PCS—9150系統(tǒng)在水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

蔡丹 牛洪海 蔡金華 王慧

【摘要】本文介紹了PCS-9150系統(tǒng)在四川洪口水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用情況，闡述了主要配置、可靠性設(shè)計及PCS-9150冗余控制器等系統(tǒng)特點。

【關(guān)鍵詞】冗余控制器；水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)；可靠性

引言

依據(jù)國家能源局《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃（征求意見稿）》提出，“十三五”期間，水電保持合理建設(shè)規(guī)模。全國新開工常規(guī)水電和抽水蓄能電站各6000萬千瓦，共計1.2億千瓦；2020年水電總裝機達到3.8億千瓦。隨著科技水平的不斷發(fā)展和提升，水電站“無人值班，少人值守”對水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的要求越來越高。本文基于南瑞繼保自主研發(fā)的PCS-9150冗余控制器，闡述了四川通江縣洪口水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的配置及特點。

洪口電站位于通江縣洪口鄉(xiāng)境內(nèi)月灘河上游3.0km的高家灣處，為通江縣境內(nèi)月灘河梯級開發(fā)的第一級龍頭電站，為地面廠房。電站裝機容量2×13.2MW混流式機組，最大水頭78.6m，最小水頭52.6m，額定水頭68m，設(shè)計引用流量為44m3/s，多年平均發(fā)電量為8891萬kW·h。電站主要為發(fā)電，并兼顧生態(tài)環(huán)境用水。接入系統(tǒng)方式為一回110kV線路接至萬源電網(wǎng)，主接線110kV側(cè)為線路變壓器組接線，發(fā)電機電壓側(cè)為擴大單元接線。110kV配電裝置型式選擇戶外中型敞開式布置，布置在主廠房上游側(cè)。

1、電站運行控制方式

對洪口水電站的監(jiān)視控制， 有下列三個等級的操作

（1）遠動控制層（調(diào)度）操作

調(diào)度中心的值班人員，通過調(diào)度中心的計算機系統(tǒng)，經(jīng)載波和光纖通道，與洪口水電站的計算機系統(tǒng)通信，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)，其中，電站主控級計算機的收到中調(diào)傳送的AGC及AVC命令后完成最優(yōu)發(fā)電計算， 確定電站開機臺數(shù)，機組組合和機組間負荷分配，并執(zhí)行閉環(huán)/開環(huán)操作。

（2）廠站監(jiān)控層操作

在廠站監(jiān)控層操作能實現(xiàn)對電站設(shè)備的控制監(jiān)視，有以下兩種方式。

電站自動控制，電站主控級計算機按預(yù)先給定的負荷曲線或按系統(tǒng)實時給定的負荷及其他限制條件，完成對電站各機組的最優(yōu)負荷分配和控制，此控制方式可選擇閉環(huán)或開環(huán)運行。

操作人員后臺控制，操作人員在操作員站上，通過顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等設(shè)備進行操作。對于功率控制，可實現(xiàn)單機控制和成組控制；對于機組設(shè)備的工況轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)全部過程自動執(zhí)行方式或采用分步按順序組執(zhí)行的方式，即每一步或每一順序組完成后需經(jīng)操作人員確認(rèn)，才能進行下一步或下一順序組的操作。

（3）現(xiàn)地控制層

在電站運行初期或廠站監(jiān)控層出現(xiàn)故障及根據(jù)需要，操作人員可通過單元控制器的觸摸屏、按鈕等設(shè)備，實現(xiàn)對電站設(shè)備的控制及工況的全自動轉(zhuǎn)換和分步自動轉(zhuǎn)換。

操作層級控制權(quán)限，操作層級分為3層，優(yōu)先級從高到低依次為現(xiàn)地控制層，廠站監(jiān)控層，遠動控制層。在LCU屏柜上設(shè)置遠方/就地切換把手，用于現(xiàn)地控制層與廠站監(jiān)控層的控制權(quán)限切換。在廠站控制層的監(jiān)控后臺畫面設(shè)置廠站控制/遠動控制軟切換把手。只有在遠動控制模式下，遠動控制層下發(fā)遙控/遙調(diào)指令才有效。LCU屏上的遠方/就地把手處于“就地”位置，此時廠站監(jiān)控級命令被閉鎖，但不影響控制器上送信息。

