埃塞TEKEZE水电站计算机监控系统的设计与实现

罗 皓，吴志鹏，李守志

（1.中国水利水电科学研究院中水科技公司，北京100038；2.中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京100024；3.北方国际合作股份有限公司，北京100053）

埃塞TEKEZE水电站计算机监控系统的设计与实现

罗 皓1，吴志鹏2，李守志3

（1.中国水利水电科学研究院中水科技公司，北京100038；2.中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京100024；3.北方国际合作股份有限公司，北京100053）

埃塞TEKEZE水电站为非洲最大的水电项目，主要介绍了该电站H 9000计算机监控系统的设计原则，总体结构，系统功能的构成与实现。

TEKEZE水电站；计算机监控系统；设计；LCU

0 引言

埃塞TEKEZE水电站位于埃塞俄比亚北部提克雷省TEKEZE河上，电站总库容90亿m3，坝高180m（非洲第一），共安装4台单机容量78MW（非洲第一）的混流式水轮发电机组，其装机容量占全国总装机容量的三分之一，有埃塞“三峡”的美誉。该水电站采用北京中水科水电科技开发有限公司研发的H9000计算机监控系统。电站按“无人值班”（少人值守）原则设计。第一台机组于2009年8月投产，最后一台机组于2009年10月投产，计算机监控系统与首台机组同步投运。

1 设计原则

1.1 系统的可靠性

系统应广泛采用分布处理技术和冗余技术，重要设备应采用热备冗余配置，保证系统的可靠性。另外，采用软件冗余措施，数据库及控制功能的分布处理，系统功能分布在网络的各个环节中，系统内任一节点的故障不会影响其余节点的正常工作。系统还应是标准化的成熟产品，功能完善并模块化，并具有完备的硬件确保和软件的安全措施，防止监控系统的软硬件故障或缺陷对现场设备的危害。充分利用PLC的高可靠性及逻辑控制方面的优点，保证全厂发电的运行可靠。LCU在脱离电站主控级的情况下，应能保证机组的安全运行。

1.2 系统的完善性

系统按电站“无人值班”（少人值守）的设计原则，整个系统配备完善的应用功能及对外开放的接口功能。能稳定可靠地与上级调度中心进行数据通信，实现上级调度自动化系统对电站的遥测、遥信、遥控、遥调功能。机组现地控制单元具有部分设备状态现地显示及必要的常规操作功能，使运行人员在机旁能完成机组投运或调试的工作。还应拥有完善的监测报警功能、软硬件自诊断和自恢复功能，可随时对网络通道、计算机网络状态、数据采集状态、现地PLC网络模块的状态、通讯链路状态等进行监测，以上信息均可在上位机显示及报警。

1.3 系统的开放性

系统应采用全分布开放模式，主要软硬件设备选型应符合计算机技术发展迅速的特点，便于功能与硬件的扩充与升级，能在水电厂环境下长期稳定的运行，并具有成功的运行经验。所有计算机均采用开放的汉化Windows系统，具有运行稳定、数据处理速度快、操作界面灵活等特点。且全部直接接入网络，以获得高速通讯能力和资源共享能力。还应具有丰富的开发工具软件和通讯规约，使系统维护扩充和联网通讯都非常方便。

1.4 系统的抗干扰能力

系统采用网络光纤技术，避免了不同信号之间的电信号连接。LCU配置独立的液晶触摸屏，避免了现地电磁场的干扰。应对计算机系统的电源进行隔离。现场信号也采取光电隔离或其他隔离措施。

1.5 系统的友善性

人机接口功能强，操作方便，采用面对对象的全汉字界面。向用户提供强有力的组态开发工具。

2 系统结构

TEKEZE水电站计算机监控系统共分两层：厂站级主控制层、现地控制单元层。两层之间采用快速交换式双以太网总线，构成高可靠性的局域网络结构。网络通讯采用双100MB网络交换机和光纤，具有高传输速率和良好的抗电磁干扰能力。厂站层包括2台操作员站、1台调度通讯工作站、1台厂内通讯工作站、1台报表工作站、1台系统工作站、1台工程师工作站、1台厂房工作站以及打印机等设备，主要位于厂房计算机室和中控室内。现地层分为7套现地控制单元LCU，包括4台机组LCU，1台开关站LCU，1台公用系统LCU，1台大坝LCU。分别位于厂房、开关站和进水口，分布及其分散。

