段新紅

(浙江天煌科技實業(yè)有限公司,浙江 杭州 310030)

我國擁有豐富的水電資源,與大型水電站相比,中型水電站憑借工期短,見效快的特點,在各地迅速發(fā)展起來。由于缺乏相關(guān)的標準和對微機綜合自動化系統(tǒng)的了解,一些升級改造的中型水電站盲目高配置[1],造成了資源和資金的浪費。在能源日益緊張的今天,因地制宜地確定功能,通過微機綜合自動化系統(tǒng)配置與后臺監(jiān)控系統(tǒng)功能相結(jié)合實現(xiàn)功能最大化,顯得尤為重要。

1 組態(tài)軟件介紹

組態(tài)軟件,又稱監(jiān)控組態(tài)軟件,是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境,使用靈活的組態(tài)方式,為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具[2]。組態(tài)軟件在我國已有將近20年的應(yīng)用歷史[3],廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域。

目前,應(yīng)用于中小水電站自動化系統(tǒng)的組態(tài)軟件分為專業(yè)型和通用型,專業(yè)型如:國電自動化研究院 NARI Access和 NARI Ecess、水科院自動化所 H 9000、四方HSC 2000等;通用型如:美國Wonderware公司的InTouch、GE公司的IFix,西門子公司W(wǎng)INCC,北京亞控組態(tài)王等[3]。專業(yè)型一般為國內(nèi)電力設(shè)備廠家或研究院、所推出,在I/O設(shè)備驅(qū)動協(xié)議支持上有一定的優(yōu)勢,同時,依托自身的行業(yè)經(jīng)驗更好地把握用戶的需求;通用型一般依靠工控領(lǐng)域廣泛應(yīng)用所獲得的經(jīng)驗和知名度,占有一定的市場份額。

2 中型水電站微機綜合自動化系統(tǒng)功能

中型水電站發(fā)電機組一般為2～4臺,裝機容量從5萬～25萬kW,發(fā)電機出口電壓為6.3 kV或10.5 kV。電站升壓站主變壓器為1～3臺,一般升壓為35 kV或110 kV。電氣主結(jié)線為單母線或單母線分段,出線1～4個回路,近區(qū)變1～2臺[4]。微機綜合自動化系統(tǒng)實時、準確、有效地對上述主要設(shè)備進行監(jiān)控和管理,同時承載電站人員的日常工作,如巡檢,記錄等,減少人為因素造成的事故;統(tǒng)計運行數(shù)據(jù),為現(xiàn)代化的水電站管理積累數(shù)據(jù);通過站內(nèi)信息交流綜合參數(shù)統(tǒng)計和分析,發(fā)現(xiàn)故障征兆,實現(xiàn)故障預(yù)警;通過信息上傳實現(xiàn)調(diào)度統(tǒng)一管理[5]。

3 水電站微機綜合自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及配置

根據(jù)水電站微機綜合自動化的功能要求,中型水電站微機綜合自動化系統(tǒng)采用開放型以太網(wǎng)分層分布式結(jié)構(gòu)[6],分站控層和間隔層,結(jié)構(gòu)見圖1。

3.1 站控層

站控層包括操作員站、工程師站、ON-CALL工作站、通迅工作站、通信管理機、衛(wèi)星時鐘同步對時裝置(GPS)、打印機和電源等。其中2臺操作員站可互相跟蹤,互為熱備用;衛(wèi)星時鐘同步對時裝置(GPS)對間隔層各現(xiàn)地控制設(shè)備采用硬對時,對站控層各操作站或工作站采用軟對時;電源采用不間斷電源(UPS)或在直流系統(tǒng)加配逆變電源再引入,后者就地取材,方便布線節(jié)省成本。

3.2 間隔層

間隔層包括各本地控制單元(LCU),如:發(fā)電機勵磁、調(diào)速、同期、泄洪設(shè)備、公用PLC裝置等、直流系統(tǒng)、溫巡、轉(zhuǎn)速信號裝置及其它智能設(shè)備,一般安裝在控制或測量對象旁。

3.3 通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)采用多層網(wǎng)絡(luò),站控層與間隔層之間采用100 M以太網(wǎng);間隔層的微機保護單元(發(fā)電機成套保護、主變壓器成套保護、線路保護和廠用變壓器保護等),計量表和其它智能設(shè)備以總線形式通過通信管理機接入以太網(wǎng);機組LCU、輔機/公用LCU和直流系統(tǒng)采用已有的控制設(shè)備+工業(yè)一體機 (觸摸屏)方式接入以太網(wǎng);由于距離較遠,為了增強抗干擾性,泄洪閘門LCU采用光纖接入以太網(wǎng)。

