水布垭电站计算机监控系统总体设计（宋远超,黄天东）

时间：2021-01-14 08:08:35　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘要: 水布垭电站计算机监控系统在硬件配置和设备选型上采用了计算机领域的先进技术及产品，数据库服务器选用SUN公司的UltraSPARC-IIIi产品，其它工作站选用SUN公司的Ultra45产品。网络交换机选用具有高可靠性的赫斯曼公司的工业级以太网交换机。现地控制单元PLC采用施耐德公司的Modicon TSX Quantum系列产品。电站首台机组将于2007年7月1日并网发电，计算机监控系统作为电站自动化系统的核心，系统设计的好坏，对水布垭电站的安全稳定运行起着十分关键的作用。

关键词: 计算机监控;系统设计;系统结构;硬件配置;水布垭水利枢纽

中图分类号: TP273 文献标识码: A

1 工程概况

水布垭水利枢纽主要由混凝土面板堆石坝、引水发电建筑物、泄洪建筑物等组成。电站引水发电建筑物包括:引水渠、进水口、引水隧道、地下主厂房、500kV变电所及母线竖井、尾水洞、尾水渠、交通洞、通风洞及母线洞和厂外排水洞等。地下厂房安装4台水轮发电机，单机额定容量为400MW，总装机容量1600MW。

电站主体工程已于2002年10月截流，机组尾水管底板于2005年1月开始浇筑。第1台机组计划于2007年7月1日并网发电，以后每间隔6个月投运1台，于2009年1月全部机组并网发电，工程于2009年6月竣工。

2 设计原则

水布垭电站计算机监控系统的设计遵循以下原则:

（1）按“无人值班”（少人值守）的原则进行设计和配置，采用全计算机控制，不设常规布线逻辑控制设备。

（2）系统结构采用分层分布式模块化冗余结构，以保证系统中任何局部设备的故障不影响监控系统总体功能的实现。

（3）系统的配置和设备选型符合计算机技术迅速发展的特点，充分利用计算机领域的先进技术。软硬件均采用模块化结构，使之具有良好的开放性和可扩展性，便于实现系统功能及硬件设备的扩充，更好地实现运行管理智能化。系统还应具有高度的可靠性、实时性和实用性，使其技术性能达到国内先进水平。

（4）电站自动化系统应满足清江梯级调度和华中网调的实时监控功能。

（5）计算机监控系统的人机接口功能强、界面友好、操作维护方便，适合现场运行操作习惯。

3 系统监控对象

（1）4台套水轮发电机组等设备，每台套设备主要包括:①机组进水口快速闸门;②发电机及辅助设备;③水轮机及辅助设备;④主变压器及辅助设备;⑤主变高压侧4个断路器、隔离开关及接地开关设备;⑥机组出线2个断路器。

（2）500kV开关站设备，主要包括:①2回500kV出线;②2段500kV母线;③4套500kV断路器、隔离开关及接地开关设备;④2套500kV出线隔离开关及接地开关设备;⑤2套母联隔离开关及接地开关设备。

（3）10kV及0.4kV厂用电系统，包括:①厂内10kV系统配电设备;②1、2号机组用电0.4kV配电设备;③3、4号机组用电0.4kV配电设备;④1号厂内公用及照明用电0.4kV配电设备;⑤2号厂内公用及照明用电0.4kV配电设备;⑥500kV变电所10kV负荷开关柜及0.4kV配电设备;⑦进水口10kV负荷开关柜及0.4kV配电设备。

（4）辅助设备系统，包括:①机组检修排水系统;②厂房渗漏排水系统;③低压空压机系统;④中压空压机系统;⑤厂外排水系统;⑥电站暖通空调系统。

4 系统结构

4.1 分布式结构

为了提高系统的实时性及可靠性，系统采用全分布式体系结构，即功能分布和分布式数据库系统。整个系统分成厂站层和现地控制单元两层。全厂数据库和历史数据库分布在厂站计算机中，各单元数据库分布在各个LCU中，系统各功能分布在系统的各个节点上，每个节点严格执行指定的任务并通过系统网络与其它节点进行通讯。

