朱辰代施衝發言　（論文作者：王惠民 戎剛 劉林興）

　　（國網電力科學研究院/南瑞集團公司）

　　摘要：本文介紹了龍灘水電站計算機監控係統應用過程中技術特點、總結了技術優化方案，對類似特大型水電站計算機監控係統研製和調試有一定的借鑒作用。
關鍵詞：特大型水電廠; 監控係統; 應用技術;

　　1 工程概述

　　龍灘水電站位於廣西天峨縣境內，距天峨縣城15km。設計總裝機容量630萬kw，是目前國內已建和在建的僅次於三峽工程的特大型水電站。壩址以上流域麵積占紅水河流域麵積的71%。壩址多年平均流量1640m3/s，年均徑流量517億m3。工程按正常蓄水位400m設計，按初期蓄水位375m建設。相應初、後期蓄水位375m和400m水庫總庫容分別為162.1億m3和272.7億m3，有效庫容分別為111.5億m3和205.3億m3，水庫具有年調節和多年調節能力。電站地下式廠房內初期裝機7台，後期再裝2台，單機容量為700MW，電站年發電量分別為156.7億kW•h與187.1億kW•h，防洪庫容分別為50億m3和70億m3。龍灘水電站以500kV電壓等級接入電力係統，在係統中擔任調峰、調頻和事故備用。電站按無人值班(少人值守)設計，首台機投產時間為2007年5月。

　　主廠房為全地下廠房，9台水輪發電機組全部布置在左岸地下。中控室、計算機室、500kV係統繼電保護室、地麵220kV直流係統設備、通訊設備均布置在中控樓。

　　2 應用技術總結

2006年4月至9月，龍灘電站計算機監控係統進行廠內設計和調試；2007年2月至5月，配合龍灘電站首台機組投產，龍灘計算機監控係統與主機設備同步調試和投運。龍灘電廠監控係統有以下特點：機組容量大（單機容量700MW）、LCU單元多（全廠共9台機，22個LCU）、全廠監控測點多（累計達43902點）。針對以上特點，我們在龍灘計算機監控係統設計、調試和投遠過程中應用了有別於普通水電廠機組的關鍵技術，總結如下：

　　2.1 開出重漏選技術

　　監控係統控製輸出過程是：開出模件動作－開出繼電器動作－現場設備動作，如果因為PLC開出模件的故障而引起誤輸出的話將對現場設備造成誤動，嚴重的情況下甚至會對運行設備造成損壞。考慮到龍灘電廠在電網係統中的重要性，在龍灘電廠計算機監控係統設計初期，南瑞公司就考慮如何防止由於開出模件故障而引起的誤輸出動作。

　　龍灘電廠計算機監控係統每套LCU內均配置了南瑞公司的專利產品：DOP-1型開出保護技術。采用該技術後，在任意時刻，所有參加開出保護的開出點隻可以有一點動作,不參加保護的輸出點可以有多點同時動作.當參加保護的開出點未經允許有有2點或2點以上同時動作時,重漏選保護動作,參加開出保護的所有繼電器均不能動作,從而起到了開出保護作用。

　　DOP-1型輸出保護實際上是由信號檢測部分、邏輯比較判斷部分和繼電器輸出閉鎖部分組成，這些部分是由硬件電路構成，不受PLC的程序和開出模件狀態的影響。如果開出模件的信號輸出狀態不符合DOP-1型輸出保護設置的條件，則其內置的閉鎖繼電器將起作用，從而切斷開出中間繼電器的電源回路。一個完整的DOP-1型輸出保護回路由開出保護盒DOP-1和開出重漏選判斷盒DPS-1兩部分組成，其原理如圖1所示：

　　如圖1所示，DOP-1輸出保護設備檢測開出模件的開出動作信號，當檢測到隻有1個開出點動作時，認為開出合法，邏輯判斷回路輸出“ok”信號使得內部閉鎖繼電器JS勵磁動作，同時複歸“信號漏”和“信號重”。此時開出繼電器才有可能動作。