监控系统主干网络采用完全冗余的2个星型以太网，任何单个的网络设备或通道发生故障不会影响整个网络的正常工作。系统网络按IEEE802.3设计，采用全开放的分布式结构，网络介质采用光缆，通讯协议TCP/IP。速率可达1000Mb/s。各个计算机和LCU均采用双网卡接入。系统具备双网自动检测、报警、切换功能，确保通讯正常；广播数据同时在双网上进行传输，确保完整不丢失。

该水电站各个机组分别设置1套LCU，公用系统、开关站和大坝分别设置1套LCU，每套LCU既可以作为分布系统的现地智能终端，又可作为独立的装置单独运行。各套LCU均采用双电源、双CPU、双网络等冗余配置，PLC或智能模块直接接入以太网，网络速率为100MB。另外，配置一台彩色液晶触摸屏作为现地人机接口，可冗余的交直流双供电电源，提高供电可靠性。

TEKEZE电站监控系统的结构如图1所示。

图1 埃塞TEKEZE水电站监控系统配置框图

3 计算机监控系统实现

3.1 上位机系统的实现

操作员工作站2台，每台配备2个液晶显示器，用于对整个电厂的设备运行进行监视与控制。2台工作站互为热备工作方式，平时正常时，一台负责控制，另一台负责监视，当监控工作站故障或退出时，监视工作站自动升级为监控站。操作员工作站是全厂集中监视和控制的中心，用来显示厂内的实时图形、事件画面、报表、报警复归画面、系统自诊断显示、操作员权限管理和所有设备控制操作等。

工程师工作站用于维护和管理人员修改系统参数、数据定值、数据库、画面和报表。

调度通讯工作站用于与埃塞国家电力调度系统进行通讯。

厂内通讯工作站用于与厂内通风系统、保护系统等设备进行通讯。

报表工作站用于管理厂内数据报表的生成与管理。

厂房工作站，放置于厂房，便于厂房值班人员现地监视全场数据。

系统工作站，功能包括对整个电厂的运行管理、数据库管理、综合计算、事故及故障分析等。

黑白及彩色打印机各一台，完成数据和报表打印功能。

在中控室与厂房分别布置一台GPS卫星时钟同步系统。中控室采用串口通讯，厂房采用无源脉冲输出。对主站级计算机和各个现地LCU进行卫星时钟同步。

为了保护主站级计算机的运行安全，在中控室布置了2台15kVA并联冗余UPS电源系统。

网络设备2套，每套网络设备都包括1台Cisco以太网交换机和相应数量的光电转换器等设备。适应电力工业现场的电磁干扰、温度、振动等恶劣环境要求，2套网络设备用软件设置为完全冗余，在实现计算机监控系统功能的前提下满足数据实时性要求。

3.2 现地控制层的实现

主控制器。选用GE公司的90-30系列PLC。该系列PLC不仅具有该系列共有的I/O能力强、实时性高、程序执行速度快、强大的通讯能力强大外，还具有高程度的可靠性和容错能力。PLC主要完成现场设备的数据采集和实时控制。主要模块包括中央处理器CPU模块、通讯模块、开关量模块、模拟量模块。开关量全部为无缘节点，模拟量为4～20mA。

现地人机接口单元。LCU选用日本DIGITAL公司的Pro-face触摸屏，具有高可靠性、防尘、防震、抗电磁干扰等优良性能。触摸屏与PLC以网络连接，实现在现地实时监视现场设备的运行参数和数据以更快速、方便的完成对各个外部设备的操作。

通讯控制器。采用MOXA公司的嵌入式通讯控制器UC7410。具备8个RS232/485串口和双10/100Mb/s以太网口。该设备用以太网口与PLC连接，通过8个串口与交流采样装置、电量采集装置、温度装置、励磁、调速器等设备进行通讯。

交流采样装置。采用瑞士DAE公司的ACUVIM多功能交流采集装置，所有表记与PLC通过通讯控制器实现串口通讯。

温度测量装置。采用国内著名品牌DAS型温度巡检装置，带点阵式液晶显示屏，具备汉显功能，最大巡测可达128点，可调整测量电阻类型与电阻接线方式，数据可通过串口通讯方式送达PLC。

同期装置。机组LCU采用深圳智能设备有限公司的SID单对象微机自动准同期装置。开关站选用8对象SID－2H微机自动准同期装置。该同期装置采用多种抗干扰措施和访屏蔽措施，同期速度快，精度高，还可设置Y/△补偿。

辅机控制系统。采用GE公司VersaMAX系列PLC负责辅助设备（直流系统、油气水系统）的信号采集与控制，并通过Genius通讯的方式与主站LCU的PLC实现数据传输。

