陳 劍

(長潭水庫管理局水電廠，浙江 臺州 318020)

1 電廠概況

長潭水庫是浙江省大(II)型水庫，位于臺州西部，距市區(qū)23 km，集雨面積441.3 km2，水域面積45 km2，總庫容7.32億m3，流域內(nèi)年平均降雨量1935 mm.水庫承擔(dān)著下游三區(qū)兩市6.93萬ha2農(nóng)田灌溉和200萬城鎮(zhèn)居民的生活用水和工業(yè)供水任務(wù)，是一座以灌溉、供水為主，綜合防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖的的大型水利工程.

長潭水電廠綜合利用長潭水庫的天然水資源發(fā)電，三臺發(fā)電機組5000 kW×2+1800 kW，總裝機容量為11.8 MW.1號、2號水輪發(fā)電機組由克瓦納(杭州)公司制造，3號水輪發(fā)電機組由杭發(fā)廠制造，主閥等輔助設(shè)備由國內(nèi)廠家制造.3臺調(diào)速器均采用武漢三聯(lián)水電控制設(shè)備公司制造，1號調(diào)速器型號為BWST—80;2號調(diào)速器型號為KZST—80;3號調(diào)速器型號為SLT—1800，3臺調(diào)速器均采用PLC可編程控制器，可現(xiàn)地實現(xiàn)機組的自動或手動開、停機，并網(wǎng)運行，也可與上位機計算機進行通訊實現(xiàn)遠動控制.

由于原通信服務(wù)器硬件配置低，技術(shù)落后，不僅通信速度不能滿足要求，運行的穩(wěn)定性也不盡人意，加上原系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊方式是采用串口對接人工工控機模式，工控機的風(fēng)扇等小毛病不斷發(fā)生，導(dǎo)致LCU不斷出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余等問題，監(jiān)控系統(tǒng)升級改造勢在必行.

2 監(jiān)控系統(tǒng)改造

2.1 改造原則

(1)電廠按照“無人值班，少人值守”，以計算機監(jiān)控為主、集中控制為原則進行總體設(shè)計.

(2)可靠性監(jiān)控系統(tǒng)的局部故障不會影響現(xiàn)場設(shè)備的正常運行，監(jiān)控系統(tǒng)高度可靠.

(3)經(jīng)濟性能長期安全運行，并可明顯提高經(jīng)濟效益.

(4)開放性整個系統(tǒng)采用模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計，能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴充.

(5)系統(tǒng)具有實用性好、人機畫面功能強大、操作方便等特點.

2.2 總體架構(gòu)

長潭水電廠監(jiān)控系統(tǒng)［1］(見圖1)采用全開放分層分布式結(jié)構(gòu)，由主控級和現(xiàn)地控制級組成.兩層設(shè)備功能各自獨立，網(wǎng)絡(luò)冗余控制.主控層與現(xiàn)地層之間采用星型拓樸100/1000 M自適應(yīng)以太網(wǎng)為主干網(wǎng)絡(luò)，通過HUB(集線器)進行數(shù)據(jù)交換.網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有計算機(操作員站、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等)、LCU等均通過以太網(wǎng)接口接入主干網(wǎng)絡(luò)，兩層之間的通信規(guī)約為MODBUS TCP，現(xiàn)地PLC與外部智能設(shè)備(發(fā)電機保護屏、勵磁裝置、調(diào)速器、溫度巡檢裝置、交流數(shù)采等)之間采用串口通訊［2］.監(jiān)控系統(tǒng)在水電廠的應(yīng)用中，集成了操作權(quán)限登陸、全廠運行監(jiān)視、主接線和廠用電系統(tǒng)圖、開停機畫面流程、歷史報表和工作票打印、事故曲線查詢分析，簡報報警記錄等項目，其總體結(jié)構(gòu)圖(見圖2).

圖1 長潭水電廠監(jiān)控系統(tǒng)

圖2 長潭水電廠監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 主要技改內(nèi)容

2.3.1 廠站層

廠站層在原有的基礎(chǔ)上進行更新?lián)Q代，主要由操作員工作站、工程師工作站、廠長工作站等組成.

操作員工作站采用一體化工控機，淘汰原有的PC 兼容機(CPU 為 PII266、256 M 內(nèi)存、6.4 GHD)、20英寸CRT顯示器，報表打印服務(wù)器采用EPSONLQ-1600打印機，采用浪潮工控機(CPU為酷睿雙核、4 G內(nèi)存、2TB硬盤)、24英寸LCD顯示器，激光打印機，軟件平臺采用支持UNIX、WINDOWS NT操作系統(tǒng)平臺，網(wǎng)絡(luò)軟件為TCP/IP，傳輸速率10/100 Mbps總線型雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu).運行值班人員通過顯示器可以對電廠的生產(chǎn)、設(shè)備運行做實時監(jiān)視，取得所需的各種信息，可以通過鼠標及鍵盤發(fā)出指令，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)各現(xiàn)地控制層與主控層信息交互，對現(xiàn)地設(shè)備的監(jiān)控及數(shù)據(jù)共享，具有對機組運行和安全監(jiān)視、實時控制和調(diào)節(jié)權(quán)限.其主要功能包括對LCU及外部設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與處理，對全廠設(shè)備的控制調(diào)整及運行監(jiān)視，實現(xiàn)人機接口，歷史數(shù)據(jù)庫管理及生成報表、操作、運行指示，自動發(fā)電控制及自動電壓控制、通信管理、實時狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)的采集分析、機組流程控制瀏覽、機組調(diào)節(jié)功能(AGC)(AVC)以及PQF控制、多媒體語音報警、光字牌簡報提示、自診斷等功能.