　　當DOP-1檢測到有2點或2點以上開出點同時動作的時候，認為開出不合法，複歸“ok”信號，切斷閉鎖繼電器JS，同時發出“信號重”，此時所有開出繼電器均不能動作。

　　當然單獨采用硬件上的DOP-1型輸出保護技術是不夠的，必須與PLC的控製程序結合起來才具有效果。首先必須作一個約定：PLC的開出信號必須是逐一輸出的，即參與輸出保護回路的所有開出測點中每次隻能有一點輸出，隻有這樣才符合DOP-1型設置的條件，否則一律作為非法輸出將其閉鎖。對於龍灘電廠監控係統而言，開關站，廠用電等LCU控製過程恰是這樣，即運行人員對開關站開關或刀閘進行控製時，一次隻對一個對象進行操作，隻有當這個對象操作完成後才會對下一個對象進行操作。而對於機組這樣需要多個開出點同時動作的控製設備，則是增加一個開出旁路功能，在需要有多個開出同時動作的情況下，通過開出旁路功能繞過開出保護閉鎖繼電器JS，在經過DOP-1型輸出保護的硬閉鎖和PLC控製程序中的控製使能軟閉鎖的雙重保護閉鎖下，一切非正常的輸出都無法啟動監控係統的控製輸出中間繼電器，使龍灘電廠現地控製單元的可靠性得到了真正的提高。

　　2.2 PLC與上位機通訊連接技術

　　龍灘電站僅機組就有9套LCU，每套機組LCU經統計，開關量有1718點，SOE有480點，模入點有375點，模出有20點，加上其他通訊相關的信息字，與上位機通訊的信箱的長度達到了817字，遠遠超過普通電站單台機組上送信息的長度，如此大量的數據需要在機組LCU/上位機和上位機/上位機之間進行傳遞，必須要求監控係統對以往的數據交換模式進行改進，提高速度，否則將會造成上位機數據刷新緩慢，影響監控係統的正常運行。

　　龍灘電站監控係統的NC2000采用Client/Server模式和媒體流相結合的方式，協同事件驅動機製，實現了特大型廠站/集控中心監控係統實時性和可靠性的完美統一。具體采用的技術有：

　　2.2.1 將與現場控製直接相關的數據（如：控製命令、事件信息等）采用經典的C/S模式進行處理，保障數據可靠到達目標節點，再通過數據分組技術，在Server端分發給注冊進程並行處理，提高實效性。

　　2.2.2 將數據同步等其它非直接控製類數據，采用媒體流方式進行處理，充分利用組播技術在網絡傳輸層的特性，減少節點增加造成的不必要網絡負載，避免數據重複傳播，實現一發多收的實時數據同步和可靠傳輸。

　　2.2.3 實時庫中所有數據類型，包括基本I/O量、PID、曲線、對象，當其特征值（如：測值、品質、投退標誌、各種限值等）發生變化或超越死區時，才主動觸發數據傳輸、數據處理和界麵刷新程序；其餘僅當全數據或初始化請求時，才觸發相應程序。采用這種事件驅動技術，可以將網絡流量和係統負載減少到最小，進一步提高係統實時性。

　　現地LCU作為監控係統的核心設備，巨型機組往往意味著有更大量的數據通信。然而由於PLC設備的局限性，其通信處理能力不會因為服務器端通信進程（線程）的增加而產生飛躍。提高PLC程序運行效率和響應速度，縮短CPU程序處理周期；利用PLC CPU串行處理的特性，實現通信請求一次批量處理，縮短通信處理周期；設計采用高效的通信協議，精簡周期性數據報文，觸發傳輸事件性報文，提高數據傳送效率。

　　通過上述措施，龍灘電站從根本上實現實時數據采集的快速安全可靠，為監控係統的安全運行打下了堅實的基礎。

　　2.3 獨立的測溫LCU配置

　　在水電廠計算機監控係統中溫度量測量及機組的溫度保護一直是非常重要的一個環節。龍灘電站計算機監控係統中測溫係統與常規的水電廠計算機監控係統相比又具有其特殊性，主要表現在溫度量測量的數目非常大，單台機需測量的溫度量點達到了640點，而普通300kW裝機容量的水電機組的單機溫度量測量一般隻有128點。溫度量測量數目的大大增加而同時必須保證溫度測量精度、刷新速率、抗幹擾性指標良好，這對測溫係統的設計提出了更高的要求。

　　龍灘電站機組測溫係統最初設計為機組主PLC一個遠程IO站，有4個獨立機櫃與主PLC機櫃放置在不同的高層，與主PLC間通過遠程IO 電纜相連。因為沒有獨立的CPU，所以溫度量處理程序和溫度保護判斷的程序作為主PLC程序的子程序運行，溫度量數據和主PLC采集的其餘IO數據及各類信息一起送至上位機。這種模式雖然可以滿足技術要求，但存在一定弊端，主要有：