圖1 中型水電站微機綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 后臺監(jiān)控系統(tǒng)

4.1 后臺監(jiān)控系統(tǒng)功能

后臺監(jiān)控系統(tǒng)功能有:完成電站設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)的采集、處理和顯示;實現(xiàn)設(shè)備運行狀況的自動監(jiān)視、統(tǒng)計與記錄(包括異常事件報警和故障事件處理);提供事故發(fā)生前后的某些重要參數(shù)的追憶記錄;完成電站設(shè)備的控制或調(diào)節(jié),包括實現(xiàn)機組按順序啟、停,斷路器、隔離開關(guān)跳閘、合閘等控制,機組有功和無功負荷的自動調(diào)節(jié)等[6];提供電站運行的各種統(tǒng)計報表;完成站內(nèi)信息上傳到調(diào)度中心等功能;提供豐富的人機聯(lián)系方式,允許運行操作人員通過顯示器、鼠標、鍵盤及打印機等方式實現(xiàn)對全廠設(shè)備運行的監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)、定值修改、畫面調(diào)用和數(shù)據(jù)打印[7],以及系統(tǒng)程序的修改和二次開發(fā)等(見圖2)。

圖2 后臺監(jiān)控系統(tǒng)功能圖

4.2 后臺監(jiān)控系統(tǒng)功能實施

4.2.1 軟件平臺選擇

組態(tài)軟件技術(shù)已基本成熟,一般都能覆蓋后臺監(jiān)控系統(tǒng)功能,專業(yè)型和通用型組態(tài)軟件主要在功能實現(xiàn)方式上有所差異。專業(yè)型組態(tài)軟件具有如下特點:

(1)實時數(shù)據(jù)庫。是系統(tǒng)核心部分,面向一次對象建模,實現(xiàn)了電力系統(tǒng)對象的完整定義,包括調(diào)度、集控站、電廠、變電站、間隔、設(shè)備、測量、設(shè)備與測量的從屬關(guān)系,電力系統(tǒng)一次設(shè)備的電氣連接關(guān)系等,為所有對象提供了標準模板,可自動生成系統(tǒng)主接線圖和操作票等,自動實現(xiàn)防誤操作。

(2)I/O設(shè)備接口靈活,支持多種電力規(guī)約?？山尤腚娏蚍请娏Φ腎/O設(shè)備,如:電力裝置、電力模塊、管理機、儀表、可編程邏輯控制器(PLC)、板卡和變頻器等;數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)均支持 IEC101、IEC103、IEC104、CDT、MODBUS、OPC等規(guī)約。

(3)支持定值召喚、定值修改、召喚測量值、SOE和事故追憶、信號復(fù)歸和配置修改等功能。

(4)具有日常管理和設(shè)備維護功能。建立了日常操作記錄、交接班記錄、設(shè)備管理臺賬及運行的相關(guān)指標統(tǒng)計表等,為經(jīng)濟運行和實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)檢修積累了數(shù)據(jù)。

(5)具有定值在線管理、錄波管理、掛牌操作及事故追憶等電力專業(yè)功能。

與專業(yè)型相比,針對特點 (1),由于數(shù)據(jù)庫建模方式不同,通用型需編寫VB腳本程序,手工繪制圖形和編寫操作票實現(xiàn),維護升級工作比較繁瑣;針對特點 (2)和特點(3),通用型采用OPC通訊協(xié)議與電力設(shè)備通信來獲得數(shù)據(jù),并搭配組態(tài)工具實現(xiàn)[8]。國內(nèi)電力設(shè)備廠家支持OPC通訊協(xié)議的很少,OPC組件、驅(qū)動程序和組態(tài)工具都需單獨購買;針對特點(4)和特點(5),通用型需單獨購買組態(tài)工具實現(xiàn)。從綜合軟件的維護升級和性價比兩方面比較,專業(yè)型組態(tài)軟件更適合電站用戶。

4.2.2 功能實現(xiàn)

組態(tài)軟件廠家提供統(tǒng)一的軟件平臺,而用戶需要的則是符合自身要求的后臺監(jiān)控軟件。無論廠家定制還是電站用戶自制,電站用戶都需要準備反映本站狀況的技術(shù)資料,該技術(shù)資料涵蓋了操作員、技術(shù)員和管理人員的要求,具體包括設(shè)備的通信數(shù)據(jù)表、上傳調(diào)度中心的通信數(shù)據(jù)清單、各項操作流程及防誤閉鎖條件、LCU順控及自動倒換流程、事件記錄表、運行報表、語音報警語句和人機界面等[9]。技術(shù)資料準備完畢,協(xié)商確定技術(shù)要求后,即可進入實施階段。以北京旋思SymEnergy V2電力專用組態(tài)軟件為例,介紹功能實現(xiàn)過程。

