基于Modbus协议的流域集控声光报警技术

黄海军，王 旭，章泽生，陈庆松，宋连会

(华电云南发电有限公司, 云南 昆明 650228)

远程集控中心和水电站“无人值班、少人值守”的生产管理模式设想[1]已逐步成为了现实，国电投五凌集控、华电金中集控、华能澜沧江集控、三峡昆明集控等开展了各具特色的适应性改造工作[2-6]，但现有技术平台仍存在明显不足：一是“无人值班，少人值守”模式大大增大了设备监视的难度，集控中心在全面接入电厂信息后，海量的信息涌入，与落后的设备平台间形成了不可调和的矛盾，漏监视、误操作、误调度、应急不当等问题多发，已严重制约了流域集控中心的发展[7-8]；二是电力市场改革逐步深入，现有设备系统不能很好地满足现货市场出清变化大、电网自驾驶要求高等方面的要求；三是值班员在长时间精神紧张的工作中，工作敏感性会自然回落至一个较低的水平，突发事件发生后，可能无法满足高质量应急处置的需要。

2018年初，某大型发电站有功自发突升390 MW、无功突涨122.44 Mvar，由于功率自发突增现象异常罕见，各设备系统并未告警，值班员也未能及时作出处置，对电网频率调控产生了一定的影响。因此，如何提高电力生产监视的技术能力，识别和预防风险，成为远程集控中心防范安全风险的迫切需要；同时，提升远程应急处置的正确性、速动性、经济性，成为各生产单位管理上的难题。研究中提出了一种声光报警的技术，通过紧急事件的摘要呈现，强迫值班员快速调整精神状态，进入应急处置模式，具有重要的现实意义。

1 声光报警的必要性

1.1 远程值班的技术要求

远程集控模式的涌现，既是不断适应电力市场改革的直接结果，又是适应大数据、智能化等设备技术的必然趋势[9-10]。

远程集控中，值班员担任“发电操控工+维护监督员+生产风险哨兵”的角色，即启停设备，控制和维持发电稳态；监督维护工作范围，确保常规工作不会中断正常的发电生产；监视全厂设备，及时发现异常，常规缺陷通知维护人员消缺，紧急事件自行隔离与汇报，确保生命财产安全以及保证供电的质量。因此，为值班员提供相应的设备监视、控制工具，确保生产信息快速、有效提取，是远程值班的技术本质要求。

1.2 应急处置的及时性要求

电力是现代社会的基础资源，监管机构要求保供电措施必须落实到位，防范人为安全风险；若发生异常，须立即进行有效的应急处置，确保电力供应不受影响[11]。

因此，快速转入应急状态、组织恰当的人员对系统予以有效干预，是保供电的根本要求。

1.3 弥补现有技术局限的要求

在“全监、全控”模式下[12]，主流计算机监控系统的文本报警内容太多，无法分清主次，“漏监视”率高；普通画面需要主动翻查，操作繁琐；光字牌虽可主动弹出，但调频及现货市场下须频繁开停机，可能导致重大操作被迫中断，而引发次生事故；语音报警被动监视效果好，但常常不能及时播报，延迟处理时机。因此，亟需一种被动监屏的工具，为值班员提供早期风险识别的技术支撑。

因此，采取声光报警技术，触发值班员从按部就班的常规工作中跳出来，快速进入应急处置状态，是集控中心迫切的工作需要[13]。

2 声光报警的数据模型

2.1 声光报警模型的构建原则

声光报警信息的弹出必须恰当、及时，经反复研究，确立了以下原则。

a.由核心设备告警触发，而不包含非关键的状态信息。声光报警应该是紧迫的，因此必须找到一种应急状态转换的介入点；这些测点就是生产过程中的不可逾越的安全红线，例如有处理时限要求的告警事件。

b.由可靠的事故、故障信号触发，而不包含频繁动作的事件测点。水电站的生产环境复杂多变，压力、流量、温度等容易误动作，不宜引入声光报警。

c.由最终状态触发，而不包括中间状态，避免结构臃肿和逻辑复杂。以图1紧急停机流程为例，触发源不应包含各系统上送的事故信号，仅选用启动终态的紧停阀、事故配的动作信息即可。