　　1、主PLC係統較複雜，測溫遠程IO站是主PLC的第9個IO站，一旦前級IO網絡出問題都會影響測溫係統正常工作。與主PLC相連的是同軸電纜且距離較遠，在電廠較複雜的電氣環境下易受幹擾。

　　2、因程序在主PLC中運行，所以造成主PLC的CPU負載提高需程序上特殊處理，雖能滿足刷新速率≤5秒的要求，但整體所花費時間依然較長，需3、4秒才能刷新全部數據。

　　3、溫度量數據與其餘IO數據及各類信息一起送至上位機，而主PLC采集IO總點數很多，大量數據上送其所需時間較長。

　　4、作為主PLC的附屬係統一旦主PLC出現問題則不能運行，水機保護PLC在此情況下無法進行溫度保護停機，造成安全隱患。

　　5、隻有主PLC機櫃有現地顯示設備，測溫係統機櫃與主PLC機櫃不在相同高層，所以在現地無法查看溫度測值。

　　鑒於上述原因，龍灘電站測溫係統由原有的遠程IO模式改進為一套完全獨立的LCU係統模式，擁有獨立的CPU、網絡設備及觸摸屏，與上位機係統通過網絡直接通訊，溫度保護出口通過輸出節點送至主、備PLC。

　　改進後的不但解決了原有遠程IO模式的弊端，還具有下述優點：

　　1、與上位機係統直接通過光纖網絡通訊，抗幹擾性強。

　　2、與上位機係統交換數據量較少，數據上送較快。

　　3、將溫度處理程序從主PLC中分離出來可降低主PLC CPU的負荷率。可編製更複雜、完善的溫度處理程序，也可使溫度保護的邏輯判斷更複雜，合理，獨立運算的速度也高，可在1秒內完成所有數據刷新。從而提高整體係統的指標和可靠性。

　　4、獨立的測溫係統和主PLC沒有關聯，在主PLC出問題的情況下仍可正常工作，將溫度保護信號送至備用停機PLC，提高機組運行的安全性。
5、現地配置有觸摸屏，可在現地隨時查看溫度量測值。
改進後的龍灘電站機組溫度測量準確可靠，運行穩定，為龍灘電站機組的安全運行奠定了堅實的基礎。

　　2.4 新機組節點接入現有監控網絡的時機和方法：

龍灘電站共計有9台機組，除第一台機組外，其他機組的調試接入過程均是在現場有機組正常發電運行的情況下進行的，如何保證新機組節點平穩、安全和可靠的接入現有監控網絡是監控係統現場實時過程中要重點考慮的問題。

　　從電站控製方式出發，現行的監控係統控製方式為現地LCU接受電站級主控單元發令，如運行人員在上位機發出的開機，停機等命令。控製命令集中存放在上位機主機係統內，由運行人員在畫麵上點擊相應區域，在彈出的窗口中選擇控製命令並確認。在第一台機組進行調試時不存在點錯或誤發的情況，但在已有機組投產發電的情況下同時進行後續機組的安裝調試工作，如果工程人員失誤（如數據庫，畫麵做錯，將新機組的控製誤做在已投運機組上）或運行人員失誤（對新機組的試驗操作誤點擊了已投運機組的控製畫麵），均有可能誤操作已投運機組，造成不必要的損失。

　　從係統安全角度出發，在新機組的調試期間，不可避免的需要將調試用的便攜計算機機接入網絡、運行各種調試軟件、修改數據庫和程序，稍有不慎，就有可能導致病毒侵入或網絡異常，影響其它已投產設備的正常運行。

　　結合以上情況，龍灘電站在後續機組開始調試的初期，調試的機組LCU暫時不接入現有網絡係統，而是利用該機組LCU內原有的環網交換機組建一個小型網絡（若無環網交換機可為其單獨配置一個交換機）。將現場原有的其它可以暫時不用的機器（如培訓機或工程師站）從現有監控網絡中脫離，按照現有主機的係統設置方式重新進行配置，裝載監控係統上位機機現有的數據庫，模擬成監控係統的一台主機，將這台重新配置後的“臨時主機”接入新機組自己建立的小型網絡。該機組所有的其它調試用計算機也接入該小型網絡進行調試工作。調試期間所有上位機的修改測試工作（如數據庫修改，畫麵修改，畫麵控製連接）均在原有數據基礎上在這台臨時主機上完成，待機組測點基本對完，所有控製流程的模擬實驗全部完成後，再將臨時主機中的修改好的最新數據庫和畫麵導入當前監控係統主機，取消新機組自身的小型網絡，斷開原有環網係統，接入新機組LCU，測試無誤後恢複整個環網係統。此時運行的無論是上位機係統和LCU均是已在原小型網絡中調試過的，可以保證新加入的節點再整個係統中的安全無縫接入。

