基于DCS的水電廠電氣二次控制設備集成與應用

摘要：水電站電氣二次控制設備有效性與可靠性對電廠運行影響重大，亟需建立集成系統實現在線監控。考慮到DCS系統技術水平相對成熟，基于DCS構建水電廠電氣二次控制設備集成系統方案，設計現場控制級、網絡通信級、監控管理級三級系統體系。針對系統方案，立足工業控制主機、運算處理器、嵌入式系統、I/O實時接口，采取IEEE 802.11n通信協議與PI數據庫，完成具體集成系統設計。以此為基礎，結合某水電廠開展電氣二次控制設備集成系統驗證，能有效監控電氣二次設備參數，證明了系統的可行性與正確性。

關鍵詞：DCS系統；水電廠；電氣二次設備；設備集成；應用

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）20-0074-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.20.017

0 引言

智能水電已經成為進一步發展電氣系統控制和保護的重點內容，引領著水電站建設的方向。在我國能源綜合利用的背景下，建設智能化、信息化水電廠，需具備遠程監視及控制功U9KavqM0oHFbEhqG2QiZ2Q==能，據此實現無人值守下電廠自主控制。而電氣二次設備如合并單元、控制開關、電壓表、熔斷器等作為監控、保護和調節水電廠一次設備的低壓電氣設備對建設智能水電作用重大。因此，水電廠可基于DCS集成電氣二次控制設備，實現設備在線監控，從而提高水電廠管理水平。

1 基于DCS的水電廠電氣二次控制設備集成系統方案

DCS系統是水電廠的“大腦”與“眼睛”，利用傳感器操作機構，實現電氣二次控制設備監測全覆蓋，可就地傳輸設備參數型號至站點，及時把控電氣二次設備狀態，為定期檢修、運維管理提供支持。系統框架如圖1所示。

DCS系統由現場控制站、操作員站、系統網絡及工程師站構成。為保證DCS系統通信更為規范，設計三級網絡系統，具體如下：

1）現場控制級。該級以現場控制站為主，其作為DCS系統中間層，能夠將現場采集電氣二次設備信息傳輸至服務器，也能對二次設備進行順序控制、反饋控制、批量控制等。該系統現場控制站采取PI數據庫，以此實現數據的采集、存儲與挖掘。

2）網絡通信級。該級以系統網絡為主，電氣二次設備獨立且分散，數據基本依賴于網絡系統，須通過現場總線、光纖網絡傳輸數字信號。

3）監控管理級，以操作員站和工程師站為主。操作員站用于人機對話，采取Linux操作軟件，配合顯示器、CPU、主板、內存、顯示器等硬件，顯示電氣二次控制設備數據[1]。工程師站則權限較高，能夠開展組態工作，利用組態軟件編寫命令語句，賦予相同模塊不同屬性，如算法規則、計算參數等。

2 基于DCS的水電廠電氣二次控制設備集成系統設計

2.1 監控管理級

2.1.1 工業控制主機

DCS電氣二次控制設備集成系統中，操作員站與工程師站采取工業級PC，能夠運行于高粉塵、劇烈振動、電磁干擾等惡劣環境下，由CPU卡、同步對時卡、存儲卡等構成。考慮水電廠現場條件復雜，設備采取抗干擾、防塵、加固設計，設置不同接口外設[2]。該PC機采用標準4U機箱、2.5 GHz CPU，硬盤160 GB，液晶CRT21″，單網卡100M，兼顧現場實驗與實驗研發需求，且具備全鋼機殼，雙正風扇，底板插槽為PLC-E總線擴展，設計14槽背板，滿足220 kV及以上電壓要求。

2.1.2 運算處理器

電氣二次設備監控中，采取XEONX5570核心處理器，為雙路服務器，主頻2 930 MHz，支持超線程與DDR3內存技術。該處理器采用45 nm工藝，高速緩存8M，功率95 W，內存48 GB，配以Linux系統，能夠輸出電氣二次設備數據，并采取軟總線并行CPU處理，滿足不同結構、電壓等級、接口形式電氣二次設備要求，實現處理器數據傳輸。

