碗窯電站微機綜合自動化改造探析

姜春文 徐可媛

(江山市碗窯電站，浙江 衢州 324100)

碗窯電站微機綜合自動化改造探析

姜春文 徐可媛

(江山市碗窯電站，浙江 衢州 324100)

簡要羅列了碗窯水電站常規(guī)的自動控制系統(tǒng)存在的問題，并從實用、經(jīng)濟、可靠的角度制定改造方案。對監(jiān)控系統(tǒng)的結構，上位機功能，現(xiàn)地單元LCU的先進性、穩(wěn)定性、便于維護等特點作了介紹，分析了監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊方式及優(yōu)缺點，最后對改造的效果及運行中遇到的問題進行了探討。該監(jiān)控系統(tǒng)改造方案在同行中具有借鑒意義。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)；上位機；現(xiàn)地控制單元；數(shù)據(jù)采集存儲

0 引言

碗窯水電站于1997年5月建成投產(chǎn)，總裝機容量為2×6 300 kW，采用混流立軸式水輪發(fā)電機組，電站的主接線采用擴大單元接線方式。碗窯水電站自投產(chǎn)以來一直采用常規(guī)的自動控制系統(tǒng)，自動化水平低，運行維護復雜，備品備件難以采購，運行人員工作量大，造成電站運行存在嚴重的安全隱患。為保證電站的安全運行，提高電站的經(jīng)濟效益，江山市碗窯水庫管理局于2011年決定對碗窯水電站實施微機綜合自動化改造，實現(xiàn)水電站少人值班(無人值守)的運行方式。

1 存在問題

常規(guī)自動控制系統(tǒng)的邏輯順序控制和調節(jié)規(guī)律主要由電磁式繼電器等純硬件實現(xiàn)，經(jīng)過十幾年的運行，設備老化，故障率增加。常規(guī)自動控制系統(tǒng)和計算機監(jiān)控系統(tǒng)相比，在可靠性、穩(wěn)定性以及水電站優(yōu)化運行等方面性能均較低下。常規(guī)自動控制系統(tǒng)存在的問題主要有：

(1) 設備故障率增加，運行不穩(wěn)定；

(2) 常規(guī)的老式繼電器逐漸淘汰，備品備件難以采購；

(3) 繼電保護每年的校驗、維護工作量大；

(4) 設備大，保護屏柜占用空間大，接線多；

(5) 調節(jié)性能差，難以實現(xiàn)對水電站設備的自動調節(jié)及巡回檢測；

(6) 電站與電力系統(tǒng)通信困難。

2 技改方案

根據(jù)國標《小型水電站技術改造規(guī)程》(SL193—97)和《水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術條件》(DL/T578—95)的規(guī)定，以及計算機在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的作用及其與常規(guī)設備的關系，水電站采用的計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要有3類：

(1) 以計算機為基礎的監(jiān)控系統(tǒng)(CBSC)。此系統(tǒng)的主要監(jiān)控功能均由計算機完成，常規(guī)的控制裝置可以取消。但為了提高整個控制系統(tǒng)的可靠性，也可以保留一小部分現(xiàn)地操作控制設備作為特殊情況下的備用。

(2) 計算機輔助監(jiān)控系統(tǒng)(CASC)。采用這種模式時，水電站的控制操作仍主要由常規(guī)的自動裝置來完成，計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)運行監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、事件記錄、打印制表和經(jīng)濟運行計算等功能。采用這種模式，運行中計算機監(jiān)控部分即使發(fā)生故障，水電站仍能維持正常運行，只是部分功能暫時不能實現(xiàn)。這種模式對計算機監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求可以低些，因而投資也較低，比較容易實現(xiàn)。

(3) 計算機與常規(guī)裝置雙重監(jiān)控系統(tǒng)(CCSC)。采用CCSC系統(tǒng)，水電站具有2套各自獨立的監(jiān)控系統(tǒng)，相互備用。由于設置2套各自獨立的監(jiān)控系統(tǒng)，因此其可靠性高，但價格偏貴。而且隨著計算機監(jiān)控技術的日趨成熟完善，使用2套各自獨立的監(jiān)控系統(tǒng)顯得多余和浪費。

比較以上3種方案，綜合考慮其各自的設備特點、投資成本、技改要達到的預期目的等，本次碗窯電站微機綜合自動化改造工程采用了以計算機為基礎的監(jiān)控系統(tǒng)(CBSC)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)結構和特點

3.1 系統(tǒng)結構

本站的監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布、開放式的可配置結構，以保證系統(tǒng)的互操縱性、可擴展性和可移植性。此系統(tǒng)以控制對象分散為主要特征，就水電站而言，控制對象主要是水輪發(fā)電機組、升壓開關站、公用設備等。按控制對象為單元設置多套相應的裝置，構成水電站的現(xiàn)地控制單元，完成控制對象的數(shù)據(jù)采集、機組等主要設備的控制/調節(jié)以及裝置的數(shù)據(jù)通信等功能。碗窯電站2個機組現(xiàn)地控制單元分別用于對2臺機組及其附屬設備(調速器、勵磁、蝶閥、開關、技術供水等)實施監(jiān)控，1個公用(含開關站)現(xiàn)地控制單元用于對全廠的公用系統(tǒng)如油/氣/水系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)、升壓開關站等進行監(jiān)測和控制。系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1 碗窯電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)簡圖

