直崗拉卡水電站計算機監控系統改造設計與實施

黃莉

（青海大唐國際直崗拉卡水電開發有限公司，青海 尖扎 811999）

直崗拉卡水電站計算機監控系統改造設計與實施

黃莉

（青海大唐國際直崗拉卡水電開發有限公司，青海 尖扎 811999）

摘要：直崗拉卡水電站計算機監控系統改造采用南京南瑞集團公司水利水電技術分公司自主研制的，技術較為成熟的，基于Linux操作系統跨平臺的全分布開放式NC2000計算機監控系統，系統由電站主控層及現地控制層組成，采用雙星形網絡冗余結構，實現電站“無人值班（少人值守）”的自動控制方式。本文介紹了系統改造的必要性、系統的網絡結構、實現的主要功能以及改造實施方案。

關鍵詞：NC2000；直崗拉卡水電站；計算機監控；冗余網絡；實施方案

1前言

直崗拉卡水電站位于黃河干流上游的青海省尖扎縣與化隆縣交界處，距上游李家峽水電站壩址7.5km，距青海省西寧市公路里程109km。電站安裝5臺單機容量為38MW的燈泡貫流式水輪發電機組，總裝機容量190MW。電站以發電為主，主要建筑物由廠房、泄水閘、開關站及左岸土石壩組成。電站分兩期工程建設，第一期建設4臺機組，于2002 年8月正式開工，2005年5月～2006年6月1～4號機組已相繼發電。第二期于2013年9月開始5號機組擴容建設，2014年5月30日投產發電。

電站發電機出口電壓為10.5kV，發電機主變壓器組合方式為2個兩機一變擴大單元接線和1個一機一變單元接線方式，發電機出口設有發電機斷路器。電站以六回110kV線路接入電力系統，110kV側采用雙母線接線。中控室控制全廠5臺機組及其所有附屬設備。

2改造前監控系統狀況及改造的必要性

該站改造前監控系統廠站級控制層（以下簡稱上位機）采用的是ALSTOM研發的P320監控軟件，LCU采用GE9030系列PLC；上位機與LCU間通過工業交換機連接構成環型以太網結構；LCU包括1F～4F機組、開關站及公用6個LCU；各LCU均采用1套CPU工作模式，每個LCU具有簡單的機組狀態轉換現地操作功能。

該系統自投運以來，運行一直較為穩定。但隨著設備運行時間的延長，出現了部分缺陷和隱患，對生產造成了一定的影響。

（1）人機操作不友好，操作界面多采用的圖標，無法漢化，無法在線修改程序，維護困難；

（2）上位機計算機設備老化嚴重；

（3）備品備件采購周期長；

（4）PLC沒有冗余配置；

（5）隨著電站自動化水平的提高，對監控系統在調度通信、調度自動化、安全生產與經濟運行等方面提出了新的要求；

（6）歷年來電調、勵磁等相關自動設備的新增和改造，使得監控信號大量增加，I/O點數量已不敷使用，系統硬件瓶頸已凸顯，實際上已不能完全滿足目前電力生產的需要；

（7）因5號機組的擴建，LCU與現有的監控系統無法完成數據通信；

（8）容量為5kVA的UPS不能滿足現場設備需要。

為徹底解決監控系統存在的問題、提高設備可靠性和自動化水平，滿足電站安全生產和經濟運行的需要，直崗拉卡水電站計算機監控系統改造勢在必行。

3直崗拉卡水電站計算機監控系統的設計

直崗拉卡水電站計算機監控系統改造采用南京南瑞集團公司水利水電技術分公司（以下簡稱南瑞）自主研制的，技術較為成熟的，基于Linux操作系統跨平臺的全分布開放式NC2000計算機監控系統，由上位機及LCU監視和控制全廠5臺發電機組、開關站、廠用電系統、公用輔助設備及泄洪閘系統。

