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摘 要: 本文介绍了基于罗克韦尔系列自动化产品实现了一个水电站先进监控系统。结合某大型水电站的系统组建实例，详细阐述了系统的硬件及软件架构和实施注意事项。实际运行的结果证明：本系统利用罗克韦尔自动化产品，成功实现大中型水电站的无人监控、少人值班的高自动化水平，值得国内同行借鉴。 关键词: 罗克韦尔 监控 LCU PLC 主机 1 引言 目前国内大多数传统水电站监控系统一般采用仪表监控和计算机监控，在厂站端用微机远动装置RT U作为数据采集设备，电站仅仅作为数据采集与传输单元向调度中心发布信息，大部分监护和控制动作都需要手工完成，自动化水平低，能源消耗量大并且维护成本高。 随着电力系统自动化水平的提高，传统水电站监控系统已不能满足要求。电厂站除数据采集与向调度中心发布信息外，同时需实现图形、曲线、报表处理等能力。把工业计算机（IPC）用于电力系统厂站端的实时监控专家系统可以和RTU通讯，并将所得的数据信息加工处理成为用户需要的形式，实现水电站的实时监控。本文基于国内西南部某大型水电站的实例，提出了一套基于罗克韦尔自动化产品及系统的水电站实时监控系统。 2 水电站实时监控系统 本系统采用分层分布式开放型网络结构。系统分为三层，即厂级控制层和现地控制层和辅助设备控制层。上两层之间采用可靠的双网冗余快速以太网总线结构。系统结构如图1所示。
图1 水电站实时监控系统框图 2.1 厂级控制层 （1）主控计算机（专家处理机）两套，以互为热备用方式工作，完成计算机监控系统的管理。包括AGG/AVC计算和处理、数据库管理、在线及离线计算、图表曲线的生成、事故及故障信号的分析处理等。 （2）操作员工作站设两套，每套工作站带两个显示器（双屏），两台工作站互为热备用方式，一台用于监控，一台用于监视。当监控工作站因故退出时，监视工作站可自动或手动升为监控站。 （3）工程师兼培训工作站用于修改定值、增加和修改画面、系统维护、软件开发及远程诊断。还可以离线设置，仿真培训。 （4）历史数据兼打印报表计算机用于完成历史数据查询、报表打印等。 （5）通讯处理机完成与网调、省调EMS系统进行实时数据交换，与厂内其他系统（MIS系统、水情测报系统、五防机等）进行通讯。 （6）电话及语音报警计算机用于语音报警输出、电话语音查询、报警自动传呼等。 （7）其他设备包括GPS时钟系统、网络设备、不间断电源系统（UPS）、模拟屏、 模拟屏控制机、打印机等。 2.2 现场控制层 厂房内设有四套现地控制单元（LCU）。其中三套机组LCU（LCU1、LCU2、LCU3）用于对发电机组的数据采集和控制，LCU4则用于对电压开关站和公用设备的控制。各LCU分别完成各自监控对象 的数据采集及处理，并向网络传送数据，接受上位机的命令和管理。同时单个LCU具有独立的控制、调节和监视功能，配有键盘和监视器。当与上位机系统脱机时，仍可进行必要的控制调节和监视。现地控制单元（LCU）由工控机和PLC及远程I/O等设备组成。整个系统的主计算机、LCU及各辅助设备均通过罗克韦尔自动化的ControlNet网连接通信。各个LCU装备PLC-5/40C可编程控制器，I/O机架、通信模块、I/O模块及UPS等。各LCU通过A-B公司的1771-DB PLC Basic Module实现各个设备之间方便快捷的接口通信。 为方便操作人员在现场对设备的监视和操作，各个LCU配置了1776-TS时间顺序记录模块和A-B PanelView系列触摸屏，既方便现场事件的记录和分析，又提供了操作和监控的操作平台。 2.3 辅助设备控制层 本层包含了水泵控制箱、空气压缩机控制箱、防渗控制箱、通风控制箱、油压控制箱、旁路电源切换控制箱等九个小控制箱。