姜春文 徐可媛

(江山市碗窑电站，浙江 衢州 324100)

碗窑电站微机综合自动化改造探析

姜春文 徐可媛

(江山市碗窑电站，浙江 衢州 324100)

简要罗列了碗窑水电站常规的自动控制系统存在的问题，并从实用、经济、可靠的角度制定改造方案。对监控系统的结构，上位机功能，现地单元LCU的先进性、稳定性、便于维护等特点作了介绍，分析了监控系统数据通讯方式及优缺点，最后对改造的效果及运行中遇到的问题进行了探讨。该监控系统改造方案在同行中具有借鉴意义。

计算机监控系统；上位机；现地控制单元；数据采集存储

0 引言

碗窑水电站于1997年5月建成投产，总装机容量为2×6 300 kW，采用混流立轴式水轮发电机组，电站的主接线采用扩大单元接线方式。碗窑水电站自投产以来一直采用常规的自动控制系统，自动化水平低，运行维护复杂，备品备件难以采购，运行人员工作量大，造成电站运行存在严重的安全隐患。为保证电站的安全运行，提高电站的经济效益，江山市碗窑水库管理局于2011年决定对碗窑水电站实施微机综合自动化改造，实现水电站少人值班(无人值守)的运行方式。

1 存在问题

常规自动控制系统的逻辑顺序控制和调节规律主要由电磁式继电器等纯硬件实现，经过十几年的运行，设备老化，故障率增加。常规自动控制系统和计算机监控系统相比，在可靠性、稳定性以及水电站优化运行等方面性能均较低下。常规自动控制系统存在的问题主要有：

(1) 设备故障率增加，运行不稳定；

(2) 常规的老式继电器逐渐淘汰，备品备件难以采购；

(3) 继电保护每年的校验、维护工作量大；

(4) 设备大，保护屏柜占用空间大，接线多；

(5) 调节性能差，难以实现对水电站设备的自动调节及巡回检测；

(6) 电站与电力系统通信困难。

2 技改方案

根据国标《小型水电站技术改造规程》(SL193—97)和《水电厂计算机监控系统基本技术条件》(DL/T578—95)的规定，以及计算机在水电站监控系统中的作用及其与常规设备的关系，水电站采用的计算机监控系统主要有3类：

(1) 以计算机为基础的监控系统(CBSC)。此系统的主要监控功能均由计算机完成，常规的控制装置可以取消。但为了提高整个控制系统的可靠性，也可以保留一小部分现地操作控制设备作为特殊情况下的备用。

(2) 计算机辅助监控系统(CASC)。采用这种模式时，水电站的控制操作仍主要由常规的自动装置来完成，计算机监控系统主要实现运行监视、数据采集、数据处理、事件记录、打印制表和经济运行计算等功能。采用这种模式，运行中计算机监控部分即使发生故障，水电站仍能维持正常运行，只是部分功能暂时不能实现。这种模式对计算机监控系统的性能要求可以低些，因而投资也较低，比较容易实现。

(3) 计算机与常规装置双重监控系统(CCSC)。采用CCSC系统，水电站具有2套各自独立的监控系统，相互备用。由于设置2套各自独立的监控系统，因此其可靠性高，但价格偏贵。而且随着计算机监控技术的日趋成熟完善，使用2套各自独立的监控系统显得多余和浪费。

比较以上3种方案，综合考虑其各自的设备特点、投资成本、技改要达到的预期目的等，本次碗窑电站微机综合自动化改造工程采用了以计算机为基础的监控系统(CBSC)。

3 监控系统结构和特点

3.1 系统结构

本站的监控系统采用分层分布、开放式的可配置结构，以保证系统的互操纵性、可扩展性和可移植性。此系统以控制对象分散为主要特征，就水电站而言，控制对象主要是水轮发电机组、升压开关站、公用设备等。按控制对象为单元设置多套相应的装置，构成水电站的现地控制单元，完成控制对象的数据采集、机组等主要设备的控制/调节以及装置的数据通信等功能。碗窑电站2个机组现地控制单元分别用于对2台机组及其附属设备(调速器、励磁、蝶阀、开关、技术供水等)实施监控，1个公用(含开关站)现地控制单元用于对全厂的公用系统如油/气/水系统、厂用电系统、升压开关站等进行监测和控制。系统的总体结构如图1所示。

