百丈漈梯級水電廠監控系統設計與應用

季余忠，鄧小剛，辛 俊

(1.溫州百丈水力發電廠，浙江 文成 325300；2.北京中水科水電科技開發有限公司,北京 100038)

百丈漈梯級水電廠監控系統設計與應用

季余忠1，鄧小剛2，辛 俊2

(1.溫州百丈水力發電廠，浙江 文成 325300；2.北京中水科水電科技開發有限公司,北京 100038)

介紹溫州百丈漈水力發電廠概況，說明改造前的控制方式和存在的主要問題，提出建設梯級水電廠發電機

組計算機監控系統的構想和實用化設計，敘述計算機監控系統建成后的運行與改進情況。

計算機；監控系統；梯級；設計；應用

0 概述

溫州百丈漈水力發電廠位于浙江省文成縣境內，轄飛云江支流泗溪中游梯級開發的一、二級水電站。1960年8月20日一級水電站建成投產，裝機容量2×12.5MW。1970年9月1日二級水電站建成投產，裝機容量2×6MW。

隨著百丈漈二級水電站的竣工投產，溫州百丈漈水力發電廠最終形成了37MW的裝機規模，成為溫州地區重要的調峰電廠。46年來，累計發電量近50億kW·h，有力地推動了溫州地區的經濟發展。同時，科學調度具有年調節能力的百丈漈水庫，可以大大提高位于水庫下游的文成縣縣城和沿溪各村鎮的防洪抗旱能力。

跨入新世紀，溫州百丈漈水力發電廠制定了創一流企業發展規劃，利用計算機技術，積極進行發電生產自動化改造，努力提高全員勞動生產率。正是在這一背景下，溫州百丈漈水力發電廠一、二級電站的梯級水電廠計算機監控系統的實用化設計與應用被列入了企業的發展規劃，成為發電生產自動化系統的重要內容。

1 改造前的控制方式和存在的主要不足

改造前發電機組的順序控制是由傳統的繼電器組合來實現的。傳統的繼電器組合邏輯控制方式的特點是技術要求低、投資也相對較少。主要不足是：①體積龐大。實現復雜的邏輯控制時需要很多的繼電器組合在一起才能達成目的，從而占用很多空間。②動作速度慢，實時性差。傳統繼電器動作時有一個固有的動作時間，當較多的繼電器組合在一起去完成一個邏輯功能時，其累加的固有動作時間就很長。③適用性和適應性差。常規繼電器接點不能多次使用，生產工藝變化時，改變困難。④存儲記憶能力極低。現代系統極其復雜，要判斷一種狀態是否正常在控需要大量的狀態量和數據量。但繼電器的組合只能極其有限地存儲記憶幾個簡單的狀態量，而無法存儲記憶數據量，根本無法滿足現代系統的運行控制要求。⑤接線復雜，可靠性不高，維護及檢修也很不方便。

總之，傳統的控制方式只能實現基礎性的簡單自動控制，根本沒辦法實現“無人值班”水電站所要求的實時性、可靠性、可維護性、可利用率和可擴充性的控制系統的要求。

2 梯級水電廠算機監控系統的構想和實用化設計

溫州百丈漈水力發電廠一、二級電站計算機監控系統選擇了北京中水科水電科技開發有限公司的H9000系列計算機監控系統。該系統充分吸收借鑒了國際上水電自動化領域成熟技術，具有完全知識產權充分，具有良好的可靠性、可擴充性和可移植性，并支持異型機互聯。

2.1 一、二級電站計算機監控系統結構和配置的實用化設計

溫州百丈漈水力發電廠一、二級站的計算機監控系統采用H9000系統作為全分布開放式網絡控制系統。系統分三層：梯調中心控制層、站級控制層以及現地控制單元層。三層之間采用100MB快速以太網總線，本系統的網絡結構為單網結構，網絡通訊介質采用高性能的網絡交換機和光纖實現。系統具有較高的傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。梯調中心主機、廠站層主機、工程師工作站、通訊處理機、打印報表工作站及公用LCU布置在中控室、計算機室和繼保室，因距離網絡交換機較近，采用高品質屏蔽雙絞線介質連接；各機組現地層現地控制單元(LCU)距離機房網絡交換機較遠，則通過光纜相連。