3.2 系統(tǒng)特點

(1) 可使水電站受控設備的大量信息實現(xiàn)就地采集處理并完成控制任務，提高了信息處理的效率和實時性，避免了因向中控室傳送大量信息而使電纜過多導致的一些不良后果。

(2) 受控設備可以獨立完成其功能。當某一臺受控設備的控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，不影響全廠其他設備的正常工作；而當主控計算機出現(xiàn)故障時，雖說全廠的功能會受到影響，但子系統(tǒng)依然能夠照常工作。

4 上位機硬件構成和功能[1]

(1) 本系統(tǒng)配有2臺互為冗余的操作員工作站、1臺通信工作站，2套機組LCU、1套公用LCU、數(shù)據(jù)服務器、不間斷電源(UPS)、打印機等，上位機與PLC之間通過以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中的多功能表、調速器、溫度巡檢儀通過RS485口，以Modbus RTU協(xié)議與PLC通信。通訊工作站與GPS時鐘進行對時，操作員工作站與通訊工作站進行對時，保證整個監(jiān)控系統(tǒng)時標的統(tǒng)一性。操作員工作站配有音箱進行語音報警，且配1臺打印機進行日常報表打印。通常情況下，在操作員主工作站上進行操作，當操作員主工作站故障時，操作員備工作站自動升為操作員主工作站，兩站采用冗余主備[2]工作方式，任何一臺發(fā)生故障時不會影響系統(tǒng)的正常工作?，F(xiàn)地控制單元與主控站工控機脫離聯(lián)系時，能通過一體化工控機或操作元件進行獨立操作。

(2) 上位機的功能由上位機監(jiān)控軟件來實現(xiàn)，主要有控制、調節(jié)、數(shù)據(jù)采集存儲管理、數(shù)據(jù)圖形顯示、事故故障處理、參數(shù)設置、事件記錄、計算統(tǒng)計、數(shù)據(jù)通信、打印、自診斷等功能。

1) 控制。水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件可按設定的操作程序對水電站設備進行控制，如機組的開機控制、斷路器的分合閘控制操作、調速器/勵磁系統(tǒng)的控制，做到一個指令完成機組啟動、并網(wǎng)或停機[3]。

2) 調節(jié)。當水輪發(fā)電機組完成開機并網(wǎng)后，機組的有功、無功調節(jié)模式將由操作員在上位機上選定，由操作員在上位機上設置好調節(jié)參數(shù)，通過數(shù)據(jù)通訊送至機組LCU，使水電站實現(xiàn)自動按給定的有功、無功功率進行調節(jié)運行，或自動按恒定功率因數(shù)運行，或自動按上游水位運行等。根據(jù)系統(tǒng)工況自動調整機組運行參數(shù)，實現(xiàn)電站經(jīng)濟運行[3]。

3) 數(shù)據(jù)采集存儲管理。水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機能夠將現(xiàn)地LCU自動采集的水電站的各種參數(shù)，按一定的時間間隔分類儲存在計算機中，形成歷史數(shù)據(jù)庫，用于數(shù)據(jù)查詢、報表打印輸出等。水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采集的參數(shù)有模擬量參數(shù)和狀態(tài)量參數(shù)2大類。

4) 事故故障處理。水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機在電站發(fā)生事故、故障時，能及時快速進行處理，并給出事故、故障信息，在上位機顯示器上立即推出事故、故障提示信息，通知運行人員事故、故障發(fā)生位置。監(jiān)控系統(tǒng)的上位機與現(xiàn)地控制單元LCU聯(lián)合，快速準確地處理事故、故障，上位機自動將事故、故障發(fā)生的時間和有關數(shù)據(jù)記錄下來，以便分析事故、故障。

5) 數(shù)據(jù)通信。水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機的數(shù)據(jù)通信包括監(jiān)控系統(tǒng)的內部通信和監(jiān)控系統(tǒng)的外部通信。內部通信指上位機與現(xiàn)地單元的通信；外部通信指上位機與電力系統(tǒng)的通信、與水電站信息管理系統(tǒng)的通信、與水庫水情測報等其他計算機系統(tǒng)的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

6) 自診斷[2]。水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件具有自診斷功能，能通過自診斷給出計算機監(jiān)控系統(tǒng)硬件、軟件故障信息，如通信故障情況等，便于運行人員快速查找、處理故障。

5 現(xiàn)地控制單元硬件構成和特點

(1) 水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)機組LCU的硬件主要由可編程控制器、液晶顯示觸摸屏、智能交流電參數(shù)測量儀、微機自動準同期裝置、溫度巡檢裝置、通訊服務器、交/直流雙供電、繼電器、開關、按鈕、指示燈、屏柜等設備、裝置構成。

