潘二強(qiáng)，谷東永，宋乃興，彭沛欣，盧小芳，楊佳春

（中國水利水電科學(xué)研究院中水科技公司，北京 100038）

0 概述

古城水電站位于岷江右岸一級支流雜谷腦河干流河段上，是雜谷腦河流域梯級規(guī)劃推薦的“一庫七級”開發(fā)方案中的第七級電站，為低閘引水式開發(fā)。本電站距汶川縣城約2 km，工程對外交通十分便利，地理位置適中。電站裝機(jī)容量3×60 MW，保證出力4.34萬kW，多年平均年發(fā)電量8.21億kW·h，年利用小時4 805 h。發(fā)電機(jī)與變壓器組合采用一組單元和一組擴(kuò)大單元接線，發(fā)電機(jī)出口和主變壓器高壓側(cè)均裝設(shè)斷路器；220 kV出線兩回，采用雙母線接線，其中一回至薛城，另一回至汶川220 kV變電站，備用兩回。本電站按照“無人值班、集中控制”的擴(kuò)大廠站原則設(shè)計，采用全計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并接受四川省中調(diào)和雜谷腦集控中心的控制和調(diào)度。古城水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司H9000 V4.0系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2010年6月投入運(yùn)行。

1 設(shè)計原則

1.1 滿足無人值守要求

古城電站按照“無人值班”(集中控制)的原則設(shè)計，即電站現(xiàn)場無人值班(近期少人值守，條件成熟后過渡到雜谷腦河流域集中控制中心進(jìn)行監(jiān)控)。電站按實現(xiàn)現(xiàn)地、遠(yuǎn)方(雜谷腦河集中控制中心和四川省調(diào))監(jiān)控的指導(dǎo)思想進(jìn)行總體設(shè)計和配置。實現(xiàn)古城電站與流域集中控制中心以及四川省調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信。并保證通訊穩(wěn)定，在異常情況能自恢復(fù)通訊，減少事故的發(fā)生和維護(hù)的方便。

1.2 滿足不同系統(tǒng)的接入

在現(xiàn)場為了達(dá)到集中監(jiān)控的目的，需要對全場的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，主要設(shè)備通過硬接線接入到各現(xiàn)地控制單元。通過485通訊方式電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集電廠勵磁裝置、調(diào)速器裝置、輔機(jī)、振擺監(jiān)測系統(tǒng)、交流采樣裝置、電度測量裝置、保護(hù)信息管理系統(tǒng)等的主要信息，實現(xiàn)實時監(jiān)控各個設(shè)備的運(yùn)行。通過MODBUS TCP/IP實現(xiàn)現(xiàn)地控制單元與上位機(jī)系統(tǒng)的通訊。通過422通訊方式實現(xiàn)各個現(xiàn)地控制單元與相對應(yīng)的觸摸屏的通訊，實現(xiàn)觸摸屏對控制單元的顯示和控制，方便現(xiàn)場維護(hù)。與集控中心、省調(diào)采用串口101和網(wǎng)口104的通訊方式。

1.3 系統(tǒng)的安全性、可靠性

監(jiān)控系統(tǒng)基本按照雙冗余熱備的思想來配置，包括上位機(jī)操作員站，通訊站，下位機(jī)的PLC以及配置雙環(huán)網(wǎng)，保證了系統(tǒng)的高度可靠、冗余，其本身的局部故障不應(yīng)影響現(xiàn)場設(shè)備的正常運(yùn)行，系統(tǒng)的MTBF、MTTR各項可用性指標(biāo)均達(dá)到中國電力部部頒《水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件(DL/T578-95)》的規(guī)定。

1.4 系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、兼容性

系統(tǒng)為全分布、全開放系統(tǒng)，既便于功能和硬件的擴(kuò)充，又能充分保護(hù)應(yīng)用資源和投資，分布式數(shù)據(jù)庫及軟件模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計，使系統(tǒng)能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴(kuò)充，并能自診斷。

1.5 實時性好、數(shù)據(jù)處理強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)