工程師工作站和廠長工作站都是本次技改新增的項目，前者主要用于電廠監(jiān)控系統(tǒng)再開發(fā)、功能完善編輯、數(shù)據(jù)庫修改、記錄備份管理、系統(tǒng)故障診斷和培訓(xùn)仿真等工作.工程師工作站還可作為操作員工作站的熱后備，保證系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性.工程師工作站是在線的系統(tǒng)監(jiān)督、系統(tǒng)組態(tài)控制、系統(tǒng)維護的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點.同時作為歷史數(shù)據(jù)庫站后備使用.后者主要用來執(zhí)行系統(tǒng)高級軟件功能，當上位機工作站癱瘓時，可直接發(fā)指令控制LCU運轉(zhuǎn)并監(jiān)視現(xiàn)場運行過程以保證安全生產(chǎn).

2.3.2 現(xiàn)地層

現(xiàn)地層主要是對原有的8套機組的LCU進行改造，新設(shè)立2套開關(guān)站.原來的現(xiàn)地層是通過雙絞線有線網(wǎng)絡(luò)為通訊主干，但由于原來的工控機運行多年，硬盤風(fēng)扇等硬件毛病層出不窮，尤其是風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，就會導(dǎo)致工控機燒毀，繼而影響機組的正常運行，改造后采用改造后以PLC直接通訊為載體，LCU裝置與PLC通訊通過SJ—30B—16通訊管理器實現(xiàn)，管理器共有16個RS485通訊接口，用于交流數(shù)采裝置、溫度巡檢裝置、微勵調(diào)、微電調(diào)、發(fā)電機保護等設(shè)備通訊，從而將廠站層和現(xiàn)地層進行高效率通訊和交換數(shù)據(jù)，大大降低故障發(fā)生的概率.

(1)PLC改造

監(jiān)控系統(tǒng)改造中始終遵循盡量利用原有設(shè)備的原則，在本次監(jiān)控系統(tǒng)改造中，原系統(tǒng)中的主、備用PLC所采用的芯片是通用公司的IC693CPU360，此芯片雖然還能保持一定的計算效率，但是運算的速度特別是并行運算的效率已經(jīng)難以適應(yīng)系統(tǒng)多指令的操作模式，對其進行了升級，以掃描周期大得多的IC693CPU366進行替換，使之在通過網(wǎng)絡(luò)載體接口中采集數(shù)據(jù)、執(zhí)行指令、實施控制，實現(xiàn)監(jiān)控和控制同步進行［3－4］.同時，為提升雙網(wǎng)接口的通訊效率，在現(xiàn)在TCP/IP最新協(xié)議格式標準下，將每臺PLC增加一個最新的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口模塊，采用的模塊為IC693PWR311，將PLC機箱的電源模塊改為交直流雙供模式，對電源的容量進行大幅度提升，采用了IC693 PWR331，采用此模塊以后，可以將每個模塊的負載提升到30 W以上，實現(xiàn)了供電電壓為5 V、24 V自動調(diào)節(jié)，其最大的功率恒定不變，與技改前的效率指標相比，整整提高了96%，對于系統(tǒng)可靠性的提高提供強有力支撐.

系統(tǒng)改造中，下位機用觸摸屏和通信控制器來替代原來使用的工控機，觸摸屏作為監(jiān)控數(shù)據(jù)的顯示界面，通信控制器主要的擔(dān)負的職責(zé)的是將現(xiàn)地設(shè)備所上傳的數(shù)據(jù)準確送到給PLC，從而實現(xiàn)原來工控機要完成的與現(xiàn)地設(shè)備之間的交互，使用通信控制器后，消除了原來偶爾出現(xiàn)的因現(xiàn)地設(shè)備通信程序修改造成的機組緊急停機等故障，但對PLC沒有絲毫的影響.改造中，LCU繼續(xù)使用CPU模塊，輸入輸出模塊，同時增加光纖傳輸模塊.在軟件上，原來DOS環(huán)境下的操作軟件LM90，存在著操作性很弱，指令復(fù)雜難記，英文模式不好掌握等不足，本次監(jiān)控系統(tǒng)改造中，以WINDOWS NT為基本平臺，使用在次平臺上開發(fā)的PROFICY ME軟件，交互性大大增強，界面親和力強，指令一目了然，操作簡單方便，軟件的開發(fā)，盡量兼顧了兩種編程之間的銜接和PLC軟件編程規(guī)約上的不同，在原有系統(tǒng)上做到平穩(wěn)升級.

