水電機組自主可控監(jiān)控系統LCU 設計與測試

艾遠高，黃家志，謝秋華

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

監(jiān)控系統是水電廠的“大腦中樞”，屬于核心控制系統，是保障電網安全運行的重要基礎[1，2]。其中，現地控制單元（LCU）是監(jiān)控系統直接參與電廠的生產過程控制接口[3]，是系統中最具面向對象分布特征的控制設備。對巨型水電機組計算機監(jiān)控系統LCU 進行自主可控設計，掌握核心技術，并擁有完全自主知識產權，是保障國家能源安全的重要支撐。

同時，為保障國內水電站內各類使用監(jiān)控系統LCU 產品的設備的長期安全、穩(wěn)定運行，保障充足的備件儲備，以及設備改造順利實施，解決水電機組監(jiān)控系統LCU 上存在的備件自主問題，需對水電機組自主可控監(jiān)控系統LCU 進行設計及對應的測試方法研究。

1 自主可控監(jiān)控系統LCU 設計原則

1.1 可靠性

作為巨型水電機組自主可控監(jiān)控系統，在穩(wěn)定可靠性方面，要求其具備較高的抗電磁干擾、抗雷電沖擊的能力；同時系統控制功能可靠性、獨立性要求高。

系統實現方面，需設計監(jiān)控信號可靠性的判斷。可利用信號的品質、模板的品質與工作狀態(tài)、采集回路的電源屬性等對信號可靠性進行判斷。如對于流程中使用的開關量信號，通過判斷其品質位、模板狀態(tài)以確定其是否可信；對于流程中使用的模擬量，特別是用于觸發(fā)停機邏輯的模擬量，在信號處理時，同時考慮該模擬量是否存在通道故障或模件故障。

1.2 安全性

水電機組自主可控監(jiān)控系統除了網絡安全等方面要求外，還需考慮以下層面安全性：

（1）產品自主安全性。系統核心軟硬件產品(如PLC、操作系統等)自主安全可控，在安全前提下，其技術指標達到行業(yè)先進水平。

（2）系統實現安全性。一方面是合理設置用戶權限，另一方面是設備操作權限的開放與禁止。設置用戶權限主要是對不同級別的用戶權限進行限定，根據電站監(jiān)控系統使用人員分工的不同而分別設置[4]。

（3）系統安全閉鎖。考慮機組停機觸發(fā)條件的安全性，增加異常情形下的停機條件判斷閉鎖條件。如機組水導油位停機由單一信號源改為配置雙套油位計，且同時判斷模擬量與開關量；對于快速門下滑至事故位觸發(fā)一類機械事故停機，為避免單一開關量信號誤動停機，停機條件中增加進水口閘門開度小于90%的條件閉鎖。

1.3 全面性

監(jiān)控系統設計為分層型控制系統，在現地控制級大量采用現場總線通信技術，極大地減少了電纜施工；同時為保證監(jiān)控系統功能的獨立性，一些重要信號除以通信方式傳輸外，還以硬接線的方式接人監(jiān)控系統。

如對于機組勵磁、繼電保護、調速器等系統，由于其與監(jiān)控系統信息交換量不大，同時對監(jiān)控系統功能實現至關重要，主要用于機組的控制與調節(jié)，因此重要信號采用硬接線方式，部分信號輔以通信方式傳輸。如計算機監(jiān)控系統對勵磁系統的增、減磁命令通過硬接線開關量輸出(DO)方式下達，對調速器有功功率設定命令采取硬接線模擬量輸出(AO)為主，數據通信作為備用方式。

1.4 可維護性

巨型水電機組監(jiān)控系統LCU 系統一般具有數以萬計的信號，涉及機組控制各個方面，對系統信號穩(wěn)定性、響應性等要求高，因而監(jiān)控系統需具有良好的靈活性、開放性、可擴充性和可維護性。針對自主可控監(jiān)控系統維護便利性，系統需具有足夠的安全冗余度，所有環(huán)節(jié)一般均按雙重冗余配置：

（1）控制設備的冗余配置[5]。計算機監(jiān)控系統設計考慮了網絡設備，包括控制網絡與信息網絡的雙冗余配置，以及重要服務器、工作站、PLC CPU 模件、網絡通信模件源、總線等設備的冗余配置，通過控制設備的冗余配置有效提高系統可靠性。

（2）輸入、輸出信號的適當冗余配置。對于重要的設備，系統適當配置冗余的輸入、輸出信號，從而在單個信號故障的情況下，不影響重要設備控制功能的實現。

（3）重要開關量輸出信號冗余配置。電站對監(jiān)控系統重要的開關量輸出[6]，如斷路器合分、投調速器、投勵磁、投高壓油等均配置了雙路開出。

（4）重要模擬量輸入信號冗余配置。如機組轉速考慮了PT 測速與齒盤測速兩種測速原理，作用于停機的水導油位，在改進時設置雙油位計測量；測量壓油罐壓力的同時測量油罐壓力與管道壓力，機組水頭信號在廠房的兩側均安裝水位測量信號等。通過對重要輸入、輸出信號的冗余配置，提升控制功能的整體可靠性。

2 自主可控監(jiān)控系統LCU 設計

2.1 網絡結構與通信

系統可采用成熟的分層分布系統結構，并設計冗余的網絡配置，即控制網絡與信息網絡的雙冗余配置，以及重要服務器、工作站、PLC CPU 模件、網絡通信模件源、總線等設備的冗余配置，通過控制設備的冗余配置有效提高系統可靠性。