(2) 碗窯電站的現(xiàn)地控制單元可編程控制器使用施耐德BMXP342020 M340系列PLC，它是新一代軟硬件自動化平臺，集各種強勁功能和創(chuàng)新設計于一身，為復雜設備制造商和中小型項目提供各種自動化功能的最佳技術和高效、靈活、經(jīng)濟的解決方案。BMXP342020 M340系列PLC具有以下特點：

1) 先進性。CPU具有卓越的運算能力、超大內存以及獨創(chuàng)的“即插即載”存儲卡；CPU同時內置USB口和以太網(wǎng)、CANopen或Modbus；豐富的運動控制功能塊庫，為獨立軸和主/從軸的位置控制系統(tǒng)提供了“即插即動”的解決方案；使用統(tǒng)一的Unity軟件平臺，程序可不受限制地從一種機型移植到另一種；模塊化設計，結構緊湊，安裝和擴展靈活，模塊支持熱插拔；超強穩(wěn)定可靠性，遠超國際標準。

2) 穩(wěn)定可靠。100%符合國際標準和海事認證；抗振動可達3g(g=9.8 m/s2)，抗沖擊可達30g；溫度范圍0～60 ℃，海拔高度達4 000 m；防輻射15 V/m，防靜電8 kV。

3) 便于維護。內置8 MB SD卡，即插即載，無需備份電池；通過串行調制解調器(RTC、GSM/GPRS、Radio)或者ADSL鏈路，提供全方位的遠程訪問服務；內置Web服務器和標準網(wǎng)頁，用戶可自定義網(wǎng)頁；支持熱插拔功能，CPU對更換模塊自動配置，便于維護。

6 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊方式和優(yōu)缺點[4]

(1) 水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的站內通信方式主要有點對點RS232串行通信、多級聯(lián)RS485串行通信、LAN局域網(wǎng)(以太網(wǎng))通信等。本次碗窯電站微機綜合自動化改造工程采用的就是星形以太網(wǎng)結構，如圖2所示。

圖2 碗窯電站微機綜合自動化改造工程采用的星形以太網(wǎng)結構

(2) 優(yōu)點：1) 在星形以太網(wǎng)結構中，僅僅一個節(jié)點和其余所有的節(jié)點相連接，稱這個節(jié)點為主節(jié)點(中心節(jié)點)，除了主節(jié)點外，其余所有節(jié)點均不相互連接；2) 所有節(jié)點來的信息都集中到主節(jié)點，信息交換由主節(jié)點集中進行，主節(jié)點具有中斷交換信息的功能，它中斷來自各節(jié)點的信息，并把集中到主節(jié)點的信息轉發(fā)到相應的節(jié)點；3) 由于主節(jié)點與

其他各節(jié)點之間的鏈路是專用的，因此線路的傳輸效率高，便于程序信息研制和資源共享，通信也簡單。

(3) 缺點：1) 若主節(jié)點出現(xiàn)故障，將產(chǎn)生廣泛的影響；2) 這種網(wǎng)絡通信線路不能共用，利用率低，一般適合小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)。

7 改造結果及運行中遇到的問題

(1) 經(jīng)過3個月的努力，碗窯電站于2012年1月投入試運行，運行中遇到不間斷電源損壞的小問題，其他都很穩(wěn)定正常。技術改造后監(jiān)控系統(tǒng)至今已經(jīng)過2年多的穩(wěn)定運行，實時性、可靠性、安全性、兼容性、可維修性、經(jīng)濟性等各項指標都達到了規(guī)定的技術標準要求及國家的有關規(guī)程規(guī)定。實踐證實，本次技改達到了預期目的，實現(xiàn)了電站“少人值班”的目標。

(2) 運行中遇到的問題：原設計中配了1臺5 kVA不間斷電源，于2012年5月運行中出現(xiàn)損壞，原因是設計配置功率偏小。已改成2臺5 kVA不間斷電源，將原來的負載分成2路供給。

8 結語

碗窯電站微機綜合自動化改造投資少、見效快，基本實現(xiàn)了電站“少人值班”的目標，使電站重新進入安全、可靠、穩(wěn)定、高效的運行環(huán)境，同時也能為其他電站的技改提供參考、借鑒。

[1]浙江省水電管理中心.水電站運行與管理[M].浙江工商大學出版社，2011

[2]DL/T578—95 水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術條件[S]

[3]SDJ337—89 小型水輪發(fā)電站自動化設計規(guī)定(試行)[S]

[4]許建安.水電站自動化技術[M].中國水利水電出版社，2006

2014-06-16

姜春文(1972—)，男，浙江江山人，工程師，主要從事電站機電設備的運行管理、維護與安裝等工作。

徐可媛(1974—)，女，浙江江山人，工程師，主要從事電站機電設備的運行管理、維護工作。