刀建明

1 原計算機監(jiān)控系統(tǒng)簡介

戈蘭灘水電站為以發(fā)電為主的流域梯級電站，安裝3臺單機容量150 MW的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量450 MW，多年平均發(fā)電量20.32億kW·h，對外采用2條220 kV線路接入云南電網500 kV變電站。電站在電力系統(tǒng)中同時擔負調峰及事故備用，電站運行受省電力調度控制中心調度并控制；3 臺機于2008年12月投產發(fā)電。

電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)按“無人值班、少人值守”設計，采用分層、分布式結構，由主控級和現地控制級2 級組成，2 級之間采用100 Mb 光纖單環(huán)工業(yè)以太網通信。計算機監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示。

主控級設備布置于電站中央控制室，負責全廠設備監(jiān)視與控制，并負責與省電力調度控制中心通訊；包括2臺主機服務器、2臺操作員工作站、1臺工程師工作站、2臺調度通信服務器、2臺廠內通信工作站、1 臺語音報警站、1 臺AGC/AVC 成組控制工作站、1套GPS對時裝置等。

現地控制級負責被控對象的執(zhí)行過程控制，具有數據采集和處理、事故檢測和報警等功能；按機組、開關站、全廠公用系統(tǒng)和壩區(qū)系統(tǒng)（含壩上閘門、大壩滲漏排水、壩區(qū)用電），設置了6個現地控制單元（LCU），分別布置于各機組機盤旁、GIS 控制室、繼電保護室、壩頂控制室?，F地控制級人機接口采用觸摸屏或工控機；機組微機調速器及微機勵磁裝置、微機繼電保護及自動裝置、監(jiān)測儀表等與相應機組現地控制單元采用RS485總線通信；機組輔助設備、全廠公用設備、廠用設備等分別采用可編程控制器（PLC），各自按其控制程序獨立控制。各輔機監(jiān)控設備采用RS485總線通信接入現地控制單元。

2 原計算機監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題

隨著電力生產技術與計算機技術不斷發(fā)展，水電廠設備安全可靠性、自動化程度不斷提高，電網調度與控制要求相應改變，電站運行值班方式開始向“無人值班、遠程集控”模式轉變，原計算機監(jiān)控系統(tǒng)已不能滿足相應監(jiān)視和控制要求。

2.1 無“遠程集控”功能

原計算機監(jiān)控系統(tǒng)無“遠程集控”功能，未配置相關的集控通訊設備，集控中心不能對電站設備進行遠程監(jiān)視和控制，無法發(fā)揮流域梯級調度的優(yōu)勢。

2.2 網絡可靠性不高

原計算機監(jiān)控系統(tǒng)網絡采用100 Mb光纖單環(huán)工業(yè)以太網：

（1）帶寬容量小，隨著測點增多會出現擁塞引起傳輸數據延時。

（2）環(huán)路封閉不方便擴展、擴容。

（3）由于環(huán)線公用，一個結點發(fā)出的信息必須穿越環(huán)中所有的環(huán)路接口，穿越接口越多，傳輸效率越低，響應時間越長。

（4）當環(huán)線出現2 個節(jié)點故障時，2 個故障節(jié)點以下網絡全部脫網，影響對設備的監(jiān)視和控制。

2.3 輔機通信質量差

機組輔助設備、全廠公用設備、廠用輔機均采用RS485 總線通信接入現地控制單元。RS485 通訊方式傳輸距離短、抗干擾能力差，在電流、磁場干擾下易發(fā)生通信中斷或數據不穩(wěn)、誤碼等情況，導致計算機監(jiān)控系統(tǒng)主控級無法監(jiān)視、控制。如機組調速器油壓裝置、技術供水、頂蓋排水系統(tǒng)經常發(fā)生與機組LCU 通訊中斷無法采集到信息；廠區(qū)和廠房滲漏排水、廠房檢修排水、消力池排水、中低壓氣系統(tǒng)與公用LCU 通信，由于通信距離遠，數據穩(wěn)定性更差，通道基本處于通信中斷狀態(tài)；大壩滲漏排水系統(tǒng)與壩區(qū)LCU 通信，自投運以來通道一直處于中斷狀態(tài)。