2、監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用南瑞繼保PCS-9150水電站監(jiān)控系統(tǒng)，采用分層分布式，共分2層，廠站監(jiān)控層和現(xiàn)場控制層。

1）廠站監(jiān)控層

配置2臺主機兼操作員站，雙屏顯示，2臺主機互為冗余。工作站配置采用當(dāng)前主流配置。

配置為1臺工程師站，專門用于維護下位機組態(tài)及上下機畫面、報表等功能，工程師站可兼做操作員站。

配置2臺電力專用遠動裝置PCS-9799B，冗余配置。遠動裝置為無硬盤無風(fēng)扇的專用裝置，以部頒CDT、MODBUS、IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、DNP等規(guī)約通過模擬通道、數(shù)字通道或網(wǎng)絡(luò)向調(diào)度端/集控站傳送，同時接收調(diào)度端/集控站的遙控、遙調(diào)命令向變電站內(nèi)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)。遠動信息采用“直采直送”的方式，PCS-9799B遠動裝置的運行獨立于后臺監(jiān)控系統(tǒng)，雙方互不影響。

2）現(xiàn)地控制層

現(xiàn)地控制層配置4套LCU，分別為1～2號機組LCU，公用LCU，泄洪閘門LCU。網(wǎng)絡(luò)采用雙星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

機組LCU配置南瑞繼保自主研發(fā)的1對PCS-9150冗余控制器，1臺10”觸摸屏，1臺PCS-9659D自動準(zhǔn)同期裝置及手動同期裝置，實現(xiàn)就地LCU的現(xiàn)地控制，屏面布置簡潔明了。柜內(nèi)設(shè)置遠方/就地切換把手及緊急停機按鈕。

公用LCU配置1對PCS-9150冗余控制器，1臺10”觸摸屏，1臺多點自動準(zhǔn)同期裝置及手動同期裝置，實現(xiàn)公用系統(tǒng)及開關(guān)站LCU的現(xiàn)地控制。

勵磁、調(diào)速器、交流采樣、溫度巡檢儀等智能裝置需要通訊的設(shè)備通過PLC的串口卡件直接通訊，因此無需配置廠內(nèi)通訊工作站。

3、系統(tǒng)可靠性設(shè)計

1）PCS-9150水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)提供全面冗余機制，下位機采用PCS-9150冗余控制器，增加系統(tǒng)可靠性。冗余控制器的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

PLC的控制器冗余

控制器上電后自動檢測是否有主機存在，如果有則切為備機，建立與主機的同步。當(dāng)同步建立后，如果主機失電或故障則自動將控制權(quán)移交從機，原從機升級為主機，繼續(xù)原主機切換前的工作狀態(tài)。故障控制器恢復(fù)時，不再主從切換，除非現(xiàn)主機故障。冗余控制器切換時間<6ms。

控制器之間冗余同步網(wǎng)絡(luò)冗余

同步A網(wǎng)故障時，會自動切換到B網(wǎng)。故障網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時不切換。當(dāng)A/B同步網(wǎng)絡(luò)同時失去時，控制器會出現(xiàn)雙主情況，故控制器之間配置冗余同步網(wǎng)絡(luò)，大幅減少了雙主的概率。

IO網(wǎng)絡(luò)冗余

每個控制器對每個IO站的IOLink總線冗余配置，即主控制器對每個IO站有2路A/B IOLink總線，從控制器對每個IO站也有2路A/B IOLink總線?？刂破髯詣觽蓽yIO網(wǎng)絡(luò)A網(wǎng)和B網(wǎng)的狀態(tài)，如果當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)存在故障，則自動切換到另外一條網(wǎng)絡(luò)。故障網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時不切換。每個控制器最多帶4個IO站，控制器與IO站之間通信采用點對點通訊方式。

HMI監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)冗余

每個控制器自身集成兩個上位機百兆網(wǎng)口，監(jiān)控后臺自動偵測控制器監(jiān)控A網(wǎng)和B網(wǎng)的狀態(tài)，如果當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)存在故障，則自動切換到另外一條網(wǎng)絡(luò)。故障網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時不切換。