對于古城電站采集的數(shù)據(jù)類型比較多，既包括模擬量、溫度量、脈沖量也包括中斷開入量、掃查開入量以及串口通訊量、TCP/IP通訊數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)基本由LCU采集、少量通過串口以及網(wǎng)絡(luò)采集。古城電站H9000 V4.0系統(tǒng)按數(shù)據(jù)類型采用多TCP/IP連接并行工作模式以及多子進(jìn)程、多線程技術(shù)，在同一數(shù)據(jù)掃描周期內(nèi)完成多重數(shù)據(jù)傳送請求與處理。數(shù)據(jù)采樣分為定期采集和及時召喚采集。數(shù)據(jù)采集中一般數(shù)據(jù)通過定時采集進(jìn)行實時監(jiān)控，重要數(shù)據(jù)通過設(shè)置屬性來進(jìn)行及時采集保證實時監(jiān)控不延時。數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)預(yù)處理包括有效性、合理性判斷、軟件濾波，輸入線路誤差補(bǔ)償、標(biāo)尺變換，越復(fù)線比較以及格式化，報警或變位時間標(biāo)記等功能。中斷開入量包括時間的標(biāo)定以及輸入硬件防抖濾波和軟件抗干擾濾波。在開入量的采集中采用24 V電源回路，保證了回路不會出現(xiàn)干擾，以及弱小電源不會響應(yīng)。

1.6 人機(jī)接口界面友好、操作、維護(hù)方便。

古城計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是全廠現(xiàn)地唯一的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制平臺。計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供豐富的人機(jī)界面以便對現(xiàn)場情況及時了解、監(jiān)視。主要畫面有全廠信息、各機(jī)組獨(dú)立監(jiān)視畫面、開關(guān)站操作畫面等，根據(jù)客戶要求提供完全滿足現(xiàn)場以及運(yùn)行人員習(xí)慣的畫面。同時通過集成的IPM畫面編輯軟件，DETOOL數(shù)據(jù)庫編輯軟件使得電站維護(hù)人員也能很輕松的就對全廠信息進(jìn)行維護(hù)和修改。同時提供豐富的操作命令，以便在任何情況下都可以對設(shè)備進(jìn)行控制。為保證安全，監(jiān)控系統(tǒng)提供分級權(quán)限管理，不同權(quán)限等級的人具有不同的操作權(quán)限，同時命令執(zhí)行提供選擇和確認(rèn)畫面保證命令的準(zhǔn)確下發(fā)。主要設(shè)備都可以在線遠(yuǎn)程維護(hù)，避免路程太遠(yuǎn)，不能及時處理。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

古城電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式體系結(jié)構(gòu)，由廠站級主控制層和現(xiàn)地控制單元層構(gòu)成。采用雙以太網(wǎng)絡(luò)光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)，通過兩套千兆級工業(yè)交換機(jī)(主干交換機(jī))和各LCU內(nèi)冗余百兆交換機(jī)聯(lián)接。廠站主控層千兆交換機(jī)及各個現(xiàn)地控制單元百兆交換機(jī)分別經(jīng)過100 M光口，構(gòu)成冗余光纖環(huán)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)采用光纖。

主控層主要由2臺主機(jī)兼操作員工作站、3臺網(wǎng)關(guān)計算機(jī)和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，每套千兆級工業(yè)交換機(jī)分別通過1000 MRJ45端口連接網(wǎng)關(guān)計算機(jī)，其它主控層設(shè)備采用100 MRJ45端口連接。每套主干交換機(jī)還分別通過各自的100 M單模光纖端口及單模光纜與18 km外的閘首LCU的工業(yè)交換機(jī)連接。

主控層具備與流域集控中心計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)連接的軟硬件接口和功能，通過交換機(jī)和網(wǎng)關(guān)計算機(jī)，采用點(diǎn)對點(diǎn)方式接入雜谷腦河流域集控中心，以接受該集控中心的監(jiān)控，電站的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)還將通過網(wǎng)關(guān)機(jī)和電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)實現(xiàn)與四川省調(diào)度中心的直接通信。

現(xiàn)地控制層由6個現(xiàn)地控制單元組成，包括1～3號機(jī)組LCU，公用LCU，開關(guān)站LCU以及閘首LCU，該控制單元選用德國Siemens公司SIMATICS7-400系列PLC。LCU直接監(jiān)控被監(jiān)控設(shè)備的生產(chǎn)過程，既可作為分布系統(tǒng)中的現(xiàn)地智能終端，又可作為獨(dú)立裝置單獨(dú)運(yùn)行。各個LCU通過現(xiàn)場總線或串行接口與下級公用、輔機(jī)設(shè)備控制系統(tǒng)及其它智能設(shè)備通信。（見圖1）

