柬埔寨達岱電廠監控系統動態調試思路與應用

趙文勝，王靖歐

（柬埔寨達岱水電有限公司，柬埔寨王國金邊 12152）

0 引言

柬埔寨達岱電廠，位于柬埔寨西部的國公省境內，是由中國重型機械有限公司以 BOT（Build-Operate-Transfer，建設——經營——轉讓）方式，在柬投資建設的大型電廠，電站安裝3臺單機容量為82 MW的豎軸混流式水輪發電機組，總裝機容量246 MW，年均發電量8.49億kW·h，在柬埔寨電網具有重要地位（高峰時期占柬埔寨全國電網發電容量近1/3）。達岱電廠于2014年8月完成了3臺機組的安裝調試并投入運行。在隨后的機組運行中，出現了多次控制故障及偶發性的負荷調節異常現象，對電網的安全運行造成了不良影響。在查找故障原因的過程中，應用了動態調試環節中較為典型的測試方法，這些方法成為解決問題的關鍵。

1 系統概述

柬埔寨達岱電廠監控系統采用的是許繼集團有限公司的CBZ8000綜合自動化系統，采用面向對象的分層分布式設計思想，全廠實時數據庫和歷史數據庫分布在廠站計算機中，各單元數據庫分布在各LCU（Logical Control Unit，邏輯控制單元）中，系統各功能分布在系統的各個節點上，每個節點嚴格執行指定的任務，并通過系統網絡與其他節點進行通信。該設備采用的是施耐德昆騰系列PLC，編程主要采用Ladder Diagram（梯形圖）語言和Structured Tex（t結構化文本）編寫而成。

2 采取思路

在計算機監控系統中，控制是邏輯的應用，而調節是算法的輸出。程序在投運前的靜態調試，主要通過開發人員的邏輯思維來分析源程序代碼和排錯。但程序是客觀事物的反映，客觀事物本來就互相關聯、互相糾纏，代碼之間的大量迭代無法避免。這些已經完成了試運行，但毫無征兆出現的嚴重故障，只能通過動態調試的方式來消除。

2.1 調節故障

電站投運后，機組運行中在監控系統給定有功調節操作時，會偶發持續減有功指令。例如，設定有功增加時，監控系統卻出現減有功脈沖，使有功調節方向錯誤；或者在減有功時，負荷已經達到給定值，但減脈沖仍然保持，造成負荷繼續下降，甚至將有功減到零。在異常出現的時間段內，在上位機重新進行設值和手動增加有功，均無法干預到負荷的異常調節。排除監控系統外部因素和硬件故障后，判斷應為程序邏輯故障造成。根據動態調試定位進行分類，應著重從算法上介入。

2.2 控制故障

在某種特定條件下執行控制流程時，上位機發分步開機令去執行開機檢查操作，但指令下達后，程序就會處于一種完全不受控狀況，流程自動執行每一步開機的操作指令，直到完成機組的開機并網。在故障出現的時間段，強制開機令退出和補發停機令，同樣無法中斷流程執行，這樣的控制故障更多考慮邏輯方面的跳轉。

3 應用情況

動態調試需要讓系統在真實的環境中執行，對系統行為進行分析。利用IDE（Integrated Development Environment）集成開發環境配置的調試工具，或者自己編寫的子程序跟蹤軟件的運行，來協助解決程序中的錯誤。在動態調試中,最重要的技術是采用白盒測試法（White-Box Testing），白盒測試是一種被廣泛使用的邏輯測試方法，通過程序內部邏輯驅動，來進行路徑和分支測試。達岱電廠的負荷調節異常情況的處理，就分別采用這兩種測試方法進行。

3.1 路徑測試

（1）達岱電廠的調節故障的偶發性，主要就是由于貫穿在程序內部的邏輯，存在著不確定性和無窮性，因此不能窮舉所有的邏輯路徑。此時可先利用思維導圖（Mind Manager）軟件，以發散思維的方式，從程序的動作出口入手，倒推故障出現的各種可能性及關鍵參數。將故障原因集中到程序中的幾個重要中間變量上，相當于定位至路徑的交叉路口（Intersection），同時在程序不同地方設立檢查點，檢查程序的狀態，以確定實際運行狀態與預期狀態是否一致。由于故障的出現無規律可循，梯形圖LD語言也無法記錄執行過程，只能通過長期跟蹤，可以利用施耐德Unity Pro軟件中的Trending tool功能，不間斷地對控制程序中的幾個相關變量進行錄波監視，分別獲得了故障前后的變量記錄及動作圖形。

（2）故障時刻出現在機組增加負荷設定至72 MW,當負荷接近72 MW設定值時，突然出現減速令，值班人員手動將設值復歸，1F（1#發電機）負荷穩定在65 MW，,但手動重新設值82 MW后，再次出現減速令，此次即使將設值復歸，減速令仍持續輸出，直至將1F負荷減至10 MW，后自動減負荷情況消失。

