H9000计算机监控系统在纪村水电站的应用与改进

江冬冬

（大唐陈村水力发电厂，安徽 泾县242500）

0 引言

纪村水电站于1974年开始建设，1976～1977年2台机组相继投产运行，共安装2台17 MW轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量34 MW，运行期间虽然对主机设备进行了大修和技术改造，机组性能较以前有了很大提高。但是机组仍存在设计参数落后、继电控制回路复杂、设备老化等问题，机组自动化水平整体较低。

2017～2018年期间对纪村水电站实施增效扩容改造，每台机组增容到18 MW，增容机组及公用开关站计算机监控系统，选定中国水科院自动化所开发的H9000 V4.0监控系统作为纪村水电站的计算机监控系统。目前相继完成了1、2号机组与公用开关站计算机监控系统建设和投运，使纪村水电站的自动化控制水平得到了进一步提高。

1 系统结构及主要功能

根据纪村电站的实际情况和计算机监控系统分层分布的设计原理，H9000 V4.0计算机监控系统分全厂控制层和现地控制层两层。现地控制层采用单元分布的原则，设置3个现地控制单元（LCU）。LCU由触摸屏、可编程控制器（PLC）、各种I/O通道及各种智能装置（微机自动准同期装置、温度巡检装置、交流采样装置、手动准同期装置、通信控制器等）组成。系统具有整体安全可靠、实用经济、易于维护等特点。纪村水电站计算机监控系统结构如图1所示。

1.1 计算机监控系统的分层设计

纪村水电站计算机监控系统按网络结构分为2层：厂站层和现地层；按设备布置分为两级：厂站级设备和现地级设备。监控系统网络结构为双光纤交换式以太网，其机组LCU以太网连接图如图2所示。

现地控制层包括3套现地控制单元（LCU），其中：

机组现地控制单元共2套，每台机组1套LCU按3面屏进行布置。分别为输入量屏、输出量屏和温度测量（水机保护）屏。机组PLC选用施耐德Unity M580，配置为单CPU、双网络模块，组成双以太网结构，保证与上位机系统可靠通信。每台机组设置的水机保护与机组LCU的PLC系统完全独立，由独立电源、独立后备水机保护PLC、独立触摸屏组成。机组手动紧急停机系统设有“事故停机按钮”和“紧急停机按钮”，按钮均带有防止误操作保护罩。

LCU电源分别装于各自的LCU柜中。LCU内设备全部采用DC 24 V电源供电，其DC 24 V全部引自LCU所配的交/直流供电电源，交/直流采用冗余供电，当LCU外部AC 220 V或DC 220 V任一路失电时，均可保证整个LCU的可靠供电。为保证电源系统安全性，每个LCU的电源输入端均装有避雷器进行防护。

每台机组配置2套发电机温度巡检装置和1套转速测控装置。发电机温度巡检装置采用南京科明CM-448温度巡检装置，将发电机组同一部件的测温点，按奇数编号温度测点和偶数编号温度测点分别接入2套温度巡检装置，即采用温度测量冗余设计方式，保证了发电机组温度测量的可靠性，提高了监控系统的运行可靠性。转速测控装置采用南京科明CM-200转速测控装置，输入包含两路齿盘测速和一路PT残压测速；即转速测量也采用了冗余设计方式，保证了发电机组转速测量的可靠性。

图1 纪村水电站计算机监控系统结构图

图2 机组LCU以太网连接图

公用开关站设备现地控制单元用1套LCU，按3面屏进行布置。分别完成对2台主变、110 kV母线、2条110 kV线路、3条35 kV线路、厂房2组220 V直流系统、厂房检修和渗漏排水泵控制系统的运行状态进行监视。对泄水道闸门控制、机组上游工作闸门控制采用硬接线方式接入LCU。对深井水泵、空压机控制采用现地独立控制模式，通过RS485与公用LCU进行通信，从而完成设备的现地监控任务。公用设备PLC：施耐德Unity M580，配置为单CPU、双网络模块，组成双以太网结构，保证与上位机系统可靠通信。

厂站级主控层包括操作员站、工程师站、通信站、历史服务器站等。将工程师站（1套HP DL388 Gen9机架式服务器）、通信站（2套HP DL388 Gen9机架式服务器）、历史服务器（1套HP DL388 Gen9 机架式服务器）、操作员站主机（2套HP Z640型机架式服务器）、打印机（1台 HP LaserJet Pro M701n）、时钟装置、二次防护装置等设备布置在纪村上位机房。

上位机房服务器机柜共两面屏，装有6台工作站主机。操作员站的鼠标、键盘、显示器人机接口采用延长器引至中控室，操作员A/B站、通信机A/B站分别布置在两面屏中，每个服务器机柜由2个完全独立的逆变电源供电，保证了供电的可靠性；通信机A/B站是双电源输入，分别来自2个完全独立的逆变电源供电，保证与省调通信的可靠性。

