H9000計算機監控系統在紀村水電站的應用與改進

江冬冬

（大唐陳村水力發電廠，安徽 涇縣242500）

0 引言

紀村水電站于1974年開始建設，1976～1977年2臺機組相繼投產運行，共安裝2臺17 MW軸流轉槳式水輪發電機組，總裝機容量34 MW，運行期間雖然對主機設備進行了大修和技術改造，機組性能較以前有了很大提高。但是機組仍存在設計參數落后、繼電控制回路復雜、設備老化等問題，機組自動化水平整體較低。

2017～2018年期間對紀村水電站實施增效擴容改造，每臺機組增容到18 MW，增容機組及公用開關站計算機監控系統，選定中國水科院自動化所開發的H9000 V4.0監控系統作為紀村水電站的計算機監控系統。目前相繼完成了1、2號機組與公用開關站計算機監控系統建設和投運，使紀村水電站的自動化控制水平得到了進一步提高。

1 系統結構及主要功能

根據紀村電站的實際情況和計算機監控系統分層分布的設計原理，H9000 V4.0計算機監控系統分全廠控制層和現地控制層兩層。現地控制層采用單元分布的原則，設置3個現地控制單元（LCU）。LCU由觸摸屏、可編程控制器（PLC）、各種I/O通道及各種智能裝置（微機自動準同期裝置、溫度巡檢裝置、交流采樣裝置、手動準同期裝置、通信控制器等）組成。系統具有整體安全可靠、實用經濟、易于維護等特點。紀村水電站計算機監控系統結構如圖1所示。

1.1 計算機監控系統的分層設計

紀村水電站計算機監控系統按網絡結構分為2層：廠站層和現地層；按設備布置分為兩級：廠站級設備和現地級設備。監控系統網絡結構為雙光纖交換式以太網，其機組LCU以太網連接圖如圖2所示。

現地控制層包括3套現地控制單元（LCU），其中：

機組現地控制單元共2套，每臺機組1套LCU按3面屏進行布置。分別為輸入量屏、輸出量屏和溫度測量（水機保護）屏。機組PLC選用施耐德Unity M580，配置為單CPU、雙網絡模塊，組成雙以太網結構，保證與上位機系統可靠通信。每臺機組設置的水機保護與機組LCU的PLC系統完全獨立，由獨立電源、獨立后備水機保護PLC、獨立觸摸屏組成。機組手動緊急停機系統設有“事故停機按鈕”和“緊急停機按鈕”，按鈕均帶有防止誤操作保護罩。

LCU電源分別裝于各自的LCU柜中。LCU內設備全部采用DC 24 V電源供電，其DC 24 V全部引自LCU所配的交/直流供電電源，交/直流采用冗余供電，當LCU外部AC 220 V或DC 220 V任一路失電時，均可保證整個LCU的可靠供電。為保證電源系統安全性，每個LCU的電源輸入端均裝有避雷器進行防護。

每臺機組配置2套發電機溫度巡檢裝置和1套轉速測控裝置。發電機溫度巡檢裝置采用南京科明CM-448溫度巡檢裝置，將發電機組同一部件的測溫點，按奇數編號溫度測點和偶數編號溫度測點分別接入2套溫度巡檢裝置，即采用溫度測量冗余設計方式，保證了發電機組溫度測量的可靠性，提高了監控系統的運行可靠性。轉速測控裝置采用南京科明CM-200轉速測控裝置，輸入包含兩路齒盤測速和一路PT殘壓測速；即轉速測量也采用了冗余設計方式，保證了發電機組轉速測量的可靠性。

圖1 紀村水電站計算機監控系統結構圖

圖2 機組LCU以太網連接圖

公用開關站設備現地控制單元用1套LCU，按3面屏進行布置。分別完成對2臺主變、110 kV母線、2條110 kV線路、3條35 kV線路、廠房2組220 V直流系統、廠房檢修和滲漏排水泵控制系統的運行狀態進行監視。對泄水道閘門控制、機組上游工作閘門控制采用硬接線方式接入LCU。對深井水泵、空壓機控制采用現地獨立控制模式，通過RS485與公用LCU進行通信，從而完成設備的現地監控任務。公用設備PLC：施耐德Unity M580，配置為單CPU、雙網絡模塊，組成雙以太網結構，保證與上位機系統可靠通信。

廠站級主控層包括操作員站、工程師站、通信站、歷史服務器站等。將工程師站（1套HP DL388 Gen9機架式服務器）、通信站（2套HP DL388 Gen9機架式服務器）、歷史服務器（1套HP DL388 Gen9 機架式服務器）、操作員站主機（2套HP Z640型機架式服務器）、打印機（1臺 HP LaserJet Pro M701n）、時鐘裝置、二次防護裝置等設備布置在紀村上位機房。