(2)LCU改造

現(xiàn)地LCU控制層主要由SLC-500微機監(jiān)控裝置、測溫裝置 DAS-1型多功能溫度巡檢儀、3720ACM電力數(shù)采智能裝置、DEP—561N型發(fā)電機微機保護裝置、SJ-12C型雙微機自動準同期裝置、機組PLC可編程調(diào)速器、勵磁裝置等通過以太網(wǎng)絡(luò)連接在一起.現(xiàn)地控制單元自動實時采集和分析發(fā)電機、水輪機、勵磁及調(diào)速裝置、機組附屬設(shè)備信息數(shù)據(jù)的上送和接受，對各類信息進行數(shù)據(jù)封裝后存放在實時數(shù)據(jù)庫.運行人員通過現(xiàn)地控制屏上的觸摸屏或控制開關(guān)、按鈕，實現(xiàn)機組的自動運行和分步運行、順序控制、設(shè)點控制、同期并網(wǎng)、功率調(diào)整、事件順序記錄，與上位機的實時時鐘同步，完成監(jiān)控系統(tǒng)對機組及其輔助設(shè)備的監(jiān)控.現(xiàn)地控制單元有最高的優(yōu)先權(quán)，不受上位機因控制權(quán)的設(shè)置而被閉鎖.

為了保證監(jiān)控系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，每臺LCU都配置有交直流雙供電源，切換時間為0ms，具有沖擊電壓保護、短路保護、沖擊電流保護等保護措施.機組LCU配置有合肥工業(yè)大學(xué)高新技術(shù)實業(yè)公司的溫度巡檢儀，每個裝置可采集發(fā)電機繞組線圈、空冷器、上導(dǎo)、水導(dǎo)、勵磁變等28個溫度量信號，循環(huán)掃描并通過通訊管理器將數(shù)據(jù)上傳到上位機.同期裝置采用全封閉磁屏蔽，對輸入信號光電隔離和數(shù)字濾波，對合閘多重閉鎖，絕無誤合閘可能.實現(xiàn)自準和手準切換，對合閘角進行預(yù)測計算，對選中的同期對象實行變參數(shù)跟蹤調(diào)節(jié)，同期精度高并網(wǎng)速度快.每臺機組LCU中同時安裝有ACM3720智能交流量采集裝置，具有電量測量、故障錄波、事故記錄、諧波分析、波形采集、數(shù)據(jù)記錄以及遠程通信.實時數(shù)據(jù)包括各相電壓、電流、功率、電度、功率因數(shù)、頻率、諧波等，便于上位機分析和控制.

3 改造效果及展望

水電廠機組監(jiān)控系統(tǒng)更新后，系統(tǒng)的操作質(zhì)量得到明顯提升，改造后的系統(tǒng)達到了實時、封閉、控制的基本要求，在水電廠中控室，操作員就能輕而易舉地點擊鼠標，發(fā)出指令，實現(xiàn)對機電設(shè)備運行的實時控制和機組自動控制功能，若將網(wǎng)絡(luò)接口與上級調(diào)度中心對接，就能實現(xiàn)遠程監(jiān)控.新系統(tǒng)以光纜為主要傳輸媒介，以高速PLC為交換設(shè)備，大幅度地減少了大量的交換介質(zhì)，無論是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性都上升到一個較高水準.系統(tǒng)改造完成后，實現(xiàn)了電廠運行管理、安全監(jiān)測、自動控制的計算機化，在電廠的安全運行、節(jié)水發(fā)電、降低人員勞動強度等方面取得了良好的效果，通過本次改造，監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定、功能完善、減輕了維護工作量，同時大大提高運行工作效率和管理水平，滿足“無人值班”(少人值守)的運行要求和管理模式.

現(xiàn)代科技突飛猛進，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和實施，現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)也出現(xiàn)不少差距，如:現(xiàn)在使用的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備落后，集線器(HUB)進行數(shù)據(jù)交互，不具備協(xié)議翻譯功能，傳輸帶寬低;外部設(shè)備元件如傳感器、壓力變送器、壓力開關(guān)等的運行受灰塵、溫度、濕度等影響運行不穩(wěn)定，溫度巡檢儀有些節(jié)點傳感器溫度出現(xiàn)失真或缺失;由于長期不間斷運行，工控機時有死機現(xiàn)象;測速裝置、測溫裝置、交流采集裝置都是通過串口和一體化工控機通信，上送信號量少不能滿足監(jiān)控系統(tǒng)對設(shè)備的整個運行狀況;有些報警信號合并成一個光字牌，影響了操作員對異常設(shè)備的快速判斷和處理等，這些問題都有待以后的技改中加以解決.

［1］丁東華，黃劍鋒.EC—2000在景洪水電站通風(fēng)空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.水電廠自動化，2011，23(1):29 －30，33.

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