猴爬岩水电站计算机监控系统的设计与应用

罗 皓，周永滨，李清华，熊佳驹，倪会云

（1.中国水利水电科学研究院中水科技公司，北京 100038;2.文山猴爬岩水电开发有限责任公司，云南 丘北 663208）

猴爬岩水电站计算机监控系统的设计与应用

罗 皓1，周永滨1，李清华1，熊佳驹1，倪会云2

（1.中国水利水电科学研究院中水科技公司，北京 100038;2.文山猴爬岩水电开发有限责任公司，云南 丘北 663208）

主要介绍了云南猴爬岩水电站H 9000计算机监控系统的设计原则，总体结构，系统功能的构成与应用。

水电站；计算机监控系统；设计；应用；LCU

丘北猴爬岩水电站位于丘北县羊街乡境内的清水江干流下游河段上，是清水江流域干流下游河段梯级规划的第四个梯级电站，电站装机容量40MW，年发电量16688万kW·h。猴爬岩电站由首部枢纽、引水系统及地面厂房三部分组成。是一个以发电为主的水电工程。电站厂房装机2×20MW，总装机40MW，发电机为混流式机组。电站选用了北京中水科水电科技开发有限公司的H9000V4.0计算机监控系统，所有设备均应满足“无人值班”（少人值守）的要求。工程于2009年10月全部完工，计算机监控系统与首台机组同步投运。

1 系统选型

1.1 上位机操作系统

监控系统上位机系统采用开放系统结构和成熟、可靠、标准化的硬件、软件和网络结构，本系统上位机全部采用开放的汉化Windows系统，具有运行稳定、数据处理速度快、操作界面灵活等特点；支持应用软件较多，性价比较高，技术更新快；计算机管理成本较低，支持多处理器和集群功能；还具备完善的应用功能及对外开放的接口功能。

1.2 工作站及服务器

由于监控系统系统数量较大，可靠性和实时性要求高，选择运行可靠、速度高的电厂服务器和工作站。主要关键设备采用国际著名品牌，美国HP的服务器和工作站。

1.3 可编程逻辑控制器

本系统采用的GE公司系列PLC是一个包括控制器、I/O系统和特殊模块的家族，它能满足各种各样工业解决方案的要求。该系列有单独的整体控制构架和模块设计，已有的记录表明它在几十万项目中得到应用。它如此全能的一个原因是因为它有大量的离散量模块和模拟量模块，还有特殊模块可以使用。此外，GE Fanuc提供大范围的高级通信选项，从简单串行连接到高速以太网接口以及许多总线模块。此外相比同等其他公司的产品，它的性价比更高，非常好得满足了本电厂监控系统的需要。

2 设计思路

猴爬岩水电站按“无人值班”（少人值守）的原则设计。采用全开放式分层分布控制系统，通过交换机和光缆将控制命令和实时数据分布到各个现地控制单元中。监控系统能对全厂主要机电设备进行控制，并对所有机电设备的运行情况进行全面的监视。各单元采用标准模件，既便于功能和硬件的更新和扩展，又能方便日常运行的维护。

实时性好，抗干扰能力强。软件模块化、结构化，使系统更能适应功能的增加和规模的扩充。人机界面采用中文、功能强、操作方便、简洁、灵活，便于二次开发。

监控系统应高度可靠，与电厂安全运行密切相关的设备采用双重化设置，监控系统本身的局部故障不应影响现场设备的正常运行。系统的各项性能指标均应满足DL/T578-1995《水电厂计算机监控系统基本技术条件》及DL/T5065-1999《水力发电厂计算机监控系统设计技术规定》的要求,选择较高的MTBF指标，从部件、单机和系统多层次保证高可靠性要求。

具有本电站和上级调度中心、梯级电站计算机系统、高频开关电源（直流）系统、辅助系统和其它系统之间的通讯接口。满足遥信、遥测、遥控、和遥调功能。应留有局域网接口，实现厂区局域网用户数据共享。并保留INTERNET接口，以扩展远程监视。还应具有远程诊断的功能。