2.1.3 嵌入式系統

Linux系統作為免費開源的操作系統，能夠根據電氣二次設備控制需求，對源代碼自由修改，且操作更為安全，支持X86、PowerPC、ARM等硬件平臺，能夠在多種設備上運行系統，滿足監控要求。

2.1.4 I/O實時接口

通信接口利用PCIe卡槽連接操作站設備，負責將電氣二次設備數據同步、高速發送至被測間隔，利用FPGA處理模塊實現數據組包、協議轉換、同步處理功能[3]，而時鐘同步、電源管理、CPU管控、以太網PHY模塊則單獨布置于系統級芯片中，如圖2所示。

外部接口則有無線以太網接口、電源接口、GPS數傳接口、串行以太網接口等。FPGA是接口卡核心，采取EP4CE22與PE4CGX22結構；PHY芯片是88E1512，以此實現現場控制裝置與監控管理裝置的數據交互。

2.2 網絡通信級

2.2.1 通信要求

水電廠DCS電氣二次控制中，通信采用IEEE 802.11n協議，以OFDM與MIMO為核心技術，最高傳輸速率600 MB/s，平均300 MB/s，能夠兼容802.11b/g。考慮水電廠實際應用環境，總線、光纖傳輸需考慮多徑傳輸、障礙物、電磁干擾等影響，即相同信源不同傳輸路徑互相干擾，加上水電站電氣設備運行電磁輻射、相鄰頻段設備等，均會影響通信效果[4]。為滿足電氣二次設備控制要求，通信技術指標要求如下：采集數據周期<250 μs，通信延時<4 ms，同步精度>10 μs，數據離散度<1 ms，采樣精度>16 bit，無數據丟包情況。

2.2.2 通信機制

根據水電廠通信要求，二次開發IEEE 802.11n通信機制，解決傳輸數據延時、丟幀問題。具體如下：

1）采樣值雙通道通信。水電廠電氣二次設備采樣值數據差異較大，要求采樣數據實時、優先傳輸，滿足監控要求，以免臨頻、射頻干擾，選擇采用5.8 GHz頻率完成SV報文傳輸。

2）采樣值重復發送。為克服水電廠電氣二次設備環境惡劣數據丟幀問題，采取數據重復發送的方式，可提高10倍傳輸效率。并且下行數據以單向廣播通信，全部監控所需電壓、電流數據組包發送，由接收端拆分處理，以免不同間隔終端爭奪通信道路使用權，增加延時[5]。以實際電氣二次設備數據而言，裸采樣數據每個A/D模擬量2 B，以太網可攜帶報文46 B，根據采樣周期250 μs，需要2 MB/s帶寬，設置帶寬6M，可重復發送3次。

3）應用層插值。根據802.11n協議，接收端接收數據，向發送端回傳ACK包告知，如果發送端未能收到ACK包，認為傳輸中數據包丟失，需重新發送，數據抖動與延時較大[6]。該系統中，設置數據插值機制，對于多次發送仍然錯誤的數據直接拋棄，采取插值算法將其補齊，無須多次重復發包。

4）接收層緩存。接收端構建內存區緩存處理接收數據，緩存時長為0～100 ms，數據精度100 μs，以該機制消除數據抖動，保證數據平滑、無抖動輸出，為系統提供高質量、真實的電氣二次設備數據。

2.2.3 通信硬件

DCS系統中，通信數據鏈路硬件包括基帶級與射頻級部分；射頻級模擬前端處理，完成濾波、下變頻、放大等；基帶級完成協議轉換、模數轉換、制訂通信報文等。鏈路中數據包括電氣二次設備開關量信息，通過管理軟件對各模塊加以協調，提供數據終端控制、時鐘、電源功能，如圖3所示。

基帶物理層涉及幀同步、編碼解碼、信道估計、頻率同步等通信算法。發送信號時，由收發器直接輸出小功率射頻信號，利用功率放大器將其放大，通過收發切換器輻射至系統空間。接收信號時，感應數據信號，以切換器、低噪聲放大器處理，進而解調信號。

