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水电厂自动化系统开发应用研究（1） |
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| 水电厂自动化系统开发应用研究（1） |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 17:29:52  |
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引言
随着水电厂"无人值班"或"少人值守"工作的开展，以"厂网分开、竞价上网"为基础的电力体制改革的深入进行。对水电厂的生产运行和管理提出了新的要求，也对水电厂自动化技术提出了更高的要求。计算机监控系统的开发应用是水电厂实现"无人值班"或"少人值守"的必备条件。计算机技术、信息技术及网络技术的飞速发展，给水电厂自动化系统无论在结构上还是在功能上，都提供了一个广阔的发展舞台。水电厂自动化工作也必须适应新的形势需要，有新的发展。如今的水电厂自动化系统应该成为一个集计算机、控制、通信、网络及电力电子为一体的综合系统。不仅可以完成对单个电厂，还可以进一步实现对梯级流域、甚至跨流域的水电厂群的经济运行和安全监控。本文就如何开发水电厂自动化系统及自动化系统开发方面的技术问题作一点探讨。
1、 自动化系统开发的组织过程
1.1、 用户参与开发过程
计算机监控系统不同于一般的机电产品，用户参与其开发过程，对于系统发挥其监控功能十分必要。这是因为：
＃由于计算机硬件的可扩展性和软件的灵活性，使监控系统的结构、规模、功能、性能等不可能统一，市场上没有固定的系统可供购买。
＃用户的要求差异性很大。电厂规模、重要性、设备状况不同，对监控系统的要求就不同。电厂的管理模式和生产技术人员参与开发是将用户的意图、习惯和对自动化的理解融合到产品中去的最好方式。
＃参与开发能使用户最快地掌握系统开发技术，有利于用户对系统的升级、改进、完善及维护，更好地使用系统各项功能。
监控系统从设计到投运一般要经过如下过程：设计招标、合同谈判、成立联合设计开发组、用户数据文件收集、开发商设备采购、系统集成与软件开发、出厂验收、现场安装调试、工厂试验及投运等。用户应全过程参与，但真正参与开发是在合同谈判结束和各项技术条件确定后开始的，包括用户数据文件准备、系统集成与开发。
1.2、用户数据文件的准备
监控系统开发的最大工作量在于系统的客户化，而客户化的好坏起决于用户数据是否充分和准确，因此用户在同厂家开发之前应组织专业技术人员进行现场数据的收集和准备工作，生产技术人员应包括运行人员、计算机和网络技术人员、自动化技术人员。
由运行人员准备的资料有：工作站监控画面、运行报表、历史记录点定义、事件记录报表、操作键盘定义、语音报警语句、电话及ON-CALL传呼定义、统计计算格式等等。
由计算机和网络技术人员准备的资料有：计算机网络结构、MIS系统操作系统平台、MIS系统和自动化接口软件、网桥、防火墙等。
由自动化技术人员准备的数据资料有：数据库定义表、各项操作流程及防误闭锁条件、各LCU的I/O定义表、LCU顺控及自动倒换流程、AGC、AVC控制参数和边界条件、对外通信数据清单等。
数据文件准备工作一般约需3个月时间，对于尚未投产的新电厂，由于设备还未到位，其运行状况不明，图纸资料不齐全，数据文件准备工作可能需要几年的时间。
1.3、双方联合设计开发组联络会议
联合设计开发组一般应有双方技术人员和商务人员参加。首次联络会会议的主要内容一般为：
＃用户通报现场数据准备情况，并提交有关资料；
＃开发商通报设备采购情况，并就设备变更和系统集成方案征求用户意见；
＃双方对合同的理解和技术澄清；
＃确定开发的组织方式和开发的时间；
＃在随后的开发过程中根据合同要求和实际技术难度，可能还应召开1～3次联合设计开发组联络会。
1.4、系统的集成与软件开发
＃硬件系统的集成，一方面是检验合同文件所规定的系统结构、硬件设备的可行性，另一方面也是为软件开发搭建平台，这项工作应由开发商根据简化了的网络结构进行。
＃用户应成立厂开发工作组，一般为5～15人组成，并指定工作组负责人。用户工作组成员应包括：自动化专业人员、计算机专业人员和运行经验丰富且具备一定计算机知识的运行人员。开发商应提供应用程序开发平台，并提供必要的培训。
