水電機組自主可控監控系統LCU 設計與測試

艾遠高，黃家志，謝秋華

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

監控系統是水電廠的“大腦中樞”，屬于核心控制系統，是保障電網安全運行的重要基礎[1，2]。其中，現地控制單元（LCU）是監控系統直接參與電廠的生產過程控制接口[3]，是系統中最具面向對象分布特征的控制設備。對巨型水電機組計算機監控系統LCU 進行自主可控設計，掌握核心技術，并擁有完全自主知識產權，是保障國家能源安全的重要支撐。

同時，為保障國內水電站內各類使用監控系統LCU 產品的設備的長期安全、穩定運行，保障充足的備件儲備，以及設備改造順利實施，解決水電機組監控系統LCU 上存在的備件自主問題，需對水電機組自主可控監控系統LCU 進行設計及對應的測試方法研究。

1 自主可控監控系統LCU 設計原則

1.1 可靠性

作為巨型水電機組自主可控監控系統，在穩定可靠性方面，要求其具備較高的抗電磁干擾、抗雷電沖擊的能力；同時系統控制功能可靠性、獨立性要求高。

系統實現方面，需設計監控信號可靠性的判斷。可利用信號的品質、模板的品質與工作狀態、采集回路的電源屬性等對信號可靠性進行判斷。如對于流程中使用的開關量信號，通過判斷其品質位、模板狀態以確定其是否可信；對于流程中使用的模擬量，特別是用于觸發停機邏輯的模擬量，在信號處理時，同時考慮該模擬量是否存在通道故障或模件故障。

1.2 安全性

水電機組自主可控監控系統除了網絡安全等方面要求外，還需考慮以下層面安全性：

（1）產品自主安全性。系統核心軟硬件產品(如PLC、操作系統等)自主安全可控，在安全前提下，其技術指標達到行業先進水平。

（2）系統實現安全性。一方面是合理設置用戶權限，另一方面是設備操作權限的開放與禁止。設置用戶權限主要是對不同級別的用戶權限進行限定，根據電站監控系統使用人員分工的不同而分別設置[4]。

（3）系統安全閉鎖。考慮機組停機觸發條件的安全性，增加異常情形下的停機條件判斷閉鎖條件。如機組水導油位停機由單一信號源改為配置雙套油位計，且同時判斷模擬量與開關量；對于快速門下滑至事故位觸發一類機械事故停機，為避免單一開關量信號誤動停機，停機條件中增加進水口閘門開度小于90%的條件閉鎖。

1.3 全面性

監控系統設計為分層型控制系統，在現地控制級大量采用現場總線通信技術，極大地減少了電纜施工；同時為保證監控系統功能的獨立性，一些重要信號除以通信方式傳輸外，還以硬接線的方式接人監控系統。

如對于機組勵磁、繼電保護、調速器等系統，由于其與監控系統信息交換量不大，同時對監控系統功能實現至關重要，主要用于機組的控制與調節，因此重要信號采用硬接線方式，部分信號輔以通信方式傳輸。如計算機監控系統對勵磁系統的增、減磁命令通過硬接線開關量輸出(DO)方式下達，對調速器有功功率設定命令采取硬接線模擬量輸出(AO)為主，數據通信作為備用方式。

1.4 可維護性

巨型水電機組監控系統LCU 系統一般具有數以萬計的信號，涉及機組控制各個方面，對系統信號穩定性、響應性等要求高，因而監控系統需具有良好的靈活性、開放性、可擴充性和可維護性。針對自主可控監控系統維護便利性，系統需具有足夠的安全冗余度，所有環節一般均按雙重冗余配置：

（1）控制設備的冗余配置[5]。計算機監控系統設計考慮了網絡設備，包括控制網絡與信息網絡的雙冗余配置，以及重要服務器、工作站、PLC CPU 模件、網絡通信模件源、總線等設備的冗余配置，通過控制設備的冗余配置有效提高系統可靠性。

（2）輸入、輸出信號的適當冗余配置。對于重要的設備，系統適當配置冗余的輸入、輸出信號，從而在單個信號故障的情況下，不影響重要設備控制功能的實現。

（3）重要開關量輸出信號冗余配置。電站對監控系統重要的開關量輸出[6]，如斷路器合分、投調速器、投勵磁、投高壓油等均配置了雙路開出。

（4）重要模擬量輸入信號冗余配置。如機組轉速考慮了PT 測速與齒盤測速兩種測速原理，作用于停機的水導油位，在改進時設置雙油位計測量；測量壓油罐壓力的同時測量油罐壓力與管道壓力，機組水頭信號在廠房的兩側均安裝水位測量信號等。通過對重要輸入、輸出信號的冗余配置，提升控制功能的整體可靠性。

2 自主可控監控系統LCU 設計

2.1 網絡結構與通信

系統可采用成熟的分層分布系統結構，并設計冗余的網絡配置，即控制網絡與信息網絡的雙冗余配置，以及重要服務器、工作站、PLC CPU 模件、網絡通信模件源、總線等設備的冗余配置，通過控制設備的冗余配置有效提高系統可靠性。

