水電站電腦監控系統的設計思路及過程論文

桃源水電站位於湖南省桃源縣城沅水流域，是沅水乾流河段的第14個梯級電站，也是沅水乾流最末 1 個梯級電站。電站正常蓄水位39.5m,無調節能力，爲河牀徑流式水電站。電站裝機容量180MW,裝設9臺單機容量20MW的燈泡貫流式水輪發電機組。電站按無人值班（少人值守） 的目標設計。

1 設計要求

桃源水電站機組臺數多，工況複雜，除滿足常規監控功能外，如何提高系統安全可靠性，也是系統設計首要考慮的因素。根據以上特點和要求，結合目前監控系統技術的發展狀況，本工程計算機監控系統在設計實施時充分考慮了以下要素：1） 按照“無人值班（少人值守）”的原則設計和配置，預留遠程監控接口。2） 採用全開放、分佈式系統結構，採用雙光纖冗餘以太網。3） 重要的單元採取冗餘容錯設計，避免某一設備故障影響整體監控功能。4） 採用成熟的、可靠的、標準化的硬件、軟件、網絡結構系統。5） 系統應具有響應速度快，可靠性高，並有先進、經濟、便於擴展等特點。6） 與各級調度部門進行通信，滿足調度的多平面通訊要求及四遙功能。7） 與電量採集系統、保護系統、水情等設備通信。

2 硬件設計

桃源水電站計算機監控系統硬件主要由上位機系統和現地控制單元組成，其中上位機系統由計算機服務器（工作站）、網絡設備、時鐘同步系統、UPS系統等組成。計算機服務器 （工作站） 是上位機系統的核心設備，按功能主要包括系統工作站、遠動通信工作站、操作員工作站、廠內通訊工作站和工程師站及廠站終端等。現地控制單元系統主要由11套 LCU子系統組成，包括 9臺機組 LCU、1套公用 LCU、1套開關站LCU.

2.1 上位機系統

上位機系統所有設備的選型均採用當前主流的設備配置，根據職能不同進行獨立的配置，並對核心功能的設備進行冗餘配置，進一步提高系統的容錯性能及穩定性。

1） 系統工作站。系統工作站採用主從冗餘模式設計，系統工作站作爲上位機最核心的設備，負責AGC和AVC計算和處理、實時數據的採集、管理，事故故障信號的分析，同時兼有歷史服務器功能。系統工作站放置於計算機房服務器櫃內，一方面解決了服務器運行噪聲對運行人員帶來的環境影響，另一方面減少人爲操作導致系統出問題的可能性。

2） 操作員工作站。操作員站採用冗餘模式設計，由運行人員完成全廠設備的監視和控制功能。操作員站各配置了3臺高分辨率的寬屏顯示器，大大減少了單顯示器或雙顯示器模式下因信息不能完全顯示而造成的反覆切換屏幕的麻煩和隱性運行風險，工作站統一佈置在中控室。

3） 遠動通信工作站。調度通訊工作站採用冗餘設計，由兩臺工業級無硬盤工作站組成，無盤工作站採用固態硬盤設計，具有數據存儲快、實時性可靠性較高等特點[2],兩臺工作站直接接入電站控制層以太網，以實現省調、地調信號的直採直送，並接受省調下達的AVC指令。

4） 廠內通信工作站。廠內通信工作站採用獨立設計，配置了8個RS485串行接口和網絡交換機，滿足廠站內其它系統的通訊功能，包括機組狀態監測系統、電能量管理系統、MIS系統等之間的數據通信、繼電保護信息管理系統等。

5） 報警工作站。報警工作站由配置了音響及1套GSM短信息發送裝置，負責語音/電話報警、手機短信報警，工作站能隨時召喚在廠內巡視、工作及電站相關檢修的人員，短信發送方式包括：可選擇羣發也可選擇按對象、按時段、按管理級別不同，有選擇性的自動發送。

6） 時鐘系統設計及其特點。系統配置一套冗餘主機的衛星同步時鐘系統，可同時接收GPS、北斗衛星發送的信號，並提供多種對時方式和多種通信規約，保證能實現全廠二次設備時間的一致性。現場9套機組各LCU距離較遠，爲每臺LCU配置1套二級時鐘裝置用於信號擴展。

7） UPS系統。系統按照UPS總容量爲總負荷的150%的原則來選型。配置兩套獨立的10KVA的'大容量UPS系統，工作用UPS出現輸出電源故障時能迅速切換到備用UPS供電並報警；UPS電源系統設置獨立的饋電櫃，每個饋線迴路設置獨立的電源開關。

2.2 下位機設計

現地控制單元 （LCU） 作爲監控系統的核心設備，在上位機故障情況下應能獨立實現監視與控制，因此安全可靠性是一個重點考慮的環節，在設計過程中對主控PLC、電源迴路、機組緊急停機迴路、同期迴路、重要的交流採集迴路等環節進行了冗餘配置，確保LCU的安全性和可靠性，減少了電站的運行風險。

2.2.1主控單元PLC作爲LCU中的主控單元，關係着整個LCU的性能，爲滿足對主控單元運算速度、容量、外部通訊等要求，PLC採用南瑞水電公司MB80系列雙CPU、雙網絡的冗餘構架PLC.全部I/O接口模塊均採用標準化模塊，支持帶電插拔。