上位機房服務器機柜共兩面屏，裝有6臺工作站主機。操作員站的鼠標、鍵盤、顯示器人機接口采用延長器引至中控室，操作員A/B站、通信機A/B站分別布置在兩面屏中，每個服務器機柜由2個完全獨立的逆變電源供電，保證了供電的可靠性；通信機A/B站是雙電源輸入，分別來自2個完全獨立的逆變電源供電，保證與省調通信的可靠性。

操作員A/B站二者為雙機冗余結構，為主備用工作方式。2臺操作員工作站可同時工作，同時接收各種實時數據，當主控操作員站發生故障可切至備用操作員站進行相關操作與監視。

逆變電源設備屏中布置了2臺逆變電源裝置，2臺逆變電源完全獨立，1臺故障不影響另1臺正常運行。逆變電源的直流電源輸入采用電廠220 V直流系統，1臺逆變電源采用第1組220 V直流系統，另1臺逆變電源采用第2組220 V直流系統，大大提高了上位機房服務器電源的可靠性。正常情況下逆變電源均由廠用交流電源供電，交流電源消失時，由電廠直流系統供給逆變器。當逆變電源的整流和逆變部分都發生故障而交流電源完好時，交流電源經過旁路開關直接供給負荷。在交流、直流電源輸入端均裝有避雷器，保證了電源系統的安全性。

1.2 計算機監控系統的分布設計

整個監控系統的功能分布在不同層次設備之中：

現地控制層各LCU按被控對象單元分機組現地控制單元、公用設備及開關站控制單元。各控制單元完成其被控設備的數據采集、監視及控制功能。監控系統中各節點計算機均采用具有良好實時性、開放性、可擴充性和高可靠性等技術性能指標的漢化Linux操作系統，僅工程師站采用中文Windows操作系統。監控系統配置H9000 V4.0系統應用軟件，H9000-104規約通信軟件。

主站的監控功能分布在廠站級主控層中，如操作員A/B站主要完成數據采集與處理、實時數據庫管理、監控系統的人機聯系功能以及完成歷史數據庫管理等任務。完成對本廠的運行監視和閉環控制、隨時接收遠方控制中心的調度命令，發布現地操作控制命令、廠內優化運行AVC計算和處理，數據庫管理等功能。

工程師站由我廠檢修維護人員負責管理。用于系統開發、編輯和修改應用軟件、建立數據庫、系統初始化和管理、檢索歷史記錄、系統故障診斷等工作，檢修人員可根據現場實際需要進行修改定值、增加和修改畫面，并可進行系統維護、軟件開發工作及遠程診斷等。

1.3 計算機監控系統的主要功能

（1）實時采集電站機組等主要設備的各種數據，對電站各控制點和監視點進行自動安全檢測、越限報警、事件順序記錄、事故故障原因提示與語音報警。

（2）實現水輪發電機組的自動順序啟、停控制、機組運行工況轉換及負荷調整，斷路器隔離開關等重要電氣設備的分、合閘操作以及其他自動控制功能。為了確保監控系統操作的正確性，H9000 V4.0系統的所有控制操作均有嚴格的閉鎖條件。

（3）綜合計算與統計分析：監控系統可根據實時采集到的數據進行周期、定時或召喚計算分析，形成各種計算數據庫與歷史數據庫，幫助運行人員對電廠主要設備的運行情況進行全面監視與分析管理。

（4）機組事故停機處理：現地控制單元LCU中的PLC裝置具有機組保護功能，獨立完成采集事故信息，快速執行事故停機流程。為提高系統的可靠性，我廠設置獨立的水機保護屏，與機組LCU的PLC系統完全獨立，由獨立電源、獨立后備水機保護PLC、獨立觸摸屏組成。該裝置確保在機組LCU的PLC系統功能喪失時，機組仍具備完整的水機事故保護功能，水機保護PLC與機組LCU的PLC并行，當機組發生事故時，機組LCU的PLC事故流程啟動，水機保護PLC事故流程延時啟動。

（5）每臺機組LCU均是1套完整的計算機控制系統，與上位機系統聯網時，實現上位機系統指定的功能。而當與上位機系統脫離時，則能獨立運行，實現LCU的現地監控功能。

2 現場存在問題與改進

紀村水電站H9000 V4.0監控系統自2017年投入運行以來，保證了機組的安全可靠運行，但還存在一些問題，具體問題及改進方法如下。

2.1 操作員A/B站黑屏問題查找解決

自投運以來操作員A/B站顯示器均出現瞬時黑屏又恢復的現象，在周圍工作人員打電話或發短信時，操作員A/B站顯示器出現瞬時黑屏又恢復現象的次數增加，偶爾嚴重時會出現顯示器黑屏無法恢復情況，其抗干擾性能差，給運行人員監盤帶來諸多不便，后經檢修人員檢查確認系操作員A/B站延長器抗干擾性能差，使延長器發送端存在死機現象，不能滿足現場環境要求，更換延長器型號后設備運行至今，未出現上述現象。主副顯示屏的延長器是獨立的，不是一體式的，這樣設計不會造成因延長器故障造成主副顯示屏同時黑屏現象，設備的可靠性得到了提高。

