丁澤濤 鄭德芳 李桃 周佳

【摘 要】大壩閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按照“無人值班、少人值守”的要求設(shè)計(jì) ，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測和控制 ，實(shí)現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程控制。本文介紹了二灘水電廠大壩閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU改造總體要求，總體施工方案和新改造LCU系統(tǒng)配置情況及功能實(shí)現(xiàn)方式。重點(diǎn)闡述了自動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，以及系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)和閘門的控制原理，為大型水電站大壩閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU改造提供參考方案。

【關(guān)鍵詞】大壩閘門;現(xiàn)地控制單元LCU;改造;遠(yuǎn)程控制

0 引言

二灘電廠原計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由德國ABB公司提供，采用總線式冗余光纖以太網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)，用于監(jiān)視和控制6臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組、18臺(tái)單相主變壓器、500kV GIS開關(guān)站、大壩閘門、進(jìn)水口快速閘門、水工泄洪閘門、6kV廠用電、輔機(jī)等設(shè)備。通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程操作表孔閘門、中孔閘門、底孔閘門、泄洪洞閘門;可以監(jiān)視表孔閘門、中孔閘門、底孔閘門、泄洪洞閘門的開度、當(dāng)前位置狀態(tài)等相關(guān)信息和狀態(tài)以及各類閘門對(duì)應(yīng)的油泵、油位、電機(jī)的相關(guān)信息和狀態(tài);同時(shí)可以監(jiān)視泄洪洞配電室、表孔配電室、中底孔配電室、壩體深井泵配電室相關(guān)的400V開關(guān)的狀態(tài)指示以及壩體深井泵的水位、流量、電機(jī)狀態(tài)的相關(guān)信息和狀態(tài)。該系統(tǒng)自1998年投產(chǎn)以來，已連續(xù)運(yùn)行14年，超過了設(shè)備使用壽命。近幾年來，備品停產(chǎn)、設(shè)備缺陷頻發(fā)，系統(tǒng)不夠開放等問題日益嚴(yán)重。因此，二灘水電站于2013年初正式啟動(dòng)了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造項(xiàng)目。[1-2]

在二灘水力發(fā)電廠整個(gè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造項(xiàng)目之中，大壩閘門LCU改造難度大，風(fēng)險(xiǎn)高且改造期已處于年度防汛初期，改造成功與否直接影響到閘門的遠(yuǎn)程控制及防汛工作。二灘電廠閘門監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控對(duì)象及功能包括： 7個(gè)表孔閘門，6個(gè)中孔閘門，4個(gè)底孔閘門和2個(gè)泄洪洞閘門開度監(jiān)視及閘門遠(yuǎn)方自動(dòng)/現(xiàn)地手動(dòng)控制;動(dòng)力電源電壓、各閥組的油壓監(jiān)視;中控室主控級(jí)與閘門現(xiàn)地控制站的PLC 的通訊;計(jì)算機(jī)人機(jī)操作界面、運(yùn)行監(jiān)控、系統(tǒng)診斷等。因此，本次改造工作在整個(gè)改造施工過程中除了保持原有閘門控制流程及方式不變外，還需對(duì)閘門的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制進(jìn)行優(yōu)化。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

安德里茨計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由SAT 250 SCALA控制室系統(tǒng)和AK1703智能PLC自動(dòng)化裝置組成，其顯著的特點(diǎn)：采用了全智能的監(jiān)控部件和模件，所有I/O模板都是智能模板，板上帶有處理器，在真正的意義上做到了全分布、智能分散、功能分散、危險(xiǎn)分散的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性。