采用成熟的通信規(guī)約進行通信，為便于系統維護，采用開放系統互聯協議或適用于工業(yè)控制的標準協議；通信軟件配置應能由用戶修改，以便于將來與其他計算機系統進行數據交換；同時，主控級與現地控制單元的通信協議是公開的，并有詳細的說明，以保證將來現地控制單元中的主要設備改型或升級不受影響。

2.2 數據采集及處理

數據采集及處理功能主要包括：

（1）采集各現地單元的各類實時數據；自動采集智能裝置的有關信息；自動接收調度部門的命令信息；自動接收電廠監(jiān)控系統以外的數據信息，并對自動采集的數據進行可用性檢查；對采集的數據進行工程單位轉換。

（2）具有數字量輸入點的抖動限值報警及處理；具有模擬量輸入點的梯度限值報警及處理；具有數字量輸出動作次數統計及報警（設備維護）；具有輸入/輸出通道的自診斷功能。

（3）對采集的數據進行報警檢查，形成各類報警記錄和發(fā)出報警音響；對采集的數據進行數據庫刷新。

（4）生成各類運行報表；形成歷史數據記錄；生成曲線圖記錄；具有事件順序記錄的處理能力；事故追憶數據處理能力（包括記錄事故時刻的相關量）。

為便于自主可控監(jiān)控系統日常維護，需對采集數據相關的源碼值、通道質量及數據狀態(tài)上送上位機(圖2)，可在上位機數據庫中設定模擬量的量程、限值及死區(qū)。

圖2 模擬量數據處理流程

2.3 控制與操作

運行操作設置主要包括：對功能和預定的決策參數進行控制調節(jié)，滿足電力調度發(fā)電控制要求。對運行設備控制方式的設置：調度控制級/廠站控制級方式設置；廠站控制級/現地單元控制級方式設置；梯調調節(jié)/廠站調節(jié)方式設置；機組單控/聯合控制運行方式設置；運行設備自動/手動控制方式設置；運行人員能夠通過廠站控制級人機接口，完成對單臺設備的控制與調節(jié)。

機組控制分為開停機流程控制、對象設備控制、有功/無功調節(jié)、條件計算、強置、溫度量的閉鎖和解鎖等。

功率調節(jié)包含有功功率調節(jié)和無功功率調節(jié)。有功功率調節(jié)模式可分為功率模擬量給定方式、功率脈沖量調節(jié)模式和開度模式，無功功率調節(jié)模式可分為電壓模式、電流模式和無功模式。

如機組無功調節(jié)，LCU 計算無功設定值（Qset）和無功實發(fā)值（Q）的差值（Δq）

其中，Qdb為無功偏差設定死區(qū)值，計算出脈沖寬度、間隔時間和方向，下發(fā)至勵磁調節(jié)器。在電壓模式下，增減勵磁的電壓給定值；在電流模式下，增減勵磁的電流給定值；在無功模式下，增減勵磁的無功給定值（圖3）。

圖3 無功功率調節(jié)流程示意圖

2.4 交互接口

為提高系統安全性和可維護性，自主可控監(jiān)控系統LCU 還需具備如下性能：

（1）結構設計。采用分布式數據庫及軟件模塊化、結構化設計，使系統能適應功能的增加和規(guī)模的擴充，并能進行系統自診斷。

（2）配置觸摸屏，通過串口或現場總線與PLC 控制器通信，顯示系統LCU 重要設備狀態(tài)。

（3）自診斷實現。系統通信接口、功能模件及外圍設備等診斷出故障時，自動發(fā)出信號；對于冗余設備，應自動切換到備用設備。同時LCU 系統內監(jiān)視指示燈、繼電器等輔助手段多樣，幫助人員準確快速定位故障點。

（4）分析報警。能夠實現面向系統、設備運行狀態(tài)的智能分析報警，系統工作場景綜合智能分析報警，控制過程智能分析報警等功能。

3 自主可控監(jiān)控系統LCU 測試方法

3.1 硬件測試

自主可控監(jiān)控系統LCU 硬件測試主要包括PLC 模件測試、主要元件測試（表1），自主可控性能測試（表2）等。

表1 監(jiān)控系統LCU 硬件檢測(部分)

表2 監(jiān)控系統LCU 自主可控檢測項目(部分)

3.2 軟件測試

自主可控監(jiān)控系統LCU 軟件測試主要包括以下內容：

（1）自有知識產權程度分析。測試編程組態(tài)軟件和監(jiān)控畫面組態(tài)軟件自有知識產權程度。

（2）軟件適配性測試，包含監(jiān)控系統LCU 編程組態(tài)軟件與國產中標麒麟、凝思等國產操作系統適配性。

（3）軟件編程語言友好性測試。編程與IEC 61131-3標準的一致性及用戶習慣的適應性。

（4）軟件功能分析，編程組態(tài)軟件和監(jiān)控畫面組態(tài)軟件功能分析，如LCU 程序中的順控流程完整性、機組對象設備控制的完備性等功能。

（5）軟件可維護性，維護及使用人員可對自主可控系統軟件調試及升級維護。

4 結語

巨型水電機組監(jiān)控系統LCU 負責機組現地設備監(jiān)視和控制調節(jié)，對于保證機組安全穩(wěn)定運行具有重要意義。為解決水電機組監(jiān)控系統上存在的備件自主問題，本文對巨型水電機組計算機監(jiān)控系統進行自主可控設計，并對對應的測試方法進行了總結研究。本研究方法已在某巨型水電站進行了現場測試，測試效果達到預期，對巨型水電機組自主可控監(jiān)控系統LCU 現場應用有著重要參考價值，同時，監(jiān)控系統自主可控設計對加快工控系統產業(yè)鏈國產化進程具有重要意義。