操作员A/B站二者为双机冗余结构，为主备用工作方式。2台操作员工作站可同时工作，同时接收各种实时数据，当主控操作员站发生故障可切至备用操作员站进行相关操作与监视。

逆变电源设备屏中布置了2台逆变电源装置，2台逆变电源完全独立，1台故障不影响另1台正常运行。逆变电源的直流电源输入采用电厂220 V直流系统，1台逆变电源采用第1组220 V直流系统，另1台逆变电源采用第2组220 V直流系统，大大提高了上位机房服务器电源的可靠性。正常情况下逆变电源均由厂用交流电源供电，交流电源消失时，由电厂直流系统供给逆变器。当逆变电源的整流和逆变部分都发生故障而交流电源完好时，交流电源经过旁路开关直接供给负荷。在交流、直流电源输入端均装有避雷器，保证了电源系统的安全性。

1.2 计算机监控系统的分布设计

整个监控系统的功能分布在不同层次设备之中：

现地控制层各LCU按被控对象单元分机组现地控制单元、公用设备及开关站控制单元。各控制单元完成其被控设备的数据采集、监视及控制功能。监控系统中各节点计算机均采用具有良好实时性、开放性、可扩充性和高可靠性等技术性能指标的汉化Linux操作系统，仅工程师站采用中文Windows操作系统。监控系统配置H9000 V4.0系统应用软件，H9000-104规约通信软件。

主站的监控功能分布在厂站级主控层中，如操作员A/B站主要完成数据采集与处理、实时数据库管理、监控系统的人机联系功能以及完成历史数据库管理等任务。完成对本厂的运行监视和闭环控制、随时接收远方控制中心的调度命令，发布现地操作控制命令、厂内优化运行AVC计算和处理，数据库管理等功能。

工程师站由我厂检修维护人员负责管理。用于系统开发、编辑和修改应用软件、建立数据库、系统初始化和管理、检索历史记录、系统故障诊断等工作，检修人员可根据现场实际需要进行修改定值、增加和修改画面，并可进行系统维护、软件开发工作及远程诊断等。

1.3 计算机监控系统的主要功能

（1）实时采集电站机组等主要设备的各种数据，对电站各控制点和监视点进行自动安全检测、越限报警、事件顺序记录、事故故障原因提示与语音报警。

（2）实现水轮发电机组的自动顺序启、停控制、机组运行工况转换及负荷调整，断路器隔离开关等重要电气设备的分、合闸操作以及其他自动控制功能。为了确保监控系统操作的正确性，H9000 V4.0系统的所有控制操作均有严格的闭锁条件。

（3）综合计算与统计分析：监控系统可根据实时采集到的数据进行周期、定时或召唤计算分析，形成各种计算数据库与历史数据库，帮助运行人员对电厂主要设备的运行情况进行全面监视与分析管理。

（4）机组事故停机处理：现地控制单元LCU中的PLC装置具有机组保护功能，独立完成采集事故信息，快速执行事故停机流程。为提高系统的可靠性，我厂设置独立的水机保护屏，与机组LCU的PLC系统完全独立，由独立电源、独立后备水机保护PLC、独立触摸屏组成。该装置确保在机组LCU的PLC系统功能丧失时，机组仍具备完整的水机事故保护功能，水机保护PLC与机组LCU的PLC并行，当机组发生事故时，机组LCU的PLC事故流程启动，水机保护PLC事故流程延时启动。

（5）每台机组LCU均是1套完整的计算机控制系统，与上位机系统联网时，实现上位机系统指定的功能。而当与上位机系统脱离时，则能独立运行，实现LCU的现地监控功能。

2 现场存在问题与改进

纪村水电站H9000 V4.0监控系统自2017年投入运行以来，保证了机组的安全可靠运行，但还存在一些问题，具体问题及改进方法如下。

2.1 操作员A/B站黑屏问题查找解决

自投运以来操作员A/B站显示器均出现瞬时黑屏又恢复的现象，在周围工作人员打电话或发短信时，操作员A/B站显示器出现瞬时黑屏又恢复现象的次数增加，偶尔严重时会出现显示器黑屏无法恢复情况，其抗干扰性能差，给运行人员监盘带来诸多不便，后经检修人员检查确认系操作员A/B站延长器抗干扰性能差，使延长器发送端存在死机现象，不能满足现场环境要求，更换延长器型号后设备运行至今，未出现上述现象。主副显示屏的延长器是独立的，不是一体式的，这样设计不会造成因延长器故障造成主副显示屏同时黑屏现象，设备的可靠性得到了提高。