所有这些辅助设备都直接挂在A-B DH-485工业局域网上。各个设备之间可独立运行，也可通过网络接受命令并进行相应处理。该局域网所有的主机和站点都可以共享辅助设备的信息，因此所有水泵、油泵、空压机、通风设备及旁路电源工作情况等信息都可以第一时间直观的显示在上层的主机监控画面上。 3 系统软件及实现功能 系统组态软件采用Rockwell的RSView32来完成数据采集、记录、操作监控等任务，并通过RSWebserver将图形和数据发给远程调度中心进行分析，同时系统软件自身采用专家数据库系统来进行分析和实时管理。系统软件模块组成如图2所示：
图2 系统软件模块组成 软件详细各个功能块如下： 3.1 监控画面功能 （1）电气主接线状态画面 画面显示电气主接线所有开关的状态，发电机出口的电气和励磁参数，主变压器高、低压侧的电气参数，高压线路出口的电气参数，母线的电气参数，厂用变压器的电气参数，电气主接线上所有开关的分、合闸操作按钮状态。主接线的运行状态和操作均在该画面上进行。当运行参数超出正常范围或开关跳闸时，相应的数值和开关颜色变化，语音设备报警。 （2）机组工艺系统状态画面 画面显示机组及其气、水、油等主要设备的状态参数，主要设备的操作按钮。当气、水、油等参数超出正常范围或设备故障时，相应的数值和设备图形颜色变化，语音设备报警。 （3）监控系统运行状态画面 画面显示监控系统继电保护、PLC和测量装置的工作状态和参数。 （4）电站所有需要监测的各种参数的实时和历史曲线图、棒型图画面。 （5）各种运行和管理报表及表格画面。 （6）电站的平面图、动画等显示。 3.2 远动功能 由监控系统的主工作站实现，并留有扩展能力。需要向电力系统调度机关传送和接收数据，实现调度机关对本电站的遥测、遥信、遥控和遥调，实时接收调度命令，向调度机关发送水电站实时运行工况、运行参数等信息。 3.3 数据采集和处理功能 3.3.1电站控制层 自动实时采集和处理来自各现地控制层及调度系统的数据。主要包括：机组、主变、母线、35KV线路、厂用电、调压井闸门及全厂公用系统的电气模拟量、非电气模拟量、脉冲量、开关量的采集，对这些数据进行处理，包括越限处理、报警处理及事故追忆处理，处理后的数据以一定的格式存入实时数据库，形成实时数据库和历史数据库，以备系统调用和随时查询，并对监视的模拟量、开关量、脉冲量进行统计分析计算（含变位、越限等）作为历史数据存入历史数据库，并作为报表输出的主要数据来源。当出现异常事件记录和出现事故时，计算机监控系统根据目前的情况自动作出处理。 3.3.2机组现地层LCU 自动实时采集和处理发电机、水轮机、励磁及调速装置、机组附属设备的电气模拟量、非电气模拟量、脉冲量、开关量，主要设备运行工况诊断处理，并以一定的格式存入实时数据库，对各类信息进行数据封装后存放在现地控制单元的存储单元中，并上传电站控制层。 （1）直接采集的信号 电气量：发电机定子电压、电流，励磁电流、电压、频率、有功功率、无功功率和功率因数等。 ·非电量：机组油、气、水系统的压力、压差、流量、液位、温度。 ·开关量：发电机断路器位置、继电保护电气事故信号、故障分类信号；励磁系统工作方式设置、灭磁开关位置、故障信号；调速器工作方式设置、故障信号；油压装置压力、油位信号；油泵运行方式、设置信号、运行状态信号；机组各温度信号、转速位置信号、导叶开度位置信号、接力器锁锭投切信号、制动闸块位置信号、制动气压位置信号、剪断销剪断信号、油槽油位信号；进水口阀门位置信号、机组冷却水信号；水机保护动作信号等。 ·脉冲量：发电机有功电能、无功电能等。 （2）通信采集的信号数据 机组各部位温度、测温电阻断线及装置故障，以及有关机组轴温温度信号和交换控制、状态和报警信息。