高湖水电站计算机监控系统设计

高湖水电站计算机监控系统设计

摘要 在小型水电站实行计算机监控，可以提高电站的自动化程度和经济效益，增加其运行的可靠性与稳定性。本文主要介绍了高湖水电站计算机监控系统的设计原则、系统构成和系统功能。为其他小型水电站监控系统改造和设计提供参考。

关键词 水电站；监控系统；LCU；组态软件

0 引言

小水电作为我国最主要的清洁可再生能源，在电力结构调整和农村能源结构调整中具有重要的地位。我国小型水电厂自动化发展的总目标是，在2010年前，50％的农村水电厂及配套电网达到现代化水平；2015年，农村水电行业全面实现现代化；同时也明确提出要求新建农村水电站都要按“无人值班”（少人值守）进行设计和建设，20世纪90年代以前建设的水电厂，要按总体目标做出更新改造计划[1]。

目前，我国水电站计算机监控系统的发展速度惊人，我国的大中型水电站，普遍地采用了水电站计算机监控系统，具有较高的自动化水平，而小型水电站的自动化水平仍处于比较落后的状态，自动化程度低，工人劳动强度大，生产效率还十分低下；同时，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。因此，需要设计一套控制简便、稳定性好、费用低的控制系统来适应我国农村小水电的发展。本文针对浙江省瑞安市高湖水电站的具体情况，利用计算机和可编程控制器(PLC)技术来实现对小型水电站的监控。

1 电站概况

由于温州赵山渡电厂建成后对飞云江下游河道产生一定影响，应当地政府和群众要求，在赵山渡电厂大坝左岸重力坝位置增建高湖水电站，以便赵山渡电厂蓄水运行后能经常泄放20m3/s左右的流量，满足下游群众的生产、生活和环保要求。

高湖水电站装机为1×2mW轴伸贯流式水轮发电机组。水轮机型号为GD007-WZ-180，发电机型号为SFW-2000-20/2150，主变型号为S9-2500/35。发电机、变压器采用发变组单元接线，电站发电机电压等级为6.3kV，经主变升压到35kV后，通过高压电缆（赵山渡Ⅱ段母线）和联络开关接入相距350m的大坝右岸赵山渡电厂Ⅰ段母线汇流后向电力系统供电。

2 设计原则

通过对国内外典型计算机监控系统的结构分析，依据《水力发电厂计算机监

控系统设计规定》（DL/T5065-96）和高湖电站具体要求，我们确立了高湖水电站监控系统的设计原则。

1）监控系统本着“安全、可靠、经济、实用”的原则，实现全厂计算机监视和控制；

2）电站监控系统按无人值班（少人值守）原则设计，采用以计算机监控为主，简易常规控制为辅的监控方式。电站的所有设备由赵山渡水力发电厂中控室的运行值班人员通过操作员工作站的人机接口设备进行监控；

3）故障情况下，即通信通道故障或主控层工作站故障时，LCU可以独立工作，维持机组运行；

4）远动信息由电站计算机监控系统通过赵山渡电厂通讯工作站转发至温州区调。

3 系统设计

3.1 系统结构

高湖水电站监控系统工程立足于采用国内外先进的软、硬件设备，采用组态软件二次开发、系统集成的开发策略。根据调研和充分的研究，借鉴目前计算机监控系统的运行经验，依据高湖水电站的装机规模、运行管理方式，设计高湖水电站监控系统采用全开放分层分布式系统结构[2]，分为电站主控层、电站现地控制层。整个系统由2台主控站工控机、1套发变组LCU单元、1套微机保护测量单元、1套手动备用控制单元以及相应的外设和监控软件构成。其系统结构图如图1所示。

3.1.1 主控层

主控层由2个工作站组成，1号工作站设在高湖水电站中控室内，2号工作站设在赵山渡水力发电厂中控室内。2台工控机作为操作员站兼系统管理工作站，负责管理全电站自动化运行、监控、数据管理，图表、曲线的生成等。2个工作站热备冗余，故障时自动切换。

由于远动信息由电站计算机监控系统通过赵山渡电厂通讯工作站转发，故高湖水电站监控系统不再单独设立通讯工作站。

工作站由工控机构成。其操作系统采用成熟的Microsoft Windows2000 Professional操作系统，数据库服务器采用Microsoft SQL Server7.0中文版软件。应用软件采用GE Fanuc公司的Cimplicity组态软件进行系统设计。