人機接口冗余

主機可設(shè)置為多節(jié)點互為備用，值班節(jié)點故障，備用節(jié)點自動切換為值班狀態(tài)。

電源冗余

控制器和IO單元均為雙電源配置（AC/DC 110V～220V寬壓設(shè)計），無需配置交直流雙供電裝置。

對時冗余，

控制器本身自動支持GPS/北斗對時（優(yōu)先級從低到高依次為網(wǎng)絡(luò)NTP對時、串口B碼對時、光口B碼對時等），無需額外配置，常規(guī)配置網(wǎng)絡(luò)NTP對時和串口對時，為SOE事件時標(biāo)提供精準(zhǔn)的時間。

2）IO卡件支持熱插拔

任何一塊卡件故障，現(xiàn)場需要更換卡件時，支持帶電熱插拔，無需設(shè)置卡件地址，控制器會自動識別。更換過程無需斷電，全部在線完成，簡單、快捷、安全。

3）寬溫I/O模件（工作溫度-20℃～+55℃）

4）控制器/IO模件全金屬結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強，電磁兼容性強，EMC等級可至4級，可以應(yīng)用在惡劣的強電磁干擾環(huán)境中。

同時PCS-9150 PLC控制器配套標(biāo)準(zhǔn)算法模塊，包括各種PID、自整定控制模塊、算術(shù)邏輯運算、模擬量/開關(guān)量手操器、操作器、超前滯后、數(shù)字邏輯等，可定制生成其它特殊算法，如狀態(tài)變量和模糊算法。支持可讀寫永久存貯器，存貯系統(tǒng)文件和組態(tài)數(shù)據(jù)，支持控制策略的在線無擾更新；支持功能塊圖組態(tài)，所見即所得。在線監(jiān)視時功能塊有背景色指示狀態(tài)，方便快捷。

4、監(jiān)控系統(tǒng)特點

南瑞繼保的PCS-9150水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)具備靈活開放的體系結(jié)構(gòu)，實時、海量數(shù)據(jù)庫，全面支持IEC61850/103/ModbusTCP/OPC等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，圖模庫一體化建模，友好的人機界面，支持離線維護、在線無擾更新等高級功能。

系統(tǒng)功能模塊可方便的進行裁剪和擴充，“即插即用”，適合多種用戶需求。

監(jiān)控系統(tǒng)支持廠級AGC發(fā)電控制及自動電壓控制，根據(jù)系統(tǒng)對電站的要求，如調(diào)功、調(diào)頻等運行方式，對系統(tǒng)的頻率、穩(wěn)定極限進行監(jiān)視，自動進行有關(guān)電站機組起、?？刂疲瑱C組有功/無功功率自動調(diào)整，減輕運行人員的勞動強度，提高電能生產(chǎn)質(zhì)量，滿足新型電力市場對電力生產(chǎn)單位電能質(zhì)量的要求。

監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)留WEB信息發(fā)布系統(tǒng)接口。隨著計算機信息技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，水電站ONCALL功能逐漸被WEB發(fā)布功能所替代。通過WEB信息發(fā)布服務(wù)器，管理信息系統(tǒng)不再需要與監(jiān)控系統(tǒng)進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)規(guī)約轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)通訊，也不需要存儲和管理這些數(shù)據(jù)，客戶端只需采用IE瀏覽器，建立一個網(wǎng)絡(luò)鏈接，運行管理人員便可訪問WEB服務(wù)器，瀏覽查詢現(xiàn)場設(shè)備及系統(tǒng)的運行情況。

手機APP應(yīng)用作為WEB發(fā)布的補充，目前也逐步推廣到小水電站的遠程監(jiān)視中。通過Web發(fā)布，安全分區(qū)隔離，可定制水電站監(jiān)控系統(tǒng)手機APP應(yīng)用，通過手機APP應(yīng)用瀏覽，運行管理人員可實時了解現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)，為“無人值班，少人值守”提供更為便捷的瀏覽方式。

5、結(jié)束語

以南瑞繼保PCS-9150冗余控制器為核心的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)在洪口電站的順利投運及穩(wěn)定運行，配套軟件的使用方便快捷，便于調(diào)試，大幅縮短了現(xiàn)場調(diào)試時間，獲得越來越多的水電站用戶的認(rèn)可。

參考文獻：

[1]DLT_5065-2009 水力發(fā)電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范

[2]DLT 578-2008 水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件

[3]PCS-9150系統(tǒng)說明書