图1 碗窑电站计算机监控系统简图

3.2 系统特点

(1) 可使水电站受控设备的大量信息实现就地采集处理并完成控制任务，提高了信息处理的效率和实时性，避免了因向中控室传送大量信息而使电缆过多导致的一些不良后果。

(2) 受控设备可以独立完成其功能。当某一台受控设备的控制系统出现故障时，不影响全厂其他设备的正常工作；而当主控计算机出现故障时，虽说全厂的功能会受到影响，但子系统依然能够照常工作。

4 上位机硬件构成和功能[1]

(1) 本系统配有2台互为冗余的操作员工作站、1台通信工作站，2套机组LCU、1套公用LCU、数据服务器、不间断电源(UPS)、打印机等，上位机与PLC之间通过以太网交换数据，系统中的多功能表、调速器、温度巡检仪通过RS485口，以Modbus RTU协议与PLC通信。通讯工作站与GPS时钟进行对时，操作员工作站与通讯工作站进行对时，保证整个监控系统时标的统一性。操作员工作站配有音箱进行语音报警，且配1台打印机进行日常报表打印。通常情况下，在操作员主工作站上进行操作，当操作员主工作站故障时，操作员备工作站自动升为操作员主工作站，两站采用冗余主备[2]工作方式，任何一台发生故障时不会影响系统的正常工作。现地控制单元与主控站工控机脱离联系时，能通过一体化工控机或操作元件进行独立操作。

(2) 上位机的功能由上位机监控软件来实现，主要有控制、调节、数据采集存储管理、数据图形显示、事故故障处理、参数设置、事件记录、计算统计、数据通信、打印、自诊断等功能。

1) 控制。水电站计算机监控系统上位机监控软件可按设定的操作程序对水电站设备进行控制，如机组的开机控制、断路器的分合闸控制操作、调速器/励磁系统的控制，做到一个指令完成机组启动、并网或停机[3]。

2) 调节。当水轮发电机组完成开机并网后，机组的有功、无功调节模式将由操作员在上位机上选定，由操作员在上位机上设置好调节参数，通过数据通讯送至机组LCU，使水电站实现自动按给定的有功、无功功率进行调节运行，或自动按恒定功率因数运行，或自动按上游水位运行等。根据系统工况自动调整机组运行参数，实现电站经济运行[3]。

3) 数据采集存储管理。水电站计算机监控系统上位机能够将现地LCU自动采集的水电站的各种参数，按一定的时间间隔分类储存在计算机中，形成历史数据库，用于数据查询、报表打印输出等。水电站计算机监控系统采集的参数有模拟量参数和状态量参数2大类。

4) 事故故障处理。水电站计算机监控系统上位机在电站发生事故、故障时，能及时快速进行处理，并给出事故、故障信息，在上位机显示器上立即推出事故、故障提示信息，通知运行人员事故、故障发生位置。监控系统的上位机与现地控制单元LCU联合，快速准确地处理事故、故障，上位机自动将事故、故障发生的时间和有关数据记录下来，以便分析事故、故障。

5) 数据通信。水电站计算机监控系统上位机的数据通信包括监控系统的内部通信和监控系统的外部通信。内部通信指上位机与现地单元的通信；外部通信指上位机与电力系统的通信、与水电站信息管理系统的通信、与水库水情测报等其他计算机系统的通信，实现数据共享。

6) 自诊断[2]。水电站计算机监控系统上位机监控软件具有自诊断功能，能通过自诊断给出计算机监控系统硬件、软件故障信息，如通信故障情况等，便于运行人员快速查找、处理故障。

5 现地控制单元硬件构成和特点

(1) 水电站计算机监控系统机组LCU的硬件主要由可编程控制器、液晶显示触摸屏、智能交流电参数测量仪、微机自动准同期装置、温度巡检装置、通讯服务器、交/直流双供电、继电器、开关、按钮、指示灯、屏柜等设备、装置构成。