2.4 擴容難度大

現地控制單元雖采用分層、分布式結構，但由于現地控制單元PLC機架預留槽位、點位少，導致測點完善時擴容難度大，須請廠家到廠施工，維護成本高；監(jiān)控系統(tǒng)上位機由于采用單環(huán)工業(yè)以太網，節(jié)點增加困難，擴容難度大。

2.5 主機監(jiān)測點不全

“無人值守、遠程集控”要求電廠設備出現故障時能自動實現可靠地斷電、斷水、斷氣、斷油，做到將故障隔離在源頭、不擴大，要求計算機監(jiān)控系統(tǒng)采集的數據必須齊全、準確，但原計算機監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測點不全，無法完全滿足“無人值守、遠程集控”的要求，主要表現為：

（1）水輪機監(jiān)測點不完善。水導軸承油位只有“油位異?！毙盘柦尤胗嬎銠C監(jiān)控系統(tǒng)現地控制單元，無法區(qū)分具體是油位高或低，無法在線實時顯示油位； 24 個導葉剪斷銷信號匯總成一個總的“剪斷銷剪斷”信號至機組LCU，無法區(qū)分具體故障點，不利于快速處置。

（2）水輪機和發(fā)電機水機保護不滿足反事故措施要求。調速器油壓裝置事故低油壓保護、電氣115%過速保護、140%過速保護啟動源未按電力安全生產25項反事故措施要求進行三取二配置，容易出現誤動；推力、上導、下導、水導軸承軸瓦溫度保護為單一測點出口，曾出現誤動情況；主軸密封水中斷保護只判斷水量無壓力測點判斷；剪斷銷剪斷只發(fā)信號，未聯動停機和關閉進水快速事故閘門。

（3）發(fā)電機監(jiān)測點不完善。發(fā)電機推力軸承、下導軸承、上導軸承，每個軸承只有1個“油位異?！毙盘柹纤蜋C組現地控制單元，不能區(qū)分油位高或低，無法在線實時顯示、監(jiān)視油位狀態(tài)；發(fā)電機制動系統(tǒng)12個制動器也只有“制動閘投入”、“制動閘退出”總信號上送機組LCU，各制動閘無單獨的監(jiān)測點，無法區(qū)分單個制動器投、退情況，不符合電力安全生產25項反事故措施要求。

2.6 輔機不滿足遠程監(jiān)視和控制要求

（1）機組輔機調速器油壓裝置油泵、技術供水各閥門、頂蓋排水泵、補氣閥、漏油箱油泵無法實現遠方監(jiān)視和控制，并且機組調速器油壓裝置缺少油壓、油位模擬量信號；（2）公用輔機檢修排水泵、廠房滲漏排水泵、廠區(qū)滲漏排水泵、廠房應急排水泵、消力池排水泵、中壓空壓機和低壓空壓機不能遠方監(jiān)視和控制；（3）壩區(qū)進水口快速閘門、溢流表孔、泄洪沖沙底孔閘門油泵無法實現遠方實時監(jiān)視控制；（4）廠房柴油發(fā)電機組、壩區(qū)柴油發(fā)電機組只能現地手動啟停。

2.7 增加電纜敷設困難

（1）如果新增測點采用敷設電纜方式接入現地控制單元，新增電纜敷設工作量大；（2）動力電纜、控制電纜、通信電纜敷設的電纜橋架、電纜豎井及穿墻孔、洞在電站建設期間已形成或安裝，后期增設困難；（3）進入盤柜的電纜孔洞在電站投產時已按防火要求進行了隔斷或封堵，電纜橋架安裝了蓋板，隔斷處安裝了阻火包，增敷電纜需拆卸蓋板或拆除阻火包并重新安裝或封堵。

3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造設計

3.1 改造設計原則

電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造原則確定為滿足“無人值班、遠程集控”，兼顧“自主可控”的安全要求。

（1）按“計算機監(jiān)控系統(tǒng)結構簡單、擴容方便，網絡可靠性高，通訊質量好，敷設線纜少，主機監(jiān)測點數據完善且準確，輔機設備全面實現遠程監(jiān)視和控制”對計算機監(jiān)控系統(tǒng)結構進行重新設計。