2.3 現場控制級

數據庫作為DCS系統電氣二次設備監控基礎，要求具備先進的壓縮技術、采集技術、系統訪問結構及廣泛接口技術。DCS系統采集、監視數據功能強大，存儲數據欠佳，原因在于每個廠商獨立研發DCS數據庫，開放性不足，缺乏后續開發能力，需在DCS系統外構建實時數據平臺。而PI系統能夠直觀顯示水電廠生產過程，實時獲取原始電氣二次設備數據，通過可配置報表，即可了解電氣二次設備采集數據[7]。PI系統由分析工具、服務器軟件、可視化工具構成，服務器處于最底層，采集、分配和存儲數據，包括自定義數據、實時數據、結構數據、關系數據等；分析工具可轉化有價值數據為操作信息；可視化工具能夠傳遞信息，支持決策。而在PI服務器應用中，面對水電廠電氣二次設備不直觀、雜亂、特征不明顯的數據，需要對其進行挖掘，具體流程如下：

1）準備數據。該環節包括選擇與集成兩步，將不同格式、來源、特性的數據在物理或邏輯上有機集中，根據需求抽取原始數據的一組為目標數據。

2）數據預處理。該環節消除數據噪聲，推導缺少數據，清理重復記錄，變換數據類型，通信應用層插值即為補值環節。

3）挖掘數據。該環節需確定數據任務，包括數據分類、數據總結、關聯規則等，根據不同數據及任務需求，確定數據算法，完成挖掘工作。

3 基于DCS的水電廠電氣二次控制設備集成系統應用

3.1 案例分析

以某水電廠為例，開展電氣二次控制設備集成系統驗證，將工控PC機、電纜等按照系統要求逐一布置，配置2套集成系統、10個核心處理器、13套工控PC機，選擇國產廠家配置設備，現場完成安裝設置。

3.2 功能應用

3.2.1 信號變送

系統可讀取電氣二次設備信號，將現場數據轉化為電信號，如電壓、振動、壓力等數據，完成信號變送；并對傳感器型號開展預處理，如調整信號幅值電平、抑制信號干擾等。47ebe4a3136facd3978ab5a0e6b8b37643fe8bd5d9fb9cb9c644f865343eecbf

3.2.2 數據采集

信號預處理后經過轉換、記錄，讀取電氣二次設備實時信號，傳輸至PI系統緩沖區，完成數據采集與存儲工作。軟件可編輯、添加、刪除電氣二次設備電流、電壓幅值、頻率及相位。該狀態處于采集列表內，勾選后即可抽取有價值數據整合。

3.2.3 權限管理

集成系統設置人員權限，部分重要參數禁止一般操作人員修改或查看，僅專業工程師方能設置系統參數，提高系統保密性；并對不同權限用戶設置密碼，以此保護賬號安全性。

3.2.4 二次回路可視化

電氣二次設備運行中，根據傳輸數據利用PI系統實現虛擬二次回路可視化，通過通信報文，確定二次回路變化，展示實時狀態，輸出電氣波形、矢量圖、頻率等參數，支撐水電廠運行維護、檢修等作業。

4 結束語

本文通過深入研究基于DCS的水電廠電氣二次控制設備集成系統，探討現場控制級、網絡通信級、監控管理級設計措施，對電氣二次設備數據傳輸、通信、存儲等提出解決方案。基于DCS與水電廠二次控制設備結合，確定了集成系統方案，能夠有效傳輸電氣二次設備數據，具備信號變送、數據采集、權限管理、二次回路可視化等功能，滿足在線監控要求，為水電廠安全穩定生產提供了支持，有利于推動水電行業可持續發展。

[參考文獻]

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[5] 劉希臣.基于NB-IoT的變電站電氣設備實時負載監測技術[J].現代電子技術，2023，46（2）：149-153.

[6] 王英永.一種用于電氣設備狀態監測的新式FBG傳感器[J].激光與紅外，2022，52（1）：51-56.

[7] 伍時穎.實現一種面向DCS控制下的工業電氣監控系統設計[J].科技與創新，2020（8）：120-121.

收稿日期：2024-06-11

作者簡介：李煥宇（1991—），男，吉林人，工程師，研究方向：水電廠電氣二次。