緬甸耶瓦水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元的改造

張顯兵，劉曉波，姚維達(dá)

（中國水利水電科學(xué)研究院自動化所，北京 100038）

0 概述

緬甸耶瓦水電站（Yeywa）是緬甸已建的最大電站，2011年占緬甸主干電網(wǎng)負(fù)荷容量的60%左右，在緬甸電網(wǎng)中具有舉足輕重的地位。耶瓦水電站位于緬甸中部曼德勒省境內(nèi)依洛瓦底江的一級支流米坦格河下游，距西偏北方向的曼德勒市50 km(直線距離)。耶瓦水電站安裝4臺195 MW的立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，電站以230 kV接入緬甸主干電網(wǎng)，共4回出線。耶瓦水電站承擔(dān)電網(wǎng)基荷，首臺機(jī)組2010年初投產(chǎn)，2010年12月全部機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

原監(jiān)控系統(tǒng)采用國外某公司組態(tài)軟件，于2010年2月隨第一臺機(jī)組投產(chǎn)而同步投運(yùn)。原系統(tǒng)由主站和現(xiàn)地控制單元（LCU）構(gòu)成。投運(yùn)一年來，多次出現(xiàn)事故停機(jī)，而原系統(tǒng)無法記錄引發(fā)停機(jī)的故障信號，無法查出停機(jī)原因，不利于事故分析與排除，對緬甸電網(wǎng)的安全性造成了很大的影響。2011年初，業(yè)主決定采用北京中水科水電科技開發(fā)公司的H9000 V4.0監(jiān)控系統(tǒng)，對原系統(tǒng)進(jìn)行改造和完善。

1 改造原則

（1）可靠性

LCU的主要設(shè)備，如以太網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電源等均采用冗余配置。控制系統(tǒng)采取現(xiàn)地、遠(yuǎn)方兩種控制模式對機(jī)組進(jìn)行控制。當(dāng)計算機(jī)控制系統(tǒng)廠站層及現(xiàn)地工控機(jī)故障或計算機(jī)控制系統(tǒng)廠站層與LCU的通訊中斷時，操作人員可以在現(xiàn)地控制模式下，通過LCU盤柜上的把手及按鈕對機(jī)組進(jìn)行控制。提高了機(jī)組開停機(jī)的可靠性和靈活性，符合控制系統(tǒng)危險分擔(dān)的原則。

（2）開放性

采用國際標(biāo)準(zhǔn)，國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高系統(tǒng)的開放性。選用標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品和技術(shù)，為備品備件及后續(xù)的升級擴(kuò)展提供方便。

（3）獨(dú)立性

LCU采用分布式結(jié)構(gòu)，取消信號擴(kuò)展布線回路，減少不同單元間的關(guān)聯(lián)性。

（4）經(jīng)濟(jì)性

充分考慮合理利用原有LCU設(shè)備，以降低改造費(fèi)用。保留原有系統(tǒng)中性能較好的設(shè)備，更換部分設(shè)備，以優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)和方式。

（5）簡便性

采用清晰的流程結(jié)構(gòu)，使用模塊化設(shè)計，以便于運(yùn)維人員的操作和維護(hù)。

2 改造內(nèi)容

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

原系統(tǒng)LCU采用施耐德Unity Quantum PLC，施耐德一體化工控機(jī)，PLC與工控機(jī)之間采用串口連接，PLC通過一路光纖和一路RJ45轉(zhuǎn)光纖與上位機(jī)連接，溫度巡檢裝置直接通過光纖與上位機(jī)連接。

新系統(tǒng)采用100 M雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在保留原有的PLC、工控機(jī)、溫度巡檢的基礎(chǔ)上，增加兩個4RJ45口的MOXA交換機(jī)，交換機(jī)與上位機(jī)操作員站采用100 M光纜通訊，與現(xiàn)地PLC、工控機(jī)、串口通訊器采用雙絞線連接，形成雙星形網(wǎng)絡(luò)，溫度巡檢裝置通過串口與串口通訊器連接.機(jī)組LCU網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1示:

圖1 耶瓦水電站機(jī)組LCU網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2 設(shè)備供電

原系統(tǒng)各LCU配置了4塊24 V電源裝置，為單路進(jìn)線，兩路廠用交流進(jìn)線和兩路UPS直流進(jìn)線分別為其供電。4塊電源裝置分別供電給PLC模塊、I/O回路、光纖收發(fā)器、備用，全部I/O回路(中斷量、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸出)的電源由一個空開控制。