3 系统结构

为保证设计思路的实现，系统采用全分布式立体结构，即功能分布和分布式数据库系统。整个系统分为厂站控制层和现地控制层两部分。全厂数据库和历史数据库分布在厂站计算机中，各个单元数据库分布在各个LCU中，系统各功能分布在各个节点上，每个节点严格执行制定的任务并通过系统网络与其他节点进行通讯。

监控系统局域网按IEEE802.3设计，同样采用全开放的分布式星形结构，网络介质采用光纤电缆，通信规约为TCP/IP，网络传输速率不小于100Mb/s。厂站控制层与各个现地LCU都有独立的工业以太网交换机。每个交换机都能满足多个输入输出，适应电力工业现场的电磁干扰、温度变化和振动等环境要求，在实现计算机监控系统功能的前提下满足数据实时性的要求。

厂站级控制层包括3台操作员工作站，1台工程师工作站，1台调度通讯工作站和1台卫星同步时钟GPS。现地控制层包括2台机组控制单元LCU，1台公用开关站控制单元LCU和1台大坝控制单元LCU，此外公用系统LCU辅机还有6个远程辅助控制单元RTU。

猴爬岩水电站监控系统的总体结构如图1所示。

图1 猴爬岩水电站监控系统配置框图

根据国际电工委员会（IEC）的定义现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它的关键标志是支持双向、多节点、总线式全数字通讯。目前世界上有40多种现场总线，都有其应用领域病彼此渗透，在水电行业，主要总线包括：Modbus Plus、Profibus、ControlNet、Genius等，一般根据所采用的控制系统及现场情况来决定总线类型。

经过多方面比较，猴爬岩电厂采用Genius总线实现了公用LCU与各个RTU之间的连接，Genius I/O优点：应用智能开关（Smart Switch）代替保险丝，总线可以长至7500英尺（2280m）并支持冗余电缆，由于减少布线而降低成本，先进的诊断功能增加了600%全系统故障检测的能力，带电插拔功能。且安装方便，不需特殊工具进行连接。整个猴爬岩电站监控系统公用系统LCU和各个远程RTU的连接方式如图2所示。

图2 猴爬岩水电站监控系统远程控制单元RTU与公用系统LCU总线连接方式图

4 厂站控制层的功能与应用

4.1 操作员工作站

总共3台，每台配备2个21英寸液晶显示器，其中2台主机放置在厂房中控室内，互为热备方式工作，平时1台负责监视控制，1台负责监视，当负责控制的工作站出现故障时，负责监视的工作站自动升级为控制站。另1台操作员工作站放在现地控制层的办公室，以备现地检修或做实验之用。

操作员工作站是全厂集中监视和控制的核心，功能包括对整个电厂的运行管理、数据库管理、综合计算、趋势分析、AGC与AVC计算处理、事故和故障的分析处理、全厂数据监视、实时图形、事件画面、报表、报警复归画面、系统自诊断显示、操作员权限管理、机组开停机操作及闭锁、开关站断路器和隔离开关操作、公用系统所有辅助设备操作和闸门操作等。

放置在现地控制层的操作员站还负责完成与电厂保护系统、电度计量标记等设备的通讯。

4.2 工程师工作站

总共1台，配备1个19英寸液晶显示器，放置在厂房中控室内。用于系统维护和管理人员修改系统参数、运行监视画面、报警限值、数据库和报表等。还有软件现场开发的功能。

4.3 通讯工作站

总共1台，配备1个19英寸液晶显示器，放置在厂房中控室内。功能是与省调中心进行远方数据通讯，采用光纤路由通道，远动通讯规约采用SC1801。远期采用电力系统通信路由器设备的双广域网口直接与调度中心进行网络互联，通讯规约采用IEC60870－5－104。

4.4 GPS卫星同步时钟

在中控室布置一台GPS卫星时钟同步系统，对主站级计算机和各个现地LCU进行卫星时钟同步。对中控室的工作站采用串口通讯与主操作员站对时，并从该站向所有其他工作站和LCU进行广播，对所有现地LCU的SOE开关量采用无源脉冲输出进行对时。

