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无人值班水电站计算机监控系统技术探讨

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2008/5/4 15:58:25   

  所属频道:  水力发电    关键词:  计算机 计算 电站

摘要:介绍了我国“无人值班”(少人值守)水电站计算机监控系统的现状、特点及发展趋势,总结十多年来所取得的经验,重点探讨了新建电厂监控系统设计及老电厂监控系统升级改造的方案选择、技术重点、体系结构、工程实施中所应注意的主要问题。

关键词:无人值班水电站监控系统

1引言

计算机监控系统是水电厂运行管理的眼睛,是电厂安全生产的前提和保证,它具有复杂、涉及面广和科技含量高的特点。自20世纪90年代中期,推行水电厂实现“无人值班”(少人值守)工作以来,我国大多数水电厂对主设备进行了大量的技术改造工作。机组的辅助设备,采用微机调速器和微机励磁系统,机组控制采用计算机监控系统,以及一些附属设备采用PLC控制,机组启、停等自动化程度上升到一个新的台阶,不仅促进水电厂技术水平的提高,同时也是促进水电厂管理模式和管理水平的根本性转变和提高。可以说计算机监控系统已成为水电厂保证生产运行的重要组成部分。

随着技术的发展,近十多年来对水电厂计算机监控系统的要求、需求与认识,在快速地变化,特别是对在电网中占据重要地位的大中型水电厂及梯级流域水电厂的计算机监控系统提出了更高的要求。同时,广大偏远地区中小型水电站因管理、技术支撑、现代通信技术的普及发展,也对“无人值班”(少人值守)提出了需求和可能。为达成此目的,探讨新型水电厂计算机监控系统的设计、改造思路。

2水电厂计算机监控系统的设计改造思路

分析我国水电厂计算机监控系统多年的发展经验,可以看出:水电厂的综合自动化工程是一个复杂的系统工程,要结合厂情和国情,少花钱,多办事。坚持以实用为本,不过分追求高、新、尖,因为计算机等自动化设备更新周期短,实施时要考虑性能价格比。方案设计考虑实用功能,系统结构上考虑安全、可靠的接入扩展需求即可,否则就会浪费大量财力和物力。

在监控系统设计中,必须从基础自动化元件、辅助设备的自动化水平、机组现地控制的最优结构、厂级计算机监控系统、公用开关站的监控、安全稳定保护装置、电能计量系统、电站机电设备状态监测、水情水调信息、厂级生产管理系统、辅助决策系统、各级调度系统的通信、梯级及远方控制模式等多个角度考虑,而不能仅仅限于以综合发电控制为主的监控系统。

具备远方控制调节能力是大中型水电厂计算机监控系统的最基本要求,对中小型水电站也提供了越来越多的可能性。要实现水电厂“无人值班”(少人值守),必须要由水电厂计算机监控系统代替操作员来实现电厂内的控制调节操作。这首先要具备良好的通道和规约,保证控制命令的可靠发收及正确的执行,在执行远方操作的过程中要保证安全,出现异常时应能回到安全的步骤,如命令的起始点或某一个安全稳定的状态,以便保证下次执行时能正确启动或继续执行余下的顺控流程,要以某种约定好的方式,使上级调度能对电厂的机组情况一目了然,并能据此放心地发布远方控制命令。实现多媒体应用功能是提高计算机监控系统操作性,辅助维护决策的良好工具。

监控系统系统的实施,特别是监控系统升级改造中要注意前期准备工作,统筹规划,条件成熟,立即动工,一气呵成,确保工期短、见效快。在新建电厂的设计中,最好直接选择较高起点、成熟的监控系统思路,避免多次重复改造。运行维护中要严格管理,加强职工的技能培训,建设一个高素质的职工队伍,才能保证现代化设备的安全稳定运行。

国内计算机监控系统经过几代人的努力,经过水电厂“无人值班”(少人值守)工作的推广,已经成为成熟的系统,可以与国外计算机监控系统相媲美。从硬件方面来看,无论是国产监控系统还是进口监控系统,其上位机硬件都是选用世界上知名计算机厂家的产品,现地控制单元硬件均选用世界知名智能测控模件厂商或国内同等技术性能指标的智能可编程控制器厂商的产品。从软件来看,主站大都是以UNIX、Windows为操作系统,C语言为编程语言,数据库、软件功能各有优势。

选用国产计算机监控系统具有以下优点:一是合同执行对使用方有利,可以局部增加合同中没有的功能。二是调试维护方便。三是投运几年后扩展功能。修改程序方便。上述优点对于进口计算机监控系统来说,就是缺点了。

3我国水电站计算机监控系统技术发展

我国水电站监控自动化技术从上世纪70年代末开始有较明显的起步,80年代在国内葛州坝等试点水电站进行进口水电站监控系统的消化吸收和国产监控系统的研制、开发并应用到实际运行中。90年代是国产水电站计算机监控系统及电厂自动化技术快速发展的重要阶段。经过近十年的科研投入,有自主知识产权的国产化水电站计算机监控系统进入稳定成熟的应用推广期,如南瑞自控公司研制的SSJ-3000系统计算机监控系统在全国上百个水电站得到推广和应用,技术水平接近或达到国外同类产品的技术水平。进入本世纪以来,国产水电站计算机监控系统日趋成熟,在与国外同类产品大公司的竞争中已具有了明显的优势,主要表现在:

(1)计算机监控系统在水电站得到了广泛应用,经常开、停机的一些常见性误操作事件避免了;

(2)带动了主要设备的技术改造工作,设备健康状况得到很大的提高;

(3)“无人值班”(少人值守)工作的贯彻与推广得到了技术支撑,取得成功经验,获得广泛认可,在减少机组运行人员、机组可用率、开停机执行时间、经济运行效率等方面显著提高。

(4)水电站的安全记录普遍有了极大的增长,甚至创造多年以上无事故的长周期安全记录;

(5)为水电站生活基地迁移到城市或新建电站一开始就将生活基地建设在城市创造了条件;

(6)厂内平时人员少,环境卫生也好,免除了意外的一些鼠、蛇等灾害;

(7)在管理工作上也有了很大的进步和提高;

(8)为电网提高周波合格率提供了有力的支持;

(9)为电网电力联络线输送功率进行自动调节,免除了调度人员的监盘之苦。

据不完全统计,国内水电厂计算机监控系统寿命平均8年左右。短的5年,长的12年。所以电厂在购置新计算机监控系统时,要考虑其使用年限,从而作好备件购置计划。特别是上位机的备件要充足。因为计算机发展太快,购置上位机时,它当时还是市场上的主流产品,几年后就会淘汰,停止生产,甚至5年后就很难买到类似产品了。因此,在确定水电厂计算机监控系统升级改造时,必须考虑现有系统已投运使用时间、实际应用需要、技术方案和配置备份等一系列问题。

4大中型水电厂计算机监控系统设计改造原则

根据监控系统的需求分析,大中型水电厂计算机监控系统的设计改造,应该从四个层次、三个接口、两个界面来考虑。

四个层次即:现场自动化元件层、现地控制装置及辅机控制装置层、厂级计算机设备层、梯级及调度层。

三个接口即:现地控制单元的现场总线与通信接口模式、厂级计算机安全隔离信息交换接口、梯级或调度控制的信息交换接口。

两个界面即:现地控制单元的简单操作型人机界面、厂站级丰富人机界面。

据此确定监控系统设计的基本技术原则:

4.1系统结构先进

现场控制网及现场控制层结构满足机组分期分批投产的需要,机组LCU在投运后的相当长时间内仍处于世界先进水平,现场监控设备应具备非常高的可靠性、可用性、可维护性、可扩展性,数据精度及事件响应指标均满足目前电力系统的规定,并能达到电厂实际安全生产的要求,同时,现地控制单元的各部分设计均采用全开放式结构,以便日后随着计算机及网络技术的发展而同步发展[文献1]

4.2监控网络可靠

机组LCU网络传输介质应设计留有足够的数据传送带宽,并采用双网冗余,以保障机组LCU在大量突发事件产生后,仍能准确、完整地将事件送到操作员工作站、应用程序工作站处理以及送历史数据站归档。

4.3设备故障风险分散

机组LCU及下属各子单元在主控级计算机故障或通信中断后,能自动切换至现地控制,独立完成对所属设备的自动监视控制,保证设备的安全运行。并允许操作人员在现场通过各子单元对其所属设备进行操作、运行监视、在线维护甚至事故处理。

4.4减少误操作风险

对于重要设备的操作,应在流程中加入必要判断逻辑,闭锁非正常操作,并要求在操作执行前予以确认。接入机组LCU重要信号应可靠接地、屏蔽、连接牢固,并在数据库中对这些测点分类单独管理,流程中主要以该类测点为信任对象。

4.5取消常规操作

提升电站的自动化程度,增强系统控制的准确性,减少维护工作量。

4.6作为其他控制系统的后备保护

机组LCU不取代保护、励磁、调速器、主变等智能单元进行控制,但需参与故障的预测和报警,必要时与这些单元构成必要的冗余保护,并与之建立通信,以获取对侧CPU内的系统信息,进行数据、状态及信息交换。

4.7可靠的供电系统

监控系统电源冗余接线配置。监控系统上位机主备设备电源原则从两台互备UPS设备供电。逆变电源为交流市电和直流两种供电模式,或双直流供电模式。逆变电源的交流市电从电站公用400V不同的母线段接取,直流电从直流一段母线和二段母线分别接取。

4.8监控系统与机组附助设备和外部系统通讯

4.9人机接口功能

电站的运行人员可通过丰富的人机接口设备――操作员站、模拟屏、大屏幕设备、监测终端。触摸屏、语音/电话报警设备、工业电视设备及报表管理机等电厂设备进行全方位的监视、控制和管理、维护人员可通过工程师工作站、移动式工作站等进行很方便的维护和管理。