3.1設計原則

按“無人值班（少人值班）”原則進行設計和配置，系統結構采用全開放、分布式模塊化冗余結構，整個系統以“分層管理、集中控制”為原則組成廠站級和現地控制單元級兩部分，系統配置和設備選型符合計算機技術迅速發展的特點，充分利用計算機領域的先進技術。

監控系統的軟、硬件均采用模塊化結構，使之有良好的擴充性，便于實現系統功能、軟件及硬件設備的擴充，更好地完成運行管理智能化。同時，系統還具有高度的安全性和可靠性、實時性和實用性，符合控制系統危險分擔原則。

計算機監控系統的通信必須滿足國家經貿委最新頒布的《電網和電廠計算機監控系統及調度數據網絡安全防護規定》及電力系統有關“發電廠二次系統安全防護指南”和“電力二次系統安全防護總體方案”的最新文件和規定的要求進行軟、硬件隔離。

3.2系統結構

計算機監控系統采用全分布開放式的全廠集中監控方案，符合技術發展的趨勢，系統功能分布配置，主要設備采用冗余配置。設有負責完成全廠集中監控任務的廠站級集中控制系統及負責完成機組、開關站、公用設備監控任務的現地控制系統。電廠控制系統的設備布置在有空調的中央控制室。現地控制系統以可編程邏輯控制器（PLC）為基礎構成。計算機監控系統結構如圖1。

圖1直崗拉卡水電站計算機監控系統結構圖

上位機與現地控制系統之間的通信聯系采用冗余星形交換式100Mb/s光纖以太網的方式。設置2臺工業型千兆以太網主交換機，分別通過屏蔽雙絞線介質連接與上位機工作站連接，以及通過多膜光纜連接至現地控制LCU中的2套現地控制交換機。

上位機系統采用南瑞的NC2000監控系統軟件，包括2臺主機、2臺操作員站、1臺語音機、1臺工程師站、1臺廠內通信機、2臺調度通信機、1套報表打印服務器、2臺打印機、1套GPS時鐘同步系統及UPS電源等設備，負責全廠的信號采集和控制、自動發電控制和自動電壓控制、與上級調度中心調度自動化計算機系統通訊等。主機、工程師站、廠內及調度通信機布置在計算機室，其余設備均布置在中控室。

現地控制單元（LCU）包括5臺機組LCU、開關站LCU、公用LCU共7套，現地控制單元PLC均采用南瑞的MB80系列PLC。

3.3系統功能

（1）數據采集和處理

系統對電站主、輔設備的運行狀態和運行參數自動采集各現地控制單元的各類實時數據；自動采集來自電網調度中心、集控中心的數據；自動采集外接系統的數據信息；接收由運行人員向計算機監控系統手動登錄的數據信息；并對采集的數據進行有效性、合理性判斷、輸入線路誤差補償、越復限報警及記錄，設備故障、事故及狀態異位報警及記錄等。

（2）控制與調節

通過監控系統人機接口設備，運行人員對電站設備進行控制、調節、工況轉換及參數設置等操作。操作包括機組開機/停機順序控制、有功/無功功率調節、斷路器以及刀閘的分/合閘操作、閘門的提/降操作、泵以及閥門的啟/停及開/關控制等。系統提供了完善的防誤操作功能，可以確保由計算機系統發出的命令安全可靠。

（3）設備運行管理及指導

歷史數據庫存儲；統計機組工況轉換次數及運行、停機、線路運行、停運時間累計；被控設備動作次數累計及事故動作次數累計；發電量累計及峰谷負荷時的發電量分時累計；事故處理指導；異常操作閉鎖；操作指導等。

（4）自動發電控制（AGC）

第二階段：當陰極側含水量上升至飽和狀態時，繼續產生的水就會在陰極側結冰堆積。同時，化學反應放出的熱提高電池溫度。如果電池溫度在陰極側催化劑層全部被冰覆蓋之前仍低于0℃，燃料電池就會停止運行，此時冷啟動失敗。反之，冰會在融化過程中吸收熱量，保證電池溫度在0℃左右[14]。

