用智能TCU 取代LCU 的水電站監控系統研究

趙國建，先 嘉，何 軍，劉昊鵬

（四川中鼎科技有限公司，四川 成都 610046）

1 概述

目前水電站的自動控制模式基本停留在20 世紀90 年代建立的計算機監控系統為主體的分層分布式系統結構。同時結合分散、分布的孤立控制系統組成全站自動控制系統，其信息交換非常少、網絡連接薄弱、專用控制裝置的智能化程度低，更不能實現互聯互通和數據共享。每一個實現單獨控制任務的系統自成一體，均采用自身獨立的數據采集、運算、建模算法、人機界面和輸出控制等，往往造成全站控制信息相互封鎖、多重元件設置、控制器功能單一、資源浪費和自成一體的信息孤島的狀態。

目前的全站控制系統仍然以實現自動控制為目的，主要解決設備控制的自動化水平、控制功能和可靠性問題。這樣的系統結構往往需要建立在硬件可靠和軟件簡單、實用的基礎上。其對于實現基于被控對象特性的智能監測、診斷控制、容錯控制、預測控制、共享控制、智能保護及在線升級等智能化功能幾乎無所作為，傳統的監控系統已不適應當前智慧水電廠建設的需求。由于設置LCU 進行現地控制設備之間信息交換的局限，對于控制機組轉速和負荷的調速器、控制機組電壓的勵磁裝置與電站輔助設備的自動控制和當前智能控制的要求仍然需要依靠LCU 完成的初衷不僅過去不能，現在更難實現，實際上也是如此：大中型水電站的調速、勵磁、輔助設備等的自動控制和未來的智能控制仍然需要專業化程度更高的制造廠商來承擔完成。這些控制裝置獨立、有效并可靠地完成各自的控制任務以及針對對象特征的智能控制和診斷控制，從而有效組成對水電站主輔機設備正常工作的控制任務，比如：調整穩定機組轉速、調節穩定機組電壓、控制機組操作壓力油壓和油位、保持機組技術供水、集水井水位正常等；因此，采用構成水電站監控系統的任務控制單元（TCU）取代現地控制單元LCU 直接接入廠站層冗余的高速網絡以實現數據共享、實現智慧化電廠的基礎數據獲得成為必然。

同時，在當前水電站智能化建設中，傳統LCU的弊端越來越明顯，不僅不能有效實現對控制對象的控制，而且對于大量數據的采集，信息的互聯互通越來越力不從心，反而成了全站信息化、數字化、智能化實現的一個瓶頸。因此，若要實現水電站的智能化，必須首先取消LCU，打破水電站所有主輔機設備的控制系統按照專業化分工的原則，不僅需要實現自身的智能化控制升級，同時還應以標準開放的高速信息通信接口方式直接接入廠站層網絡的高速公路，讓數據共享，透明工廠的實現方成為可能。國內水電站智能化智慧化監控系統的技術水平和狀況見參考文獻[1-4]。

總之，基于數據控制的智能化和基于信號的自動化有著極大的區別，所有信息化、數字化是智能化的基礎，取消LCU，打通信息瓶頸，實現全站設備的信息互聯互通和數據流自由開放共享是水電站智能控制的基礎，也是智慧電廠的必備。

2 研究目標和技術路徑

筆者提供了一種新一代的水電站計算機監控系統。系統包括：主控制單元及一組智能化的任務控制單元（以下簡稱智能TCU）。主控制單元通過網絡與智能任務控制單元連接；每個智能TCU 按照預設程序獨立完成一個特定的任務，如調速控制、勵磁控制、機組開停機、電氣保護、水機保護、轉速控制、輔機控制及振動保護等。是一種系統簡單、維護方便、高度網絡開放、共享數據的全站智能控制架構，建立主控制單元與各個智能TCU 之間雙向的高速網絡通信，各個智能TCU 之間可以共享數據，實現基于被控對象特性的智能監測、診斷控制、容錯控制、預測控制、共享控制、智能保護及在線升級等智能化功能，使實現智慧水電廠的建設成為可能。水電站監控系統通過主控制單元或智能TCU 向目標任務控制單元發送任務控制指令，實現主控制單元與各個智能TCU 之間的雙向通信和各個智能TCU之間的信息和控制共享，減少原I/O 接口方式的大量輸入輸出設備和電纜接線，減少水電站控制系統的結構層級，提高主控級對各智能TCU 基于數據的控制、診斷和維護能力，實現水電站全站的智能控制，提高水電站的控制可靠性和信息化能力，為實現水電站基于數據的智能化監控系統打下基礎。該系統現已獲得國家發明專利授權（發明專利號：ZL 201710408100.1）。