（1） 梯調中心控制層

1）系統主機／操作員工作站

主機工作站兩套，采用HP XW4400工作站。每套配兩個21"液晶顯示器。兩臺主機以互為熱備方式工作，正常時，一臺完成監視控制任務，另一臺則進行正常監視。當監控工作站故障或退出時，監視工作站可自動或手動升為監控站，完成監控任務。主機/操作員工作站放在二級站中控室。

操作員工作站是全廠集中監視和控制的中心和人機接口，用來實現電廠的實時圖形顯示、各種事件的畫面、各種報表顯示、報警和復歸的顯示、系統自診斷信息的顯示、操作員操作權限的登錄及其管理、設備的控制操作、系統配置等操作處理。

2）工程師/培訓工作站

工程師/培訓工作站一套，采用HP XW4300工作站。用于修改定值，增加和修改畫面，并可進行系統維護、軟件開發工作及遠程診斷等。此外，還可用于離線設置，對運行人員進行仿真培訓。工程師/培訓工作站還配有1臺LQ-1600KⅢ打印機和56K調制解調器。該打印機用于程序輸出和報表（報警）打印的備用，調制解調器用于遠方診斷通訊連接。

3）通信/打印服務器

通信/打印服務器采用HP XW4300工作站（配有8串口板）。該計算機安裝在計算機室。用于實現內部通訊、與地調通訊；接收GPS對時時鐘信號對梯調的計算機設備進行對時；用于實現手機查詢及啟動手機通信發送報警信息；并用于連接一臺網絡打印機。

4）歷史數據庫及報表服務器

歷史數據庫及報表服務器采用HP ML370G4服務器。主要用于歷史數據的保存和常用報表的形成等。

5）網絡設備

考慮到同軸電纜及雙絞線的傳輸距離有限，并考慮現場干擾及網絡技術的發展，選用100M高速光纖以太網。所選用的網絡設備為CISCO 2914100M網絡交換機，其配置有24個100M RJ45接口和4個100M SC光纖接口。

4 套機組LCU與CISCO間通訊介質為四芯多模光纖，系統內其它計算機與CISCO交換機間的通訊介質為8芯5類雙絞線。因二級電站與網絡柜之間距離較近，所以機組LCU與交換機之間的連接采用的5類雙絞線。

6）打印機

打印機配三臺，一臺LQ-1600KⅣ打印機和一臺HP500彩色激光打印機接通信/打印工作站，一臺LQ-1600KⅣ打印機接工程師工作站。

7）不間斷電源（UPS）

本系統梯調中心(含二級站站調系統設備)配置兩套在線式電力專用交/直流輸入SW-10003kVA。

（2）站級控制層（以一級站為例)

1）系統主機／操作員工作站

主機／操作員工作站兩套，采用32位HP XW4100工作站。每套配兩個19"大屏幕彩色顯示器。兩臺主機以互為熱備方式工作，正常時，一臺完成監視控制任務，另一臺則進行正常監視。當監控工作站故障或退出時，監視工作站可自動或手動升為監控站，完成監控任務。主機／操作員工作站放在中控室。

主機／操作員工作站用于完成對整個電站的計算機監控系統的管理，數據庫管理，在線及離線計算，各圖表曲線的生成，事故、故障信號的分析處理等功能。

2）網絡設備

考慮到同軸電纜及雙絞線的傳輸距離有限，并考慮現場干擾及網絡技術的發展，選用100M高速光纖以太網。所選用的網絡設備為CISCO 2914100M網絡交換機，其配置有24個100M RJ45接口和4個100M SC光纖接口。