北京旋思SymEnergy V2電力專用組態(tài)軟件運行于微軟的32位WINDOWS平臺上,具備專用型組態(tài)軟件的特點:底層為待采集的I/O設(shè)備;中間部分為實時數(shù)據(jù)庫,可通過多種方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);最上層為應(yīng)用層,對用戶開放,提供了畫面開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、報表開發(fā)、腳本編程以及常用的功能參數(shù)配置等組態(tài)工具(見圖3)。

圖3 旋思電力專用組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)圖

功能實現(xiàn)流程:首先,在工程管理器中新建工程。其次,在開發(fā)系統(tǒng)中,建立一系列用戶數(shù)據(jù)文件:為 “間隔層”的I/O設(shè)備配置相應(yīng)的智能電子設(shè)備(IED),根據(jù)設(shè)備通信數(shù)據(jù)表建立需要采集的數(shù)據(jù)點,同時映射到實時數(shù)據(jù)庫中。其中,有通信管理機的,為通信管理機配置智能電子設(shè)備(IED)即可;接入通信管理機的,無須配置I/O設(shè)備。為 “站控層”的各工作站建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點并配置相應(yīng)的功能;建立人機界面:利用人機組態(tài)工具建立人機界面,畫面建在公共窗口,所有用戶均可見。一次主接線圖可建于此,畫面建在工作站下僅該工作站可見,其它畫面類似處理。利用已有的模板建立報表、曲線、繼電保護信息管理和報警方式,如模板不符合要求,可通過VBscrip腳本自行設(shè)計。按照邏輯關(guān)系將各畫面及數(shù)據(jù)庫連成一體,然后調(diào)試運行。SymEnergy V2組態(tài)軟件支持在線組態(tài)技術(shù),即在不退出系統(tǒng)運行環(huán)境的情況下可直接進入開發(fā)系統(tǒng)并修改組態(tài),使修改后的組態(tài)直接生效。當上述工作完成后,打包存儲。最后在運行系統(tǒng)時,解壓縮,生成 “運行工程”安裝即可,系統(tǒng)每次只能運行1個 “運行工程”。

5 建 議

(1)在中型水電站升級改造實現(xiàn)微機綜合自動化過程中,現(xiàn)有的控制設(shè)備功能完全滿足要求,僅通信接口不支持以太網(wǎng),建議可通過配置通信管理機或加裝工業(yè)一體機(觸摸屏)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。既充分利用現(xiàn)有設(shè)備,又能提高性能,節(jié)省成本。

(2)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可采用單以太網(wǎng)或雙以太網(wǎng),單以太網(wǎng)系統(tǒng)擴展能力強、接口簡單、安裝調(diào)試方便;雙以太網(wǎng)能分流數(shù)據(jù)量減輕網(wǎng)絡(luò)負荷,同時,當發(fā)生單網(wǎng)絡(luò)故障時能立即實現(xiàn)自動切換,提高系統(tǒng)的可靠性,但較單以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)投資大。因此,若間隔層設(shè)備不多,工程投資有限,則建議采用單以太網(wǎng)。

(3)基于組態(tài)軟件的后臺監(jiān)控系統(tǒng)較原來的采用VB編寫的后臺監(jiān)控系統(tǒng),開發(fā)周期大為縮短,系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)調(diào)試通過后,花2周時間,即可完成后臺監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試驗收。同時,組態(tài)軟件具有二次開發(fā)功能,可對系統(tǒng)進行軟件升級。若要增強功能,則無需外添設(shè)備。

(4)對于有光纖接入的電站,本地監(jiān)控與調(diào)度中心之間的遠動通信協(xié)議建議采用基于網(wǎng)絡(luò)通信方式的104規(guī)約,與基于串口通信方式的CDT規(guī)約相比,更能充分發(fā)揮光纖高速數(shù)據(jù)通道的性能[10]。

總之,采用基于組態(tài)軟件平臺實現(xiàn)后臺監(jiān)控系統(tǒng)功能,開發(fā)周期短,加快了中型水電站微機綜合自動化系統(tǒng)建設(shè)的速度。同時,提高了電站運行的可靠性、安全性和經(jīng)濟性,為電站后續(xù)的管理和發(fā)展提供了真實、可靠和快捷的第一手數(shù)據(jù)。

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