4.2 网络结构

水布垭计算机监控系统网络采用单层网络结构配置方案，监控系统的所有节点（包括上位机、现地控制单元等）均连接至同一个网络上。为提高系统可靠性，该网络采用双冗余交换式以太网总线结构或双冗余以太环网结构，采用TCP/IP协议，遵循IEEE802.3标准，传输速率不低于100Mbps，传输介质采用光纤及双绞线。

在LCU以下将采用现场总线用以连接远程I/O及现地智能监测设备。现场总线采用开放、通用的协议;传输介质采用光纤。为了提高系统的可利用率，现场总线采用双冗余结构。传输速率不小于1.5Mbps。

4.3 LCU结构

现地控制单元采用主备冗余控制器结构，每个控制器配置有独立的CPU模块、电源模块和双以太网模块，I/O模板机架设置有独立的双电源。控制器、本地I/O及远程I/O设备之间通过冗余现场总线连接。

对于机组LCU1～LCU4，为了确保机组事故时能够自动、安全、可靠停机，在设计时对一些重要的操作（如紧急停机、关进水口闸门、投高压油、投机械制动、跳灭磁开关、跳厂用开关等）采取双输出通道，而且将2个输出通道分布在2个不同的模块上，以免单个模块或通道故障影响机组紧急停机。此外，机组LCU还保留了必要的简化水机后备保护常规布线逻辑回路，以用于计算机设备故障时机组紧急事故后备停机。此外，当机组出现紧急事故时，运行人员还可通过设在中控室模拟屏上或单元控制室控制盘上的紧急停机.关进水口闸门按钮进行人工干预紧急停机，以确保机组的安全。

4.4 远程I/O结构

根据现场设备的布置情况，同时从考虑节省电缆和尽量减少电缆敷设工作量出发，本电站监控系统的机组测温、厂用电0.4kV系统广泛采用了远程I/O结构。远程I/O柜均靠近设备布置。

5 硬件配置

5.1 硬件平台选择

为了提高系统的可维护性和可利用率，减少人员培训费用和系统维护费用，便于调试及运行人员掌握系统，整个系统尽量采用相同的硬件平台，并且要求满足机组能够分期投运的要求。

为了满足系统实时性要求和保证系统具有良好的开放性，硬件平台最大限度地采用现在流行的且严格遵守当今工业标准的产品，以便为应用开发提供最大的灵活性和使系统能够方便地升级，从而达到保护用户对系统初期投资的目的。

为了避免监控系统受到来自电站内外不同电磁干扰源的影响，监控系统网络（中控室及机房之间网络除外）传输介质全部采用光缆。

5.2 厂站层设备配置

水布垭电站计算机监控系统厂站层配置有如下设备:

（1）2台套数据服务器及外围设备;

（2）2台套操作员工作站;

（3）1台套工程师站;

（4）2台套网关工作站;

（5）1台套通讯工作站;

（6）1台套历史数据库及报表站;

（7）1套GPS时钟装置;

（8）1套模拟屏驱动装置及模拟屏;

（9）1台彩色激光打印机和2台黑白激光打印机;

（10）2套冗余的网络设备;

（11）4台便携式计算机;

（12）2套UPS，用于为厂站层设备供电。

5.3 现地控制单元（LCU）配置

本电站监控系统共配置有7套现地控制单元，具体包括:

（1）4套机组LCU（LCU1～LCU4）。机组LCU的监视和控制对象为水轮发电机组、励磁系统、调速系统、发变组保护系统、主变冷却系统、主变高压侧断路器及机组出口断路器等。

（2）1套开关站LCU（LCU5）。LCU5的监视和控制对象为开关站GIS设备，2回出线及2个分断隔离刀闸，开关站变电所10kV负荷开关及0.4kV配电设备，进水口变电所10kV负荷开关及0.4kV配电设备。

（3）1套厂用电LCU（LCU6）。LCU6的监视和控制对象为10kV厂用电设备、1～2号0.4kV机组用电设备、1号0.4kV公用电设备和地下厂房直流电源设备。