圖1 古城水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)采用國際標(biāo)準(zhǔn)定義的開放式環(huán)境，各計算機(jī)均采用Windows 2000操作系統(tǒng)，編程語言采用C語言等高級語言，采用開放的TCP/IP、RJ485等標(biāo)準(zhǔn)性規(guī)約，圖形界面等遵循國標(biāo)等要求。

系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)庫采用冗余熱備的方式分布在監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，使得監(jiān)控系統(tǒng)具有更高的安全性、更高的效率和可靠度以及更好的擴(kuò)展性。

為保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)重要設(shè)備都采用冗余技術(shù)，如操作員站、通訊站、雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)地LCU雙CPU熱備、UPS電源等。

系統(tǒng)具有豐富的開發(fā)工具軟件和通訊規(guī)約，使得系統(tǒng)維護(hù)和擴(kuò)充以及通訊都很方便。很容易實現(xiàn)其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)方便接入，也很容易實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)與集控中心、省調(diào)的通訊。

4 電站控制方式

對于古城水電站GIS采用2條母線，4條出線方式。對于古城電站投入運(yùn)行以后，不僅擔(dān)負(fù)著3臺機(jī)組發(fā)電的任務(wù)，同時擔(dān)負(fù)著其他電站的電量通過古城出線送到電網(wǎng)的任務(wù)。而古城電站位于汶川縣克枯鄉(xiāng)下莊村，是汶川災(zāi)后重建以及整個阿壩州地區(qū)的重要發(fā)電企業(yè)，擔(dān)負(fù)著川西用電的責(zé)任。對于古城電站來說，因為運(yùn)行工況比較多，所以控制功能也比較豐富，滿足各種條件下電站的運(yùn)行，主要控制方式有以下幾種：

（1）LCU現(xiàn)地：包括自動控制、自動分步控制，運(yùn)行人員通過控制屏上的彩色觸摸屏或控制開關(guān)、按鈕等，實現(xiàn)機(jī)組的自動運(yùn)行和分步運(yùn)行。在機(jī)組LCU屏上還設(shè)置有帶保護(hù)罩的手動緊急停機(jī)按鈕和緊急關(guān)閉蝶閥的按鈕。

（2）中控室/流域集控中心：全自動控制，自動分步控制，通過集控中心/中控室的操作員站向機(jī)組LCU給出自動開、停機(jī)命令或分步控制命令。

（3）四川省電力公司調(diào)度中心遠(yuǎn)方控制：全自動控制，通過調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)，按照預(yù)定的要求或?qū)崟r運(yùn)算結(jié)果給出命令，直接控制到單臺機(jī)組或開關(guān)。也可向集控中心設(shè)備給出流域內(nèi)各個電站全廠總負(fù)荷，由集控中心主機(jī)按自動發(fā)電控制和最優(yōu)發(fā)電運(yùn)算(AGC/EDC)確定各電站開機(jī)臺數(shù)和負(fù)荷分配，實現(xiàn)成組控制。

（4）同時在LCU處設(shè)置“中控/現(xiàn)地”手動方式轉(zhuǎn)換開關(guān)，梯級集控中心計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制方式轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)在電站中控室。只有當(dāng)LCU方式轉(zhuǎn)換開關(guān)切至“遠(yuǎn)方”時，才能由電站中控室控制；且只有當(dāng)LCU及電站中控室的方式轉(zhuǎn)換開關(guān)均切至“遠(yuǎn)方”時，才能由梯級集控中心控制。

5 自動發(fā)電控制(AGC)

5.1 自動發(fā)電的任務(wù)

應(yīng)根據(jù)上級調(diào)度單位下達(dá)的日負(fù)荷曲線以及AGC命令和正常調(diào)度要求、結(jié)合考慮電氣安全運(yùn)行和機(jī)組運(yùn)行限制條件等，對電站內(nèi)參與控制的機(jī)組制定出運(yùn)行計劃，并實時地自動地將有功負(fù)荷分配到電站內(nèi)各機(jī)組，以確保電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。自動發(fā)電控制的基本任務(wù)就是在滿足各項限制條件的前提下，以迅速、經(jīng)濟(jì)的方式控制電站的總有功功率，使其滿足電力系統(tǒng)需要。