控制中心主站系統(tǒng)SAT 250 SCALA系統(tǒng)具有極高的適應(yīng)性、穩(wěn)定性、靈活性和安全性。該主站系統(tǒng)基于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，服務(wù)器具有多客戶機(jī)支持能力，具有很高可用性、最佳的實(shí)時(shí)多任務(wù)處理以及完美的功能集成化等特點(diǎn)。整個(gè)主站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用當(dāng)今最新以太網(wǎng)技術(shù)——交換式冗余以太網(wǎng)，通信規(guī)約采用基于TCP/IP的IEC60870-5-104國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約。網(wǎng)絡(luò)上接入的每一個(gè)設(shè)備都具有自己特定的功能，實(shí)現(xiàn)了功能的分布，這樣既具備了網(wǎng)絡(luò)某一設(shè)備故障只影響局部功能的優(yōu)點(diǎn)，又利于今后功能的擴(kuò)充。

智能控制器AK1703 ACP是適用于中小型至超大型水電站、抽水蓄能電站的新一代綜合式、開放式、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)地控制單元（LCU），以開放式結(jié)構(gòu)和分布式處理特點(diǎn)而著稱。AK1703為模塊化插槽式結(jié)構(gòu)，硬件、軟件功能全部分散，它在通訊及處理能力、通信接口和規(guī)約、可靠性和軟件設(shè)計(jì)等方面與常規(guī)的PLC有著本質(zhì)區(qū)別。

二灘電廠閘門計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用了全計(jì)算機(jī)控制的分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)功能、資源相對(duì)獨(dú)立而又便于為其他節(jié)點(diǎn)共享， 監(jiān)控系統(tǒng)由主控級(jí)和現(xiàn)地控制單元（LCU）級(jí)組成。主控級(jí)與LCU級(jí)2層之間采用雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)， 構(gòu)成高可靠的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用高性能的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接及通信， LCU 與交換機(jī)之間的傳輸介質(zhì)為光纖， 具有較高的傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。主控級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)控對(duì)象的監(jiān)控外，是整個(gè)閘門監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心。LCU 級(jí)設(shè)5套現(xiàn)地集中控制單元，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和處理，并19個(gè)閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制?，F(xiàn)地控制單元（LCU）還可接收閘門現(xiàn)地開度數(shù)顯儀傳輸?shù)? ～ 20 mA 電流信號(hào)作為閘門開度信號(hào)，在監(jiān)控系統(tǒng)上用以顯示閘門實(shí)際開度，閘門系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。

圖1 二灘電廠大壩閘門計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)配置情況及功能實(shí)現(xiàn)

大壩閘門的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制由大壩閘門及表孔控制系統(tǒng)、泄洪洞閘門控制系統(tǒng)、中孔閘門控制系統(tǒng)、底孔閘門控制以及壩體深井泵控制系統(tǒng)組成。其中泄洪洞閘門控制系統(tǒng)、中孔閘門控制系統(tǒng)、底孔閘門控制以及壩體深井泵控制系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程接口RIO經(jīng)交換機(jī)與大壩閘門及表孔控制系統(tǒng)鏈接，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)大壩閘門及表孔控制系統(tǒng)處理后送至監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)。上位機(jī)作為遠(yuǎn)程操作平臺(tái)對(duì)閘門進(jìn)行遠(yuǎn)端控制。各個(gè)站級(jí)計(jì)算機(jī)與LCU 采用工業(yè)以太網(wǎng)連接， 網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)為光纖， 組成一個(gè)分層分布式的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

2.1 上位機(jī)設(shè)計(jì)

安德里茨250SCALA上位機(jī)系統(tǒng)基于Windows操作平臺(tái)，視窗操作，全漢化顯示，采用文字、聲音、圖形、圖像等手段，把工作人員的操作、事故、故障、參數(shù)越限等情況均作提示。250SCALA上位機(jī)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)節(jié)、優(yōu)化運(yùn)行、數(shù)據(jù)通信、記錄、管理、運(yùn)行狀態(tài)顯示、圖表打印等功能。主服務(wù)器為SUN公司生產(chǎn)的SUN ORACLE SPARC T4-1高檔服務(wù)器。兩臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器的配置相同，操作系統(tǒng)采用Solaris 10 系統(tǒng)，以冗余熱備用方式工作，主備切換無擾動(dòng)地完成。操作員站為HP公司生產(chǎn)的HP DL380p GEN8。操作系統(tǒng)采用Windows Server2008 R2 Standard 64-bit系統(tǒng)。工程師站服務(wù)器為三臺(tái)HP 公司生產(chǎn)的HP DL380p GEN8。3臺(tái)工程師站配置相同，其中一臺(tái)為移動(dòng)工程師站。操作系統(tǒng)采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系統(tǒng)。