2.2 对监控画面显示进行优化

运行人员多次反映在日常监盘中由于纪村电站电气主接线画面整体太紧凑，画面上潮流数据太多以及光字报警信息过于繁杂，长时间监视会给人一种眼花缭乱的感受，不利于发现异常报警信息。

为改善此情况，我厂将原来的电气主接线画面拆分为2个画面显示，1张画面是显示潮流数据的运行监视图，在运行监视图中显示重要的开关刀闸，不完全展现电气主接线全貌；另外1张画面不显示潮流数据，仅显示我厂电气主接线全貌，通过运行人员与厂家多次沟通协调，画面显示优化问题得以解决。对于光字报警信息过于繁杂的问题，由于当时厂家在设计光字报警信息画面时将数据库中大部分的开入量、开出量的点均设置在光字报警信息画面中，造成光字报警信息过于繁杂，为改善上述问题，根据纪村站现场实际情况，在运行人员配合下对光字报警信息进行重新布局，对于现场主要设备和重要的辅助设备存在的故障点均设置在光字报警信息画面，对一般的开入点或开出点进行了删减，为了优化画面，还将有些报警点做了合并处理，如推力冷却水中断、下导冷却水中断、水导冷却水中断、空冷冷却水中断、主轴密封冷却水中断5个光字报警信息综合成一个“冷却水中断”光字报警信息，当其中一个发生故障报警，光字报警信息报“冷却水中断”，具体故障信息可查看事件一览表，事件一览表反映数据库中所有开入量、开出量、中断量的动作复归情况以及模拟量的越限报警信息，这样设置既优化了画面内容，也便于运行人员及时查找故障信息。

纪村中控室由原来的灯光仪表返回屏改造为DLP投影大屏幕显示，信号由操作员A站副屏延长器经视频分配器接入至DLP大屏幕进行显示。

2.3 数据库存在问题的处理

数据库存在的问题主要集中在与现地LCU的点不对应，现地LCU改接线以后，要针对现地LCU动过的点，在上位机的数据库及时进行定义。部分上位机的点，在数据库中没有中文描述，连在画面上以后，运行人员点开相应点的信息发现是“备用”，后对数据库中的所有点进行了仔细核实和修改。运行人员在查看监控信息时发现有一些开入量的点不动作或复归的情况，后经检查是因现场实际设备未能提供其动作接点给现地LCU，在运行人员建议下将这些开入量的点修改为备用点，以便于正确监视信息。

2.4 纪村站五防闭锁微机系统与监控系统后台实现规约对接和遥控操作功能

五防闭锁微机系统通信应用CDT串口通信规约，自行编译了一个进程，做了遥信和虚遥信点表，虚遥信的点在上位机里做了虚点，用“五防闭锁”进行了标注。总共有25个虚遥信点，并且在上位机对需要五防闭锁功能的开关和刀闸做了闭锁，在五防闭锁库里也进行了相同的标注，最终实现了五防闭锁的功能。

上位机在五防闭锁没有开出操作票的情况下，五防闭锁不会返回虚遥信点给上位机，所以不满足闭锁条件，在这种情况下，在上位机上对开关和刀闸进行分合操作不能实现。当五防闭锁对某个开关或者刀闸进行开出操作票操作，则会返回一个相应的虚遥信点给监控系统，此时在事件一览表中会有事件报出来，数据一览表中的五防闭锁虚点相应的也会动作，此时满足闭锁条件，就可以对开关进行相应的分闸或合闸操作。当上位机进行分闸或合闸操作完成以后，五防闭锁对其进行确认，则完成了五防闭锁功能。开关或刀闸变位以后，相应状态则会通过遥信点表将监控中的状态送给五防闭锁。延时约10 s左右，在上位机中相应的虚遥信点会自动复归。

但在实际运行过程中，微机五防闭锁系统可能会出现死机或者通信中断现象，如果此时现场有事故发生，将不能及时在上位机操作相应开关或者刀闸进行事故处理，为了解决上述问题，我们在上位机系统设置直接操作权限，在监控画面中设置了按钮，使其投入，使所有的五防虚遥信点动作，这样保证在五防闭锁系统不满足闭锁条件情况下可以进行直接操作，为运行人员进行事故处理节省了时间，也符合现场实际处理事故的操作要求。

3 结束语

H9000 V4.0计算机监控系统在纪村水电站得到了很好的应用，通过对监控系统在现场存在的问题加以改进，使监控系统对机组的运行状态可控在控，查找异常和故障点也比以前方便了很多，满足了机组运行监控各方面的需求，提高了纪村水电站运行的可靠性和安全性，自2017年运行以来取得了良好的经济效益和社会效益，为纪村水电站实现无人值班（少人值守）的目标奠定了坚实的基础。