5.2 自動發(fā)電控制目標(biāo)

（1）使電站的頻率保持或接近額定值，其允許偏差不超過±0.1Hz。有關(guān)調(diào)頻速度應(yīng)滿足省電力系統(tǒng)要求。維持220 kV線路的輸送功率保持或接近規(guī)定值。

（2）根據(jù)省調(diào)度自動化系統(tǒng)或集控中心監(jiān)控系統(tǒng)要求的發(fā)電功率或下達(dá)的負(fù)荷曲線，考慮電站的來水量和機(jī)組狀態(tài)，按安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的原則確定運(yùn)行的機(jī)組臺數(shù)、機(jī)組的組合方式和機(jī)組間最佳有功功率分配，進(jìn)行電站機(jī)組出力的閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)自動發(fā)電控制的目標(biāo)。并自動開、停機(jī)組，在TFT上顯示供運(yùn)行人員操作參考，可由人工確定每一臺機(jī)組的啟、停和有功、無功功率的設(shè)定值。

（3）站級計算機(jī)執(zhí)行省調(diào)度自動化系統(tǒng) (或集控中心)AGC控制到單機(jī)的方式。最優(yōu)發(fā)電控制的運(yùn)算結(jié)果可以直接控制每一臺機(jī)組，實現(xiàn)自動開、停機(jī)組，在TFT液晶顯示屏上顯示供運(yùn)行人員操作參考，可由人工確定每一臺機(jī)組的啟、停和有功、無功功率的設(shè)定值。

AGC功能設(shè)計時同時考慮與機(jī)組一次調(diào)頻功能的配合。

6 自動電壓控制(AVC)

根據(jù)上級調(diào)度中心操作站或中控室/集控中心操作員站的要求及安全運(yùn)行約束條件，合理分配機(jī)組間的無功功率，經(jīng)機(jī)組控制單元調(diào)節(jié)機(jī)組勵磁，將220 kV母線電壓維持在調(diào)度中心遠(yuǎn)程操作站給定的變化范圍，必要時自動開、停機(jī)組，也可給出指導(dǎo)性的數(shù)據(jù)在TFT液晶顯示屏上顯示，供運(yùn)行人員操作參考。

220 kV母線電壓給定值與220 kV電壓測量值進(jìn)行比較，根據(jù)該偏差，通過PI調(diào)節(jié)計算得出電站無功功率目標(biāo)值。無功功率目標(biāo)值及PI調(diào)節(jié)計算中的積分項均受到并網(wǎng)機(jī)組的無功負(fù)荷能力的限制。該無功功率目標(biāo)值將在參加聯(lián)合調(diào)節(jié)的機(jī)組間分配，經(jīng)過分配后得出電站每臺機(jī)組的無功功率目標(biāo)值。機(jī)組無功功率目標(biāo)值與無功功率測量值比較，根據(jù)比較的偏差，通過PI調(diào)節(jié)計算得出機(jī)端電壓給定值，送給LCU執(zhí)行。該電壓給定值及PI調(diào)節(jié)計算中的積分項將受到勵磁調(diào)節(jié)器電壓給定最大和最小值的限制。

7 系統(tǒng)時鐘及對時功能

古城計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用BSS-3型號的GPS進(jìn)行對時。主控層通過網(wǎng)絡(luò)采用NTP對時方式進(jìn)行一臺電腦的對時，在對時成功之后，通過廣播實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點(diǎn)的時間同步。現(xiàn)地LCU也采用NTP對時方式，在采到時間之后更新CPU的時間，保證CPU時間與GPS時間一致。同時，對于SOE數(shù)據(jù)，針對模塊本身的硬件和軟件的支持，采用事件記錄方式進(jìn)行采集，所有SOE數(shù)據(jù)都采自PLC時間，保證事件發(fā)生的當(dāng)時時間被記錄。

8 現(xiàn)地控制單元特點(diǎn)

