李宏剛 成都市水利電力勘測設計院
摘 要：本文簡要介紹了大川河梯級水電站及梯調中心自動化監控系統的設計原則、系統結構及主要功能，并就存在的問題提出一些看法供大家探討。
關鍵詞：大川河梯級水電站 梯調中心 計算機監控系統 結構 功能 問題
1.概況
大川河梯級水電站位于四川省蘆山縣大川鎮境內，其下屬三個引水式小型水電站（中咀電站、長石壩電站、佛山電站）和一個梯級調度中心，共6臺機組，總裝機容量70MW。其中中咀電站裝機2×14MW，長石壩電站2×10MW，佛山電站2×11MW，梯級電站通過2回110kV出線將電力送至成都電業局大邑供電局官渡變電站與系統連接。電站距蘆山縣城約74km，距成都市149km，對外交通較為便利。
大川河梯級水電站自動化監控系統采用南瑞自控公司的NAS－900全分布開放式綜合自動化監控系統。按照大川河梯級水電站綜合自動化采用全計算機監控的方式，電站能實現現地、站級和設在長石壩電站的大川河梯級調度中心控制及省調調度。
2.設計原則
大川河梯級水電站及梯調中心自動化監控系統是按照“無人值班（少人值守）”的原則進行總體設計和系統配置，采用全微機控制，最新的計算機軟件、硬件及網絡技術。該系統與電站安全運行密切相關的設備均雙重化設置或采用冗余技術，采用全分布開放式系統結構，滿足業主要求的可靠、安全、經濟、實用、技術先進 和便于擴充等基本原則。
系統配置和設備選型適應了計算機技術高速發展的特點，硬件、軟件均采用模塊化、結構化的設計，便于硬件設備的擴充，又可以適應功能的增加和系統規模的擴展。實時性好，系統維護性好。在三個電站和梯調中心計算機之間進行通訊實現遙信、遙測、遙控和遙調功能。系統采用IEEE802.3以太網結構使系統具有較好的開放性，可以手動優先、下層優先的方式或其他用戶指定的方式設置必要的硬件和軟件，使運行操作人員能方便在各控制層之間、計算機控制與簡化常規控制設備之間選定對設備的控制權，對無控制權的控制設備進行閉鎖。
系統采用了PLC直接接入總線，此方式大大提高了網絡的可靠性，避免了PLC通過一體化機接入以太網的瓶頸，使各個設備具有安全的獨立性。主控層以太網采用當今最流行的光纖以太網方式及載波備用通道，實現通信通道的熱備用冗余，突出了系統的高可靠性。
3.系統結構
大川河梯級水電站及梯調中心自動化監控系統采用符合國際開放系統標準的開放式環境下的全分布計算機監控系統，在功能上系統分為三級，即調度控制級、主控級和單元控制級。
3.1梯級調度中心
大川河梯級調度中心總的監控系統網絡主要由梯調中心和中咀電站、長石壩電站、佛山電站組成，網絡采用星形以太網結構。梯調中心與各電站通過一條單模光纖和一條載波通道通信，正常情況梯調中心通過光纖與三個電站進行信息交換，網絡傳輸速率大于或等于100Mbps，傳輸速率為自適應式，采用TCP/IP協議，遵循IEEE802.3標準。當光纖網絡故障時啟動載波通道進行數據通信。
大川河梯級調度中心的主要功能是對三個電站進行集中控制與監視，實現梯調中心與各個電站的數據通信。配置2臺主控工作站及1臺通信管理機，1臺工程師工作站，1組模擬返回屏，1臺24口以太網交換機，2臺打印機，2臺冗余配置的容量為3KVA的UPS。
●調度集控工作站
在梯調中心設置2臺冗余配置的主機/操作員工作站，并采用主/從熱備用工作方式，其中1臺為主控機負責各電站的數據采集、控制功能的實現，主要完成各梯級電站的運行自動化及其管理，包括整個梯級電站的聯合經濟運行控制、歷史數據存檔、歸類、檢索和管理，運行報表生成與打印，人機接口功能等，即完成設備運行的實時監視與控制。另1臺（備份機）作為系統管理機負責監視網上各臺機的運行情況，備份主控機的數據庫，并在檢測到主控機故障時立即擔當起主控機的所有功能并報警。
●通信管理機
用于與各電站通信機進行數據通信，通信方式為光纖以太網及備用的載波通道。同時通信管理機還用于與上級電力調度進行遠動通信，具有遠程數據功能。
●工程師工作站
梯級調度中心作為梯級調度的管理中心需要對各電站的監控軟件進行維護和參數設定，設置1臺工程師工作站作為系統的維護工作站。
●返回模擬屏
用于顯示電站主接線圖全貌及設備狀態、主要電氣參數、時鐘等。模擬返回屏驅動由通信管理機通信方式實現數據通信。
●網絡通信設備
大川河梯級水電站監控系統采用光纖以太網絡技術與在線運行的各計算機和各現地控制單元進行通信，接口符合IEEE802.3標準，另外為了保證系統通信的通道冗余，采用載波通信MODEM與各電站進行通信。
●打印機