2.2.2電源迴路各LCU採用交直流雙供電裝置，每套電源裝置均採用兩路電源，分別爲交流廠用電和直流廠用電，任何一路電源故障不影響LCU的正常運行。同時爲確保 LCU 測量回路的相互獨立，在 LCU 設計中將PLC供電電源、開入迴路電源、開出繼電器迴路電源、模擬量回路電源全部獨立設計，採用單獨的開關電源引出，防止因某一回路故障導致對其他迴路造成干擾或影響。

2.2.3水機保護迴路機組LCU屏裝設了獨立於PLC的機組水力機械保護事故停機的常規設備及電氣迴路，當機組發生水力機械事故或按下事故停機按鈕時，一方面應將此事故信號輸入計算機監控系統中，啓動機組事故停機程序進行事故停機，另一方面應啓動常規水機保護，直接作用於跳機組出口斷路器、機組調速器關閉導水葉、勵磁系統跳滅磁開關。

2.2.4同期迴路每臺 LCU裝設了1套微機自動準同期裝置和 1套手動準同期裝置，同期裝置採用南瑞水電公司SJ-12D型雙微機自動準同期，爲徹底排除非同期合閘的可能性，防止故障情況下的誤動，在自準合閘迴路中，增加常規同期閉鎖繼電器對相角差進行閉鎖。

2.2.5交流採集迴路發電機機端和220kV線路的交流量採集採用功率變送器和智能交流採樣裝置同時進行有功無功進行採集，精度等級應不低於0.2級，軟件中可實現自動切換，進一步增強核心數據採集的可靠性。爲電站交流量的準確監視以及機組功率調節的穩定可靠提供了測量保證。

2.2.6開出迴路控制迴路設計時，除採用受PLC開出直接驅動外，爲防止現場開出模件故障導致繼電器誤動，在開出迴路中設計了“順控使能”閉鎖所有繼電器電源，在有流程執行時纔將“順控使能”投入，避免開出模件故障造成的控制誤動。同時針對開關站斷路器及隔離開關等設備單次僅對操作一個設備的原則，開關站LCU配置了DOP-1型開出保護控制器[3],通過選擇可確保同一時刻只能有一個開出動作。LCU根據現場情況，可自由設定上述輸出方式。

2.2.7防雷和抗干擾考慮電站的特殊環境，防止系統設備遭雷電侵入的可能，在所有機櫃交流、直流電源輸入側設置防雷保護元件，對串行通信口處均設置帶隔離的轉換器，對GPS的信號輸入端加裝了防雷保護器。對部分重要的模擬量通道及外電纜較長的信號迴路也設置了相應的隔離器。與系統距離較遠的通訊多采用了的光纖介質。

3 軟件設計

3.1 上位機軟件設計桃源水電站監控系統上位機軟件採用南瑞水電公司的NC2000計算機監控系統，該系統已在國內多座中大型水電站使用。NC2000系統基於分佈式對象計算技術，從系統的規劃、設計、軟件實現到提供給用戶的組態工具、應用界面都使用了面向對象和跨平臺的技術。遵循TCP/IP、SQL、ODBC、JDBC、JavaRMI、OPC等國際標準和被廣泛使用的軟件工具，具有充分的開放性、可擴展性和異構平臺適應性。

3.2 LCU軟件設計PLC編程軟件採用與 MB80PLC配套的MBPRO 編程軟件，該軟件除支持梯形圖等傳統編程方式外，還支持可視化的流程圖編程，並且不同語言編寫的程序之間可互相調用[4].尤其是採用流程圖編程，極大的簡化的控制流程的編寫工作並具有較好的可讀性。在PLC軟件設計時，重點考慮了以下幾項內容：

1） 根據功能採用模塊化的設計，將數據處理、控制、人機接口、實時通訊，順序控制流程等功能模塊化；2） 採用流程圖進行順控流程編寫；3） 多信箱機制，將PLC數據上送分爲實時數據信箱和事件記錄信箱，事件信箱的數據採用循環堆棧格式存放，確保所有事件信息的完整可靠不丟失；4） 完善的自診斷檢測，除對PLC模件狀態進行實時自診斷外，還對雙網通信檢測功能、RS485通訊口狀態，模擬量溫度量的通道及測值品質檢查，並對故障進行實時報警；5） 儘量優化完善控制邏輯，對開停機流程、事故停機觸發源，功率調節的安全性閉鎖等認真核對並測試，提高機組可靠性，確保所有的控制調節是在合理可靠的範圍內完成。

4 結束語

桃源水電站監控系統在設計時除滿足常規控制外，更在穩定性、安全性方面綜合考慮，特別突出對上位機、GPS系統、PLC等重點部分的冗餘化設計。該系統已在桃源水電站中應用一年多，系統穩定可靠，運行效果較好，爲電站的安全生產及設備檢修提供了堅強技術保障和重要手段，系統各項指標均達到了設計要求，功能完全滿足電廠生產需要。

[參考文獻]

[1] 楊樹濤，樑明明。小浪底橋溝電站綜合自動化系統設計與實現。中國農村水利水電，2012.

[2] 凌洪政。亭子口水電站計算機監控系統設計及設備配置。水力發電，2014.

[3] 戎剛，劉林興。開出保護技術在雅礱江流域水電廠計算機監控系統中的應用。水電廠自動化，2014.

[4] 張紅芳，劉書良。MB 系列智能 PLC 編程軟件 MBPRO[J].可編程控制器與工廠自動化，2010.