掘分析。隨著電子元器件和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)從服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、PLC到輔助產(chǎn)品功能更全、性能更強(qiáng)，水電行業(yè)產(chǎn)品變得豐富可靠、通訊接口日趨穩(wěn)定，此時(shí)進(jìn)行一體化監(jiān)控大平臺(tái)建設(shè)，將進(jìn)一步提升水電廠自動(dòng)化水平，推動(dòng)水電行業(yè)發(fā)展。

1 一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

1.1 建立一體化監(jiān)控平臺(tái)

水電廠廠站層建立一體化監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的無縫連接，形成可對(duì)廠內(nèi)機(jī)組、開關(guān)、線路、船閘、泄洪閘、通風(fēng)空調(diào)、供排水系統(tǒng)及其他公用設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視及控制的一體化大平臺(tái)，與水情、消防、電能系統(tǒng)、調(diào)度實(shí)現(xiàn)通訊，形成綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)之間的智能協(xié)調(diào)與安全運(yùn)行水平，提供智能化決策支持功能，并在生產(chǎn)管理辦公網(wǎng)絡(luò)可通過Web瀏覽整個(gè)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，方便上層決策。

1.2 建立冗余雙星型網(wǎng)絡(luò)

（1）廠站層網(wǎng)絡(luò)

在廠站層設(shè)2臺(tái)高性能千兆級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)作為中心交換機(jī)，各LCU通過現(xiàn)地工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)及多模光纜與中心交換機(jī)光纖接口連接構(gòu)成雙星型控制網(wǎng)。廠站層主干光纖網(wǎng)絡(luò)應(yīng)覆蓋全廠各輔助系統(tǒng)，方便各系統(tǒng)接入一體化平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選型需滿足水電廠對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性及可維護(hù)性的要求。

廠站層設(shè)備：數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站、操作員工作站、調(diào)度通信工作站、廠內(nèi)通信工作站、報(bào)表與語音報(bào)警工作站和打印機(jī)等均通過10/100 Mb/s自適應(yīng)RJ45電口連接到中心交換機(jī)。

（2）現(xiàn)地層網(wǎng)絡(luò)

機(jī)組LCU、開關(guān)站LCU、公用LCU應(yīng)采用完全冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要設(shè)備具備IEC61850通訊規(guī)約，各輔助系統(tǒng)應(yīng)采用光纖傳輸，以LCU方式接入一體化監(jiān)控平臺(tái)。根據(jù)電廠實(shí)際情況，選擇不同檔次的PLC產(chǎn)品，輔助系統(tǒng)可選擇雙網(wǎng)接入中心交換機(jī)，或采用單網(wǎng)接入輔機(jī)匯聚交換機(jī)再通過VLAN方式雙網(wǎng)接入中心交換機(jī)。

1.3 建立全廠統(tǒng)一時(shí)鐘管理系統(tǒng)

電廠配備時(shí)鐘管理系統(tǒng)一套，采用GPS和北斗信號(hào)集中接收、分層、分布開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在廠站層安裝時(shí)鐘管理系統(tǒng)主站，配置GPS同步主鐘和北斗同步主鐘各一臺(tái)。每臺(tái)裝置均配天線、熱備交直流雙電源、高精度恒溫守時(shí)時(shí)鐘。兩臺(tái)主鐘之間采用光纖互備，每臺(tái)主鐘均配有20路光纖輸出接口。現(xiàn)地LCU設(shè)置時(shí)鐘擴(kuò)展裝置構(gòu)成從站，每臺(tái)擴(kuò)展裝置均配兩路光纖輸入接口，熱備交直流雙電源，配備光纖對(duì)時(shí)、NTP網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)、IRIG-B碼對(duì)時(shí)、串口對(duì)時(shí)等多種對(duì)時(shí)接口模塊。

1.4 現(xiàn)地自動(dòng)化設(shè)備集成、數(shù)字化

為了更好地接入水電廠一體化監(jiān)控平臺(tái)，現(xiàn)地應(yīng)采用一些具有采集功能及數(shù)據(jù)處理功能的集成、數(shù)字化自動(dòng)化設(shè)備。因?yàn)樗鼈兙哂畜w積小、處理速度快、接口豐富、易于維護(hù)和智能化等優(yōu)點(diǎn)，這樣不再需要增加中間龐大復(fù)雜的轉(zhuǎn)換設(shè)備，不但節(jié)省了大量空間，還減少了故障點(diǎn)。