2.2 現(xiàn)地控制單元設(shè)計(jì)

二灘水電站現(xiàn)地控制單元系統(tǒng)采用安德里茨智能控制器AK1703，此設(shè)備基于32位微處理器技術(shù)，采用多CPU體系結(jié)構(gòu)。而且它的每個(gè)I/O模板也都帶有各自的CPU，從而具有廣泛的通信方式和龐大的通信能力，可以配置各種通訊方式（以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、串口等） 和一百余種通信規(guī)約。在控制裝置AK1703 中配置了獨(dú)立冗余功能，外置的SM-2556以太網(wǎng)通信模板采用國際電力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約IEC60870-5-104，通信速率10 /100 M自適應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了與地下廠房交換機(jī)或地面中控室交換機(jī)的冗余通信。其中泄洪洞閘門控制系統(tǒng)、中孔閘門控制系統(tǒng)、底孔閘門控制以及壩體深井泵控制系統(tǒng)采用安德里茨遠(yuǎn)程智能控制器TM1703，此設(shè)備采用32位低功耗微處理器技術(shù)、多處理器體系。主要完成TM1703 ACP的通信、經(jīng)由外圍I/O模板的周期性或自發(fā)性數(shù)據(jù)采集及處理、控制輸出等功能。每塊主控模板與各I/O外設(shè)采用Ax-Bus實(shí)現(xiàn)通信連接。

2.3 控制部分軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要由PLC 控制及通信程序、大壩閘門監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)通信程序、相關(guān)的人機(jī)界面和文字及報(bào)警程序組成。PLC采用Siemens AK1703系列，CPU 為CP-2017，PLC 程序采用CAEx Plus編程軟件編寫，采用使用功能圖編輯器（FBD-編輯器）來實(shí)現(xiàn)編程。用戶可利用SAT250軟件下達(dá)對(duì)閘門的控制命令， 同時(shí)能夠在界面上看到閘門的實(shí)時(shí)狀態(tài)。所發(fā)送指令在全廠監(jiān)控以太網(wǎng)中將以廣播通信的方式尋找相對(duì)應(yīng)的接收控制源站，然后通過程序按IEC104通信協(xié)議發(fā)送垂詢指令，觀察響應(yīng)數(shù)據(jù)情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的狀態(tài)監(jiān)視與控制。

2.4 閘門控制流程

基于設(shè)備的安全性及控制的可靠性考慮， 將控制權(quán)劃分為現(xiàn)地控制，電站級(jí)控制和流域集控級(jí)控制3個(gè)級(jí)別，并且現(xiàn)地控制操作的優(yōu)先級(jí)優(yōu)于主控級(jí)控制。當(dāng)控制權(quán)在電站級(jí)控制和流域集控級(jí)時(shí)，PLC智能模塊接收由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的控制， 通過監(jiān)控系統(tǒng)上的“全廠集控中心”控制權(quán)切換按鈕，運(yùn)行人員可將控制權(quán)切換至現(xiàn)地控制;在現(xiàn)地控制方式下，發(fā)送的監(jiān)控命令會(huì)被閉鎖，此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)只能監(jiān)視閘門狀態(tài)，啟閉閘門需通過閘門現(xiàn)地觸摸屏來進(jìn)行。在現(xiàn)地觸摸屏上不但設(shè)有閘門的控制， 還集合了閘門各類狀態(tài)的監(jiān)視、故障報(bào)警、流程報(bào)警等內(nèi)容，使運(yùn)行人員即使在現(xiàn)地也能像在中控室一樣， 對(duì)閘門的相關(guān)信息了如指掌。