3）不間斷電源（UPS）

本系統主控級配置兩套在線式電力專用交直流兩用電源CKD3kVA/220R，保證了監控系統電源的可靠性。

4）打印機

一級站配置LQ-1600KⅢ、HPLJ5000LE和BJC-4650打印機各一臺，接主機／操作員工作站和工程師工作站。

5）工程師／培訓工作站

工程師／培訓工作站一套，采用32位COMPAQ AP200工作站。用于修改定值，增加和修改畫面，并可進行系統維護、軟件開發及遠程診斷等。此外，還可用于離線設置，對運行人員進行仿真培訓。工程師兼培訓工作站安裝在計算機室。

工程師／培訓工作站還配有BJC4650打印機和 56K調制解調器。該打印機用于程序輸出和報表（報警）打印的備用，調制解調器用于遠方診斷通訊連接。

6）通信工作站

通信工作站1套，采用32位COMPAQ AP200工作站。該計算機安裝在計算機室。用于實現與水情自動測報系統和地調等的通訊。

7）GPS 時鐘系統

GPS時鐘系統一套，用于完成與監控系統對時。其與站調層對時采用串行口，與現地層對時則采用無源脈沖接點。GPS時鐘系統還可給其它如保護、故障錄波等提供對時信號。

因二級電站目前與梯調中心在同一室(中控室)，所以二級電站的站調系統中取消了工程師工作站和通信服務器等設備。

（3）現地控制層

現地層采用現地控制單元(LCU)與專用功能裝置既相互配合，又相對獨立的設計原則，以提高系統的可靠性和整體性。LCU主機與外部獨立裝置以通訊方式進行數據交換。

每個電站各設有3套現地控制單元（LCU）。其中：2套機組LCU，1套公用設備及開關站LCU。LCU完成對監控對象的數據采集及數據預處理，負責向網絡傳送數據信息，并自動服從調度層上位機的命令和管理。同時各LCU也具有控制、調節操作和監視功能，配備有液晶觸摸屏，當與上位機系統脫機時，仍具有必要的監視和控制功能。LCU由現地人機聯系終端（一般為觸摸屏）﹑控制器（一般由可編程控制器，簡稱PLC）、各種I/O通道（PLC的I/O模板）、各種智能裝置（如微機自動準同期裝置﹑溫度巡檢裝置﹑電度表、交流采樣裝置等）、通訊控制器、電源裝置、把手按鈕等附件組成。

1）液晶觸摸屏

每套LCU配有Pro-face GP系列觸摸屏一個：液晶屏：12.1"彩色；分辨率：640x480；內存：4M；主頻：100MHz；擴展接口：打印/以太網/音頻/RS232。主要用于現地人機聯系終端

2）現地PLC

每臺LCU配有高性能的GE90-30可編程序控制器1套，完成系統的數據采集及設備的調節與控制（包括順控）。控制器不僅實時性指標要高，還應有相當高的可靠性。并配有IC693CMM321網絡模塊一塊用于PLC直接上以太網。

GE 90-30系列PLC可編程控制器屬同類產品中的高檔產品，具有很高的性能價格比，在國內大中小水電站均有廣泛的應用，且編程維護簡單方便，技術支持好，產品性能穩定，槽位互換、可選模塊豐富，組態靈活、擴展便捷、維護簡單等特點。

3）通訊控制器

采用臺灣MOXA UC-7410-LX 10/100M,其有8個串口(RS232/422/485)，實現與各智能裝置及各種輔機設備的通訊，輔機設備如微機調速器、微機勵磁、微機保護、以及油、水、風系統自動控制裝置等。

4）智能裝置

溫度測量裝置：發電機線圈、定子、主變、冷、熱風溫度等溫度信號由溫度巡檢儀采集，并以通訊方式送至通訊控制器。溫度巡檢裝置采用合肥工大生產WXY-IV，接口采用RS-485，測量路數48路。