自動發電控制（AGC）分廠內AGC和遠方調度AGC兩種。廠內AGC按電站運行值班員設置的參數或監測的參數運行。遠方調度AGC則由調度系統自動設置的參數運行。AGC自動跟蹤系統頻率、全廠總功率給定值或全廠負荷曲線等，由AGC進行站內機組間有功優化分配，計算出全廠功率調整值或應發總功率，自動發出開停機命令及有功調節命令。

（5）自動電壓控制（AVC）

按照遠方調度系統的要求，維護母線電壓實時定值。AVC周期監視母線電壓，一旦母線電壓超出允許范圍，即根據設置的母線電壓無功調差系數計算需增減的全廠無功值，在發電運行的機組間進行優化分配。開環運行時只提出指導性的數據顯示于人機界面上，供運行值班員參考，閉環運行時，調節信號直接作用于機組勵磁調節器。

（6）人機接口

系統采用基于Linux全圖形人機界面，漢字界面，操作簡便靈活，具有多窗口無級縮放，人機界面非常友好。操作過程中有可靠性校核與閉鎖功能，人機聯系窗口有系統管理窗口、監控窗口、時鐘窗口、報警窗口等。

（7）系統時鐘管理

系統設有統一的衛星時鐘系統，通過數據通訊和脈沖的方式定時校對系統內各計算機的實時時鐘，包括廠站級計算機、現地各LCU系統時鐘，保證監控系統內部時鐘的同步一致。時鐘系統同時提供保護裝置、故障錄波裝置、失步解列裝置等時鐘同步信號，保證全廠各系統設備的時鐘同步。

監控系統提供完備的硬件及軟件自診斷功能，包括在線周期性診斷、請求診斷和離線診斷。診斷內容包括：計算機內存自檢；硬件及其接口自檢（包括外圍設備、通信接口、各種功能模件等）。當診斷出故障時，應自動發出信號；對于冗余設備，應自動切換到備用設備；自恢復功能（包括軟件及硬件的監控定時器功能）；掉電保護；雙機系統故障檢測及自動切換。當以主／熱備用方式運行的雙機中的主用機故障退出運行時，備用機應能不中斷任務且無擾動地成為主用機運行。

（9）系統的權限管理

系統配置用戶授權管理系統軟件，對不同用戶建立帳號及密碼。根據用戶工作性質對其進行授權。

（10）系統通信

與調度自動化系統的通信，采用IEC104通訊規約，將數據實時上送至青海電力調度，數據傳輸通道按主、備方式配置，接入青海電力調度數據網。

監控系統內部由以太網連接的各設備之間通訊，將各LCU采集的數據實時上送廠站級各主機，同時，操作控制命令通過點對點方式下送各相應LCU設備。

（11）現地控制單元LCU功能

每套LCU單元均是一套完整的監控系統。與系統廠站級聯網時，作為監控系統的一部分，實現系統指定的功能。而當與系統廠站級脫離時，則能獨立運行，實現LCU的現地監控功能，確保被控設備的安全穩定運行。

4系統主要特點

（1）整個系統采用開放的、分層、分布的系統結構，主要設備的冗余設計，主機、操作員站、網絡設備、CPU等采用雙機熱備工作方式，系統可靠性高。

（2）本電站采用全計算機監控方式，中控室不設常規集中控制設備，以計算機監控系統作為唯一的監控設備和手段；各現地控制單元層除保留簡單獨立繼電器接線外不設常規監控回路。

（3）采用分布式設計，能保證當現地控制單元與主站級系統脫離后仍然能在當地實現對有關設備的監視和控制功能，當與主站級恢復聯系后又能自動地服從主站級系統的控制和管理。