各現(xiàn)地控制單元具備較強(qiáng)的獨(dú)立運(yùn)行能力。在脫離廠站級的狀態(tài)下能夠完成其監(jiān)控范圍內(nèi)設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集處理、設(shè)定值修改、設(shè)備工況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換、事故處理等任務(wù)，處理速度快、有容錯、糾錯能力，并帶有其監(jiān)控范圍內(nèi)的完整的數(shù)據(jù)庫。

1號、2號、3號機(jī)組、開關(guān)站、公用LCU采用交流/直流兩回電源供電，閘門LCU采用兩回交流電源供電，由UPS供電，任意回路有電時，LCU均應(yīng)能正常工作。現(xiàn)地網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集和傳輸，保證一回采集線路出問題，系統(tǒng)自動切換另一回采集線路，保證數(shù)據(jù)及時采集和正確采集。對于來自CT、PT的信號，采用交流采樣的方式進(jìn)行采集，并可自動計算出有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)等。

LCU采用SIMATIC S7-414-4H系列模塊作為主站，S7-300系列模塊作為從站，主站通過Profibus總線電纜和接口模塊與從站通訊。這樣的配置即保證了PLC系統(tǒng)的先進(jìn)性又為客戶節(jié)約了成本。主站是由一個支持冗余的地板和兩套S7-400系列電源模塊、414-4HCPU模塊、以太網(wǎng)模塊組成。從站采用Profibus DP分布式從站ET200M，從站由一個總線模板的導(dǎo)軌，2個IM153接口模塊以及若干S7-300系類模塊組成。主站和從站均支持熱插拔。S7-414-4HCPU處理二進(jìn)制指令的時間為0.1μs，768 kB的存儲器，2 M的擴(kuò)展存儲。此CPU具有高速的處理速度和大型程序的存儲空間，靈活的擴(kuò)展功能，多借口的MPI，系統(tǒng)診斷，實時時鐘，具有最大2048個FC功能塊。保證了大型程序的實時處理，存儲以及豐富功能的開發(fā)。

LCU接受來自觸摸屏、按鈕、站控級、集控中心、省調(diào)度中心的各個命令，包括開、停機(jī)、同期操作、設(shè)備啟動、停機(jī)命令、負(fù)荷調(diào)節(jié)等命令，并實現(xiàn)控制方式的切換可根據(jù)現(xiàn)場實際情況來切換，保證機(jī)組的運(yùn)行不受外界調(diào)節(jié)改變而影響。

LCU常規(guī)保護(hù)功能。在LCU上設(shè)置了“現(xiàn)地/遠(yuǎn)方”把手，可以根據(jù)現(xiàn)場情況來進(jìn)行LCU的運(yùn)行工況切換。同時，對于一些重要設(shè)備加裝空氣開關(guān)，保證電氣回路的獨(dú)立運(yùn)行。對于所有繼電器加裝空氣開關(guān)，保證機(jī)組檢修時設(shè)備不開出，信號正常采集。LCU采用獨(dú)立的硬接線方式的水機(jī)保護(hù)回路，保證了在PLC工況出現(xiàn)問題的情況下，機(jī)組能夠停機(jī)。

古城水電站的閘門距離集控中心18 km，采用一套LCU采集每塊閘門現(xiàn)地控制單元的數(shù)據(jù)和水位等信息的采集，同時接受來自省調(diào)度中心、集控中心、主控層、觸摸屏對每塊閘門的操作。所有數(shù)據(jù)通過光纖的方式上送到主控層，節(jié)省了現(xiàn)地電纜線的鋪設(shè)和建設(shè)成本。

9 結(jié)束語

古城計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)從投入運(yùn)行到現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，各項功能安全可靠，在此期間又根據(jù)業(yè)主和運(yùn)行人員的建議對人機(jī)畫面做了更人性化及方便監(jiān)視方面的修改。系統(tǒng)的安全運(yùn)行和客戶對系統(tǒng)的高度評價有利的保證了古城在即將并網(wǎng)運(yùn)行的準(zhǔn)備工作，也是北京中水科水電科技開發(fā)公司與四川華電雜谷腦水電開發(fā)有限公司的又一次成功合作的典范，為我國的水電開發(fā)事業(yè)、為汶川地震災(zāi)后重建貢獻(xiàn)自己的一份力量。