湖南筱溪水电站计算机监控系统及其特点

周 彤,潘二强,李清华,罗伟城,牛晓光,高 伟

（中国水利水电科学研究院中水科技公司，北京 100038）

湖南筱溪水电站计算机监控系统及其特点

周 彤,潘二强,李清华,罗伟城,牛晓光,高 伟

（中国水利水电科学研究院中水科技公司，北京 100038）

介绍了湖南筱溪水电站计算机监控系统设计，针对轴流转桨式机组特点，分析了H 9000V 4.0系统在筱溪水电站的应用特点。

计算机监控；H 9000V 4.0；应用特点

筱溪水电站是湖南省重点能源工程之一，是以发电为主，兼有航运、灌溉、旅游、养殖等综合效益的大（Ⅱ）型水利水电枢纽工程。电站位于资水干流中游、湖南省新邵县坪上镇筱溪村，电站装机规模13.5万kW，安装4台轴流式水轮机组，其中：3台单机容量为40MW，1台单机容量为15MW。年利用小时3730h，年平均发电量5.035亿kW·h。自从2008年全面投产以来，极大地缓解了华南地区用电紧张的局势，为邵阳地区乃至湖南省的经济发展提供了强大的能源支持。电站计算机监控系统按“无人值班”（少人值守）运行方式设计，系统采用北京中水科水电科技开发有限公司的H9000V4.0系统，于2008年1月28日与筱溪电站首台机组一起正式并网运行。

1 监控系统设计原则

筱溪水电站计算机监控系统按“无人值班”（少人值守）的原则设计，采用全计算机控制的分层分布开放式系统结构。系统由主控层及电站现地控制层组成。系统整体必须安全可靠、实用经济、技术先进，易于维护，有较强的升级换代能力。整个系统采取总体设计一次到位，根据现场进度分期施工的办法，可分步实施。具体设计原则说明如下：

（1）系统的可靠性

为达到“无人值班”，监控系统应具有极高的可靠性，采用国际著名厂商的成熟而可靠的、标准化的硬件、软件、网络结构和汉化操作系统；广泛采用分布处理技术和冗余技术。系统关键部位采用冗余配置，互为备用，如现地控制单元PLC双CPU热备、主机操作员工作站、主控级UPS电源及LCU供电电源设备等。加强监控系统的供电电源的可靠性，特别是现地控制单元LCU的供电；

现地控制单元采用PLC直接上网的结构，取消工控机等中间环节，提高LCU的整体可靠性能；各个LCU也不会因主控级发生故障而影响LCU各自承担的监控功能。

采用软件冗余措施，数据库及控制功能分布处理，系统功能分布在网络的各个节点中，系统内任一节点的故障不影响其余节点的正常工作；有关运行控制采用多重软硬件安全闭锁和操作权限制；系统具有自诊断、自恢复功能，故障不造成误输出。

（2）系统的开放性与可扩性

系统主要硬件设备选型符合计算机技术发展迅速的特点，采用全分布开放式系统，并具有成功的运行经验，能在水电厂环境下长期连续稳定运行。系统中的各工作站计算机及其系统软件均符合开放系统要求，便于功能和硬件的扩充和升级。充分保护用户投资，使系统能适应功能的增加和规模的扩充要求。在数据库及硬件接口等方面留有扩大的裕量。

（3）功能的完善性

本系统按电站“无人值班”的原则设计，整个系统配备完善的应用功能。特别是电站远方AGC控制功能，能稳定可靠地与上级调度中心（湖南省调、地调）进行数据通信，实现上级调度自动化系统对电站的遥测、遥信、遥控、遥调功能。实现远方AGC功能；监控系统能与电站泄洪闸门系统、电厂信息管理系统MIS、电厂水调自动化系统、梯调自动化系统及将来可能出现的其它系统进行可靠的通信；电站各个现地控制单元LCU与现地各个单功能装置，如微机调速器装置、微机励磁装置、微机保护系统、机组油压控制装置及高压气系统、低压气系统等辅机系统等的通信。

（4）系统的安全性

系统是标准化的成熟产品，功能完善并模块化，并具有完备的确保硬件及软件的安全性措施，防止监控系统硬件或软件的故障或缺陷对现场设备的危害。针对电站集中监控的特点，在保证操作安全性、通讯安全性方面也采用了一定的可靠性措施。按照国家电力监管委员会关于《电力二次系统安全防护规定》的文件精神，监控系统与其他系统之间以网络方式互联时，必须采取经国家有关部门认证的专用、可靠的安全隔离设施，以保证网络的安全性。