（4）在機組LCU中配置用于水力機械事故的簡化的獨立繼電器接線，當電站發生重要水力機械事故（包括過速、軸承瓦溫過高、事故低油壓、按下緊急停機按鈕等）而電站計算機監控系統因故退出運行時，由獨立繼電器接線實現事故停機。

（5）本計算機監控系統采用全分布式結構體系，即系統功能分布和數據庫分布。全廠數據庫和歷史數據庫分布在電站層各節點計算機中，各現地單元數據庫分布在各個LCU中，系統各項功能分布在系統的各個節點上，每個節點計算機嚴格執行所指定的任務并通過系統網絡與其他節點計算機進行通訊。

（6）現場智能總線技術的應用，LCU與智能儀表和輔機設備控制單元采用了工業現場總線，節約了大量的信號電纜。

（7）LCU采用兩回路電源供電，由一路直流和一路交流互相切換接入LCU電源，保證LCU設備供電的可靠。

（8）采用并聯冗余方式的UPS電源，2臺15kVA 的UPS平均分配負荷，切換無擾動，電壓輸出波型連續。每套UPS采用1路交流220V和1路直流220V電源輸入，輸出交流220V穩定電源。同時，UPS將所有的狀態、故障信息送給監控系統。

5改造實施方案

改造過渡期間，新、舊監控系統上位機并列獨立運行，操作員站的顯示器并列放置在中控室操作臺。LCU改造前，其所監控設備在舊監控系統操作員站進行監視和操作控制；改造完成后，則在新監控系統操作員站進行監視和操作控制，隨著LCU改造，逐步完成LCU接入新監控系統。

按照施工計劃，監控系統改造分4個階段，由電站相關技術人員制定各階段設備的具體施工方案，并據此進行改造施工：第1階段，在全廠停電期間，進行開關站LCU改造、新監控系統臨時操作員站的搭建；第2階段，進行新監控系統的網絡柜、服務器柜及上位機系統的搭建、臨時操作員站與上位機的合并、UPS及5號機組LCU安裝；第3階段，根據電站檢修任務安排，逐步對各LCU進行改造，并在最后1臺LCU改造同時完成公用LCU改造；第4階段，AGC/AVC功能調試和系統全面消缺、完善。

電站對本次改造施工進行了精心組織和周密安排，成立了監控系統技術改造領導小組，從技術要求、施工組織、質量監督等方面進行分層把關。該小組在設備現場安裝調試期解決了大量實際施工問題，如用于線路斷路器同期的母線側電壓調整二次接線，以及根據原有電纜排布情況改進設計、優化端子布置以最大程度合理利用原有電纜等。

為保證電站正常生產活動和經濟效益，盡量縮短機組停運時間，本次改造施工進行了嚴格的工期控制。其中，開關站LCU改造安排在全廠停電期間進行，工期為7d；機組LCU改造隨各機組年度大小修進行，工期為7d。為保證工期和質量，施工班組實行了“分屏負責制”，即改造設備1個現場技術總負責人和1個工作負責人，根據LCU屏柜數量、工作量分設1～2個工作小組，每個小組由1名小組負責人和1名小組成員組成。改造前期拆屏、信號對線等工作量大時，各小組并行開展工作，保證工期進度；后期試驗階段，則由現場技術總負責人、工作負責人和小組負責人共同配合完成。這種施工組織方法任務清晰、責任明確，各小組之間配合性好，工作效率高，可資參考借鑒。

6結語

截至2014年9月，直崗拉卡水電站計算機監控系統改造已進行至機組LCU改造安裝階段，整個監控系統改造工作預計于2015年4月完成。改造從根本上解決了該站監控系統設備老化問題，改造后監控系統缺陷明顯減少，影響安全生產的相關隱患基本消除，為電站安全穩定運行奠定了堅實的基礎。

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中圖分類號：TV736

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）12-0023-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.12.009

收稿日期：2014-07-31

作者簡介：黃莉（1980-），女，助理工程師，從事水電站計算機監控系統設備管理工作。