（2）按國家對網絡安全的要求，使用符合要求的安防設備替換老設備。

3.2 整體架構

整體架構仍采用分層、分布式結構，由站控級和現地控制級2 部分組成，二者之間采用1 000 Mb光纖雙星型工業(yè)以太網。

站控級（上位機）全部采用國產服務器。設置2臺主機服務器、2臺操作員服務器、2臺調度通信服務器、2臺集控通信服務器、1臺歷史服務器、1臺工程師服務器、1臺語音服務器、1臺廠內通信服務器、1臺廠內維護服務器、1套GPS對時裝置及相關的網絡設備等。

現地控制級包括3套機組LCU、1套開關站LCU、1套公用LCU、1套壩區(qū)LCU 和25套輔機LCU。各現地控制單元CPU按雙套配置、主/從方式工作，負責模擬量、開入量、溫度量、脈沖量、遙控、遙調等信號采集及處理。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 戈蘭灘水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造后網絡結構

站控級主要完成廠內設備的全程監(jiān)視及控制功能，并負責與省電網電力調度控制中心和電站集控中心的通訊，服務器和網絡設備全部布置在計算機室，中控室只布置顯示器。上位機具有數據采集與處理，運行監(jiān)視、控制、調節(jié)與操作，記錄、報告、統(tǒng)計報表、歷史追憶、打印，運行參數計算，自動發(fā)電控制和自動電壓控制，通訊控制、系統(tǒng)自診斷和語音報警功能，可實現對電站全部設備的監(jiān)視和控制。其中2臺集控通信服務器按照“網絡專用、安全分區(qū)、橫向隔離、縱向認證”的二次安全防護要求配置相應的二次安全防護設備，實現電站與“遠程集控”的通信。

現地級控制單元具有數據采集與處理、監(jiān)視顯示、控制與調節(jié)、測量與信號處理、通訊、自診斷功能。機組現地控制單元監(jiān)控對象包括水輪機及其相應的調速器、水輪機軸承油位監(jiān)測系統(tǒng)、振動擺度監(jiān)測系統(tǒng)及水輪機保護設備，發(fā)電機及其相應的勵磁系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、定子繞組和鐵芯測量系統(tǒng)、各軸承油位監(jiān)測系統(tǒng)、發(fā)電機出口斷路器及發(fā)電機保護設備；開關站LCU監(jiān)控對象為220 kV GIS斷路器、隔離開關、接地刀閘母線PT、氣室壓力等一次設備，220 kV出線場電壓互感器、220 kV主變高壓側一次設備等；公用LCU 監(jiān)控對象為廠房直流系統(tǒng)、10 kV 廠用電系統(tǒng)、400 V 廠用電系統(tǒng)；壩區(qū)LCU監(jiān)控對象為10 kV壩用電系統(tǒng)、400 V壩用電系統(tǒng)；各輔機LCU和各閘門LCU單獨監(jiān)控各輔機和各閘門。

現地級控制單元采用“先采集處理后小匯聚再大匯聚”處理方式，即現場采集數據先在各現地控制單元進行處理，再經小匯聚然后大匯聚的方式上傳至機組LCU、開關站LCU、公用LCU、壩區(qū)LCU，再上送計算監(jiān)控系統(tǒng)上位機。

3.3 網絡通訊

鑒于光信號在傳輸過程中損耗小，數據傳輸穩(wěn)定、通信可靠性高、傳輸距離遠，具有傳輸過程中不受電磁干擾，抗干擾能力強等優(yōu)點，計算機監(jiān)控系統(tǒng)整個網絡使用光纖傳輸。具體網絡通訊方式如下。