开发过程中用户工作组可独立完成的开发任务有：
＃监控画面的编辑；
＃运行报表的编辑；
＃实时数据库原文件的编辑；
＃历史数据库原文件的编辑；
＃各LCU控制流程的编辑；
＃对外通信数据模块原文件的编辑，等等。
用户工作组可协助开发商完成的开发任务有：
＃AGC、AVC控制流程；
＃事件及报警记录的定义；
＃语音、电话报警和ON-CALL信息的定义；
＃主站操作流程及防误操作闭锁流程；
＃历史数据的统计、计算等等。
现场用户工作组应定期反馈开发进度，全过程监督项目的执行，直到开发工作结束，并一同参与出厂验收。
2、 太平哨发电厂监控系统开发过程介绍
太平哨发电厂计算机监控系统的开发始于1997年，开发的项目范围为计算机主站、网络设备、公用设备LCU。
该项目选定东北电科院自动化所为合作伙伴，项目各阶段的进度如下：
合作意向签订： 1997年初
自动化改造方案和施工期进度方案：1997年
技术条件及合同拟定： 1998年
技术方案和设备选型：1998年
现场数据文件准备： 1998年2～4月
用户工作组开发： 1998年5月～10月；1999年9月～12月（1998年1号机组；1999年2～4号机组）。
第一台LCU连入新主站网络运行： 1998年10月
系统联调： 1999年11月～12月
随着试验的进行，各项功能逐步投入使用。至1999年底，已能实现对四台机组遥测、遥控和遥调。
在该项目中，用户参与开发主要分两个阶段，第一阶段为数据文件准备阶段，共有20余人参与，历时3个月；第二阶段为开发阶段，共有15人参与，历时6个月。
3、 计算机监控系统技术问题探讨
监控系统是一个客户化程度很高的自动控制系统，系统的实用性、先进性、可靠性以及灵活性等取决于客户（包括管理、设计开发、使用等）的要求。在此就一些技术问题进行探讨。
3.1、监控系统电源
电厂控制层应设有直流和交流控制电源，监控系统的LCU及外围自动化装置宜采用交直流双电源、互为备用、无扰切换的供电方式，电源装置的电压选择应保证正常情况下交流供电、直流备用，以减轻直流系统的负担。运行经验表明，UPS在现场环境下使用寿命很短，难以维护，不宜采用（太平哨发电厂正在考虑改进直流供电电源）。
监控系统主站设备（工作站、服务器和网络设备等）的运行环境要达到国家规定要求，采取交流＋UPS供电方式较好。
3.2、监控系统与励磁、保护、调速器系统接口
LCU与上述自动化装置一般采用开关量（DIO）接口和通信两种方式。对于DIO方式，由于交换的信号一一对应，接线直观，便于调试和故障查处。但接线较多，有些控制功能，例如有功和无功调节，必须在LCU内编制复杂的PID调节程序，如PID参数不当还可能造成调节性能不佳。现场应用表明，这种方式对无功/电压闭环调节尚能满足要求，但对有功闭环调节，常常出现超调或调节不到位、或凋节时间延长等现象。
上述三种自动化装置宜采用通信方式，LCU直接将给定值传送至电调和励磁装置，实现有功、无功的一次设定；LCU通过通信链路获得各个自动化装置的内部详细状态和微机保护的事故追忆采样值数据包（如果微机保护有此功能的话）。
尽管监控系统与励磁、保护、调速器装置存在接口联系，但各系统间应保持相对独立，并在通信上设置"互检"和容错功能，一方故障不应影响其它系统的正常运行。上述装置中直接作为控制和调节条件的信号（例如主开关状态、机组转速和机组状态等）不应相互转送利用，而应通过高可靠的渠道直接从设备上采集。
3.3、 监控系统与现地自动控制回路和装置的功能协调
机组或公共辅助设备，例如冷却水系统、压油泵、深井泵、空压机等，一般设有现地自动控制装置。处理现地自动化与监控系统的关系时，应遵循现地自动化为主的原则，监控系统则通过开关量、模拟量的采集（无需通信）承担监视、后备控制的任务，一旦发生异常，则发出信号，并通过独立的信号采集进行紧急控制。
直流电源装置也应视为现地自动装置，监控系统只对直流系统和电源装置的工作状态进行监视，不参与控制。无需建立网络或串行通信联系。
3.4 、事件记录与故障录波的考虑
事件记录与故障录波装置都是运行和事故分析的手段。事件记录一般集成在计算机监控系统中，但由于采样速度、内存等限制往往不能提供足以用来分析事故的波形；故障录波一般用在开关站，作为线路故障数据的采集和分析工具。