4 系统功能

4.1 数据采集与处理

系统对电站主要设备的运行状态和运行参数进行自动定时采集，并作必要的预处理和计算，存于实时数据库，供计算机系统实现并用于画面显示、控制调节、记录检索、统计报表、操作指导和事故分析等。电厂各种数据（模拟量、开关量、脉冲量和数字量）的采集基本由各LCU来完成。数据采样周期可根据系统性能参数要求调整，优先传送事故和故障报警信号。模拟量设置死区，只有超过死区才传送。所有数据点均可通过人工设置扫查投入与退出，报警使能与禁止，模拟量量程等。

4.2 综合计算

监控系统可根据采集到的实时数据进行周期、定时或召唤计算分析，形成各种计算数据库和历史数据库，帮助运行人员对电厂设备的运行进行全面监视和综合管理。

4.3 安全监视

当运行状态发生异常，采集数据超过设定限值时计算机监控系统将及时报告值班运行人员进行处理，同时进行实时记录，以便分析检验。为方便查询，系统还提供了灵活的历史数据库查询手段，和打印功能。

4.4 事故顺序记录

当电厂发生事故造成重要设备动作时，监控系统将立即以中断方式响应并自动显示、记录事故名称及时间，自动推出相关画面并作原因分析和提示处理方法。

4.5 趋势分析

系统对某些重要的模拟量会进行趋势分析，当其变化速率超过限值时会发出报警。

4.6 报表功能

监控系统可自动生成的报表数据、报警数据等自动保存，形成历史数据库。可随时检索或打印。

4.7 系统自诊断和自恢复

这是实现无人值班、少人值守的重要条件。由于本系统是分布式网络控制系统，具备完善的自诊断和自恢复功能，不仅自检，还可通过网络进行设备间的互检，并行成报告。

4.8 开停机过程控制及闭锁功能

开停机过程监视与控制。当开停机指令下达之后，监控系统自动显示相应的开停机画面。以流程框图的形式展开每一个过程，当流程受阻时可显示受阻时间、部位和原因。闭锁库和防误操作功能。可确保计算机系统发出的命令安全可靠，用户无需编程，只需将需要进行闭锁的关系按照格式填入定义文件即可。如闭锁条件满足则执行命令。

4.9 遥测遥信功能

LCU通过通讯控制器以RS-485的方式与多功能交流采集装置和温度巡检装置等设备进行通讯。

4.10 人机界面功能

在现地LCU通过触摸屏上的显示界面、报警界面和操作界面，实现现地监控功能。

4.11 时间同步功能

通过硬件与网络同步，由GPS实现系统时间同步，均通过NTP协议进行对时，精度高且程序简单便于维护。

4.12 各个LCU具体功能

机组LCU1-4。可实现现地/远方控制方式的切换；机组开停机控制（包括单步控制和连续控制）；事故停机和紧急停机控制；辅机控制；发电机出口断路器等设备操作；功率调节；自/手动同期并网操作；与发电机交流采样装置、温度巡检装置、调速器、励磁系统和机组辅机系统通过MODBUS标准规约进行串口通讯并上送数据。

开关站LCU5。220kV断路器的分合操作和同期并列；220kV隔离开关分合操作；以及相互操作之间的闭锁功能；远方/现地控制方式的切换；与线路交流采样装置实现通讯并上送数据。

公用LCU6。厂用断路器的合分操作；公用系统辅机的监视与控制。

大坝LCU7。大坝进水口闸门、弧门、齿轮门、导流洞引水门等设备的监视与控制。

5 结束语

TEKEZE水电站监控系统完全满足了埃塞电厂方面的要求，为该站实现“无人值班”（少人值守）奠定了坚实的基础。自投运以来，设备运转正常，系统运行良好，对电站正常运行和该国电网的稳定起到了非常大的作用，证明了TEKEZE计算机监控系统的设计原则和主要功能十分安全可靠。不但发挥了集中控制的优越性，极大提高了电站的发电效益，更合理利用了水能资源，取得了电站经济效益的最大化，也为国外大型水电站项目的应用打下了良好的基础。

[1]王德宽.水电厂综合自动化及“无人值班”技术[M].中国电力出版社，2001.

[2]方钦辉，等.现代水电厂计算机监控系统技术与试验[M].中国电力出版社，2004.

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1672-5387（2011）03-0047-03

2011-04-11

罗皓（1983-），男，助理工程师，从事水电站计算机监控系统设计、集成和调试工作。