（1）從計算機監(jiān)控系統(tǒng)站控級核心交換機分別敷設2 根光纜接入站控級控制單元的匯聚交換機，形成A、B網。

（2）站控級其他服務器使用網線與A、B 網核心交換機直接相接。

（3）各輔機LCU 使用雙路網線直接接入小匯聚交換機，然后從小匯聚交換機敷設2根光纜接入現地控制單元大匯聚交換機。具體是：①各機組調速器油壓裝置、技術供水、頂蓋排水，接入安裝在技術供水控制柜內的2臺1光6電小匯聚交換機，然后通過2根光纜接入機組現地控制單元內2光8電匯聚交換機匯聚后上送計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機。②廠房滲漏排水、廠房檢修排水、中低壓氣系統(tǒng)接入安裝在檢修排水控制柜內的2臺2光8電小匯聚交換機，然后通過2根光纜接入公用LCU匯聚交換機匯聚后上送計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機。③廠區(qū)滲漏排水和消力池滲漏排水系統(tǒng)分別通過2根光纜接入安裝在公用LCU柜內的2臺2光2電小匯聚交換機，然后通過雙路網線接入公用LCU柜匯聚交換機匯聚后上送計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機。④壩區(qū)5扇表孔閘門通過雙路網線接入安裝在3號表孔控制柜內的2光8電小匯聚交換機，然后通過2根光纜接入壩區(qū)LCU匯聚交換機匯聚后上送計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機。⑤壩區(qū)進水口閘門、2 扇泄洪沖沙底孔、大壩滲漏排水系統(tǒng)分別使用2根光纜接入安裝在壩區(qū)LCU柜內的4光4電小匯聚交換機，然后通過雙路網線接入壩區(qū)LCU匯聚交換機匯聚后上送計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機。

3.4 主機測點完善

由于各主機、輔機現地控制單元自成1個現地控制單元，不存在將輔機信號接入主機LCU進行監(jiān)視控制而占用主機LCU測點的情況，為主機監(jiān)測點完善創(chuàng)造了條件。

水輪機監(jiān)測點：（1）將水導軸承“油位高”和“油位低”、24個導葉剪斷銷各個信號全部上送機組LCU監(jiān)視；（2）將調速器油壓裝置油壓、水導軸承油位模擬量信號分別上送計算機監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)視。

發(fā)電機測點完善：（1）將發(fā)電機推力軸承、下導軸承、上導軸承，每個軸承“油位高”、“油位低”6個信號，以及12個制動器各個“投入”、“退出”24 個信號全部上送計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)視；（2）將推力軸承、下導軸承、上導軸承油位模擬量信號分別上送計算機監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)視。

水機保護優(yōu)化：（1）調速器油壓裝置事故低油壓、電氣115%過速保護、140%過速保護啟動源按照三取二配置，提高可靠性、減少誤動；（2）推力、上導、下導、水導軸承軸瓦溫度保護優(yōu)化為每一個軸承任意3 個測點同時溫度過高延時后停機；（3）優(yōu)化主軸密封水中斷保護同時取水量、水壓、機組開機3個條件判斷；（4）新增同一臺機組任意3個剪斷銷剪斷聯動停機并關閉進水快速事故閘門。

3.5 輔機設備監(jiān)控

按照水電站“無人值班、遠程集控”的要求，輔機設備全部新增遠方“啟動/停止”功能，現地模擬量、開關量、控制量信息全部接入上位機監(jiān)視和控制。

3.6 線纜敷設

計算機監(jiān)控系統(tǒng)結構改造后不需要從各現地控制單元再敷設電纜，只按照網絡通訊設計從各輔機控制單元敷設雙路網線或2根光纜至小匯聚交換機匯聚，然后再從小匯聚交換機敷設2根光纜接入對應機組LCU 或公用LCU、壩區(qū)LCU 匯聚交換機匯聚，實現把輔機所有的現地信號上送至計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機進行監(jiān)視和控制，敷設工作量大為減少、光纜數據傳輸效率高、可靠性高。

針對跨現地控制單元聯動的信號，在機組LCU與對應輔機LCU之間采用網絡MODBUS通信實現互取數據和控制。如機組LCU開機過程中通過下發(fā)控制令到技術供水LCU，技術供水LCU收到指令后進行相應隨機組啟停開啟或關閉技術供水。

4 應用情況

戈蘭灘水電站于2022年對電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的上位機、現地控制單元進行了全面改造，增加了遠程集控功能、網絡雙星型布置，完善了主機監(jiān)測點和輔機遠程控制功能，改造后設備投入運行穩(wěn)定，取得了良好的預期效果，且為其推廣使用積累了寶貴經驗、奠定了基礎。