（4）1套辅助设备LCU（LCU7）。LCU7的监视和控制对象为厂内检修排水系统、渗漏排水系统、低压空压机系统、中压空压机系统、微正压低压空压系统等。

6 系统功能

水布垭电站计算机监控系统的功能主要是实现整个电站的集中监视和控制、记录和管理以及系统的远方监控，其主要功能简述如下。

（1）数据采集和处理功能。主控级数据采集具有从各现地控制单元和外部数据链路采集实时数据的能力，完成数据库的刷新，并对采集来的数据进行分析、处理、计算，形成主控级监控及管理所需的数据。现地控制单元能自动采集本LCU模拟量输入、数字量输入、事件顺序记录点等实时数据。

（2）人机接口功能。运行人员能通过人机接口设备监视、控制和管理电站运行设备，允许维护人员维护和配置计算机监控系统，具体内容如下:①CRT显示功能。包括各类画面、趋势曲线、棒图的显示;事故、故障或不正常状态记录的显示;报表显示;实时数据库、历史数据库的显示。②打印记录功能。按召唤方式控制打印机，打印各类记录、报表或完成画面拷贝功能。③操作功能。包括各类操作控制命令的设定、操作员安全级别的设定、操作员工作站控制范围的设定、系统配置操作等。现地控制单元可通过便携式工作站的人机接口功能完成对本LCU所属设备的相关操作和处理。

（3）控制与调节功能。水布垭电站计算机监控系统具有以下控制与调节功能:①电站控制调节方式的设定。电站控制调节方式的设定包括电站所处控制层的设定、电站所处调节层的设定、机组所处控制层的设定和机组所处控制方式的设定。电站所处控制层可设定为现地控制层、厂站控制层、梯调控制层;电站所处调节方式可设定为厂站调节方式和梯调调节方式;机组所处控制层可设定为:现地或远方;机组所处控制方式可设定为单控或联控方式。运行人员可以通过监控系统的人机接口设备进行设定。②现地单元的控制和调节。不论现地控制单元处于现地或远方控制方式，均具有以下控制和调节功能:机组开.停机顺序控制、事故.紧急停机控制;对断路器、隔离刀闸、进水口闸门等单个具有ON.OFF操作的设备进行控制。机组转速.有功功率、电压.无功功率的设点控制。③自动发电控制（AGC）。电站内处于联控状态的机组可以按照下列给定方式之一自动调整功率:按梯调或网调给定的日负荷曲线调整功率;按梯调或网调给定的AGC设定值调整功率;按电站运行人员给定的电站有功设定值调整功率。④自动电压控制（AVC）。电站内处于联控状态的机组可以按照梯调或网调或电站运行人员给定的全厂无功设定值或高压母线电压设定值自动调整机组无功，维持母线电压。

（4）通信功能。本监控系统留有与梯调进行通信的外部数据链路，以及与清江公司MIS系统、水布垭自备电站计算机监控系统的通信接口。本系统通过以太网实现与清江梯调的通讯接口，通过GR90远动装置实现与华中网调间的数据通信。

7 系统特点

水布垭电站计算机监控系统采用南京南瑞集团公司专为水电站自动控制开发的标准化开放系统—NC2000系统，该系统在国内拥有丰富的业绩。

水布垭电站计算机监控系统软件平台采用UNIX操作系统与Windows2000操作系统结合使用的方式，系统中所有服务器及工作站采用Sun Solaris作为软件操作平台，使系统具有运行稳定、抗干扰能力强、数据处理速度快的特点;系统中所有PC机采用Windows2000作为软件操作平台，使系统具有良好、灵活的操作界面，并便于第3方软件嵌入。

水布垭电站计算机监控系统在硬件配置和设备选型上采用了计算机领域的先进技术及产品，数据库服务器选用SUN公司的UltraSPARC-IIIi产品，其它工作站选用SUN公司的Ultra45产品。网络交换机选用具有高可靠性的赫斯曼公司的工业级以太网交换机。现地控制单元PLC采用施耐德公司的Modicon TSX Quantum系列产品。

8 结语

本文简要介绍水布垭电站计算机监控系统的总体设计思想、系统结构、系统功能和硬件配置，本系统现已进入现场安装调试阶段，并将随着首批机组的投产发电而投运，其设计及相关功能还有待现场运行的考验。以期本文对同行业人员有所借鉴或帮助。

作者简介: 宋远超，男，长江水利委员会设计院机电处，高级工程师。

来源：《人民长江》2007年第7期

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