扭子水电站综合自动化系统设计与实现

王军辉

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

扭子水电站[1]位于甘南藏族自治州卓尼县城上游约20.1 km处的洮河干流上，距兰州市约360 km，海拔高度2 580 m。工程主要任务是发电，为低坝引水式电站，水库无调节能力。工程规模为四等小型工程。枢纽主要建筑物由泄洪冲沙闸、排冰闸、溢流坝、副坝及引水建筑物、发电厂房及开关站组成。水库正常运行时蓄水位2 604.0 m，水头25.0 m，电站设计总的装机容量30 MW，引用流量139.68 m3/s，多年的平均发电量1.35×107kW·h，年利用小时数为4 524 h，保证出力6.797 MW，多年平均发电量1.35亿kW·h。厂房内安装3台单机容量为10 MW轴流转桨式水轮发电机组。电站设计遵循“无人值班”（少人值守）的原则，采用计算机监控。根据系统资料，电站采用110 kV一级电压接入系统，110 kV出线一回，接入距电站24 km拟建的110 kV临墰开关站。该综合自动化系统[2]包括电站的计算机监控、继电保护及励磁系统等设备。

1 设计要求

扭子水电站综合自动化系统本着安全、可靠、经济、实用的原则，按“无人值班或少人值守”的原则设计、采用全计算机监控系统进行配置[3]。该系统高度安全可靠，操作简单方便，不仅其本身的局部故障不会影响到现场设备的正常运行，而且系统的MTBF、MTTR及各项可用性技术指标均达到《水电站计算机监控系统设备技术要求》的规定[4]。

系统总线式网络采用分层分布开放系统，在便于功能和硬件的扩充的情况下，又能充分保护用户的投资。软件通过结构化、模块化的设计来提高了系统的规模扩充性。系统具有先进的人机接口功能，操作便利[5]。系统主要硬件设备采用进口设备。保证计算机监控系统安全可靠的与电站第一台机组同步投入运行。中控室内上位机操作员工作站通过远程控制完成电站日常发电任务。双主机冗余配置，采用热备用工作方式，供运行值班人员现场监控使用。现地控制单元（LCU）、保护和励磁柜均放在发电机层，开关站LCU、公用及厂用LCU、主变保护及线路保护均放置在中控室。

2 总体结构

扭子电站综合自动化系统以施耐德Quantum系列编程逻辑控制器（PLC）为测控核心，同时拥有GR-100型采集装置、SID-2D型自动准同期、微机继电保护、通讯等部分。

系统的开放式分层分布结构符合国际开放系统的标准，当使用不同计算机时，保证了系统的互操作性、系统的可扩展性以及设备更新时的可移植性[6]。与此同时，系统互连环境、系统开发环境和用户接口环境皆与国际开放系统组织推荐的开放环境规范相符。它的3层网络结构主要是：第一层是主机兼操作员工作站，双主机冗余配置，采用热备用工作方式，供运行值班人员使用，选用100 Mbit以太网连接主控机与现地控制单元（LCU），使用高可靠性的网络交换机作为网络通讯，之间连接的介质为光纤。同时主控室配备打印机和语音通信等设备。第二层为现地控制单元网，本电站共设五套现地控制单元（LCU），1～3号机组各设一套LCU，全厂公用及厂用电设一套LCU，110 kV开关站设一套LCU。机组LCU配有微机自动准同期装置、转速测量及交流采样装置。第3层为兼容性网络，机组LCU具有RS232/RS485串行通信接口与其他承包商提供的微机调速器、微机励磁系统、微机保护等设备进行数据通信[7]。其结构图如图1所示。

图1 扭子电站综合自动化结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of the integrated automation system for Niuzi Hydropower Station

3 硬件设计

扭子水电站综合自动化系统的硬件部分主要有两部分构成，第一部分是上位机子系统，主要包括主控级计算机/操作员站、主控制台、通信服务器、全球定位系统、语音系统等构成。第二部分为现地子系统，包括现地控制单元和保护单元。