采用成熟的通信規約進行通信，為便于系統維護，采用開放系統互聯協議或適用于工業控制的標準協議；通信軟件配置應能由用戶修改，以便于將來與其他計算機系統進行數據交換；同時，主控級與現地控制單元的通信協議是公開的，并有詳細的說明，以保證將來現地控制單元中的主要設備改型或升級不受影響。

2.2 數據采集及處理

數據采集及處理功能主要包括：

（1）采集各現地單元的各類實時數據；自動采集智能裝置的有關信息；自動接收調度部門的命令信息；自動接收電廠監控系統以外的數據信息，并對自動采集的數據進行可用性檢查；對采集的數據進行工程單位轉換。

（2）具有數字量輸入點的抖動限值報警及處理；具有模擬量輸入點的梯度限值報警及處理；具有數字量輸出動作次數統計及報警（設備維護）；具有輸入/輸出通道的自診斷功能。

（3）對采集的數據進行報警檢查，形成各類報警記錄和發出報警音響；對采集的數據進行數據庫刷新。

（4）生成各類運行報表；形成歷史數據記錄；生成曲線圖記錄；具有事件順序記錄的處理能力；事故追憶數據處理能力（包括記錄事故時刻的相關量）。

為便于自主可控監控系統日常維護，需對采集數據相關的源碼值、通道質量及數據狀態上送上位機(圖2)，可在上位機數據庫中設定模擬量的量程、限值及死區。

圖2 模擬量數據處理流程

2.3 控制與操作

運行操作設置主要包括：對功能和預定的決策參數進行控制調節，滿足電力調度發電控制要求。對運行設備控制方式的設置：調度控制級/廠站控制級方式設置；廠站控制級/現地單元控制級方式設置；梯調調節/廠站調節方式設置；機組單控/聯合控制運行方式設置；運行設備自動/手動控制方式設置；運行人員能夠通過廠站控制級人機接口，完成對單臺設備的控制與調節。

機組控制分為開停機流程控制、對象設備控制、有功/無功調節、條件計算、強置、溫度量的閉鎖和解鎖等。

功率調節包含有功功率調節和無功功率調節。有功功率調節模式可分為功率模擬量給定方式、功率脈沖量調節模式和開度模式，無功功率調節模式可分為電壓模式、電流模式和無功模式。

如機組無功調節，LCU 計算無功設定值（Qset）和無功實發值（Q）的差值（Δq）

其中，Qdb為無功偏差設定死區值，計算出脈沖寬度、間隔時間和方向，下發至勵磁調節器。在電壓模式下，增減勵磁的電壓給定值；在電流模式下，增減勵磁的電流給定值；在無功模式下，增減勵磁的無功給定值（圖3）。

圖3 無功功率調節流程示意圖

2.4 交互接口

為提高系統安全性和可維護性，自主可控監控系統LCU 還需具備如下性能：

（1）結構設計。采用分布式數據庫及軟件模塊化、結構化設計，使系統能適應功能的增加和規模的擴充，并能進行系統自診斷。

（2）配置觸摸屏，通過串口或現場總線與PLC 控制器通信，顯示系統LCU 重要設備狀態。

（3）自診斷實現。系統通信接口、功能模件及外圍設備等診斷出故障時，自動發出信號；對于冗余設備，應自動切換到備用設備。同時LCU 系統內監視指示燈、繼電器等輔助手段多樣，幫助人員準確快速定位故障點。

（4）分析報警。能夠實現面向系統、設備運行狀態的智能分析報警，系統工作場景綜合智能分析報警，控制過程智能分析報警等功能。

3 自主可控監控系統LCU 測試方法

3.1 硬件測試

自主可控監控系統LCU 硬件測試主要包括PLC 模件測試、主要元件測試（表1），自主可控性能測試（表2）等。

表1 監控系統LCU 硬件檢測(部分)

表2 監控系統LCU 自主可控檢測項目(部分)

3.2 軟件測試

自主可控監控系統LCU 軟件測試主要包括以下內容：

（1）自有知識產權程度分析。測試編程組態軟件和監控畫面組態軟件自有知識產權程度。

（2）軟件適配性測試，包含監控系統LCU 編程組態軟件與國產中標麒麟、凝思等國產操作系統適配性。

（3）軟件編程語言友好性測試。編程與IEC 61131-3標準的一致性及用戶習慣的適應性。

（4）軟件功能分析，編程組態軟件和監控畫面組態軟件功能分析，如LCU 程序中的順控流程完整性、機組對象設備控制的完備性等功能。

（5）軟件可維護性，維護及使用人員可對自主可控系統軟件調試及升級維護。

4 結語

巨型水電機組監控系統LCU 負責機組現地設備監視和控制調節，對于保證機組安全穩定運行具有重要意義。為解決水電機組監控系統上存在的備件自主問題，本文對巨型水電機組計算機監控系統進行自主可控設計，并對對應的測試方法進行了總結研究。本研究方法已在某巨型水電站進行了現場測試，測試效果達到預期，對巨型水電機組自主可控監控系統LCU 現場應用有著重要參考價值，同時，監控系統自主可控設計對加快工控系統產業鏈國產化進程具有重要意義。