两个工作站及发变组LCU单元之间采用10／100M的工业以太网连接，传输的介质为抗干扰性较好的四芯单模光缆与屏蔽5类双绞线。

3.1.2 发变组LCU单元

由于高湖水电站相当于赵山渡电厂的一台机组，泄洪闸门、开关站、线路控制功能由赵山渡电厂监控系统控制，故高湖水电站计算机监控系统仅设置一个发变组现地控制单元LCU。LCU布置在高湖水电站中控室。

LCU由PLC和微机自动准同期装置等组成。PLC直接完成生产过程的实时数据采集及预处理、机组的顺序控制、状态监视、功率调节以及与上位机通信联络等功能，同时也负责全电站的公用设备、进水口事故闸门的控制与监视，当与主控站的通讯中断后，能安全独立工作。

考虑到检修和运行方便，在中控室的手动备用控制屏上设置少量的、必要的控制开关，如开停机、紧急停机、发电机出口开关手动准同期等。

现地控制单元与智能测量仪表、微机保护、温度巡检仪、调速器、励磁等设备之间采用串行通信，通信协议为开放的标准协议-MODBUS RTU协议。

3.2 系统的主要功能

1）数据采集：主要完成对电站实时数据的采集工作。包括电气量、开关量、非电量以及脉冲量等；

2）数据处理：包括对模拟量、状态量、脉冲量、事件顺序数据处理、主要参数趋势分析处理、事故追忆以及相关量记录处理；

3）运行监视功能：包括状态变化监视、越限检查、过程监视、趋势分析；

4）控制调节功能：包括自动机组开机、停机控制、自动功率调节、同期并网等操作；

5）事件顺序记录功能：完成事件顺序排队、显示、打印及存档记录；

6）运行记录功能：主要对运行日志、月报表进行记录和管理；

7）人机联系：借助于显示器、鼠标、键盘等人机接口设备，运行人员可以调用各种显示画面，查询设备状态，可发出机组开停、负荷增减、断路器分合、辅机启停等命令，设定和修改各项给定值和限值；

8）报警处理：包括语音报警、计算机监视画面报警和音响报警；

9）系统远程维护功能：系统中安装有远程维护软件，通过电话线就能实现异地维护。

3.3系统软件的实现

1）工作站操作系统软件Windows 2000 Professional中文版操作系统提供了一个快速高效的多用户、多任务操作系统环境，是目前使用广泛的工控操作系统；

2）数据库软件。由于Cimplicity组态软件只集成有实时数据库，还需配置历史数据库，用于存放报表信息（日报表、 月报表、年报表、操作票报表、报警、事件）、保护装置中的事件信息、历史趋势数据等信息。历史数据库管理软件选用了SQL Server 7.0中文版软件。

SQL Sevrer.7.0在易用性、可伸缩性和开放性，以及数据仓库等诸多方面有了很大的增强，集成了数据转换服务，这使得SQL Sevrer.7.0水电站计算机监控系统中得到了广泛应用。

Cimplicity组态软件采用ODBC方式访问SQL Server 7.0数据库；

3）Cimplicity组态软件。Cimplicity系统在计算机的内存中驻留并维护了一个实时数据库，系统将各种数据以数据点的形式保存在这个数据库中，实现了对整个系统的电气量、开关量、非电量以及脉冲量的采集和处理，并显示在主工作站的界面上，便于运行人员及时掌握系统的运行情况。

在整个软件的设计中均采用了画面的动态拓扑功能，例如对断路器和隔离开关状态（合、分）的显示，利用Cimplicity组态软件的动画功能使其颜色随着不同的状态而显示出不同的颜色（合闸为红色、分闸为绿色）。按照电力系统对监控系统的要求，不同的电压等级用不同的颜色来区分：6.3kV用蓝色、35kV用黄色。

Cimplicity组态软件具备语音报警和功能，当机组出现故障或事故时，可以第一时间通过声光报警通知运行人员。

在控制方面，主辅设备的图标都可以通过双击进入控制界面，并在弹出的界面上进行控制（例如：分闸、合闸等）。

4结论

本文所设计的监控系统经济实用、自动化程度高，满足了小型水电站计算机监控的需要，减轻了运行人员的劳动强度，增加了整个系统的可靠性和稳定性。本系统现已在浙江省瑞安高湖水电站投入了运行，目前系统运行正常。

参考文献

[1]水利部.农村水电技术现代化指导意见[J].中国水利，2003，6：23-25.

[2]徐金寿，张仁贡.水电站计算机监控技术与应用[M].杭州：浙江科学技术出版社，2007.