　　2.5 LCU間網絡互取數據代替硬接線及實施過程中的完善

　　龍灘電站每套機組LCU需要判斷相應主變高壓側的刀閘狀態等其他LCU的輸入信號,由於現場開關站係統離廠房機組較遠,故這些信號沒有送到機組隻送到了開關站LCU。機組LCU通過網絡互取數據的方式從開關站LCU獲取自身控製判斷需要的數據。這種方式為現場節約了大量電纜，當機組LCU控製過程中需要判斷這些信號時，通過現有的網絡讀取開關站LCU的共享數據區從而得到需要的數據。

　　值得注意的是，每套機組通過網絡從開關站LCU需要的數據並不相同，如果每套機組LCU的PLC在程序上都獨自通過網絡取自己需要的數據，這樣每套機組的程序都各不相同，在投運後期如果控製流程有改動，其已投運機組的改動維護工作會非常大，而且一不小心很容易出錯。所以在項目投運初期，就需要對所有的機組程序做統一考慮，即要求機組LCU程序除了IP地址不同以外，其它程序部分完全一致，這樣如果後續機組調試工作中有什麼改動，該程序隻做簡單修改既可替換已投運機組的程序。

　　為達到以上要求，在龍灘機組LCU的PLC程序中，在初始化程序中定義變量LCU_NO，通過該變量區分程序程序用在哪台機組上。在程序中如果有針對不同機組判斷條件不同的地方（如判斷開關站隔刀位置），根據LCU_NO的不同調用不同的語句，或語句相同但判斷條件根據LCU_NO確定。通過上述方式，可以保證所有的機組在投運完成後程序一致，隻是IP地址和LCU_NO不同，這樣大大降低了其它機組程序修改的難度和用戶現場維護人員的維護工作量。

　　2.6 數據采集和處理中的可靠性措施

　　為了加強龍灘電站計算機集控係統數據采集和處理的可靠性，除了常規外部信號硬接線輸入輸出回路外，還增加了多種其他信號的采集和處理模式，為係統的正常運行和事故分析提供了全麵的運行記錄和數據資料。主要有以下幾點：

　　2.6.1 所有的控製開出動作均有事件記錄和硬件輸入變位記錄

　　控製開出是監控係統對外部設備進行控製的基本手段，由於龍灘電站控製對象眾多，控製過程複雜，對每個控製開出均要有詳細的動作記錄。一旦設備操作過程中發生異常，這些記錄將極大的方便運行和維護人員檢查監控係統的控製過程，分析故障原因。

　　龍灘監控係統中對所有的控製開出均有2種記錄方式，一種為軟件方式，一種為硬件方式。軟件方式為對程序中的輸出寄存器進行監視，一旦發現輸出寄存器發生變位，立即產生事件記錄，該記錄以事件信文的方式立即上送上位機，做為一條事件記錄永久保存在上位機內。硬件方式為利用每個開出繼電器的一路常開節點作為返回節點，再接入監控係統的硬件開關量輸入點，一旦開出繼電器動作，相應的開關量輸入點可以采集到變位信息，由此記錄到開出繼電器的動作信號。

　　通過軟件和硬件結合的方式，所有監控係統發出的控製指令均可以準確無誤的記錄在係統內，隨時供運行和維護人員進行查詢。

　　2.6.2 水機保護PLC通過MB+網絡接入主PLC

　　龍灘電站采用PLC係統代替常規水機保護回路，稱為水機保護PLC。常規水機保護PLC做為獨立運行的設備，一般不接入監控係統，這樣一旦水機保護PLC發生動作或者發生故障，在監控係統沒有記錄，運行人員無從知曉，不利於設備的安全穩定運行。

　　龍灘電站水機保護PLC采用的施奈德公司的11303CPU,該CPU具有一個MB+通訊接口，通訊速率為1Mbps/秒，機組PLC采用的施奈德公司的UNITY 6716 CPU，該CPU也具備MB+通訊接口。在監控係統內部將兩種不同型號的CPU模件通過MB+網聯接在一起，主PLC實時采集水機保護PLC的信息，包括水機保護PLC的模件狀態，輸入/輸出測值等。這樣水機保護PLC內的所有信息均可以在監控係統內顯示和記錄，方便了運行人員及時了解水機保護PLC的運行狀況，一旦發生事故，也可以及時了解水機保護PLC在事故過程中的動作記錄。