新系統(tǒng)調(diào)整了電源裝置的用途，各選取進(jìn)線分別為廠用交流和UPS直流的2塊電源裝置，配置形成2路冗余24 V回路，一路為PLC模塊和交換機(jī)供電，另一路供給I/O回路，并對各個I/O回路分配獨(dú)立的空開。

2.3 控制流程

原系統(tǒng)機(jī)組LCU控制流程采用LD（梯形圖）的方式，對機(jī)組開機(jī)過程缺少監(jiān)視，對引起機(jī)組停機(jī)的信號沒有記錄，對3種類型的事故停機(jī)沒有區(qū)分開。設(shè)計中機(jī)組還應(yīng)具備調(diào)相功能，原流程沒有實現(xiàn)機(jī)組的調(diào)相態(tài)及調(diào)相態(tài)與其它工況的相互轉(zhuǎn)換。

新系統(tǒng)的機(jī)組LCU流程采用了SFC（順序功能圖）與FBD(結(jié)構(gòu)功能塊)相結(jié)合的編程方式。流程各個控制對象，建立單獨(dú)的程序段進(jìn)行控制，對機(jī)組定義5種狀態(tài)：準(zhǔn)備態(tài)、空轉(zhuǎn)態(tài)、空載態(tài)、發(fā)電態(tài)、調(diào)相態(tài)。使用以“步”為基本元素的SFC語言，實現(xiàn)機(jī)組單步開停機(jī)（包含手動模式和自動模式），監(jiān)視開停機(jī)流程的各步動作狀態(tài)和各步運(yùn)行時間。機(jī)組開停機(jī)流程分為6段SFC程序段:

（1）開機(jī)流程:實現(xiàn)機(jī)組在5種狀態(tài)中的正邏輯轉(zhuǎn)換，準(zhǔn)備態(tài)轉(zhuǎn)空轉(zhuǎn)態(tài)、準(zhǔn)備態(tài)轉(zhuǎn)空載態(tài)、準(zhǔn)備態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)電態(tài)、準(zhǔn)備態(tài)轉(zhuǎn)調(diào)相態(tài)、空轉(zhuǎn)態(tài)轉(zhuǎn)空載態(tài)、空轉(zhuǎn)態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)電態(tài)、空轉(zhuǎn)態(tài)轉(zhuǎn)調(diào)相態(tài)、空載態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)電態(tài)、空載態(tài)轉(zhuǎn)調(diào)相態(tài)、發(fā)電態(tài)轉(zhuǎn)調(diào)相態(tài)。

（2）正常停機(jī)流程：實現(xiàn)機(jī)組在4種狀態(tài)中的反邏輯轉(zhuǎn)換、發(fā)電態(tài)轉(zhuǎn)空載態(tài)、發(fā)電態(tài)轉(zhuǎn)空轉(zhuǎn)態(tài)、空載態(tài)轉(zhuǎn)空轉(zhuǎn)態(tài)、空載態(tài)轉(zhuǎn)全停態(tài)、空轉(zhuǎn)態(tài)轉(zhuǎn)全停態(tài)。

（3）快速停機(jī)流程:分為一類快速停機(jī)流程和二類快速停機(jī)流程，分別實現(xiàn)電氣故障和非電量故障引起的事故停機(jī)。

（4）緊急停機(jī)流程:實現(xiàn)機(jī)械故障引起的事故停機(jī)。

（5）調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)電流程:實現(xiàn)機(jī)組由調(diào)相態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)電態(tài)。

（6）調(diào)相停機(jī)流程:分為調(diào)相狀態(tài)下的正常停機(jī)、一類快速停機(jī)、二類快速停機(jī)、緊急停機(jī)。如圖2示:

圖2 機(jī)組停機(jī)的SFC單步控制流程

2.4 溫度量的處理

原系統(tǒng)機(jī)組LCU程序中，RTD采集得到的三部軸承溫度值，沒有經(jīng)過任何處理，單點(diǎn)溫度過高即直接作用于停機(jī)。

新系統(tǒng)增加了對RTD數(shù)值的判斷，處理后可信的溫度值參與控制。增加對每個RTD通道質(zhì)量的閉鎖判斷，對RTD可信值的判斷，當(dāng)判斷溫度通道中斷或溫度超過可信值時，此溫度不參與控制。