計算機監控系統設有2臺打印機，一臺用于打印報表，另一臺用于報警連續紙打印。
●不間斷電源UPS
系統設置2臺冗余配置的UPS，容量為3KVA。
3.2電站控制級
中咀、長石壩、佛山電站的電站控制級均按統一的方案進行配置。主控級由2套主機/操作員工作站、1臺通信管理機，1臺24口以太網交換機、2臺打印機、2臺冗余配置的容量為3KVA的UPS組成。是電站的實時監控中心，實現對全廠的自動化功能、歷史數據處理及全廠的人機對話等功能。
● 主控站工控機
在中咀、長石壩、佛山電站中控室各設置2套冗余配置的主機/操作員工作站，并采用主/從熱備用工作方式，一臺作為主控機負責采集、控制功能的實現，主要完成全廠的運行自動化及其管理。另一臺（備份機）作為系統管理機負責監視網上各臺機的運行情況，備份主控機的數據庫，并在檢測到主控機故障時擔負起主控機的所有功能并報警。
● 通信管理機
用于與梯調中心遠動通信，具有遠程數據功能，同時通信工作站還預留與電站水情測報系統及大壩監測系統通信的接口。
● 衛星時鐘GPS
用于與各工控機、現地控制單元LCU通訊對時。
● 網絡通信設備
用于與在線運行的各計算機和各現地控制單元進行通信。
● 打印機
計算機監控系統設有2臺打印機，一臺用于打印報表，另一臺用于報警連續紙打印。
● 不見斷電源UPS
系統設置2臺冗余配置的UPS，容量為3KVA。
3.3單元控制級
單元控制級按被控對象性質分為機組控制單元LCU、開關站及公用設備控制單元LCU。
長石壩、佛山電站分別設置4個現地控制單元，即2臺機組控制單元LCU,開關站及公用設備現地控制單元LCU，閘門現地控制單元LCU。
中咀電站設置5個現地控制單元，即2臺機組控制單元LCU,1臺開關站及公用設備現地控制單元LCU，2臺閘門現地控制單元LCU。
各現地控制單元采用PLC直接接入以太網的方式與主控站連接，使得通信可靠性和通信速率都得到有效提高。
● 機組LCU
LCU設置在機旁，實現對各生產設備的數據采集和處理、安全運行和監視、控制調節、事件順序檢測和發送、數據通信、系統診斷等功能。
● 開關站LCU
開關站及公用設備LCU主要對110KV、35KV出線、主變壓器及廠用變壓器、全廠公用油、氣、水輔助系統廠用電系統、直流系統等進行數據采集和處理。
● 閘門LCU
各個電站均設有取水口閘門，由于每個電站的取水口均距電站中控室約5～10km，故采用單模光纖接入相應的電站主控層網絡，但由于中咀電站閘門LCU4、5至中咀控制室具備電話線通道，現可采用帶MODEM接入電站通信管理機的方式進行通信。
4.系統功能
4.1對各主要機電設備運行參數得監視和記錄
系統對各主要設備得工況參數進行巡回檢測、定時打印、越限報警、復限時發信號并顯示記錄，同時對系統內部信息進行相關分析，求出信息之間的相關度，構造新的二次信息作為主信息判斷的輔助信息，防止單一信息可信度差異所造成得決策失誤。
4.2控制和調節
監控系統根據預定的原則和運行人員輸入（或來自梯調中心發來的）命令，發出開停機命令，進行各斷路器、隔離開關分合閘操作，以及和機組運行有關的閘門的操作。系統對操作過程進行校核和監視，并進行操作記錄。可用增減命令或改變設定值方式調節機組出力。LCU可接收主計算機、操作員工作站或現地輸入的命令，能自動完成開、停機操作和有功、無功功率的調節而不需依賴電站控制中心。在接收電站控制中心命令后，工況轉換及調節能自動完成，也能分步完成，機組LCU也能執行現地人機接口發出的現場命令。監控系統軟件可以實現控制設備的防誤閉鎖操作。
4.3有功功率聯合控制
監控系統可根據中調提供的負荷曲線或實時給定值，或值班操作人員即時給定的有功功率值，以及各機組的效率特性曲線、電站即時的運行工況并考慮機組振動、氣蝕等約束條件，計算在機組負荷變化后的水頭下電站的機組最優開機組合，并按照等微增率。動態規劃或用戶要求的其他方式計算機組間最優負荷分配。
電力系統頻率過低時可按照低頻啟動準則，自動啟動備用機組。
自動發電控制還可接收廠內高頻切機、系統振蕩壓負荷等電力系統自動裝置或功能模塊發出的控制信號按給定順序完成停機、開機或壓負荷的自動操作。
自動發電控制可完成各臺機組運行工況轉換時的協調工作，保證機組和電力系統所受的干擾最少。
4.4無功功率聯合控制
按給定時段的高壓母線電壓值，定時計算，自動調節和分配各機組無功功率，自動維持高壓母線和無功負荷的合理分配。