励磁系统、调速器系统、同期系统、发电机及主变和线路微机保护装置的通讯。 3.4 综合参数统计、计算与分析功能 计算机监控系统根据实时采集到的数据进行周期、定时或召唤计算与分析，形成计算数据库与历史数据库，帮助运行人员对电厂设备的运行进行全面监视与综合管理，可及时发现故障征兆，提高机组运行的安全性。对现成的计算数据列出作为实时数据处理，存入相应的实时数据库和历史数据库，进行越限报警、启动相关处理程序等操作。 （1）温度量分析计算 LCU周期获得温度测量装置采集的温度数据，进行预处理，并作计算后将数据存入LCU数据库，实现全系统数据共享，可显示、制表打印。 ·温度最高值、最低值：温度画面的实时值现示和历史曲线现示; ·温度变化趋势分析：实时和历史变化曲线; ·温度越限追忆记录：历史变化曲线; ·正常值与实测值的比较分析：温度画面中温度现示值变色，正常温度为白色、报警温度为黄色、停机温度为红色。 （2）电量累积计算 计算机监控系统对全厂有功电度量、无功电度量进行周期分项分时累加，并存入数据库，供显示并制表打印。 ·单台发电机的发电有功、无功电量累加; ·单回送电线路的送电有、无功电量累加; ·全厂发电机总发电量累加，全厂线路总送电量累加; ·全厂总厂用电量累加。 （3）设备运行统计计算 对机组、断路器、机组油压装置等重要动力设备，以及间歇运行的辅助设备的运行工况（包括启动次数据、运行时间、间歇时间等）进行统计，对继电保护及自动装置动作情况进行统计。 3.5 定值管理功能 计算机监控系统对所有定值作统计，定值修改、变更情况统计，并存入数据库，以备查询。 3.6 生产报表功能 计算机监控系统进行电气量参数报表，非电气化量参数报表，温度、日发电量、厂用电量统计报表，生产综合统计报表等。 3.7 安全运行监视及事件报警功能 （1）主要设备安全运行实时监视 计算机监控系统可以使运行人员通过主机兼操作员工作站显示器屏幕对全厂主要设备运行状态和运行参数进行实时监视，包括状态变化监视、越限检查、过程监视、历史趋势分析和监控系统异常监视。 ·越限检查：主要针对主机定子电流、油温、冷却水压力、定子线圈和铁心的温度计及其它被监视参数，检查设备异常状态并发出报警。 ·过程监视：监视机组开停机条件、开停机进程、状态转换过程的顺序及转换时间等，并上送至电站控制层。监视机组各种运行工况的转换过程所需要的操作步骤，在发生过程阻滞时，显示阻滞原因，并由机组现地控制单元将机组转换到安全状态。（如开机、停机、冷却水状况等） ·趋势分析：分析机组运行参数的变化。（如机组轴承温度趋势监视、发电机温度变化趋势监视、机组电压和负荷变化、励磁电压和电流变化等） ·监控系统异常监视：对机组现地控制单元硬件、软件故障自动监视，报警并上送数据信息给电站控制层。实时监视监控系统本身的工作状况，通信状态等。 （2）事件报警 ·故障报警记录 计算机监控系统周期性扫描故障信号，故障发生时，立即响应并处理，同时记录故障发生时间（时、分、秒）、动作设备器件名称、事故内容等信息，并显示、打印故障报警语句，发出声光报警信号，按故障发生的先后次序排列，形成故障记录并存入数据库。故障记录表格为故障汇总记录表，可供值班人员查寻，并定时打印，也可召唤打印或显示。 ·参数越限、复限报警记录 计算机监控系统在设备运行参数超越其限值时，立即报警，越限值恢复正常值时，进行复限提示。参数越、复限时，记录发生时间（时、分、秒）、参数名称、参数值勤等信息，并显示打印故障报警语句，发出音响报警信号，形成全厂参数越看待线记录并存入数据库。 ·事件顺序检测 机组现地LCU自动检测本单元所监视的设备、继电保护和自动装置的动作情况，当发生状态变换时，对于事故信号自动产生中断，检测事件性质、发生时间，并顺序记录，上送电站控制层，计算机监控系统立即响应中为信号，同时记录事故发生时标（时、分、秒、）、动作设备器件名称、事故内容等信息，并显示、打印事故报警语句，发出声光报警信号，按事故发生的先后次序排列，形成事件记录并存入数据，可按设备进行搜索记录。 （3）事故追忆及相关量记录 水电站发生事故时，需对事故发生前后的某些重要参数进行追忆记录，以供运行人员事故分析。事故发生时，计算机将按顺序将事故报警信息、事故的名称及这些追忆数据保存于磁盘中，形成历史数据。并自动显示、打印这些数据。事故追忆的重要参数有：线路三相电流和电压（正常值和故障值）；主变的电流和温度（正常值和故障值）；发电机定子三相电流和电压（正常值和故障值）、机组推力轴瓦最高温度等。 （4）机组开、停机过程监视 机组开、停机时（命令发出），计算机监控系统自动推出相应机组的开、停机过程监视画面。画面包括：机组编号、自动/手动标记、开（停）机条件、用流程图表示的开（停）机步骤、每步操作的时间及总时间。实时显示全部开、停机过程中每一步骤及执行情况，并按设备实际动作状态自动改变步序框的颜色，以区分已操作、正在操作、待操作及操作受阻部位。并提示在开、停机过程受阻的受阻部位的原因，进行开环运行指导甚至闭环自动控制操作。 3.8 控制、操作与调节功能 根据电厂设备运行的情况和有关计算结果，按预定步骤远方及现地的控制命令对全厂设备的运行进行控制与调节。运行设备控制方式设置，自动/手动控制、远方/现地操作，均可在操作画面中点击实现，有功功率、无功功率调节以及机组开停机的控制操作也可在操作画面中点击实现。 4 问题点及注意事项 （1）设备的屏蔽 电子设备中某些元器件或电路中有电流流过时，其周围空间将建立磁场；同时，电路某一部分所存储的电荷，又在其周围建立磁场；电能与磁场的相互急剧转化将形成电磁干扰，这种电场与磁场，对设备本身来讲属于内生干扰，降低了设备的抗扰容限。严重时会使设备经常发生故障。为了将产生的电场或磁场限制在某一规定的空间范围内，或为了使设备或元器件不受外部电磁场的影响，系统实施时必须采用隔离屏蔽措施，其方法是将有关电路、元器件、或设备安装在铜、铝等低电阻材料或是磁性材料制成的屏蔽物内，不使电场和磁场穿透这些屏蔽物。屏蔽就是用金属导体，把被屏蔽的元件，组合件，电话线，信号线包围起来。这种方法对电容性耦合噪声抑制效果很好。最常见的就是用屏蔽双绞线连接模拟信号。 （2）软件的开发 利用Rsview32开发的过程中，尽可能的简化程序设计，同时要兼顾所有功能的实现，务必避免为追求完美而使得程序非常冗杂，降低运行效率。同时程序中一定要包含充分的错误捕获机制，以便出现问题时的及时诊断和处理。 5 结束语 本文基于罗克韦尔自动化的系列产品组建的水电站监控系统，实现了机组的无人监控、少人值班，提高了水电站的自动化水平和安全可靠性，减轻了运行人员的负担。系统提供一次接线图实时刷新显示，使值班人员对电器运行状况一目了然；实时数据表显示与打印功能使传统的、烦琐的手工抄表得以取代；事件顺序记录和事故追忆功能为分析事故原因带来方便；历史记录存档功能使厂站的生产运行情况有案可查；丰富的曲线功能为了解电气参数的变化规律提 供了客观依据；系统支持用户进行遥控和遥调。实际运行证明，本系统可达到大中型水电站的无人监控、少人值班的高自动化水平，减轻了操作人员工作强度，提高了电厂站运行的安全可靠性。 参考文献 [1] 白树忠，南新志.变水电站综合自动化实时数据库管理系统的研究与开发.电力系统及其自动化学报，2002，14（3）：43-46. [2] RSView32用户指南 [3] PLC-5使用手册 [4] 汤毅坚. 计算机局域网.北京：人民邮电出版社, 1989 | |
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