（5）抗干扰能力

系统网络采用光纤技术，避免了不同设备之间的电信号连接。现地控制单元的人机界面接口单元配置独立的液晶显示屏，避免了现地电磁场的干扰。对计算机系统的电源进行隔离。现场信号也采取光电隔离或其他隔离措施。

（6）系统的友善性与可维护性

人机接口功能强，操作方便，采用面向对象的全汉化界面。向用户提供强有力的组态开发工具。

（7）充分利用PLC的高可靠性及逻辑控制方面的优点

各LCU以可编程序控制器 （PLC）及触摸显示屏等为基础，由PLC完成全厂闭环控制与调节，保证全厂发电运行可靠。LCU在脱离电站主控级的情况下，能保证机组安全运行。

（8）现地手动操作与控制

为满足机组安装或检修后同步投运的安全、可靠要求。机组现地控制单元具有部分设备状态现地显示及必要的常规操作功能，使运行人员在机旁能完成机组投运或调试中的操作。

（9）系统的各项技术性能指标均达到或超过部颁标准DL/T578-95“水电站计算机监控系统基本技术条件”的要求。

2 监控系统结构与配置

2.1 监控系统网络结构与通信结构

筱溪水电站计算机监控系统的网络结构采用以太网之环形结构，厂站级主控层及其现地控制单元层之间采用快速交换式环以太网络总线，构成高可靠冗余的网络结构。通讯介质采用100MB网络交换机和光纤，系统具有较高的传输速率和良好的抗电磁干扰能力。

电站计算机监控系统通过通信工作站，通过电力专用调制解调器，按照IEC60870-5-101规约，直接与上级调度中心进行通信，发送调度所需的遥测、遥信并接受下发的遥控、遥调指令，完成网调对水电站的四遥功能。

2.2 厂站层设备配置

厂站层设备包括2台操作员工作站、1台工程师工作站、1台套通信工作站、1台套终端服务器、1套网络交换机等网络设备、2台打印机、1台套GPS时钟同步系统、1套大屏幕显示系统，及UPS电源等设备。操作员工作站及2台打印机布置在中控室，其余设备均布置在计算机房。

2.3 现地层设备配置

现地层采用现地控制单元与专用功能装置既相互配合，又相对独立的设计原则，以提高系统的可靠性和整体性。LCU主机与外部独立装置及通讯方式进行数据交换。共设有5套现地控制单元（LCU），包括4套机组LCU、1套开关站/公用设备LCU。根据筱溪水电站计算机监控系统工程I/O要求，实际I/O配置表如表1：

LCU完成对监控对象的数据采集及数据预处理，负责向网络传送数据信息，并自动服从上位机的命令和管理。同时各LCU也具有控制、调节操作和监视功能，配备有人机触摸屏，当与上位机系统脱机时，仍具有必要的监视和控制功能。

表1 各LCU I/O配置

每台LCU配有数据采集控制单元PLC，完成系统的数据采集、电厂主辅设备的控制及设备的调节与控制（包括顺控）。进行全厂闭环控制与调节，保证全厂发电运行可靠。控制器不仅实时性指标要高，还应有相当高的可靠性。按照本电站“无人值班”的设计原则，现地控制单元设备的配置采取以下基本原则：PLC双CPU热备；LCU双电源供电；各个I/O机箱与热备CPU主站的连接为冗余RIO通道；PLC配置2块标准TCP/IP以太网卡直接上以太网（100M速率FX光纤口）。

LCU现地人机接口单元选用法国施耐德公司XBTG 6330液晶触摸屏，其具有高可靠性、防尘、抗震、抗电磁干扰等优良性能。

系统对各机组、开关站LCU的电量测量均采用交流采样方式，选用瑞士CARLO GAVAZZI公司的ACUVIM多功能交流采样仪表，作为220kV线路及220kV母线的电量的测量及机组电量的测量，该装置与智能通信控制器的RS485相连。由于盘内DC24V电源为冗余结构，供电可靠，交流采样装置全部选用直流24V电源供电。

LCU所配的智能通信控制器为台湾MOXA公司的MOXA UC-7410-LX，该装置为RISC-based智能通讯服务器，具有2个10/100M以太网口和8个RS485或RS232通信口，完成LCU与各现地设备，如微机励磁调节装置、微机调速装置、机组油压装置、微机保护装置、电能计量装置等其它设备的通信。通信控制器的8个独立RS485标准串行通信端口可实现与多达8x31个从通信装置通信。