2.2 對監控畫面顯示進行優化

運行人員多次反映在日常監盤中由于紀村電站電氣主接線畫面整體太緊湊，畫面上潮流數據太多以及光字報警信息過于繁雜，長時間監視會給人一種眼花繚亂的感受，不利于發現異常報警信息。

為改善此情況，我廠將原來的電氣主接線畫面拆分為2個畫面顯示，1張畫面是顯示潮流數據的運行監視圖，在運行監視圖中顯示重要的開關刀閘，不完全展現電氣主接線全貌；另外1張畫面不顯示潮流數據，僅顯示我廠電氣主接線全貌，通過運行人員與廠家多次溝通協調，畫面顯示優化問題得以解決。對于光字報警信息過于繁雜的問題，由于當時廠家在設計光字報警信息畫面時將數據庫中大部分的開入量、開出量的點均設置在光字報警信息畫面中，造成光字報警信息過于繁雜，為改善上述問題，根據紀村站現場實際情況，在運行人員配合下對光字報警信息進行重新布局，對于現場主要設備和重要的輔助設備存在的故障點均設置在光字報警信息畫面，對一般的開入點或開出點進行了刪減，為了優化畫面，還將有些報警點做了合并處理，如推力冷卻水中斷、下導冷卻水中斷、水導冷卻水中斷、空冷冷卻水中斷、主軸密封冷卻水中斷5個光字報警信息綜合成一個“冷卻水中斷”光字報警信息，當其中一個發生故障報警，光字報警信息報“冷卻水中斷”，具體故障信息可查看事件一覽表，事件一覽表反映數據庫中所有開入量、開出量、中斷量的動作復歸情況以及模擬量的越限報警信息，這樣設置既優化了畫面內容，也便于運行人員及時查找故障信息。

紀村中控室由原來的燈光儀表返回屏改造為DLP投影大屏幕顯示，信號由操作員A站副屏延長器經視頻分配器接入至DLP大屏幕進行顯示。

2.3 數據庫存在問題的處理

數據庫存在的問題主要集中在與現地LCU的點不對應，現地LCU改接線以后，要針對現地LCU動過的點，在上位機的數據庫及時進行定義。部分上位機的點，在數據庫中沒有中文描述，連在畫面上以后，運行人員點開相應點的信息發現是“備用”，后對數據庫中的所有點進行了仔細核實和修改。運行人員在查看監控信息時發現有一些開入量的點不動作或復歸的情況，后經檢查是因現場實際設備未能提供其動作接點給現地LCU，在運行人員建議下將這些開入量的點修改為備用點，以便于正確監視信息。

2.4 紀村站五防閉鎖微機系統與監控系統后臺實現規約對接和遙控操作功能

五防閉鎖微機系統通信應用CDT串口通信規約，自行編譯了一個進程，做了遙信和虛遙信點表，虛遙信的點在上位機里做了虛點，用“五防閉鎖”進行了標注。總共有25個虛遙信點，并且在上位機對需要五防閉鎖功能的開關和刀閘做了閉鎖，在五防閉鎖庫里也進行了相同的標注，最終實現了五防閉鎖的功能。

上位機在五防閉鎖沒有開出操作票的情況下，五防閉鎖不會返回虛遙信點給上位機，所以不滿足閉鎖條件，在這種情況下，在上位機上對開關和刀閘進行分合操作不能實現。當五防閉鎖對某個開關或者刀閘進行開出操作票操作，則會返回一個相應的虛遙信點給監控系統，此時在事件一覽表中會有事件報出來，數據一覽表中的五防閉鎖虛點相應的也會動作，此時滿足閉鎖條件，就可以對開關進行相應的分閘或合閘操作。當上位機進行分閘或合閘操作完成以后，五防閉鎖對其進行確認，則完成了五防閉鎖功能。開關或刀閘變位以后，相應狀態則會通過遙信點表將監控中的狀態送給五防閉鎖。延時約10 s左右，在上位機中相應的虛遙信點會自動復歸。

但在實際運行過程中，微機五防閉鎖系統可能會出現死機或者通信中斷現象，如果此時現場有事故發生，將不能及時在上位機操作相應開關或者刀閘進行事故處理，為了解決上述問題，我們在上位機系統設置直接操作權限，在監控畫面中設置了按鈕，使其投入，使所有的五防虛遙信點動作，這樣保證在五防閉鎖系統不滿足閉鎖條件情況下可以進行直接操作，為運行人員進行事故處理節省了時間，也符合現場實際處理事故的操作要求。

3 結束語

H9000 V4.0計算機監控系統在紀村水電站得到了很好的應用，通過對監控系統在現場存在的問題加以改進，使監控系統對機組的運行狀態可控在控，查找異常和故障點也比以前方便了很多，滿足了機組運行監控各方面的需求，提高了紀村水電站運行的可靠性和安全性，自2017年運行以來取得了良好的經濟效益和社會效益，為紀村水電站實現無人值班（少人值守）的目標奠定了堅實的基礎。