2.5 LCU之間的數(shù)據(jù)交換

原系統(tǒng)機(jī)組LCU和進(jìn)水口LCU之間的數(shù)據(jù)交換由上位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的方式完成，開關(guān)站LCU通過手動盤的繼電器擴(kuò)展到機(jī)組LCU。

新系統(tǒng)采用LCU之間直接通訊的方式，實現(xiàn)各LCU之間數(shù)據(jù)的直接讀寫。應(yīng)用QuantumPLC網(wǎng)絡(luò)模塊(NOE77101)支持I/O Scanner的功能，簡單方便地實現(xiàn)LCU之間的直接通信。

2.6 黑啟動功能

新系統(tǒng)充分考慮了耶瓦電站在緬甸電網(wǎng)崩潰，全廠交流廠用電消失的情況下，利用柴油發(fā)電機(jī)，啟動機(jī)組，恢復(fù)廠用電。

廠用電消失后，廠用UPS直流維持公用LCU運(yùn)行，公用LCU自動下令對400 V廠用電系統(tǒng)進(jìn)行倒閘操作，啟動柴油發(fā)電機(jī)，為400 V母線送電，從而給機(jī)組油氣水等輔助設(shè)備供電。并倒送至進(jìn)水口11 kV母線，提升進(jìn)水口閘門。機(jī)組LCU給調(diào)速和勵磁系統(tǒng)分別下達(dá)“孤網(wǎng)運(yùn)行令”和“零起升壓令”，機(jī)組啟動到達(dá)空載狀態(tài)后，公用LCU再次進(jìn)行倒開關(guān)操作，切除柴油發(fā)電機(jī)，機(jī)組帶廠用電運(yùn)行。

3 較原系統(tǒng)改進(jìn)的方面

新系統(tǒng)LCU的設(shè)計，在盡最大限度的保留了原系統(tǒng)的設(shè)備的前提下，調(diào)整了電源分配，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，精進(jìn)了控制程序，從而使控制系統(tǒng)的安全性、可靠性、可維護(hù)性得到質(zhì)的提升，具體體現(xiàn)在以下方面：

（1）工控機(jī)采用雙以太網(wǎng)與PLC連接，較原工控機(jī)采用串口通訊，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)采集速度大幅提高。

（2）調(diào)整了電源分配，實現(xiàn)了LCU設(shè)備及I/O回路的冗余供電，為調(diào)試檢修提供了很大便利，同時提升系統(tǒng)的可靠性。

（3）對流程的優(yōu)化，大大提高了操作的靈活性實用性，為耶瓦水電站實現(xiàn)無人值班(少人值守)提供了可靠的保障。機(jī)組在停機(jī)、空轉(zhuǎn)、空載、發(fā)電、調(diào)相幾種狀態(tài)間可以任意轉(zhuǎn)換，一鍵到位。

（4）LCU之間直接通訊，簡化了硬件回路，提高了LCU的獨(dú)立性。

（5）溫度量的處理，排除了假信號，避免了機(jī)組頻繁的事故停機(jī)。

（6）機(jī)組黑啟動功能的實現(xiàn)，降低了緬甸的用電安全風(fēng)險。緬甸電網(wǎng)容量比較小，頻率經(jīng)常在46 Hz到56 Hz的范圍內(nèi)大幅波動，電網(wǎng)經(jīng)常面臨崩潰的危險，機(jī)組具備黑啟動功能，對耶瓦水電站的安全運(yùn)行，對緬甸電網(wǎng)的穩(wěn)定，有著關(guān)鍵性的作用。

4 結(jié)語

耶瓦水電站監(jiān)控系統(tǒng)LCU的優(yōu)化，大幅提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性，安全性。目前，耶瓦水電站已完成全部監(jiān)控系統(tǒng)改造優(yōu)化工作并投運(yùn)，2012年1月通過現(xiàn)場驗收，至今運(yùn)行穩(wěn)定，得到了用戶的好評，取得了良好的社會、經(jīng)濟(jì)效益。

[1]張 煦，劉曉波.以太網(wǎng)I/O掃描通信技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2009，32（3）：26-27.

[2]張 捷，張顯兵，汪華強(qiáng).緬甸瑞麗江項目計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地部分的實現(xiàn) [J].水電站自動化與大壩監(jiān)測，2009，33（5）：16－19.

[3]姜永富，沙永兵，劉曉波，等.五強(qiáng)溪水電廠監(jiān)控系統(tǒng)改造設(shè)計與應(yīng)用[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2008，31（3）：78－81.