水電廠一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設

肖啟志，張娟勇，鐘 永

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410000；2.洪江水力發(fā)電廠，湖南 懷化 418200）

水電廠一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設

肖啟志1，張娟勇2，鐘 永2

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410000；2.洪江水力發(fā)電廠，湖南 懷化 418200）

隨著遠程集控和智能化發(fā)展，水電廠對監(jiān)控信息一體化需求日趨強烈，在水電廠進行一體化監(jiān)控系統(tǒng)設計

一體化監(jiān)控系統(tǒng)；時鐘管理系統(tǒng)；現(xiàn)地控制單元

0 概述

國內(nèi)水電建設經(jīng)過高速開發(fā)階段后，多數(shù)水電廠已經(jīng)運行10多年，進入改造高峰期。然而10年前水電廠建設整體自動化水平不高，普遍存在部分設備信息采集不全，各設備系統(tǒng)相對獨立、平行布置，缺乏標準統(tǒng)一的對外通信接口，無法上送信息或上送信息不全的現(xiàn)象，影響遠程集控和生產(chǎn)數(shù)據(jù)挖掘分析。隨著電子元器件和計算機技術發(fā)展，計算機監(jiān)控系統(tǒng)從服務器、網(wǎng)絡、PLC到輔助產(chǎn)品功能更全、性能更強，水電行業(yè)產(chǎn)品變得豐富可靠、通訊接口日趨穩(wěn)定，此時進行一體化監(jiān)控大平臺建設，將進一步提升水電廠自動化水平，推動水電行業(yè)發(fā)展。

1 一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設內(nèi)容

1.1 建立一體化監(jiān)控平臺

水電廠廠站層建立一體化監(jiān)控平臺，實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的無縫連接，形成可對廠內(nèi)機組、開關、線路、船閘、泄洪閘、通風空調(diào)、供排水系統(tǒng)及其他公用設備進行監(jiān)視及控制的一體化大平臺，與水情、消防、電能系統(tǒng)、調(diào)度實現(xiàn)通訊，形成綜合自動化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)之間的智能協(xié)調(diào)與安全運行水平，提供智能化決策支持功能，并在生產(chǎn)管理辦公網(wǎng)絡可通過Web瀏覽整個系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)，方便上層決策。

1.2 建立冗余雙星型網(wǎng)絡

（1）廠站層網(wǎng)絡

在廠站層設2臺高性能千兆級工業(yè)以太網(wǎng)交換機作為中心交換機，各LCU通過現(xiàn)地工業(yè)以太網(wǎng)交換機及多模光纜與中心交換機光纖接口連接構(gòu)成雙星型控制網(wǎng)。廠站層主干光纖網(wǎng)絡應覆蓋全廠各輔助系統(tǒng)，方便各系統(tǒng)接入一體化平臺。網(wǎng)絡設備選型需滿足水電廠對自動化系統(tǒng)實時性、可靠性及可維護性的要求。

廠站層設備：數(shù)據(jù)服務器、工程師站、操作員工作站、調(diào)度通信工作站、廠內(nèi)通信工作站、報表與語音報警工作站和打印機等均通過10/100 Mb/s自適應RJ45電口連接到中心交換機。

（2）現(xiàn)地層網(wǎng)絡

機組LCU、開關站LCU、公用LCU應采用完全冗余結(jié)構(gòu)設計，主要設備具備IEC61850通訊規(guī)約，各輔助系統(tǒng)應采用光纖傳輸，以LCU方式接入一體化監(jiān)控平臺。根據(jù)電廠實際情況，選擇不同檔次的PLC產(chǎn)品，輔助系統(tǒng)可選擇雙網(wǎng)接入中心交換機，或采用單網(wǎng)接入輔機匯聚交換機再通過VLAN方式雙網(wǎng)接入中心交換機。

1.3 建立全廠統(tǒng)一時鐘管理系統(tǒng)

電廠配備時鐘管理系統(tǒng)一套，采用GPS和北斗信號集中接收、分層、分布開放式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。在廠站層安裝時鐘管理系統(tǒng)主站，配置GPS同步主鐘和北斗同步主鐘各一臺。每臺裝置均配天線、熱備交直流雙電源、高精度恒溫守時時鐘。兩臺主鐘之間采用光纖互備，每臺主鐘均配有20路光纖輸出接口。現(xiàn)地LCU設置時鐘擴展裝置構(gòu)成從站，每臺擴展裝置均配兩路光纖輸入接口，熱備交直流雙電源，配備光纖對時、NTP網(wǎng)絡對時、IRIG-B碼對時、串口對時等多種對時接口模塊。