机组不必配置故障录波器，因为配置故障录波器会导致信号的重复采集，使二次回路和电缆布置复杂化，而且不可能收集太全的信号（有些设备的关键量、中间计算数据点无法提供接口）。将事故记录与故障录波功能分别由监控系统和具有快速交流采样功能的微机保护装置、微机励磁调节器、微机调速器等分担较为合理。这就要求微机保护装置、微机励磁调节器、微机调速器具有判别故障、存储、对时等功能。
3.5 、信号返回屏的考虑
信号返回屏是电厂实现集中监视和控制的重要人机交流界面，由于显示直观、清晰可靠，画面和各仪表、元件位置固定，对运行值班十分方便，尤其是事故情况下，运行人员对全厂的状况一目厂然，其作用是计算机屏幕不可替代的（采用大屏幕电视或投影替代也是不可取的）。信号返回屏宜考虑采用一些指针仪表，以反映系统的动态过程（例如系统振荡）。
3.6、工业电视、消防报警、保安、故障录波器及MIS的接入
鉴于监控系统在电厂运行控制中的突出地位，其接入系统越少越好，信息交换量不大时，为了保证各个系统的安全运行，能采用I/O接入的决不采用通信连接。
对工业电视，由于图像信号数据量大，占用网络资源多，不应通过监控网传送，而应自成网络，在控制室设置工业电视专用CRT。但如果工业电视要实现图像自动联控切换功能，仍应以通信方式接入监控系统，通信链路上仅从监控系统单向传送用于图像自动联控切换的信息。而工业电视与电厂管理信息系统（MIS）应联网，以便授权用户进行图像访问。
消防报警对运行监视十分重要，其数据量不大，因此接入监控系统比较合理。消防报警火情信号和保安监视信号可转送给工业电视系统，进行图像自动联控切换。
故障录波器为大容量数据采集和记录分析设备，数据的实时作用不强，离线分析的成分较多，应各自自成系统，并建立各自的中心分析站。从运行管理模式看，电厂实现"无人值班"或"少人值守"后，控制室运行人员很少，而这两个系统的数据分析工作十分费时，专业性很强，不适合运行值班人员操作；如果两系统与MIS系统联网，监控系统仅通过I/O对其故障和动作等情况进行监视。专业技术人员通过MIS即可访问两系统，完成数据分析和远程管理功能。
为实现生产发电与电厂管理相结合，MIS应与监控系统联网。由于MIS用户多，MIS上数据多种多样，为安全起见，两网之间除采取防火墙等隔离措施外，还应采用单向数据流（从监控系统流向MIS），控制室设置专用MIS终端。
4、 自动化系统的发展
水电厂自动化系统由I/O设备 (传感器和执行器 )、控制硬件、控制软件、人机接口及与信息系统的连接等组成。而水电厂的自动化是从80年代初单个功能装置研制开始的，计算机监控系统的发展过程以及典型系统的应用如表1所示：
表1 计算机监控系统发展过程表
4.1、 功能分布式的星型分层监控系统
以单功能微机装置集成系统，每个微机装置具有特定的功能，但每个微机装置都具有不同功能，如有的微机装置专门采集开关量，有的微机装置专采集模拟量，有的微机装置专门进行控制操作。该系统在分布的方式上进行了一些有益的尝试，但从模式上看不算是很成熟的系统。
4.2、 以设备单元分布的星型分层监控系统
为了检修维护的方便，以发电机组为单元，将数据采集与控制集成到一台微机或PLC装置中，构成了现地控制单元LCU。LCU无法直接接入以太网，而计算机非常昂贵，不能使每台LCU都配备CPU（中央处理器）接入以太网，只能将微机作为前置机。这时的系统采用专门的计算机，在应用网络上已跨出了一大步，但相应的国际标准还不完善，尚不能形成理想的开放系统环境。
4.3、 基于开放系统的分布式监控系统
随着计算机技术和网络技术的发展，计算机应用软件越来越复杂和庞大，软件开发的投入也越来越大，如何使这些巨大的资源不仅在这一家公司制造的计算机上运行，而且也能在另一家公司制造的计算机上运行，这就形成了一系列的开放系统标准：TCP/IP、POSIX、SQL、ODBC、JDBC、OPC等。基于开放系统的分布式计算机监控系统具有通用性和可移植性，监控系统的软件可以安装在任何具有开放系统特点的计算机上。开放系统为水电厂计算机监控系统的发展提供了强大的历史舞台。
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