2.5 閘門操作方式

閘門操作方式分為現(xiàn)地操作和遠(yuǎn)方操作。大壩閘門遠(yuǎn)程控制有以下兩種方式：開度值設(shè)定法（如圖2所示）和監(jiān)控系統(tǒng)命令開出法（如圖3所示）。

圖2 開度值設(shè)定法遠(yuǎn)程控制方式

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)命令開出法遠(yuǎn)程控制方式

2.6 上位機(jī)與現(xiàn)地控制級(jí)的網(wǎng)絡(luò)通信

主控級(jí)與現(xiàn)地控制級(jí)的通信介質(zhì)為光纖， 通信速率為自適應(yīng)100 Mbit· s-1/10 Mbit·s-1， 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用快速工業(yè)以太網(wǎng)。LCU 的PLC 通過其以太網(wǎng)單元與光電收發(fā)器相連， 主控級(jí)上位機(jī)的以太網(wǎng)卡通過集線器與光電收發(fā)器相連。

3 結(jié)語

二灘水力發(fā)電廠大壩閘門的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)改造完成至今已安全穩(wěn)定運(yùn)行一年，實(shí)際運(yùn)行證明，二灘水力發(fā)電廠大壩閘門的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)改造過程中系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足了改造總體要求，改造后達(dá)到了安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的設(shè)計(jì)目標(biāo)，減輕了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足了“無人值班，少人值守”的要求，為二灘水力發(fā)電廠的安全生產(chǎn)提供了一個(gè)現(xiàn)代化的技術(shù)手段，可作為大型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)閘門控制系統(tǒng)技術(shù)改造的參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉小力.二灘電廠監(jiān)控系統(tǒng)簡介[J].科協(xié)論壇，2009（01）：47-48.Liu Xiaoli.Ertan Power Plant SCADA System Introduction[J].Science & Technology Association Forum， 2009（1）：47-48.

[2]廖波.二灘水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)淺析[J].水電廠自動(dòng)化，2001，80（1）：1-7.Liao Bo. Ertan Hydropower Station Computer Monitoring System Analysis[J]. Automation of Hydropower Plants，2001，80（1）：1-7.

[3]水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件，DL/T 578- 95.

[4]水力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，DL/T 5065-2009[S].

[5]文若飛，高光華.大型水電站機(jī)組現(xiàn)地控制單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，1996，60（4）：48-51.WEN Ruofei，GAO Guanghua.Research And Design of Local Control Unit for Large Hydro-generator Set[J].Electric Power Automation Equipments，1996，60（4）：48-51.

[6]王定一.水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)視與控制[M].北京：中國電力出版社，2001.

[7]鄭德芳，韓勇，周佳.淺析二灘水電站監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造[J].四川水力發(fā)電，2014，33（2）：111-114.Zheng Defang，Han Yong，Zhou Jia.Analysis of Ertan Hydropower Station SCADA System upgrade[J].Sichuan Water Power.2014，33（2）：111-114.

[8]趙淵，沈智健.基于TCP/IP的IEC60870-5-104 遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003，27（10）：56-60，71.ZHAO Yuan，SHEN Zhijian.Application of TCP/IP based IEC60870-5-104 telecontrol protocol in power system[J].PowerSystem Technology，2003，27（10）：56-60，71.

[9]雷閃耀，梁昭峰，朱啟晨.IEC101/104 規(guī)約在生態(tài)小水電一體化LCU中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息：測控自動(dòng)化，2006，22（2-1）：226-228.LEI Shanyao，LIANG Zhaofeng，ZHU Qichen.Application of IEC 101/104 telecontrol protocols in integrated LCU for ecological hydropower system[J].Micro Computer Information：Control &Automation，2006，22（2-1）：226-228.

[10]楊耿杰，丁國興，郭謀發(fā).基于IEC60870-5-104規(guī)約的水電廠通信管理機(jī)設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28（8）：85-89.YANG Gengjie，DING Guoxing，GUO Moufa.Hydropower plant communication manager basedon IEC60870-5-104 protocol[J].Electric Power Automation Equipment，2008，28（8）：85-89.

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