該水電站監控系統包括：主控制單元及智能TCU，主控制單元與多個智能TCU 通過廠站級網絡連接，每個智能TCU 根據預設程序單獨完成一個特定任務，其中機組側工作組的特定任務包括：開停機控制、調速控制、勵磁調節、轉速測控、電氣保護、水機保護、振動保護和輔機測控等；每個智能TCU 包括通信設備、I/O 設備、存儲器和控制器，智能TCU通過I/O 接口與一個被控的主輔機設備連接；每個智能TCU 之間和/或主控制單元與智能TCU 之間通過網絡設備建立數據通信。

主控制單元或智能TCU 向目標智能TCU 發送任務控制指令，其中，任務控制指令包括目標智能TCU 中的目標主機或輔機設備的名稱及控制指令的內容；目標智能TCU 根據接收到的任務控制指令對目標主機或輔機設備進行控制；目標主機或輔機設備根據任務控制指令執行相應的操作，從而實現主控制單元與各個智能TCU 之間的雙向通信以及各個智能TCU 之間的信息共享，減少原I/O 接口方式的大量輸入輸出設備和硬接線，減少了水電站監控系統的結構層級，提高了主控級對各智能TCU 基于數據的控制、診斷和維護能力，提高了水電站的控制可靠性和信息化能力，為實現水電站基于數據的智能化監控系統打下了基礎。

3 實施方案

圖1 為水電站監控系統10 示意圖。

圖1 水電站監控系統10 示意圖

（1）水電站監控系統10 包括：主控制單元100及智能TCU200。主控制單元100 與一個智能TCU200 通信連接。主控制單元100 為水電站監控系統10 運行的核心，智能TCU200 的數目可為多個，智能TCU200 用于對水電站中工作的各個主機或輔機設備的任務進行控制，主控制單元100 配合智能TCU200 構成對水電站的數據采集與監視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統，實現對水電站的數據采集和監視控制功能。在本研究方案中，主控制單元100 通過網絡與智能TCU200 通信連接，網絡是水電站廠站層的TCP/IP的高速冗余網絡，有線網絡或無線網絡，以使主控制單元100 通過網絡與智能TCU200 實現雙向通信。

（2）智能TCU200 包括：通信設備、I/O 設備、存儲器和控制器等，智能TCU200 通過I/O 接口與一個主機或輔機設備300 連接，其組成包含被控對象和控制設備的控制系統。其中，每個智能TCU200 根據預設程序單獨地執行一項特定任務，特定任務包括：開停機控制、調速控制、勵磁控制、轉速控制、溫度控制、振擺控制或輔機控制等。多個智能TCU200可構成對一發電機組或公用設備中所有任務進行控制的任務組20。在一個水電站中可根據發電機組及公用設備的數量設置相應數量的任務組20。

（3）通信設備用于在智能TCU200 之間進行數據和指令的傳輸，智能TCU200 之間通過通信設備通信連接，建立數據通信，以實現各個主機或輔機設備300 之間的信息共享。通信設備還用于主控制單元100 與智能TCU200 之間的雙向通信，主控制單元100 與智能TCU200 通過通信設備建立數據通信。

（4）主機或輔機設備300 通過I/O 接口與任務組20 中的智能TCU200 連接，主機或輔機設備300 為水電站中完成發電過程的被控設備，主機或輔機設備300 包括但不限于：水輪機、發電機、調速器液壓柜、勵磁功率柜、油壓裝置、空壓機、集水井等。主機或輔機設備300 可以是上述裝置中的一種或多種任意組合。

（5）每個智能TCU200 中的通信設備可以根據需要接入智能TCU200 的主機或輔機設備300 的任務及主機或輔機設備300 對應的空間位置關系進行設置，以保證智能TCU200 中的通信設備的設置位置可以滿足接入智能TCU200 中的主機或輔機設備300 的通信需求。

4 結語

當前國內的水電站監控系統的技術還處于20世紀90 年代水平，目前還沒有新一代的技術在水電站監控系統領域進行實際應用。筆者介紹的采用智能TCU 組成的被控主輔機設備的水電站監控系統，在減少原I/O 接口方式的大量輸入輸出設備和電纜接線、減少水電站監控系統的結構層級、提高主控級對各智能TCU 基于數據的控制、診斷和維護能力，實現水電站全站的智能控制以及提高水電站的控制的可靠性和信息化水平等方面具有根本性、革命性的意義，是一條實現水電站智能化、智慧化的有效、可靠的途徑。