李宏刚 成都市水利电力勘测设计院

　　摘  要：本文简要介绍了大川河梯级水电站及梯调中心自动化监控系统的设计原则、系统结构及主要功能，并就存在的问题提出一些看法供大家探讨。 
　　关键词：大川河梯级水电站 梯调中心 计算机监控系统 结构 功能 问题  
 
1.概况
　　大川河梯级水电站位于四川省芦山县大川镇境内，其下属三个引水式小型水电站（中咀电站、长石坝电站、佛山电站）和一个梯级调度中心，共6台机组，总装机容量70MW。其中中咀电站装机2×14MW，长石坝电站2×10MW，佛山电站2×11MW，梯级电站通过2回110kV出线将电力送至成都电业局大邑供电局官渡变电站与系统连接。电站距芦山县城约74km，距成都市149km，对外交通较为便利。
　　大川河梯级水电站自动化监控系统采用南瑞自控公司的NAS－900全分布开放式综合自动化监控系统。按照大川河梯级水电站综合自动化采用全计算机监控的方式，电站能实现现地、站级和设在长石坝电站的大川河梯级调度中心控制及省调调度。
2.设计原则
　　大川河梯级水电站及梯调中心自动化监控系统是按照“无人值班（少人值守）”的原则进行总体设计和系统配置，采用全微机控制，最新的计算机软件、硬件及网络技术。该系统与电站安全运行密切相关的设备均双重化设置或采用冗余技术，采用全分布开放式系统结构，满足业主要求的可靠、安全、经济、实用、技术先进　　和便于扩充等基本原则。
　　系统配置和设备选型适应了计算机技术高速发展的特点，硬件、软件均采用模块化、结构化的设计，便于硬件设备的扩充，又可以适应功能的增加和系统规模的扩展。实时性好，系统维护性好。在三个电站和梯调中心计算机之间进行通讯实现遥信、遥测、遥控和遥调功能。系统采用IEEE802.3以太网结构使系统具有较好的开放性，可以手动优先、下层优先的方式或其他用户指定的方式设置必要的硬件和软件，使运行操作人员能方便在各控制层之间、计算机控制与简化常规控制设备之间选定对设备的控制权，对无控制权的控制设备进行闭锁。
　　系统采用了PLC直接接入总线，此方式大大提高了网络的可靠性，避免了PLC通过一体化机接入以太网的瓶颈，使各个设备具有安全的独立性。主控层以太网采用当今最流行的光纤以太网方式及载波备用通道，实现通信通道的热备用冗余，突出了系统的高可靠性。
3.系统结构
　　大川河梯级水电站及梯调中心自动化监控系统采用符合国际开放系统标准的开放式环境下的全分布计算机监控系统，在功能上系统分为三级，即调度控制级、主控级和单元控制级。
3.1梯级调度中心
　　大川河梯级调度中心总的监控系统网络主要由梯调中心和中咀电站、长石坝电站、佛山电站组成，网络采用星形以太网结构。梯调中心与各电站通过一条单模光纤和一条载波通道通信，正常情况梯调中心通过光纤与三个电站进行信息交换，网络传输速率大于或等于100Mbps，传输速率为自适应式，采用TCP/IP协议，遵循IEEE802.3标准。当光纤网络故障时启动载波通道进行数据通信。
　　大川河梯级调度中心的主要功能是对三个电站进行集中控制与监视，实现梯调中心与各个电站的数据通信。配置2台主控工作站及1台通信管理机，1台工程师工作站，1组模拟返回屏，1台24口以太网交换机，2台打印机，2台冗余配置的容量为3KVA的UPS。
●调度集控工作站
在梯调中心设置2台冗余配置的主机/操作员工作站，并采用主/从热备用工作方式，其中1台为主控机负责各电站的数据采集、控制功能的实现，主要完成各梯级电站的运行自动化及其管理，包括整个梯级电站的联合经济运行控制、历史数据存档、归类、检索和管理，运行报表生成与打印，人机接口功能等，即完成设备运行的实时监视与控制。另1台（备份机）作为系统管理机负责监视网上各台机的运行情况，备份主控机的数据库，并在检测到主控机故障时立即担当起主控机的所有功能并报警。
●通信管理机
　　用于与各电站通信机进行数据通信，通信方式为光纤以太网及备用的载波通道。同时通信管理机还用于与上级电力调度进行远动通信，具有远程数据功能。
●工程师工作站
　　梯级调度中心作为梯级调度的管理中心需要对各电站的监控软件进行维护和参数设定，设置1台工程师工作站作为系统的维护工作站。
●返回模拟屏
　　用于显示电站主接线图全貌及设备状态、主要电气参数、时钟等。模拟返回屏驱动由通信管理机通信方式实现数据通信。
●网络通信设备
　　大川河梯级水电站监控系统采用光纤以太网络技术与在线运行的各计算机和各现地控制单元进行通信，接口符合IEEE802.3标准，另外为了保证系统通信的通道冗余，采用载波通信MODEM与各电站进行通信。
●打印机
　　计算机监控系统设有2台打印机，一台用于打印报表，另一台用于报警连续纸打印。