4.5 网络设备

中控室网络柜内配有一台Cisco以太网交换机，所有LCU全部配备了MOXA工业交换机，厂站控制层与现地控制层之间采用快速交换式以太网络总线，构成高可靠性的局域性网络结构。网络通讯采用100MB网络交换机和光纤，具有很高的传输速度和良好的抗电磁干扰能力。100MB的网络交换机通过带屏蔽双绞线连接所有工作站，各个LCU通过多模光缆与厂站控制层相连。

4.6 UPS电源

为保证所有工作站的正常工作，在中控室还配置了2台3kVA的UPS不间断供电电源。2台电源互为冗余热备，且均有长达3h的电池保证其在厂用交流电源消失时能继续正常工作。

4.7 打印机

中控室布置1台黑白打印机和1台彩色打印机，负责完成打印功能。

5 现地控制层的功能与应用

现地控制层包括2台机组LCU、1台公用开关站LCU、1台大坝LCU和6台辅机RTU。LCU的基本配置包括：可编程逻辑控制器PLC、现地触摸屏、通讯控制器和工业交换机。LCU全部采用GE9030系列PLC，RTU全部采用GEVersaMax系列PLC。现地控制层基本功能为：对电站主要设备的运行状态和运行参数进行自动定时采集，并作必要的预处理和计算；实现开停机和其他各种设备的控制流程；现地可使用触摸屏对各种设备的操作和运行监视；与各种外部设备进行串口通讯等。

5.1 机组LCU功能

2台机组LCU分别放置在2台发电机旁，负责采集发电机、水轮机及其辅助系统，出口断路器，主变压器等设备的数据，将所有开关量、模拟量、脉冲量等数据信息经PLC处理后打包上送到厂站控制层。实现机组自动开停机流程、紧急停机流程，功率调节，机组同期并网、各个辅助设备的单步操作流程。通过通讯控制器与保护系统、调速器、励磁系统、多功能交流采集装置、温度巡检装置等外部设备进行串口通讯。

5.2 公用开关站LCU功能

1台公用开关站LCU放置在继保室内，负责采集220kV开关站及其线路保护系统的数据信息并上送厂站控制层。监控对象为220kV线路上的断路器、隔离开关、接地刀闸等开关站设备。此外还通过Genius总线的方式与6个公用系统辅助设备控制柜RTU进行数据传输，并将其数据处理后一并打包送至上位机系统。通过通讯控制器与线路上的多功能交流采集装置、消防系统、直流系统、UPS系统等设备进行串口通讯。

5.3 大坝LCU功能

1台大坝LCU放置大坝控制室内，监控对象为大坝进水口闸门、弧门、齿轮门、深井泵等设备。并将其数据经PLC处理后通过单模光纤（因距中控室距离较远）传输至厂站控制层。

5.4 远程RTU功能

6台远程RTU分别控制检修（渗漏）排水系统、主变风扇系统、漏油泵系统、通风电机系统、技术供水系统和高（低）压气机系统。采用施耐德系列低压断路器、接触器和软起动装置对各个辅机系统进行控制。并通过GEVersaMax系列PLCGenius总线的方式经过公用开关站LCU与厂站控制层进行数据传输。

6 结束语

猴爬岩电厂计算机监控系统自2009年10月投运以来，运行稳定可靠，设备无任何故障，自动开停机成功率为100%。电厂的自动化水平和安全生产水平有了很高的起点。为实现“无人值班”（少人值守）奠定了坚实的基础，取得了非常好的社会效益和经济效益。

[1]方钦辉.现代水电厂计算机监控技术与试验[M].中国电力出版社，2004.

[2]王德宽.水电厂综合自动化及“无人值班”技术[M].中国电力出版社，2001.

TP273+.5

B

1672-5387（2011）03-0050-03

2011-04-11

罗皓（1983-），男，助理工程师，从事水电站计算机监控系统设计、集成和调试工作。