密云水电厂计算机监控系统改造设计与实现

张卫君，高晓森，毛 琦，史小杰，苗珍山

（1.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038；2.北京华电水电有限公司，北京101512；3.北京华电集团，北京 100035）

北京密云水电厂位于北京市东北部的潮白河上，距北京市约100 km，是一座以防洪、供水、发电和灌溉为目的的综合性水利枢纽工程。该电厂装有4台18.7 MW 常规水力发电机组和2台13 MW 抽水蓄能机组，是一座常规水电机组与抽水蓄能机组相结合的混合式电厂。

密云水电厂原计算机监控系统采用的是北京中水科水电科技开发有限公司的H9000（V2.0）系统，已投入运行多年，对电厂的安全生产发挥了重要作用。

随着计算机和控制器等电子设备的逐渐老化，备品备件难于采购，成为制约电厂安全运行的瓶颈。为进一步提高系统可靠性，提高管理水平和经济效益，将原有的计算机监控系统进行升级改造为H9000（V4.0）系统。

1 原系统存在的问题及改造设计思路

原系统设计采用的是H9000V2.0 版。随着技术进步，该系统经过这些年的不断充实、改进和完善，已经升级发展到V4.0 版（具有更高的系统可靠性和可维护性）。原监控系统硬件设置已不能够满足该系统的技术要求，系统的可靠性和可维护性较差。

由于历史原因，原来开关站及公用系统部分未能接入到计算机监控系统中，成为系统盲区，严重影响整个系统的实时性和可靠性。

限于当时PLC的网络接入能力，在原系统设计中，现地控制层采用工控机作为以太网通信网关、人机联系接口和现地通信控制器。

为提高密云电厂全厂自动化水平，实现电厂创一流企业的目标，以及基于原监控系统存在的一些问题，系统改造按如下思路设计：

（1）按照无人值班（少人职守）的设计理念，采用“总体设计一次到位，改造分布实施”的原则；

（2）系统硬件选用国际或国内知名品牌的产品，系统软件采用中水科技公司最新H9000V4.0计算机监控系统，充分保证系统具有高可靠性、先进性和维护方便；

（3）采用PLC 直接上网方式，取消工控机，减少系统的故障环节；

（4）采用嵌入式智能通信控制器，完成LCU与各现地设备，如微机励磁调节装置、微机调速装置、微机保护装置、机组状态监测装置等其它设备的通信；

（5）将开关站及公用系统部分接入计算机监控系统，保证全厂设备监控的完整性，不留控制死区；

（6）充分利用电站的技术优势，保留并优化原有的工艺流程，尽量减少现场调试周期；

（7）现地LCU盘柜内设备合理布局，尽量保留原有设备（电缆和自动化元器件等）和安装位置不变，避免过多的重新接线，减少改造工作量，减少投资；

（8）形成全厂统一时钟系统；

（9）改造过程中，实现新老系统之间的数据互联，保证与上级调度部门数据通信无中断。

2 监控系统改造内容

2.1 厂站层

厂站层系统为新建设系统，与原系统厂站层完全独立。系统采用分层分布开放式系统结构，系统网络结构采用以太网之星形结构，厂站级主控层及其现地控制单元层之间采用快速交换式以太网络总线，通讯介质采用100 Mbit/s 网络交换机和光纤，系统具有较高的传输速率和良好的抗电磁干扰能力。网络上接入的每一个设备都有其特定的功能，实现了功能的分布，既提供了某个设备的故障只影响局部功能的优点，又利于今后的功能扩充。系统总体结构如图1 所示。

图1 改造后密云电厂计算机监控系统结构图

系统按照H9000计算机监控系统的简化方式配置，厂站层配置两台操作员工作站，一台运行维护站，一台ON-CALL工作站兼通信站，一台交换机，一套卫星对时时钟系统。

操作员工作站的功能包括对整个电厂的运行管理、数据库管理、综合计算、事故故障信号的分析处理、图形显示、定值设定及变更工作方式、模拟数据的趋势分析及记录、统计和制表打印、运行和事故处理指导、历史数据记录、整理、归档和检索等。运行值班人员通过操作员站对电厂的生产、设备运行做实时监视。工作站配置声卡和语音软件，用于当被监控对象发生事故或故障时，发出语音报警提醒运行人员。两套操作员工作站互为备用，可无扰动切换。

运行维护工作站供电厂维护人员对系统数据库、画面的修改维护工作。ON-CALL 工作站实现电话语音及短信息报警及查询功能，实现与微机五防系统、上级调度系统的通信。在改造过渡期内，实现与原监控系统的数据通信。卫星对时时钟系统完成全厂设备的统一对时。