●不间断电源UPS
　　系统设置2台冗余配置的UPS，容量为3KVA。
3.2电站控制级
　　中咀、长石坝、佛山电站的电站控制级均按统一的方案进行配置。主控级由2套主机/操作员工作站、1台通信管理机，1台24口以太网交换机、2台打印机、2台冗余配置的容量为3KVA的UPS组成。是电站的实时监控中心，实现对全厂的自动化功能、历史数据处理及全厂的人机对话等功能。
●         主控站工控机
　　在中咀、长石坝、佛山电站中控室各设置2套冗余配置的主机/操作员工作站，并采用主/从热备用工作方式，一台作为主控机负责采集、控制功能的实现，主要完成全厂的运行自动化及其管理。另一台（备份机）作为系统管理机负责监视网上各台机的运行情况，备份主控机的数据库，并在检测到主控机故障时担负起主控机的所有功能并报警。
●         通信管理机
　　用于与梯调中心远动通信，具有远程数据功能，同时通信工作站还预留与电站水情测报系统及大坝监测系统通信的接口。
●         卫星时钟GPS
　　用于与各工控机、现地控制单元LCU通讯对时。
●         网络通信设备
　　用于与在线运行的各计算机和各现地控制单元进行通信。
●         打印机
计算机监控系统设有2台打印机，一台用于打印报表，另一台用于报警连续纸打印。
●         不见断电源UPS
　　系统设置2台冗余配置的UPS，容量为3KVA。
3.3单元控制级
　　单元控制级按被控对象性质分为机组控制单元LCU、开关站及公用设备控制单元LCU。
　　长石坝、佛山电站分别设置4个现地控制单元，即2台机组控制单元LCU,开关站及公用设备现地控制单元LCU，闸门现地控制单元LCU。
　　中咀电站设置5个现地控制单元，即2台机组控制单元LCU,1台开关站及公用设备现地控制单元LCU，2台闸门现地控制单元LCU。
　　各现地控制单元采用PLC直接接入以太网的方式与主控站连接，使得通信可靠性和通信速率都得到有效提高。
●         机组LCU
　　LCU设置在机旁，实现对各生产设备的数据采集和处理、安全运行和监视、控制调节、事件顺序检测和发送、数据通信、系统诊断等功能。
●         开关站LCU
　　开关站及公用设备LCU主要对110KV、35KV出线、主变压器及厂用变压器、全厂公用油、气、水辅助系统厂用电系统、直流系统等进行数据采集和处理。
●         闸门LCU
　　各个电站均设有取水口闸门，由于每个电站的取水口均距电站中控室约5～10km，故采用单模光纤接入相应的电站主控层网络，但由于中咀电站闸门LCU4、5至中咀控制室具备电话线通道，现可采用带MODEM接入电站通信管理机的方式进行通信。
4.系统功能
4.1对各主要机电设备运行参数得监视和记录
　　系统对各主要设备得工况参数进行巡回检测、定时打印、越限报警、复限时发信号并显示记录，同时对系统内部信息进行相关分析，求出信息之间的相关度，构造新的二次信息作为主信息判断的辅助信息，防止单一信息可信度差异所造成得决策失误。
4.2控制和调节
　　监控系统根据预定的原则和运行人员输入（或来自梯调中心发来的）命令，发出开停机命令，进行各断路器、隔离开关分合闸操作，以及和机组运行有关的闸门的操作。系统对操作过程进行校核和监视，并进行操作记录。可用增减命令或改变设定值方式调节机组出力。LCU可接收主计算机、操作员工作站或现地输入的命令，能自动完成开、停机操作和有功、无功功率的调节而不需依赖电站控制中心。在接收电站控制中心命令后，工况转换及调节能自动完成，也能分步完成，机组LCU也能执行现地人机接口发出的现场命令。监控系统软件可以实现控制设备的防误闭锁操作。
4.3有功功率联合控制
　　监控系统可根据中调提供的负荷曲线或实时给定值，或值班操作人员即时给定的有功功率值，以及各机组的效率特性曲线、电站即时的运行工况并考虑机组振动、气蚀等约束条件，计算在机组负荷变化后的水头下电站的机组最优开机组合，并按照等微增率。动态规划或用户要求的其他方式计算机组间最优负荷分配。
电力系统频率过低时可按照低频启动准则，自动启动备用机组。
　　自动发电控制还可接收厂内高频切机、系统振荡压负荷等电力系统自动装置或功能模块发出的控制信号按给定顺序完成停机、开机或压负荷的自动操作。
　　自动发电控制可完成各台机组运行工况转换时的协调工作，保证机组和电力系统所受的干扰最少。
4.4无功功率联合控制
　　按给定时段的高压母线电压值，定时计算，自动调节和分配各机组无功功率，自动维持高压母线和无功负荷的合理分配。