5实现方案

为满足新一代监控系统的需要和当前技术发展,配置更完善实用的新系统,系统设计时合理选择监控系统的若干重要指标,如各级计算机CPU的负载率,各种通道传输的负载率及信文排队长度,对于信号异常或其他各种异常的容错能力。对于顺序控制等控制操作出现异常的自恢复能力,等等。力图避免过高的负载率及各种异常事件导致监控系统死机或无休止的内部循环,保证控制的实时性和可靠性以及计算机系统的少维护或免维护特性。

系统宜采用全分布开放式冗余结构,以分散监视、集中控制为原则,突破了安全性和冗余性,确保机组安全可靠运行。

在现地控制层,采用智能化可编程控制器,以双CPU双网的结构,直接接入监控系统实时数据网。现地单元提供实用的人机操作界面,方便在现地单机独立运行、现地操作及其它情况下的监视和控制。智能的通信管理单元提供多种辅助控制设备监控信息的接入,构成现地的数据网。为了有效的设计和维护现地控制单元,对围绕机组的外围辅助控制装置应尽可能采用系列设备;因实施时间先后而可能出现的不是一个系列的设备,可确立统一化的时间表或接口标准化的指导原则。现地控制单元是整个监控系统的基石,因此衡量实现方案好坏的重要指标就是:冗余可靠性、简单易操作性及易维护性。

厂站级计算机监控系统的硬件设备对大中型水电厂都选用小型计算机或高档工作站级为主机或操作站,足够带宽的双网结构还要考虑网络维护、千兆网的接口、实际应用中需具备的相应协议等。上位机一般功能及现地运行模式近十年来已基本趋于成熟。在实际中重点应关注监控系统的安全可靠的可扩展接入模式、高级应用软件、梯级或调度远方控制模式三个方面。

根据《电网与电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定》,遵循《全国电力二次系统安全防护总体方案》的技术要求,即针对安全区Ⅰ(实时控制区)、安全区Ⅱ(非控制生产区)、安全区Ⅲ(生产管理区)和安全区Ⅳ(管理信息区)的系统执行如下的隔离要求:

(1)安全区Ⅰ与安全区Ⅱ之间采用硬件防火墙或相当设备进行逻辑隔离,禁止E_mail、Telnet、Rlogin等服务穿越安全区之间的隔离设备;

(2)安全区Ⅲ和安全区Ⅳ之间采用硬件防火墙或相当设备进行逻辑隔离,禁止Telnet、Rlogin等服务穿越安全区之间的隔离设备;

(3)安全区Ⅰ、安全区Ⅱ不得与安全区Ⅳ直接联系;

(4)安全区Ⅰ、安全区Ⅱ与安全区Ⅲ之间必须采用专用安全隔离装置进行物理隔离。专用安全隔离装置分正向型和反向型,即安全区Ⅰ、安全区Ⅱ到安全区Ⅲ(例如Web服务器)必须采用正向安全隔离装置单向传输信息,由安全区Ⅲ向安全区Ⅰ、安全区Ⅱ(例如通信服务器)的单向数据传输必须经反向安全隔离装置。严禁E_mail、Telnet、Rlogin等服务穿越安全区之间的专用安全隔离装置,仅允许纯数据的传输。

根据水电厂各应用系统的实时性、使用者、功能、场所、各业务系统的相互关系、广域网通信的方式以及受到攻击之后所产生的影响,将其分置于四个安全区之中。计算机监控系统处于安全区Ⅰ,其它需与监控系统通信的系统必须遵循上述原则选择可行连接的方式。

监控系统的高级应用软件是提升电厂运行管理的重要途径,概括起来主要体现三个方面:自动控制软件(如AGC、AVC、单机/成组调节等)、设备状态智能分析-辅助决策、综合报表统计等[文献2]。在水电厂计算机监控系统的技术发展中曾出现过多追求复杂而实用性不大的高级功能趋势,导致系统复杂及操作的烦琐。随着“无人值班”(少人值守)主体设计思想的推广,对该高级应用功能的选择上逐渐趋于实用、可靠、方便的思路。随着水电厂运行维护人员的减少,机组运行设备的在线诊断和监视需求越来越引起重视,作为一个相对独立的应用系统,在计算机监控系统改造设计中应该统一纳入考虑范畴。

6结束语

按照上述设计原则进行电站监控系统改造后,在原有监控系统功能基础上,拓展新监控系统具备的数据采集周期短、事件分辨率高、响应速度快等特点,完善仿真培训、远程诊断维护、调度通信通道高带宽、系统安全措施等要求,保证电站安全稳定运行,并且方便运行和维护人员操作,降低电站检修维护成本,提高电站经济效益。

参考文献:

[1]汪军,郑冬梅,方辉钦等.第3代水电厂计算机监控系统及其在水口电厂的应用.水电自动化与大坝监测,2004,28(2)

[2]吴正义,张红芳,龙七一,等.西洱河梯级水电站EDC的研究和应用分析.水电自动化与大坝监测,2004,28(4)

来源:中国农村水电及电气化信息网
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