2.2 现地层

现地层配置6套机组LCU和1套开关站LCU，6套机组LCU是在原系统上改造，开关站LCU全部为新增加设备。

原系统现地控制层采用工控机作为以太网通信网关、人机联系接口和现地通信控制器。由于工控机产品采用了硬盘、风扇等旋转运动部件，风扇损坏后，在很短时间内就会使工控机烧毁，造成巨大的经济损失。同时此型号工控机已经停产，备品采购非常困难，一旦发生故障将影响机组安全稳定运行，所以其可靠性大大降低，成为整个系统中的薄弱环节。

改造后通过PLC 直接上网方式，完成现地PLC 与厂站层设备的连接，实现数据采集与控制。LCU采用PLC 直接联网的方式，提高了系统的可靠性，采用彩色液晶触摸屏作为现地人机接口，实现现地控制与显示功能。每套LCU通过增加一台嵌入式通信控制器，完成LCU与各现地设备，包括微机励磁调节装置、微机调速装置、微机保护装置、机组状态监测装置、温度巡检装置、多功能仪表等其它设备的通信。

3 改造过程中几个关键问题

3.1 改造过渡期安全稳定运行

密云水电厂计算机监控系统改造工期安排时间跨度大，各现地控制单元按检修计划安排分批进行。根据检修计划在停机检修过程中实施机组现地LCU的改造，作好安全措施后将单独一台LCU与旧系统脱离，现地调试完成后接入新系统中。厂站层系统随首台LCU改造一次建设完成。

监控系统改造期间，为不影响正常生产，有多种过渡期方案可供采用[1]。对于全厂机组参与调度AGC运行且改造期间AGC不中断运行的电厂，采用平滑过渡的方案，即通过新老系统之间的通信，将新系统改造完成机组数据送往老系统，老系统接收到调度全厂给定经AGC 运算分配后对新系统控制的机组进行功率调节控制；对于调度无自动控制要求的电厂，为确保安全，采用新老系统独立运行的过渡方案，新老系统并列独立运行，新系统将改造完成机组数据送入老系统，由老系统完成全厂数据上送调度部门，在全厂所有LCU改造完成后，与调度通信任务改由新系统完成，新老系统之间数据只监视不控制。因调度对密云水电厂无自动控制要求，且新系统配置了厂站层交换机，所以采取了新老系统独立运行的过渡方案，新系统通过串口方式以CDT规约向老系统传送数据。

3.2 PLC程序软件移植

系统改造中LCU保留原CPU 模块，I/O 模块，增加以太网模块。原PLC 编程软件为LM90，LM90 为DOS 环境下的编程方式，程序的可读性与维护性差，所以在此次改造中将编程软件由LM90升级为基于Windows的ProficyME。软件移植过程中，充分考虑两种编程软件的差异及PLC程序软件升级在编程规约上的差异，利用电厂长期运行积累的技术优势，保留并优化原有的工艺流程。

3.3 抽水蓄能机组控制

密云水电厂1号机组与2号机组为抽水蓄能机组，与常规机组运行及控制方式存在差异。两台抽水蓄能机组为半压启动双转速斜流转浆机组，过程控制复杂，如果控制不当，特别容易产生机组的过电压、水泵逆功率、产生差动保护误动及机组振动等难题，在改造过程中，经过周密的论证和严格的试验，解决了这些问题。

3.4 通信控制器软件开发

由于电厂部分自动化设备老旧，多采用自定义的非通用规约格式，监控系统所配置通信控制器在与这些设备进行串口通信时需开发相应的规约软件，如温度巡检设备、继电保护设备等。通信控制器采用UC-7410-LX 通信智能控制器，CPU 主频266 MHz，128M内存，其串口处理速度与能力比现场自动化设备串口通信能力强太多，所以在速度匹配上存在问题，经常出现召唤报文发出后收不到回应，后经过软件延时处理，解决速度匹配的问题。

在与继电保护设备的通信调试过程中，发现只有保护动作信号报文，无复归报文，在现地实际信号复归后，由于无复归报文送到通信控制器，上位机报警信号不复归。通过对UC通信软件的处理和PLC通信数据上送区的处理，结合上位机信号复归令对信号进行复归的方式，解决保护信号复归的问题。

4 结束语

密云水电厂计算机监控系统改造工程已通过竣工验收，该系统运行稳定、各项功能完善、操作维护方便，大大提高了该厂的生产效益和自动化水平。此改造工程的设计与实现，将为其它同类水电厂监控系统改造提供很好的参考价值，特别是对抽水蓄能机组的监控系统设计开发提供了宝贵经验。

[1]袁 宏，杨春霞，等.监控系统升级改造策略在乌江渡发电厂的应用[J].水电站机电技术，2011，34（6）：73－76.

[2]周永滨，卢小芳，等.H9000 系统在凌津滩水电站监控改造中的应用[J].水电站机电技术，2011，34（3）：45－46.