同期裝置：機組和開關站及公用LCU各配有一臺深圳智能公司生產的SID-2型多對象微機同期裝置，用于機組與系統并網。

機組交流采樣裝置采用GE公司的IC693PTM101模塊，其集成了電流、電壓、有功、無功等電量的采集。

5） 不間斷電源（UPS）

每臺LCU各配置一臺SW-10001kVA交直流220V輸入的在線式電力專用電源。

6）LCU數據通信結構圖

圖1顯示了LCU通信結構圖。不同的LCU，其擴展串口所接設備的數量可能不同，開關站和公用LCU不配置溫度巡檢設備。

圖1 LCU數據通信結構圖

3 改造后運行情況

一級電站計算機監控系統于2005年5月投入運行，2007年6月隨著二級電站和梯調計算機監控系統的建成投運，溫州百丈漈水力發電廠計算機監控系統全部完成并投入運行。2年來，監控系統的各類自動化元件運行正常，動作可靠，監控系統整體運行良好。

4 結束語

溫州百丈漈水力發電廠計算機計算機監控系統的成功建設與投運，達到了下面四個目標：

一是提高了發電生產自動化運行水平，減輕了運行勞動強度，提高了工作效率。監控系統投運后，大大提高了百丈漈水電廠一級站綜合自動化運行水平，實現了一級站的"四遙"功能。比如機組開機，只須在站調或梯調下達一個開機令，就能實現機組從開機到并網到調節負荷的整個過程，并能在站調和梯調通過開機流程圖實時監視機組的整個自動開機并網過程。此外，故障語音報警、事故追憶、事件順序記錄、操作記錄和報表打印等功能，友好的人機界面及完善豐富的CRT顯示系統，極大地方便了運行人員的操作和監視，減輕了運行人員的勞動強度，使運行人員從以往繁瑣的監盤、抄表工作中解放出來，提高了工作效率。

二是提高了安全生產運行水平。監控系統的投產運行，不但提高了設備的綜合自動化程度和可靠性程度，也提高了該廠的安全生產運行水平。采用微機準同期自動并網裝置后，縮短了起動并網時間；同時還提高了機組并網的精確度，減少機組的沖擊，延長了機組壽命。監控系統的成功投入，減少了運行人員誤操作的機率，為運行人員的正常運行操作特別是異常情況下處理，提供了智能化指導，有利于縮短事故處理時間。監控系統具有的高分辨率事故追憶、事件順序記錄和操作記錄功能，提供了詳細的各種保護動作及操作順序的時間記錄，為分析事故原因及消除事故隱患提供了充分真實可靠的第一手依據，為安全生產提供可靠保障。

三是降低了發電耗水量，提高了經濟效益。監控系統運行后，把發電機組的平均并網時間縮短為傳統控制方式下的機組開機并網平均時間（不少于180s）的1／3，機組空載時間大大縮短，節約大量空載損耗，提高了經濟效益。

四是實行了“無人值班（少人值守）”，達到了減人增效的目的。監控系統建成并投入運行后，發電運行人員由7-8人減少5人，開始實施“無人值班”（少人值守）的運行管理模式(一級電站為少人值守)，使大部份運行人員從三班倒的崗位上解放出來，達到了減人增效的目的。

[1]方輝欽等.現在水電廠計算機監控技術與試驗[M].中國電力出版社·2004.3.

[2]應敏華等.電力系統監控技術[M].上海電力學院，1999.6.

[3]馬義德，等.微型計算機原理及應用[M].(第三版).高等教育出版社，2004.7.

[4]王德寬.水電廠綜合自動化及“無人值班”技術［M］.中國電力出版社，2001.1.

[5]百丈漈水力發電廠志[M].(浙江省電力工業志叢書).當代中國出版社，1997.12.

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1672-5387（2010）03-0032-03

2010-04-28

季余忠（1969-），男，浙江省百丈祭水電廠副廠長，工程師，從事電力系統自動化的研究和管理工作。