2 一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用

某電廠原計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)投運(yùn)至今已達(dá)10余年，系統(tǒng)設(shè)備老化嚴(yán)重，控制器負(fù)載長(zhǎng)期超過90%，上位機(jī)服務(wù)器、工程師站等故障頻發(fā)，LCU模塊存在信號(hào)中斷、抖動(dòng)、誤開出等缺陷，嚴(yán)重影響系統(tǒng)安全運(yùn)行。且通風(fēng)空調(diào)、供排水系統(tǒng)、船閘、泄洪閘等輔助系統(tǒng)分屬不同廠家，相對(duì)獨(dú)立，不能互聯(lián)互通、集中控制，在實(shí)施遠(yuǎn)程集控后，遠(yuǎn)方監(jiān)視信號(hào)不全。為了解決上述問題，提升電廠設(shè)備自動(dòng)化及生產(chǎn)管理水平，電廠決定進(jìn)行一體化監(jiān)控平臺(tái)建設(shè)。

2.1 廠站層設(shè)備改造

（1）在機(jī)房安裝1套網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、1套服務(wù)器機(jī)柜，機(jī)柜中布置2套互為冗余的數(shù)據(jù)服務(wù)器、1套工程師工作站、2套調(diào)度通信工作站、1套廠內(nèi)通信工作站、中心交換機(jī)、全廠衛(wèi)星對(duì)時(shí)設(shè)備、KVM切換系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站、調(diào)度通信工作站、廠內(nèi)通信工作站、Web工作站、KVM切換系統(tǒng)布置在服務(wù)器機(jī)柜；中心交換機(jī)、光電交換機(jī)、防火墻、全廠時(shí)鐘設(shè)備等布置在網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜。數(shù)據(jù)服務(wù)器采用UNIX操作系統(tǒng)平臺(tái)，監(jiān)視控制畫面為簡(jiǎn)體中文，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過隔離裝置、縱向加密裝置、網(wǎng)絡(luò)防火墻等送廠內(nèi)MIS系統(tǒng)、集控中心、省調(diào)度通信中心，并符合《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》相關(guān)要求。

（2）中控室布置2套操作員站、1套報(bào)表與語音報(bào)警工作站。

（3）在船閘集控室設(shè)遠(yuǎn)方監(jiān)控站，配置1套操作員工作站。對(duì)船閘設(shè)備有監(jiān)控權(quán)限，對(duì)電廠其他設(shè)備只進(jìn)行監(jiān)視，無操作權(quán)限。

（4）在綜合樓設(shè)遠(yuǎn)方監(jiān)控室，配置1套操作員工作站和1套仿真培訓(xùn)工作站。操作員工作站可通過不同登錄權(quán)限，實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠設(shè)備分區(qū)進(jìn)行監(jiān)視與操作。

（5）配備1臺(tái)Web工作站，在生產(chǎn)管理辦公網(wǎng)絡(luò)可通過Web瀏覽整個(gè)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1 一體化監(jiān)控平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2 現(xiàn)地LCU改造

全系統(tǒng)共設(shè)有8套現(xiàn)地控制單元(LCU)，包括6套機(jī)組LCU、1套公用LCU、1套開關(guān)站LCU、屏柜及相關(guān)配套設(shè)施。機(jī)組LCU、公用LCU、開關(guān)站LCU可編程控制器和通訊網(wǎng)絡(luò)采用冗余配置。機(jī)組LCU中水機(jī)保護(hù)采用單獨(dú)PLC控制，獨(dú)立電源，能夠獨(dú)立工作執(zhí)行機(jī)組停機(jī)流程，要求該P(yáng)LC與機(jī)組LCU及上位機(jī)通訊。

現(xiàn)地LCU完成對(duì)監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理，負(fù)責(zé)向網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)信息，并自動(dòng)服從上位機(jī)的命令和管理，設(shè)計(jì)采用RTD模塊替代現(xiàn)有測(cè)溫屏測(cè)溫表實(shí)現(xiàn)溫度采樣功能，交流采樣模塊替代現(xiàn)有變送器進(jìn)行電氣量采集。同時(shí)各LCU也具有控制、調(diào)節(jié)操作和監(jiān)視功能，現(xiàn)地配備工控機(jī)或與PLC配套的觸摸屏，當(dāng)與上位機(jī)系統(tǒng)脫機(jī)時(shí)，仍具有必要的監(jiān)視和控制功能。

圖2 機(jī)組LCU網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.3 輔助系統(tǒng)接入

（1）船閘控制系統(tǒng)通過PLC換型改造，支持以太網(wǎng)通訊。采用光纖傳輸，以LCU方式接入一體化監(jiān)控平臺(tái)。為保證船閘系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的可靠性，在船閘集控室設(shè)1臺(tái)遠(yuǎn)方操作員站，對(duì)船閘設(shè)備有監(jiān)控權(quán)限，對(duì)電廠其他設(shè)備只進(jìn)行監(jiān)視，無操作權(quán)限。

