北江孟洲壩發電廠計算機監控系統的技術改造探討

郎玉波

(廣東韶能集團股份有限公司孟洲壩發電廠，廣東 韶關 51200)

1 引言

孟洲壩發電廠位于廣東省韶關市下游12.63km處，是北江干流最上游的一個梯級電廠，正常蓄水位52.50m，靜水位為 52.00m，屬于日調節水庫，總庫容2.04億 m3，有效庫容0.069m3。孟洲壩發電廠是集發電、防洪、航運和改善生態環境為一體的綜合性低水頭大流量發電廠。廠內裝有4臺燈泡貫流式水輪發電機組，4臺機組裝機總容量48MW(13MW×2+11MW×2)。原有計算機監控系統采用GE90－30系列PLC，可對全廠部分設備進行監視和控制，但原計算機監控系統已大部份失效，故需對計算機監控系統進行升級改造，完善站內計算機監控系統的自動化功能，滿足梯級電站集中監控、優化運行的要求。孟洲壩發電廠計算機監控系統改造的目的是完善4臺機組、升壓站的自動控制系統，改造電廠站級控制層，以修復和完善電廠集中控制、安全監視系統，電廠優化運行等功能的實時監控。

2 總體結構

孟洲壩發電廠計算機監控系統改造后采用全微機監控系統，其總體結構如圖1所示，系統采用分層分布的開放式系統結構，即分為現地監控層和中央控制層，見圖2。整個系統將主機工作站和可控制編程器等作為主體，通過TCP/IP網絡協議，以及100Mbit/s快速以太網技術，組成開放式微機網絡系統，把測點采集、告警提示、工況記錄、邏輯判斷和動作輸出等信息通過計算機機傳遞給電廠工作人員。主控級監控層網絡采用光纖以太網與所有LCU聯接。主控級主要設備包括2臺主操作站(主機)，4臺顯示器，1臺網絡交換機，1臺通訊服務器，語音報警、6kVA逆變電源系統各1套。

按電廠分布位置和控制對象來劃分，現地監控層需改造的各設備布置如下:4臺水輪發電機組各用一套LCU，開關站和公用設備共用一套 LCU，共5套LCU。機組LCU與主控級監控層網絡采用光纖以太網聯接，因公用設備控制單元布置在中控室旁的繼保室內，故主控級監控層與公用設備控制單元的以太網連接采用超5類屏蔽雙絞線。

采用GE PAC3i系列PLC作為電廠現地監控層的微機系統，裝設于機組LCU上。LCU根據控制對象的不同又分為機組LCU和開關站及公用LCU。機組LCU主要由就地工作站、PLC數據采集控制單元、機組微機準同期裝置和逆變電源裝置組成。

圖1 孟洲壩發電廠監控系統

圖2 孟洲壩發電廠監控系統結構分布

在所有LCU屏上各設置控制權限切換開關，分為主控級和現地級控制開關，即“遠程/檢修/現地”，當開關切到“遠程”時，上位機才能實施控制和調節的命令。當機組檢修時，切到“檢修”，主控級和現地級均操作無效。當開關切到“現地”時，只能通過現地控制單元操作面板(觸摸屏)實施控制和調節的命令。當現地控制單元操作面板(觸摸屏)發生故障時，不影響上位機對現地控制單元的控制，反之亦然。

3 計算機監控系統功能

系統按電站的“無人值班，少人值守”的原則設計，配備數據通信、數據共享功能。其主要目標為:實現廠內安全生產、自動監測和閉環控制，提高電廠安全運行能力，實現電廠統一調度管理和整個系統銜接，改善運行、檢修職工運行、維修條件及提高電廠電能生產的產值和質量，最終提高電廠的經濟效益。

3.1 主控級實現的主要功能

3.1.1 控制和調節功能

電廠運行人員在上位機通過液晶顯示器(LCD)向現地控制單元發出各種控制和調節命令，監視各項操作的全過程，在必要時可以改變操作的執行。在執行操作過程中，液晶顯示器(LCD)將顯示各主要階段進行的操作過程:命令菜單上已完成的命令為綠色;當前執行的步驟為紅色，當步驟完成后，相對應的圖標將變為綠色，在操作一覽表上可看到操作結果或失敗原因。

3.1.2 事件報警和運行監視功能

系統定時從LCU采集斷路器、隔離開關、全站機組、變壓器、母線、公用設備、閘門等生產設備的運行狀態和參數，實時更新數據庫。在LCD上顯示操作結線圖、運行監視圖等各種畫面，以及各種一覽表、趨勢曲線、測點索引等，定時刷新畫面上的運行數據和設備狀況，還有語音報警功能。使運行人員實時監視全廠生產過程的運行、操作狀態過程和報警信息更為方便。