（3）Trending tool功能可以記錄下預置參數的每一條記錄，20:57:03機組實發有功33 MW，上位機設定負荷72 MW，之前調節都正常，實發值逐漸接近設定值，在死區附近波動時，20:57:43用于減有功調節時間計算的%MW1268參數，產生一個負值，即-130。

（4）機組調節脈沖式通過程序中INT_TO_TIME功能塊，將數值轉換為毫秒（ms），正常情況下，減有功環節內%MW1268都應該是正值，例如，等于500時，輸出的脈沖值就應該是500 ms。如果%MW1268計算出負值，理論上應該處于增有功的控制環節內，這個值要被閉鎖，不應進入減有功流程。分析原因是實發有功在設定有功附近波動時，由于程序沒有跟上PLC的掃描進度，將負值賦到了減有功流程，從而產生了錯誤的跳轉。INT類型中負數用二進制原碼換算的范圍是（-32768～0），因此計算出的減有功的輸出脈沖時間（32768-130=32638），為32 s 638 ms。也就是說要持續進行32 s的減有功指令，并且一直被保持。這就是為什么負荷持續下降的核心問題。

（5）根據找到的故障原因，有針對性的對相關程序進行了修改，增加了增減有功是否為負值判據，若為負值，不進行時間換算，等待下一個掃描周期再換算。增加了功率調節自保持回路的相關復位條件。在增有功和減有功的輸出，TON功能塊之前，增加有功可調（%M1225）條件，有功不可調則輸出取消。程序修改調試完成后，經過近1年實際運行檢驗，未再出現過異常情況。

3.2 分支測試

（1）分支測試是通過針對特定條件設計測試方法，對軟件的邏輯路徑進行覆蓋，跟蹤程序在路上如何的執行。監控系統流程控制主要采用的是結構化文本ST語言，大部分的邏輯路徑分支采用CASE語句。這樣在靜態調試時，可以很方便的設置斷點，當執行到特定語句或改變特定變量的值時，程序停止執行，以便分析程序此時的狀態。但在動態調試時，只能利用程序語言提供的調試功能，分析程序的動態行為，針對發生的控制故障，編寫調試程序來實時檢查主存和寄存器，記錄流程在各分支上執行的跳轉。

（2）與路徑測試（可以利用Trending tool功能記錄若干變量的相互關聯）不同，分支測試更多的是針對同一變量的在線跟蹤，可以定義數組，通過編寫程序將流程的執行寫到數組中去。并設置軟件開關，隨時觀察變量在分支程序中的執行步驟。優點是，可以與PLC的掃描周期同步，從寄存器中精確讀取變量在每個掃描周期的變動情況。

（3）對變量的初始賦值，可以通過變量表，也可以通過賦值語句。通過分支測試，發現當程序重新編譯下載時，部分寄存器處于被清空的初始態，變量還未被賦值。這部分變量的初始態通常是0值，而首次賦值與變量所處語句的位置有很密切的關系。負責程序跳轉的變量數組，是在主程序最后一行進行的賦值，而各子程序段的判斷條件，都沒有考慮到對0值進行限制。在初始掃描周期完成后，還未執行賦值的故障變量數組，就在缺少限制的子程序循環中，一旦擊發條件滿足，就可導致流程的不受控執行。

4 問題思考

在IEC 6-1131/3標準中，定義了5種標準編程語言，監控系統的控制軟件通常會融合多種程序語言進行編寫，優點是在功能上能進行互補和直觀，可發揮程序語言各自的優勢。對于整體程序的動態調試，除了依靠軟件自身進行語句覆蓋 SC（Statement Coverage）編譯檢查外，如果有可能，針對故障問題的測試方法，可以采用判定條件覆蓋CDC（Condition/Decision Coverage），即設計足夠多的測試用例，使判定中每個條件的所有可能至少出現一次，并且每個判定本身的判定結果也至少出現一次。但是無論采取哪種測試方法，目的是發現程序存在的問題，而不是證明程序沒有問題。

5 結語

對于監控系統方面的故障，難點在于故障原因難于定位，而一旦找到故障原因，問題自然迎刃而解。合理運用動態調試中的經典方法，對負荷調節異常、控制環節故障這類的偶發性故障確實起到了重要作用。隨著技術及軟件的發展，特別是IEC 61850規約的引入，對系統與設備之間的控制環節也提出了更高的要求，監控系統正在朝著網絡化、互聯網的方向發展，系統間的信息傳輸將呈現多層次、多局部交錯互聯的形態，并由此實現信息的溝通、匯集和共享?；谙到y層面的動態調試將會越來越深入，掌握傳統的調試思路及方法，多采用逆向思維去分析問題，將對系統的穩定和故障排除起到決定性作用。