自動電壓控制功能能按照電力系統要求，維持母線電壓在規定的范圍內，在此基礎上實現各臺機組間無功功率按等功率因數分配，進相運行時，可在校驗發電機靜態穩定、定子端部發熱程度以及廠用母線電壓水平的基礎上，合理分配每臺機組的無功功率。
4.5經濟調度
能實現在線經濟調度。在進行遙調時應根據各電站的情況綜合安排，計算各電站機組群的優化組合，以保證聯合運行的總出力經濟合理。根據水庫進水量計算、水耗計算、綜合利用效率計算，并進行水文、水情、氣象資料預測處理，使水庫運行優化合理。
4.6數據通信
通過一路光纖以太網通道，一路載波通道，與梯調中心的計算機系統通訊，電站計算機監控系統上送遙測、遙信信息，接收電網的遙調、遙控命令。實現對各LCU、微機保護、調速器、勵磁調節器等自動裝置、工業電視系統、消防系統、廠長終端接口等系統的通信。
4.7運行管理指導
自動統計主要設備的運行小時數、動作次數、事故和故障次數等數據，建立設備運行檔案，為合理安排設備的運行和維護提供依據。根據監控系統所儲存信息以及實時采集的信息，正常操作或發生事故時，能自動或由運行人員召喚提出操作指導意見。
4.8統計和制表打印
4.9故障自診斷和自恢復功能
大川河梯級水電站及梯級調度中心計算機監控系統的硬件、軟件工作進行監視和保護的功能，能及時測出故障部位，切除故障模塊并在人機街面上給出指示，便于運行人員迅速更換并恢復系統，監控系統每一級都具備自恢復功能，即當監控系統出現程序死鎖或失控時，能自動恢復到原來狀態。監控系統還可以在線運行診斷軟件，當發生程序死鎖或失控時，能自動啟動冗余系統或發出冗余切換請求，并具備自恢復功能。
4.10其他輔助功能
監控系統允許通過程序開發終端或工程師工作站，借助于本系統，進行功能再開發、增修畫面等工作，而不影響在線主機運行。
5.軟件系統
系統在硬件選擇上以系統的開放性和兼容性為指導思想，具有很大的靈活性，支持異型機聯網。軟件方面主機、工作站及各LCU均使用WINDOWS操作系統，操作系統具有良好開放性、實時性、可移植性、高可靠性，采用C++編程，面向對象設計、具有友好的人機界面，注重系統的可維護性，并提供了系統維護工具。隨系統提供的基本軟件包括自動發電控制（AGC）和自動電壓控制（AVC）軟件、實時執行軟件（NAS-901軟件包）、編程語言（VISUAL C++等）、自診斷軟件（NAS-901診斷包）、數據庫管理軟件（SQL SERVER）、通信管理軟件（NAS-901通信軟件包）、經濟調度軟件（NAS-901高級應用程序）、工具軟件（交互式圖形、報表、數據庫生成軟件）。系統的上位機部分包含數據管理、實時控制、系統維護、通訊服務等功能，電站運行人員、工程師可通過各自的工作站完成畫面制作、畫面顯示、打印報表、參數設置和操作控制等功能。
6.存在的問題和建議
目前中咀電站2臺機組及長石壩梯級調度中心的監控系統已經全部投運8個多月，長石壩電站、佛山電站也即將投入運行。筆者有幸參加了大川河梯級水電站及梯調中心監控系統的部分安裝調試工作，現就安裝調試和運行中出線的一些問題在此提出以下看法：
6.1
公用LCU雖然采用交、直流同時供電方式，AC220V取自廠用電系統，DC220V取自直流系統。雖然交直流電源同時消失的幾率是很小的，但是這種情況一旦出現整個公用LCU裝置將陷于癱瘓，所以建議公用LCU裝置電源再從調度中心模擬屏的UPS電源取一回，增加其高可靠性。
6.2
機組LCU采用的單元測控裝置對遙測量的采集速度較慢，信息不穩定，使得1F機組轉子電流、2F機組定子電流、定子電壓、頻率等模擬量時有時無。建議在后續的改造中監控系統遙測量采集采用性能更為優異的測控裝置。
6.3
如1F機組停機過程中制動閘不能自動投入，1F機組在上位機及前置機上只能向上加負荷而不能減有功負荷的問題還有待于同監控系統廠家技術人員進行深入的探討后再行解決。在此提出，希望引起大家重視！
7.結語
通過中咀電站大半年的運行情況來看，大川河梯級水電站監控系統總體上運行穩定，可靠性高，操作方便，人機界面友好，維護量小，未發生影響機組運行的故障或事故。雖然該監控系統在運行中出現了一些不如人意的地方，但這些問題必將在后續梯級電站投運前得到不斷完善，為大川河水力發電廠及其調度中心早日實現“無人值班，少人值守”創造更為有利的條件。
參考文獻：
【1】 現代水電廠計算機監控系統技術與試驗.中國電力出版社.
【2】 國家經濟貿易委員會.水電廠計算機監控系統試驗驗收規程.
【3】 水利部長江水利委員會.水電廠計算機監控系統基本技術條件
作者簡介：
李宏剛：男，電氣工程師，主要從事水電站電氣工程設計工作。