地方政府在构建和维护良好的市场环境秩序中发挥着不可替代作用。也就是说，地方政府这只“看得见的手”，与市场机制“看不见的手”一起协同发挥不同的重要作用。但当前我国对中小微企业合法权益的保护，特别是知识产权保护仍存在漏洞；有些地方政府下属主管部门对小微企业担保抵押条件办理手续，如对企业动产、不动产权属证明的办理拖拉滞后；缺乏专门针对提高小微企业从业人员素质的培训等，这些都给小微企业发展带来极大的负面影响。

每台机组LCU及开关站LCU配置一台多对象的双微机同期装置WX-98G/X（8对象）。WX-98G/X双微机同期装置为H9000系统的配套产品。具有加、减速，增、减磁等功能，并可自动测量开关合闸时间、自动调整PT电压相位、自动识别差频和合环并网等功能。

3 针对轴流转桨式机组的负荷调节

筱溪水电站水轮发电机组采用的是轴流转桨式水轮发电机组，三台单机容量40MW，一台15MW。针对三联调速器以及轴流转桨式水轮发电机组的负荷调节方式，在一般的负荷调节过程中我们给定一个脉宽周期t_period，然后根据实际负荷与给定负荷之间的差值IN与最大差值的IN_max的比例，算出调节脉宽，实时脉宽为：T_on.公式如下：

根据此公式，如果t_period与IN_max为定值，则T_on根据IN输入值得变化表现为一个衰减脉冲，这样的调节调节出来的脉宽在一般情况下对水轮机负荷的调节很合适。

但是考虑到筱溪电站移民的问题，水库蓄水达不到额定水头，造成机组出力不够，水轮机在并网开始调负荷而导叶开度尚未达到50%期间，负荷变化只有1～2MW，由于水轮机出力不足，导致导叶需要达到相应的开度才有变化，这样导叶的开度就比额定的开度要大，因此导叶开启时间加长而负荷却没有变化，这样就影响了电网调度对负荷调节时间的要求。针对这种情况，提出以下修改方案：

（1）修改t_period参数，这样会使t_period参数增大，根据公式则T_on也相应的变大。输出脉冲的变大会使给调速器的命令脉冲数增大，从而使调功的时间加长，负荷增加减少变化，达到我们的要求。但是输出时间的增加对油压装置要求很高，而电机功率小的话会造成频繁启泵，从而有可能造成事故低油压，造成紧急停机同时对电机寿命造成损耗；

（2）修改IN_max参数，这样改小IN_max参数，根据公式则在定周期内T_on也相应的变大。从而起到加快调负荷的要求。但是这样的修改依然有一个弊端，这样会出现IN＞IN_max的情况，而这种情况下，信号一直输出，从而使调节时间加长，也会是油压装置电机频繁启动，有可能导致事故低油压，造成紧急停机同时对电机寿命造成损耗；

（3）修改IN参数，增大IN参数，根据公式，则在定周期内T_on也相应的变大。从而起到加快调负荷的要求。而这样修改调节周期时间不会发生变化，只是在调节周期内的脉冲时间增加。只要脉冲周期不会大于调节周期，一般在电厂负荷调节内是可以运行的。

最终，我们决定对IN参数做出修改，从而达到调节的要求，修改如下：

当IN小于10（MW）加另一个常数赋值给IN.

当IN大于10（MW）小于20（MW）加另一个常数赋值给IN.

当IN大于20（MW）小于30（MW）加另一个常数赋值给IN.

当IN大于40（MW）时直接赋值给IN.

其中常数值不能太大，以免调节太快.针对我们这样的修改，负荷调节就根据负荷差值的大小进行分段调节，在不同的差值区里，计算基准值不一样，从而使负荷调节时间在原来的周期时间不变的情况下，调节时间加长，经过现场实际调试和运行结果来看，满足各方对负荷调节的要求。而且针对此情况我们还可以在此基础缩小调节周期时间，从而还能再增加调节时间，使负荷调节再快一点。但是最终的调节时间还是要根据现场情况来做判断，过快的调节对油压装置的要求太高。

这个方法在筱溪电站的实际运行中负荷调节满足电厂以及地调中心的调节要求，得到一致的认可。

4 结束语

筱溪水电站计算机监控系统自2008年投运并完成现场验收以来，运行稳定、可靠，性能完全达到设计要求。各种高级应用软件也已通过了测试及时间的考验，为电厂安全运行提供了可靠的保障。

[1]方辉钦.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]姚维达，杨春霞，黄凤珍，等.H9000系统在洪江水电站中的应用[A].第二届水力发电技术国际会议论文集[C].中国电力出版社，2009.

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1672-5387（2011）03-0053-03

2011-04-11

周彤（1982-），女，助理工程师，从事计算机监控系统的开发、研制工作。