在船閘集控室布置1臺(tái)分匯聚交換機(jī)將各閘首設(shè)備接入，船閘集控室匯聚交換機(jī)再通過光纖與輔機(jī)匯聚交換機(jī)相連。船閘操作員站布置3塊網(wǎng)卡，其中一塊網(wǎng)卡與船閘集控室匯聚交換機(jī)相連，另外兩塊網(wǎng)卡與監(jiān)控機(jī)房中心交換機(jī)相連。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)船閘操作員站出現(xiàn)問題或與監(jiān)控機(jī)房中心交換機(jī)失去聯(lián)系時(shí)，上位機(jī)仍可對(duì)船閘控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本次改造時(shí)因泄洪閘系統(tǒng)運(yùn)行狀況較好，暫以通訊接入，待以后升級(jí)時(shí)可以按照船閘控制系統(tǒng)的模式以LCU架構(gòu)接入。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 船閘控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

（2）通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)、廠內(nèi)供排水控制系統(tǒng)、泄洪閘監(jiān)控系統(tǒng)參照船閘控制系統(tǒng)改造，以LCU方式接入一體化監(jiān)控平臺(tái)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 通風(fēng)空調(diào)、廠內(nèi)供排水、泄洪閘控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

為節(jié)省建設(shè)成本，輔機(jī)控制PLC采用檔次稍低的產(chǎn)品，不支持雙網(wǎng)冗余，為提高廠站層的可靠性，所有輔機(jī)分系統(tǒng)均接入三層輔機(jī)匯聚交換機(jī)，通過對(duì)該交換機(jī)進(jìn)行VLan的劃分，實(shí)現(xiàn)輔機(jī)系統(tǒng)單網(wǎng)接入監(jiān)控平臺(tái)雙網(wǎng)的功能。

（3）水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)、電能量采集系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等采用串口或網(wǎng)絡(luò)方式與一體化監(jiān)控平臺(tái)廠內(nèi)通信工作站通訊。

（4）勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、直流系統(tǒng)等采用串口或網(wǎng)絡(luò)方式與現(xiàn)地LCU通訊。

3 一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)成果

（1）突破傳統(tǒng)思維，首次實(shí)現(xiàn)船閘、通風(fēng)空調(diào)、供排水、泄洪閘等控制系統(tǒng)接入一體化監(jiān)控平臺(tái)，解決了原來多個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)平行存在的問題，實(shí)現(xiàn)全廠一體化監(jiān)控，并可分區(qū)域授權(quán)控制。

（2）優(yōu)化機(jī)組溫度量和電氣量的采集方式，將原來經(jīng)過測(cè)溫表計(jì)后再進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的溫度量，更改為直接接入監(jiān)控系統(tǒng)RTD模塊，每臺(tái)機(jī)組減少65塊測(cè)溫表計(jì)投入，采用配套的交流采樣模塊替代單個(gè)變送器和交流采樣裝置進(jìn)行電氣量采集，減少中間故障及延時(shí)環(huán)節(jié)，節(jié)約投資成本，節(jié)省占用空間，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

（3）控制器、網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)，并在不同檔次PLC兼容的情況下，實(shí)現(xiàn)了廠站層的雙網(wǎng)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性及可維護(hù)性。

（4）建立了全廠統(tǒng)一的雙時(shí)鐘源時(shí)鐘管理系統(tǒng)，滿足全廠其他系統(tǒng)統(tǒng)一時(shí)鐘授時(shí)需求。

（5）平臺(tái)數(shù)據(jù)通過隔離裝置在安全Ⅲ區(qū)生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)形成Web瀏覽功能，實(shí)時(shí)更新平臺(tái)數(shù)據(jù)，方便生產(chǎn)管理人員及時(shí)掌握全廠設(shè)備運(yùn)行狀況和形成決策。

（6）實(shí)現(xiàn)了全廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一，初步規(guī)范了數(shù)據(jù)接入要求，對(duì)數(shù)據(jù)接入過程進(jìn)行規(guī)范管理，為開展設(shè)備狀況專業(yè)智能分析的數(shù)據(jù)體系設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

一體化監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，是水電廠智能化建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)在該廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造中成功實(shí)現(xiàn)后，得到許多電廠的肯定和參考，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與電子技術(shù)發(fā)展的成果和工業(yè)控制發(fā)展趨勢(shì)。

TV736

A

1672-5387（2017）01-0019-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.005

2016-08-18

肖啟志（1977-），男，高級(jí)工程師，從事水電廠生產(chǎn)管理工作。

與應(yīng)用，解決了水電廠各系統(tǒng)分散獨(dú)立問題，提高了水電廠自動(dòng)化與生產(chǎn)管理水平。