3.1.3 運行指導、管理和統計報表功能

包括主系統操作指導，開、停機操作指導，廠用電系統操作指導畫面及各類提示信息等。

3.2 現地級實現的主要功能

在計算機監控系統中，現地級機組控制單元作為一個智能終端，可以直接監視和控制機組的運行，但也可作為獨立的裝置單獨運行。

3.2.1 數據采集及處理功能

包括狀態開關量、中斷開關量、交流模擬量、一般模擬量、溫度量的采集與處理。根據機組運行的需要，可設置以上模擬量高高限(HH)、高限(H)、低低限(LL)、低限(L)報警值，改造后系統提供越復限報警及處理功能。

3.2.2 控制與操作功能

機組現地控制單元通過LCU觸摸屏操作面板或上位機的輸入命令，執行操作。機組LCU都是通過輸出繼電器的空接點去動作各個機組的現場設備，分別作用于各個現地設備輸入點:如電路的斷路器、剎車制動與機組潤滑油的電磁閥、機組冷卻風機、漏油泵、潤滑油泵、高壓頂起油泵的電動機啟動裝置等。

3.2.3 準同期功能

機組現地控制單元柜內裝設的微機準同期裝置靈敏度高，保證發電機在無相差的情況下并入電網。

3.2.4 機組的有功和無功調節功能

改造后的現地控制單元對機組有功、無功的調節是以上位機或LCU控制面板設置的有功、無功設定值，使勵磁調節器和調速器自身按PID規律對機組的勵磁電壓和導葉開度進行調節，使機組按給定的有功和無功數值運行。

3.2.5 人機接口功能

機組現地控制單元柜內配置觸摸顯示操作面板(GE Fanuc/Quick Panel View)作為人機交互的平臺。工作人員通過觸摸屏操作面板可以進行機組輔助設備的開啟、停止，斷路器分閘、合閘，機組的開啟、停止，有功、無功增減的給定等多種操作。操作中如果有不合法或錯誤的命令，根據LCU內置程序的邏輯判斷將拒絕控制命令的執行。對于合法的命令，LCU將顯示控制命令的過程及最終結果。

3.2.6 診斷功能

機組現地控制單元具自檢功能，能對LCU的各控制單元及本身的硬件進行全面的自我檢驗，并能夠根據檢驗結果采取相關和相應的各種保護性措施，防止出現各種不良結果。同時向主機報告診斷結果，根據自診斷記錄，維護人員可以了解LCU裝置工作是否良好，處理異常情況。

3.2.7 通信功能

機組現地控制單元與微機保護裝置、主控級監控層、勵磁裝置、調速器的通信。

3.3 現地公用LCU實現的主要功能

公用和開關站LCU的控制與操作，數據采集與處理、通信、自診斷、人機接口等方面的基本功能，與機組LCU大致相同。

公用LCU的主要控制流程包括:故障、事故音響處理流程;主變110kV高低壓側斷路器控制流程;廠用變高低壓側斷路器控制流程。

4 結語

計算機監控系統的原理就是現地LCU通過接收現地傳感器的信號作為既定邏輯控制流程的啟動條件，實現設備的安全自動控制，并將采集的信號和經過處理的數據信息上傳給上位機，對設備狀態信息、環境信息、人工指令、報警信息、統計數據等分類處理用于顯示、報警、記錄等一系列過程。

經過南珠公司的技術改造后，發電廠增加了上位機控制單元，更換改造了現地LCU控制柜，主要解決的問題有以下幾點。

(1)通過上位機集中控制單元，全場的運行狀況可以直觀顯示出來，遠程集中控制、語音報警、全廠自動事件記錄、數據記錄、報表等功能得以實現。

(2)完善機組剎車控制系統，完善對機組各個輔機設備的狀態、故障、權限采集，完善機組各種自動化元件的狀態采集，消除了動作信號次序混亂的問題并且使得各設備間兼容性得到改善。使得機組控制基本達到自動化。

(3)全廠出線、母線、機組等電氣參數的采集。

(4)機組電氣安全判定與限制等功能通過這次改造得以實現。

(5)增加現地觸摸屏顯示單元，將同期功能從公用設備中分離出來實現現地功能獨立化，并且實時顯示機組的各種運行參數、實現機組負荷自動跟蹤、數字化給定等功能。

(6)在機組現地控制單元加裝了機組緊急和輔助停機回路，確保機組在非正常情況或危急情況下能迅速安全停機。

該計算機監控系統試運行2年來情況良好，系統可靠、操作維護方便、顯示畫面直觀，各項功能、性能指標滿足設計需求，為提高全網電能質量作出新的貢獻。同時，滿足了水電廠現代化運行與管理的要求，減少機組事故率和降低了生產過程中的勞動強度，提高了系統可靠性，并取得了較好的經濟效益。

［1］呂振中.計算機控制技術與系統［M］.北京:中國電力出版社，2000

［2］朱 辰，周茜.葛洲壩大江電廠無人值班工程中計算機監控系統的技術改造［J］.水電廠自動化，1999(4):71～72.

［3］彭卓莉.冗余以太網在大型梯級調水工程計算機監控系統中的實現［J］.電工技術，2007(6):47～48.

［4］謝希仁.計算機網絡［M］.北京:人民郵電出版社，2004.