無人值班水電站監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

張虎飛

(大唐重慶分公司，重慶401121)

我國水利資源十分豐富，水電發(fā)展十分迅速，但是其中相當(dāng)一部分水電站仍然存在設(shè)計保守、自動化程度低、監(jiān)控設(shè)備分散、用人眾多的特點。隨著計算機及電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，技術(shù)先進、性能可靠的微機綜合自動化系統(tǒng)開始得到了廣泛的應(yīng)用。采用自動化程度較高、安全可靠的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)己是大勢所趨。本文在深入研究國內(nèi)外水電自動化系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計了一種無人值班自動化系統(tǒng)控制方案，該系統(tǒng)具有經(jīng)濟、安全、可靠的優(yōu)點。

1 設(shè)計原則

1.1 遠程操作安全可靠。無人值班水電站要通過遠控中心進行控制命令下發(fā)，遠控中心一般設(shè)計在市區(qū)。遠程工作站可以用2 種方式接入電站監(jiān)控系統(tǒng):1)把遠程工作站配置到電站控制系統(tǒng)之中，將遠程工作站作為電站的一臺監(jiān)控主機運行。這種方案簡單易行并且相對可靠，但通常只能監(jiān)控1 個電站。如果多個電站同時接入同一工作站，相應(yīng)的配置復(fù)雜且不易實現(xiàn)。2)遠程工作站以通信方式與電站監(jiān)控系統(tǒng)中通信機進行連接。這種方式可以實現(xiàn)多電站的方便接入，但是接收信息有限，且因為與主機之間多了一個通信機轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，相對可靠性不高。

1.2 不同廠家設(shè)備之間信息共享。監(jiān)控系統(tǒng)中不僅涉及監(jiān)控廠家設(shè)備，還包括調(diào)速器、勵磁、保護、直流系統(tǒng)、備自投、消防系統(tǒng)等設(shè)備。通常，不同廠家之間的設(shè)備硬接線沒有涵蓋所有信息。這就要求不同設(shè)備廠家之間的智能設(shè)備能相互獲取數(shù)據(jù)，以提高控制的可靠性。

1.3 設(shè)備運行自動化。監(jiān)控系統(tǒng)不僅能滿足事故流程的自啟動，還應(yīng)包括機組啟動、機組工況轉(zhuǎn)換、閘門操作、各種輔助設(shè)備以及斷路器、隔離開關(guān)的自動控制。

1.4 通信安全可靠。 《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》(電監(jiān)會2005 五號令)規(guī)定:電力二次系統(tǒng)安全防護工作應(yīng)當(dāng)堅持安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認證的原則。因此控制區(qū)(安全區(qū)Ⅰ區(qū))的監(jiān)控系統(tǒng)和非控制區(qū)(安全Ⅱ區(qū))之間通信必須實現(xiàn)邏輯隔離。有條件的應(yīng)該在網(wǎng)絡(luò)中配備一套入侵檢測設(shè)備，以應(yīng)對外部對電站控制系統(tǒng)的入侵。

1.5 選用高質(zhì)量的自動化設(shè)備。在自動控制當(dāng)中，所有啟動源都是由傳感器或者其它設(shè)備所發(fā)出，監(jiān)控系統(tǒng)接收到啟動源信號后通過各種執(zhí)行設(shè)備完成流程操作。這就要求參與整個控制過程的設(shè)備具有高度可靠性。

1.6 監(jiān)控系統(tǒng)具備良好的接口擴展和系統(tǒng)故障自恢復(fù)功能。

1.7 實時性好，具有較強的糾錯能力。

1.8 人機界面友好，操作方便。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)由上位機和下位機組成。上位機按功能可分為:主機、操作員站、通信機、工程師站、Oncall 機、歷史庫服務(wù)器、Web 服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。電站可以根據(jù)實際需求把幾種功能綜合在1 臺服務(wù)器上以降低成本。下位機主要包括:機組LCU、公用LCU、開關(guān)站LCU、壩區(qū)LCU 等。如圖1 所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 主機采用冗余配置，其主要功能是對下位機LCU 的數(shù)據(jù)采集處理，控制指令下發(fā)、上位機信息邏輯處理、向其它服務(wù)器廣播數(shù)據(jù)庫信息、接收其它服務(wù)器數(shù)據(jù)信息。

2.2 歷史庫服務(wù)器主要記錄電站運行過程中，各種輸入和輸出信息記錄，包括操作、自診斷、各種測量點信息等。

2.3 操作員站采用冗余配置，其主要功能是對受控設(shè)備的監(jiān)視和控制。站內(nèi)控制一般都是經(jīng)過操作員站下發(fā)控制命令，然后經(jīng)過主機再下發(fā)給受控設(shè)備。根據(jù)需要操作員站的功能可以合并在主機中實現(xiàn)。

2.4 工程師站主要是系統(tǒng)維護及作為其它節(jié)點的備用設(shè)備。通常監(jiān)控系統(tǒng)信息修改在工程師站完成，修改完畢之后再同步到其它主機節(jié)點或者下載至現(xiàn)地LCU。其它服務(wù)器故障時，可以方便地把工程師站運行方式改為其它節(jié)點類型，這樣保證了設(shè)備的冗余和可靠性。

2.5 通信機主要作為站內(nèi)和站外通信用。站內(nèi)通信主要包含:GPS 對時、水情測報、直流屏、消防系統(tǒng)、在線監(jiān)測等需要和上位機通信的設(shè)備。站外通信主要包括:各級調(diào)度、集控中心、遠程工作站等。