(2) 碗窑电站的现地控制单元可编程控制器使用施耐德BMXP342020 M340系列PLC，它是新一代软硬件自动化平台，集各种强劲功能和创新设计于一身，为复杂设备制造商和中小型项目提供各种自动化功能的最佳技术和高效、灵活、经济的解决方案。BMXP342020 M340系列PLC具有以下特点：

1) 先进性。CPU具有卓越的运算能力、超大内存以及独创的“即插即载”存储卡；CPU同时内置USB口和以太网、CANopen或Modbus；丰富的运动控制功能块库，为独立轴和主/从轴的位置控制系统提供了“即插即动”的解决方案；使用统一的Unity软件平台，程序可不受限制地从一种机型移植到另一种；模块化设计，结构紧凑，安装和扩展灵活，模块支持热插拔；超强稳定可靠性，远超国际标准。

2) 稳定可靠。100%符合国际标准和海事认证；抗振动可达3g(g=9.8 m/s2)，抗冲击可达30g；温度范围0～60 ℃，海拔高度达4 000 m；防辐射15 V/m，防静电8 kV。

3) 便于维护。内置8 MB SD卡，即插即载，无需备份电池；通过串行调制解调器(RTC、GSM/GPRS、Radio)或者ADSL链路，提供全方位的远程访问服务；内置Web服务器和标准网页，用户可自定义网页；支持热插拔功能，CPU对更换模块自动配置，便于维护。

6 监控系统数据通讯方式和优缺点[4]

(1) 水电站计算机监控系统的站内通信方式主要有点对点RS232串行通信、多级联RS485串行通信、LAN局域网(以太网)通信等。本次碗窑电站微机综合自动化改造工程采用的就是星形以太网结构，如图2所示。

图2 碗窑电站微机综合自动化改造工程采用的星形以太网结构

(2) 优点：1) 在星形以太网结构中，仅仅一个节点和其余所有的节点相连接，称这个节点为主节点(中心节点)，除了主节点外，其余所有节点均不相互连接；2) 所有节点来的信息都集中到主节点，信息交换由主节点集中进行，主节点具有中断交换信息的功能，它中断来自各节点的信息，并把集中到主节点的信息转发到相应的节点；3) 由于主节点与

其他各节点之间的链路是专用的，因此线路的传输效率高，便于程序信息研制和资源共享，通信也简单。

(3) 缺点：1) 若主节点出现故障，将产生广泛的影响；2) 这种网络通信线路不能共用，利用率低，一般适合小规模控制系统。

7 改造结果及运行中遇到的问题

(1) 经过3个月的努力，碗窑电站于2012年1月投入试运行，运行中遇到不间断电源损坏的小问题，其他都很稳定正常。技术改造后监控系统至今已经过2年多的稳定运行，实时性、可靠性、安全性、兼容性、可维修性、经济性等各项指标都达到了规定的技术标准要求及国家的有关规程规定。实践证实，本次技改达到了预期目的，实现了电站“少人值班”的目标。

(2) 运行中遇到的问题：原设计中配了1台5 kVA不间断电源，于2012年5月运行中出现损坏，原因是设计配置功率偏小。已改成2台5 kVA不间断电源，将原来的负载分成2路供给。

8 结语

碗窑电站微机综合自动化改造投资少、见效快，基本实现了电站“少人值班”的目标，使电站重新进入安全、可靠、稳定、高效的运行环境，同时也能为其他电站的技改提供参考、借鉴。

[1]浙江省水电管理中心.水电站运行与管理[M].浙江工商大学出版社，2011

[2]DL/T578—95 水电厂计算机监控系统基本技术条件[S]

[3]SDJ337—89 小型水轮发电站自动化设计规定(试行)[S]

[4]许建安.水电站自动化技术[M].中国水利水电出版社，2006

2014-06-16

姜春文(1972—)，男，浙江江山人，工程师，主要从事电站机电设备的运行管理、维护与安装等工作。

徐可媛(1974—)，女，浙江江山人，工程师，主要从事电站机电设备的运行管理、维护工作。