1.4 現(xiàn)地自動化設備集成、數(shù)字化

為了更好地接入水電廠一體化監(jiān)控平臺，現(xiàn)地應采用一些具有采集功能及數(shù)據(jù)處理功能的集成、數(shù)字化自動化設備。因為它們具有體積小、處理速度快、接口豐富、易于維護和智能化等優(yōu)點，這樣不再需要增加中間龐大復雜的轉(zhuǎn)換設備，不但節(jié)省了大量空間，還減少了故障點。

2 一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設應用

某電廠原計算機監(jiān)控系統(tǒng)投運至今已達10余年，系統(tǒng)設備老化嚴重，控制器負載長期超過90%，上位機服務器、工程師站等故障頻發(fā)，LCU模塊存在信號中斷、抖動、誤開出等缺陷，嚴重影響系統(tǒng)安全運行。且通風空調(diào)、供排水系統(tǒng)、船閘、泄洪閘等輔助系統(tǒng)分屬不同廠家，相對獨立，不能互聯(lián)互通、集中控制，在實施遠程集控后，遠方監(jiān)視信號不全。為了解決上述問題，提升電廠設備自動化及生產(chǎn)管理水平，電廠決定進行一體化監(jiān)控平臺建設。

2.1 廠站層設備改造

（1）在機房安裝1套網(wǎng)絡機柜、1套服務器機柜，機柜中布置2套互為冗余的數(shù)據(jù)服務器、1套工程師工作站、2套調(diào)度通信工作站、1套廠內(nèi)通信工作站、中心交換機、全廠衛(wèi)星對時設備、KVM切換系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)服務器、工程師站、調(diào)度通信工作站、廠內(nèi)通信工作站、Web工作站、KVM切換系統(tǒng)布置在服務器機柜；中心交換機、光電交換機、防火墻、全廠時鐘設備等布置在網(wǎng)絡機柜。數(shù)據(jù)服務器采用UNIX操作系統(tǒng)平臺，監(jiān)視控制畫面為簡體中文，監(jiān)控數(shù)據(jù)通過隔離裝置、縱向加密裝置、網(wǎng)絡防火墻等送廠內(nèi)MIS系統(tǒng)、集控中心、省調(diào)度通信中心，并符合《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》相關要求。

（2）中控室布置2套操作員站、1套報表與語音報警工作站。

（3）在船閘集控室設遠方監(jiān)控站，配置1套操作員工作站。對船閘設備有監(jiān)控權(quán)限，對電廠其他設備只進行監(jiān)視，無操作權(quán)限。

（4）在綜合樓設遠方監(jiān)控室，配置1套操作員工作站和1套仿真培訓工作站。操作員工作站可通過不同登錄權(quán)限，實現(xiàn)對全廠設備分區(qū)進行監(jiān)視與操作。

（5）配備1臺Web工作站，在生產(chǎn)管理辦公網(wǎng)絡可通過Web瀏覽整個系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)。

圖1 一體化監(jiān)控平臺網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

2.2 現(xiàn)地LCU改造

全系統(tǒng)共設有8套現(xiàn)地控制單元(LCU)，包括6套機組LCU、1套公用LCU、1套開關站LCU、屏柜及相關配套設施。機組LCU、公用LCU、開關站LCU可編程控制器和通訊網(wǎng)絡采用冗余配置。機組LCU中水機保護采用單獨PLC控制，獨立電源，能夠獨立工作執(zhí)行機組停機流程，要求該PLC與機組LCU及上位機通訊。

現(xiàn)地LCU完成對監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預處理，負責向網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)信息，并自動服從上位機的命令和管理，設計采用RTD模塊替代現(xiàn)有測溫屏測溫表實現(xiàn)溫度采樣功能，交流采樣模塊替代現(xiàn)有變送器進行電氣量采集。同時各LCU也具有控制、調(diào)節(jié)操作和監(jiān)視功能，現(xiàn)地配備工控機或與PLC配套的觸摸屏，當與上位機系統(tǒng)脫機時，仍具有必要的監(jiān)視和控制功能。

圖2 機組LCU網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

2.3 輔助系統(tǒng)接入

（1）船閘控制系統(tǒng)通過PLC換型改造，支持以太網(wǎng)通訊。采用光纖傳輸，以LCU方式接入一體化監(jiān)控平臺。為保證船閘系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的可靠性，在船閘集控室設1臺遠方操作員站，對船閘設備有監(jiān)控權(quán)限，對電廠其他設備只進行監(jiān)視，無操作權(quán)限。