　　自动电压控制功能能按照电力系统要求，维持母线电压在规定的范围内，在此基础上实现各台机组间无功功率按等功率因数分配，进相运行时，可在校验发电机静态稳定、定子端部发热程度以及厂用母线电压水平的基础上，合理分配每台机组的无功功率。
4.5经济调度
　　能实现在线经济调度。在进行遥调时应根据各电站的情况综合安排，计算各电站机组群的优化组合，以保证联合运行的总出力经济合理。根据水库进水量计算、水耗计算、综合利用效率计算，并进行水文、水情、气象资料预测处理，使水库运行优化合理。
4.6数据通信
　　通过一路光纤以太网通道，一路载波通道，与梯调中心的计算机系统通讯，电站计算机监控系统上送遥测、遥信信息，接收电网的遥调、遥控命令。实现对各LCU、微机保护、调速器、励磁调节器等自动装置、工业电视系统、消防系统、厂长终端接口等系统的通信。
4.7运行管理指导
　　自动统计主要设备的运行小时数、动作次数、事故和故障次数等数据，建立设备运行档案，为合理安排设备的运行和维护提供依据。根据监控系统所储存信息以及实时采集的信息，正常操作或发生事故时，能自动或由运行人员召唤提出操作指导意见。
4.8统计和制表打印
4.9故障自诊断和自恢复功能
　　大川河梯级水电站及梯级调度中心计算机监控系统的硬件、软件工作进行监视和保护的功能，能及时测出故障部位，切除故障模块并在人机街面上给出指示，便于运行人员迅速更换并恢复系统，监控系统每一级都具备自恢复功能，即当监控系统出现程序死锁或失控时，能自动恢复到原来状态。监控系统还可以在线运行诊断软件，当发生程序死锁或失控时，能自动启动冗余系统或发出冗余切换请求，并具备自恢复功能。
4.10其他辅助功能
　　监控系统允许通过程序开发终端或工程师工作站，借助于本系统，进行功能再开发、增修画面等工作，而不影响在线主机运行。
5.软件系统
　　系统在硬件选择上以系统的开放性和兼容性为指导思想，具有很大的灵活性，支持异型机联网。软件方面主机、工作站及各LCU均使用WINDOWS操作系统，操作系统具有良好开放性、实时性、可移植性、高可靠性，采用C++编程，面向对象设计、具有友好的人机界面，注重系统的可维护性，并提供了系统维护工具。随系统提供的基本软件包括自动发电控制（AGC）和自动电压控制（AVC）软件、实时执行软件（NAS-901软件包）、编程语言（VISUAL  C++等）、自诊断软件（NAS-901诊断包）、数据库管理软件（SQL SERVER）、通信管理软件（NAS-901通信软件包）、经济调度软件（NAS-901高级应用程序）、工具软件（交互式图形、报表、数据库生成软件）。系统的上位机部分包含数据管理、实时控制、系统维护、通讯服务等功能，电站运行人员、工程师可通过各自的工作站完成画面制作、画面显示、打印报表、参数设置和操作控制等功能。
6.存在的问题和建议
　　目前中咀电站2台机组及长石坝梯级调度中心的监控系统已经全部投运8个多月，长石坝电站、佛山电站也即将投入运行。笔者有幸参加了大川河梯级水电站及梯调中心监控系统的部分安装调试工作，现就安装调试和运行中出线的一些问题在此提出以下看法：
6.1
　　公用LCU虽然采用交、直流同时供电方式，AC220V取自厂用电系统，DC220V取自直流系统。虽然交直流电源同时消失的几率是很小的，但是这种情况一旦出现整个公用LCU装置将陷于瘫痪，所以建议公用LCU装置电源再从调度中心模拟屏的UPS电源取一回，增加其高可靠性。
6.2
　　机组LCU采用的单元测控装置对遥测量的采集速度较慢，信息不稳定，使得1F机组转子电流、2F机组定子电流、定子电压、频率等模拟量时有时无。建议在后续的改造中监控系统遥测量采集采用性能更为优异的测控装置。
6.3
　　如1F机组停机过程中制动闸不能自动投入，1F机组在上位机及前置机上只能向上加负荷而不能减有功负荷的问题还有待于同监控系统厂家技术人员进行深入的探讨后再行解决。在此提出，希望引起大家重视！
7.结语
　　通过中咀电站大半年的运行情况来看，大川河梯级水电站监控系统总体上运行稳定，可靠性高，操作方便，人机界面友好，维护量小，未发生影响机组运行的故障或事故。虽然该监控系统在运行中出现了一些不如人意的地方，但这些问题必将在后续梯级电站投运前得到不断完善，为大川河水力发电厂及其调度中心早日实现“无人值班，少人值守”创造更为有利的条件。

参考文献：
　　【1】 现代水电厂计算机监控系统技术与试验.中国电力出版社.
　　【2】 国家经济贸易委员会.水电厂计算机监控系统试验验收规程.
　　【3】 水利部长江水利委员会.水电厂计算机监控系统基本技术条件
作者简介：
　　李宏刚：男，电气工程师，主要从事水电站电气工程设计工作。