3.1 上位机子系统

所谓“上位机子系统”，就是装设两台既用于电站中央处理的主计算机又兼作操作员工作站在主控级计算/操作员工作站，其中主计算机采用德国西门子工控机，适合于工业上的特殊应用现场。主控制室配备了1套四席双位的运行人员主控制台，每席包括了LCD，通用键盘和鼠标器分别一套，以及必需的配电盒、小型断路器、指示灯等设备。通讯服务器配有8个串行口，用于电力系统调度计算机之间、集中调度中心电站与计算机监控系统之间的数据通信；用来连接电厂管理MIS系统、打印机、水情系统以及其他需要与计算机系统通信等设备。现用的通信服务器采用德国西门子工控机。系统主控计算机配备高性能声卡及音响语音系统，语音系统通过先进的语音处理软件，可对电站故障及事故设备发语音告警信号。

3.2 现地子系统

3.2.1 监控单元

监控单元即现地控制单元（LCU），实现对全场设备的监视与控制，由于扭子电站有3台发电机组，本系统配备5台LCU，分别为3台机组LCU，一套公用LCU和一套开关站LCU。LCU由触摸屏（HMI）、微机自动同期装置、可编程计算机控制器（PLC）、微机温度巡检装置、微机交流电量测量装置、微机转速信号装置组成。断路器的同期、合闸、分闸操作、厂用电切换等功能以及机组、变压器、线路、母线的事故、故障保护信号由可编程控制器完成。LCU中的CPU只完成HMI功能。LCU均具有智能型和可编程能力及控制采集功能，LCU均提供实时时钟，用以记录过程输入状态发生变化的时间。机组用的LCU，还应具有串行通信接口，用来与其他承包商供应的微机调速器、微机励磁系统等设备进行数据通信。开关站和公用设备LCU应提供串行通信接口与全厂公用辅机设备PLC柜进行数据通信。

可编程控制器（PLC）是现地控制单元的核心部件[8]，当前国内使用率高的PLC有GE（通用）、西门子、欧姆龙等。结合电站的特点，主机监控选择法国施奈德公司的昆腾系列PLC完成相应控制功能。该系列的PLC是专为拙劣工业环境而设计生产的，具有高性能、强抗干扰能力和高可靠性的优点，被广泛用于各种工业控制的领域。此PLC采用光电隔离的对外I/O端口，其内部核心电路是和被控对象完全无电气联系的，因此干扰信号是无法进入微处理器，保证了系统不会因外部干扰信号发生故障。LCU配备XSL/A24RS2V1系列温度巡检装置，通过其上的RS-485标准通信口将所采集的数据上送计算机监控系统。本系统电量综合采集装置选用GR-100综合采集装置，用于每台机组出线的电压、电流、有功、无功、功率因数、电度等数据的采集。电站按机组各用一套作为正常同期的微机自动准同期装置；1台升压变压器线路组高压侧断路器用一套准同期装置。每台机组现地控制单元提供微机转速仪，该仪器采用电气残压测速方式进行机组转速监测，同时可提供7个可设定的开关量信号。动作准确、可靠、稳定。计算机监控系统各LCU内部网络采用现场总线进行通讯，现场总线网络选用Modbus RTU网。其通讯方式为令牌传递形式，通讯介质为屏蔽双绞线，实现了点对点以及网络广播通讯方式的优点。

3.2.2 保护单元

关于扭子水电站的保护，本文主要阐述了发电机保护、变压器保护以及110 kV线路保护。

其中发电机以“双主单后，主后备保护分开”为原则[9]进行保护，主保护和后备保护分别为WEB-811和WEB-812。保护装置为双电源、双CPU的运行方式。两CPU之间是相互独立的，可单独工作行使其对应的保护功能，分别负责对某一对象进行主保护或对某一对象进行后备保护。每种保护动作后的跳闸方式用户可以自己整定，无须再修改保护二次回路接线；跳闸触点可直接接入断路器跳闸回路。