2.6 遠程工作站的作用是可以在較遠的地方方便地對電站設(shè)備進行人工控制。遠程工作站通常具備操作員的特點，對遠程設(shè)備進行監(jiān)視和控制。

2.7 各種現(xiàn)地LCU 采集各種接入設(shè)備的信息，組織上送給上位機或者以通信方式傳送給其它LCU，并接收上位機或其它LCU 發(fā)送過來的信息和對接入設(shè)備進行各種控制。

3 自動控制方案實現(xiàn)

3.1 閘門系統(tǒng)。閘門系統(tǒng)在電站系統(tǒng)中具有極其重要的作用，它需要保證水頭的穩(wěn)定，并根據(jù)上游流量和水庫庫容使水位保持在安全范圍內(nèi)。閘門系統(tǒng)需要多個水位變送器保證水位信息的可靠，同時需要獲取水情測報相關(guān)信息計算出上、下游之間的流量差，LCU 根據(jù)獲得的采集信息下發(fā)對不同閘門的控制。閘門系統(tǒng)一般有進水口快速門和泄洪門。進水口快速門在發(fā)電的時候處于全開狀態(tài)，停機的時候可以選擇全開或者全關(guān)。相對容易控制，在開機前或開機過程中進行自動開啟操作。在緊急停機或其它需要的情況下進行快速關(guān)閉。泄洪門通常不在全開或全關(guān)位置。如果這類閘門需要自動控制來調(diào)節(jié)水位和流量的相對穩(wěn)定，就需要結(jié)合上、下游水位和流量來調(diào)整。為了防止泄洪門頻繁動作，必須在閘門開度范圍內(nèi)設(shè)定若干區(qū)間，然后根據(jù)劃分的區(qū)間在PLC 程序中設(shè)計出對應(yīng)調(diào)節(jié)步驟對照表。在控制過程中可以根據(jù)對照表逐步調(diào)節(jié)，也可根據(jù)不同的智能算法進行疊加調(diào)節(jié)，同時在人工調(diào)節(jié)或者越過邊界條件時應(yīng)退出自動調(diào)節(jié)。

3.2 機組LCU。機組LCU 是監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，其設(shè)計必須嚴謹和可靠。為保證LCU 和監(jiān)控上位機通信中斷后仍可以安全穩(wěn)定運行，機組LCU 必須具備不同運行模式的切換功能。為了方便不同設(shè)備之間的信息共享，在設(shè)計LCU 時最好選擇同類型的PLC，相同的PLC 之間可以方便地實現(xiàn)信息的網(wǎng)絡(luò)互取，信息共享后不同設(shè)備之間也可以進行統(tǒng)籌控制。

3.3 開關(guān)站LCU。開關(guān)站LCU 主要對主變高壓側(cè)以上出線斷路器和刀閘進行監(jiān)控。一般只需要在開機過程中對從發(fā)電機到出線末端線路上的斷路器和刀閘進行自動分合操作，以達到自動發(fā)電的目的。分閘操作一般只在事故停機過程中機組出口斷路器無法跳開的情況下，再對出線斷路器進行自動分閘控制。其它情況分閘操作都是由保護裝置進行控制。

3.4 公用LCU。公用LCU 系統(tǒng)主要包含廠用電、柴油發(fā)電機、直流系統(tǒng)及部分輔助設(shè)備的監(jiān)控。輔助設(shè)備主要包括電站的油、氣、水三大系統(tǒng)，這三大系統(tǒng)應(yīng)能保證機組的正常運行。在開機過程中，油、氣、水必須自動開啟至正常，而且必須具有故障快速恢復(fù)功能。

3.5 其它LCU 主要包括機組在線監(jiān)測、火災(zāi)報警、視頻監(jiān)控等設(shè)備。這些設(shè)備可以根據(jù)安全等級按需要接入電站監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對電站更安全可靠的控制。

4 系統(tǒng)特點及實際應(yīng)用

無人值班水電站監(jiān)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)先進、網(wǎng)絡(luò)可靠、故障風(fēng)險分散、供電可靠、良好的人機結(jié)口等特點。系統(tǒng)需要根據(jù)實際需求設(shè)計出先進、嚴謹、高度自動化的控制方案;所有設(shè)備滿足精度高、穩(wěn)定性好的要求;參與控制的自動化元器件冗余配置;在投運過程中除了常規(guī)試驗外，必須進行異常情況或者邊界情況的模擬來保證系統(tǒng)的安全可靠。

無人值班水電站監(jiān)控系統(tǒng)主要運用在梯級電站或者偏遠地區(qū)。此系統(tǒng)可以很好地解決運行和維護人員數(shù)量不足的問題，同時可以節(jié)約人力運營成本。這種高可靠性的設(shè)備要求可以延長維護周期，增加電站運行壽命，節(jié)約維護成本。系統(tǒng)在大唐重慶分公司所屬龍河梯級電站、郁江(馬巖洞)梯級電站等均已投運，效果顯著。

5 結(jié)束語

在國外監(jiān)控系統(tǒng)高度自動化的背景下，我國也應(yīng)積極汲取最新水電站控制技術(shù)和經(jīng)驗，不斷提高智能水電站水平，為電站安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行提供強有力的技術(shù)設(shè)備支撐。

〔1〕現(xiàn)代水電廠計算機監(jiān)控技術(shù)與試驗〔M〕． 中國電力出版社，2004．

〔2〕水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范〔S〕． 中國電力出版社，2004．