　　2.6.3 實發功率測量采用變送器和交采兩路輸入，互為冗餘備用

　　為了保證龍灘電站實發功率測量的準確穩定，在監控係統每套機組LCU配備了美國ALSTOM公司的百超交采表和台灣祥正的功率變送器各一個，兩種表計的精度均為0.2級。

　　在監控係統內，對兩種表計采集的數據互為冗餘備用，實時監視這兩種數據的測值和品質，一旦某路測量輸入的數據發生異常，可以自動切換到另外一路采集數據，保證測量和功率調節的安全穩定，同時在監控係統報警輸出，提醒運行人員注意。

　　除了測量值異常自動切換外，龍灘電站的兩路功率信號輸入可以由運行人員根據需要進行手動切換，運行人員可根據實際情況對測量源進行選擇，完善電廠運行的需要。

　　2.6.4 有功/無功具備三種調節功能，均可以通過脈衝、通訊和模出方式進行調節。

　　監控係統對水輪機組的調節一般采用脈衝方式，在部分電廠也開始采用通訊方式進行調節。龍灘電廠功率調節共具備三種方式，分別是脈衝調節方式，通訊調節方式和模出調節方式。

　　脈衝方式是監控係統常規的功率調節方式，由監控係統根據當前負荷設定值和實發值進行比較和運算，通過功率增、減輸出繼電器將調節指令發送到相應的調節機構（調速器、勵磁係統），由調節機構響應動作調整負荷。這種調節方式的優點是安全，可靠，但精度和速度稍有不足。

　　通訊方式下監控係統將運行人員或AGC/AVC設定的負荷設定值通過通訊的方式，將數據打包，按照約定的通訊規約將設定值發送給相應的調節機構（調速器、勵磁係統），調節機構收到設定值後根據自身采集到的數據和設定值進行比較後直接進行閉環調節，由於調節和測量均在調節機構自身內完成，這種小閉環的調節方式具備速度快，精度高的優點，但要求調節機構具備相應的通訊接口並且自身具備實發功率測量元件。

　　模出方式下監控係統將運行人員或AGC/AVC設定的負荷設定值通過模擬量輸出的方式，將設定值按照一定的轉換算法轉換成模擬量輸出4～20mA信號發送給相應的調節機構（調速器、勵磁係統），調節機構收到設定值後根據自身采集到的數據和設定值進行比較後直接進行閉環調節。這種調節方式的優點同通訊調節方式，但要求調節機構具備相應的模擬量輸入采集接口並且自身具備實發功率測量元件。
龍灘電站具備上述三種功率調節方式，並且可以在三種方式之間自由選擇和切換，切換過程負荷穩定，沒有波動，任何一種方式下調節出現故障均可以切換到其他方式，保證了負荷的穩定輸出。

　　3 總結

　　龍灘工程是繼長江三峽水電站工程之後中國目前在建的最大的水電站工程，2007年5月，龍灘首台機組投產，由南京南瑞集團公司負責研製的龍灘水電站計算機監控係統也成功同步投運。截至2008年10月，龍灘現場共有5台機組投入商業運行, 實現投產發電後連續安全生產500天，計算機監控係統穩定高效運行，為電廠安全生產提供了堅強技術保障。實踐證明上述技術和方案在龍灘電廠應用是成功的，為其他巨型機組水電廠監控係統實施提供了借鑒經驗。

　　參考文獻

　　[1] 汪軍， 鄭東梅，方輝欽。第3代水電廠監控係統及其在水口電廠的應用[J].水電自動化與大壩監測,2004,28(2):13-16

　　[2] 王惠民 芮 鈞，龍灘水電站計算機監控係統. 第一屆水力發電技術國際會議論文

　　[3] 王惠民，特大型水力發電廠控製係統現場調試. 水電廠自動化,2007,4:18-24



　　作者簡介：

　　王惠民，男，1968年生，高級工程師，從事水電站計算機監控係統研究和工程管理工作。

　　戎剛，男，1977年生，工程師，從事水電站計算機監控係統研究和工程管理工作。

　　劉林興，男，1979年生，工程師，從事水電站計算機監控係統研究和工程管理工作。