目前国内使用较多的变压器保护是WFB-812系列微机变压器保护，对于110 kV及以下电压等级可选用BH-812系列进行变压器保护配置。BH-812系列引进“启动+出口”的方式，从而保证在用跳闸矩阵方式时出口端整定的灵活性；保证信息和报文能够上传，COMTRADE与录波数据可兼容；保证通信接口具有强的兼容性、开放性，支持IEC60870-5-103通讯规约。该系列具有自适应调整比率制动式差动特性；该系列设定了15路非电量保护功能，其中可通过CPU延迟发信号或跳闸的有8路；同时，该系列具有较强的抗TA饱和和TA暂态特性的不一致性能力[9]。

110 kV线路保护采用WXH-801系列微机线路保护。该系列的主保护是由带补偿的正序故障分量方向元件和零序方向元件构成，具有全线速动功能；后备保护是由三段式相间距离和接地距离以及六段零序电流方向保护构成；WXH-802配置示意图如图2所示，该配置的全线速动主保护是由综合距离方向元件和零序方向元件构成，后备保护同WXH-801系列微机线路保护的后备保护，并配有综合重合闸。

图2 110 kV线路保护配置示意图Fig. 2 Schematic diagram of the 110 kV line protection configurations

而对于10 kV的线路保护，国内使用较多的是WXH-820系列微机保护装置，同时，此系列的微机线路保护测控装置还可用于保护和测控中低压线路，主要应用于66 kV及以下各电压等级线路及出馈线，在安装保护装置时，可采用集中和开关柜就地的方式。而WXH-821系列综合微机保护测控装置采用两段过电流式保护；WXH-822系列综合微机保护测控装置采用三段式电流电压方向保护；关于WXH-823系列微机保护测控装置，是集光纤电流差动保护、电流电压保护和三相一次重合闸基本配置于一体的成套线路保护装置，常常被用于电压等级≤66 kV的间接接地系统或者是小电阻接地系统[9]。

厂用变保护采用WCB-820系列微机厂用变保护装置，主要适用于3～10 kV电压等级小接地电流系统或小电阻接地系统中的厂用变、所用变或接地变的保护。可在开关柜上就地安装。

4 软件设计

扭子电站监控系统应用软件是基于Windows 2000操作系统，具有多任务、实时数据响应快、可扩充性好、使用方便等特点，适合于实时的控制。由于使用标准的智能扩展卡来获取数据，引进面向对象的程序设计方法，Windows 2000操作系统的维护、扩展方便可行[10]。该电站监控系统的应用软件可以不用依赖具体的硬件平台，配置简单，操作灵活。

该应用软件的特点是：具有良好的人机界面;具有良好的可移植性；具有良好的通用性；具有良好的实用性；具有良好的开放性。该应用软件使电站工作人员操作更加便利，维护技术人员制作画面的、显示画面、打印制表、设置参数以及操作控制的工作可通过工作站完成，同时微机还可以帮助运行人员完成自动控制、打印制表、画面显示等多种功能[10]。Windows 2000操作系统的具体软件功能构成如图3所示。

该系统的基本功能分为5部分：

1）显示LCD画面。运行工作人员可挑选和召唤画面显示，且同时多幅画面可同时显示。

2）制作画面和设置参数功能。维护技术人员可以进行下列制作和设置功能，修改各类图如主接线图、流程图、模拟图等，修改报警的上、下限，变比等各类参数。

图3 系统的软件功能构成Fig. 3 The formation of software features of the system

3）打印制表功能。可随时进行打印或备份所有显示的画面，自动定时打印报表以及各类事故报警。

4）操作控制功能。对需要控制的设备进行必要的操作控制。

5）其他附加功能。例如顺序记录事件功能（SOE），追忆事故功能，以及系统的安全防护功能，可通过设置或修改口令、系统对时、系统自诊断进行系统的安全维护[11]。

5 结论

扭子水电站综合自动化系统的成功投用，表明了项目设计合理，为其他综合自动化系统的配置提供了参考。实现了电站“无人值守”的目标，达到了水电站二次侧设备简洁、安全、经济以及便于管理的目的。满足了运行值班人员可以通过监控就可以对全场各主要设备、公用设备、线路的运行状态和参数进行实时监控，使电站可以安全稳定的生产运行。

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