在船閘集控室布置1臺分匯聚交換機將各閘首設備接入，船閘集控室匯聚交換機再通過光纖與輔機匯聚交換機相連。船閘操作員站布置3塊網(wǎng)卡，其中一塊網(wǎng)卡與船閘集控室匯聚交換機相連，另外兩塊網(wǎng)卡與監(jiān)控機房中心交換機相連。該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：當船閘操作員站出現(xiàn)問題或與監(jiān)控機房中心交換機失去聯(lián)系時，上位機仍可對船閘控制系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。本次改造時因泄洪閘系統(tǒng)運行狀況較好，暫以通訊接入，待以后升級時可以按照船閘控制系統(tǒng)的模式以LCU架構(gòu)接入。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 船閘控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

（2）通風空調(diào)控制系統(tǒng)、廠內(nèi)供排水控制系統(tǒng)、泄洪閘監(jiān)控系統(tǒng)參照船閘控制系統(tǒng)改造，以LCU方式接入一體化監(jiān)控平臺。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 通風空調(diào)、廠內(nèi)供排水、泄洪閘控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

為節(jié)省建設成本，輔機控制PLC采用檔次稍低的產(chǎn)品，不支持雙網(wǎng)冗余，為提高廠站層的可靠性，所有輔機分系統(tǒng)均接入三層輔機匯聚交換機，通過對該交換機進行VLan的劃分，實現(xiàn)輔機系統(tǒng)單網(wǎng)接入監(jiān)控平臺雙網(wǎng)的功能。

（3）水情測報系統(tǒng)、電能量采集系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等采用串口或網(wǎng)絡方式與一體化監(jiān)控平臺廠內(nèi)通信工作站通訊。

（4）勵磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)、直流系統(tǒng)等采用串口或網(wǎng)絡方式與現(xiàn)地LCU通訊。

3 一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設成果

（1）突破傳統(tǒng)思維，首次實現(xiàn)船閘、通風空調(diào)、供排水、泄洪閘等控制系統(tǒng)接入一體化監(jiān)控平臺，解決了原來多個獨立系統(tǒng)平行存在的問題，實現(xiàn)全廠一體化監(jiān)控，并可分區(qū)域授權(quán)控制。

（2）優(yōu)化機組溫度量和電氣量的采集方式，將原來經(jīng)過測溫表計后再進監(jiān)控系統(tǒng)的溫度量，更改為直接接入監(jiān)控系統(tǒng)RTD模塊，每臺機組減少65塊測溫表計投入，采用配套的交流采樣模塊替代單個變送器和交流采樣裝置進行電氣量采集，減少中間故障及延時環(huán)節(jié)，節(jié)約投資成本，節(jié)省占用空間，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

（3）控制器、網(wǎng)絡冗余設計，并在不同檔次PLC兼容的情況下，實現(xiàn)了廠站層的雙網(wǎng)設計，增強了網(wǎng)絡擴展性，提高系統(tǒng)實時性、可靠性及可維護性。

（4）建立了全廠統(tǒng)一的雙時鐘源時鐘管理系統(tǒng)，滿足全廠其他系統(tǒng)統(tǒng)一時鐘授時需求。

（5）平臺數(shù)據(jù)通過隔離裝置在安全Ⅲ區(qū)生產(chǎn)管理網(wǎng)絡形成Web瀏覽功能，實時更新平臺數(shù)據(jù)，方便生產(chǎn)管理人員及時掌握全廠設備運行狀況和形成決策。

（6）實現(xiàn)了全廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一，初步規(guī)范了數(shù)據(jù)接入要求，對數(shù)據(jù)接入過程進行規(guī)范管理，為開展設備狀況專業(yè)智能分析的數(shù)據(jù)體系設計奠定了基礎。

4 結(jié)束語

一體化監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)，是水電廠智能化建設的重要環(huán)節(jié)，一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設在該廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造中成功實現(xiàn)后，得到許多電廠的肯定和參考，體現(xiàn)了計算機與電子技術發(fā)展的成果和工業(yè)控制發(fā)展趨勢。

TV736

A

1672-5387（2017）01-0019-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.005

2016-08-18

肖啟志（1977-），男，高級工程師，從事水電廠生產(chǎn)管理工作。

與應用，解決了水電廠各系統(tǒng)分散獨立問題，提高了水電廠自動化與生產(chǎn)管理水平。