图1 紧停流程中的最终态与过程态

d.由综合信息触发，而不包含子信号、也不展示具体的信息。如保护系统选择装置总跳闸信号，而不是某个子保护的动作信息。

e.可以由累积发展或长时间演变的预警信号来触发。例如：①发生故障后不能快速恢复状态的操作机构，如弹簧储能、气压、液压系统等的异常工况;②负荷跳变、电机状态异常等。

f.侧重由计算机监控系统的硬接线数据触发，通信方式上送的数据为辅。

2.2 远程集控的声光报警模型

2.2.1 控制系统的声光报警

控制系统的异常是主要的声光报警对象，以防范调控异常，保障电厂设备的安全。表1为控制系统的报警源。

表1 控制系统的报警源

2.2.2 保护系统的声光报警

及时发现电气异常动作，快速安排设备排查以及重合闸，保护电网系统的安全。表2为保护系统的报警源。

表2 保护系统的报警源

2.2.3 关键设备的声光报警

识别电气开关、水工建筑物等的异常，保障电厂和电网的主体设备安全。表3为关键设备的报警源。

表3 关键设备的报警源

2.2.4 异常状态的声光报警

建立负荷突变、设定异常等技术手段，加强运行风险的管控。

2.2.5 检修异动的声光报警

监测检修设备的异常工况。如检修状态的开关站设备，如果隔离开关发生非预期操作，触发声光报警。

2.2.6 其他异常的声光报警

过速、水淹顶盖等高危状态信号，应该分秒必争，尽早介入处理。如表4所示。

可以缓慢处理的告警事件，一般不纳入声光报警处理。经过筛选，每个大型水电站的声光报警量为200～400条，约占 1%～2%。合理的数据模型是技术成功的关键，宜覆盖面完整、轻重缓急清晰。

3 声光报警的系统设计

3.1 系统结构拓扑

上位机采用国电南自SD80002.3.0系统，下位机采用施耐德Modicon M340 PLC、南华机电AL600U声光报警器，如图2所示。

图2 声光报警系统拓扑图

3.2 逻辑组态技术的选型

J集控中心位于网架复杂、监管严格的云南电网，是总调直调厂站。因防范漏监视等管理需要，配置的声光报警源就超过了1000项，该应用在国内并无先例，因此须研究其数据组态的方式，有以下选择。

a.上位机实时数据库组态模式

在上位机中，通过实时数据库的对象或顺控流程等模块进行组态，可以实现相关逻辑的实现，如图3所示。

图3 上位机逻辑组态界面

上位机的组态需要定义输入属性、计算属性等变量，绑定测点，编写逻辑脚本，因此需要大量的界面操作；如果脚本处理不恰当，存在出错、运算中断的风险。测试中发现上位机组态模式延时较为明显，部分瞬时信号有丢失的风险。

b.下位机PLC程序组态模式

在下位机中，通过PLC程序进行组态，可以实现声光报警的控制逻辑，如图4所示。

图4 下位机组态示意图

采用函数式编程的方法，可以对各个声光报警源进行单独处理，互不干扰，运算比较可靠；循环控制比较简便，而且后期修改量也小；缺点是不直观，使用 ST语言进行编程有一定的入手门槛。

综上，考虑功能的可靠性、实时性和可维护性，项目采取了下位机组态的方式，并使用Modbus-TCP协议构建上下位机之间的通信模型。

3.3 下行信文的设计

a.数据流的设计

下行信文用于传输原始数据，以便进行逻辑组态。下行数据的处理如图5所示。

图5 PLC的声光报警处理流程图

b.下行信文的解析

项目Modbus-TCP程序采取“FORCE MULTIPLE REGISTERS”(预置保持寄存器，功能码10H)方式下行信文，如图6所示。

图6 Modbus-TCP下行报文示意图

开关量16位(Bit)构成一个字(Word)，位按“高位在前、低位在后”排序，因此在进行图6“测点映射”、“压板映射”等运算时，对下行信文按图7排序规则进行解析。

图7 PLC测点排序示意图

以图6的报文为例，044是项目自定义的起始报文，前3个字表征上位机信息；每个字为2字节(Byte)，那么第24个字e00(二进制值1110000000000000)的含义是：336=8*(2*(24-3))、335、334声光测点为动作态，翻查上位机通信点表库(见图8)，确认了该解析的正确性。

图8 上位机的测点动作表

3.4 上行信文的设计

为实现状态反馈和历史记录功能，如压板的强制状态、AI的品质值、DO的输出值等，须设计上行信文。如图9、图10所示。

图9 上行AI信文的数据结构

图10 上行DI信文的数据结构

为了避免大量的数据对系统造成拥塞，上行信文以依次堆叠 AI、SOE、DI、DO等数据的方式最大化减少了上送的数据量。

4 声光报警的运算逻辑

在完成数据模型的构建、数据的传输解析后，须组织好数据之间的逻辑关系。

4.1 声光报警的闭锁

a.为避免信号反复变位导致的刷屏，每个信号、每个LCU区域、每个厂站均具备独立的检修屏蔽报警功能；

b.厂站和LCU的“检修”软开关退出后，该组织中的所有声光报警测点均恢复正常报警。

4.2 测点的组合输出

声光报警触发源数据量大，因此需要对各类数据进行分类汇总(见表5)，有助于快速定位，做出恰当的反应。

表5 声光报警的组合报警

声光报警的各类动作信号，应当配置历史信息，以便于追溯。

4.3 报警时长与信号复位

每个测点报警后，需要人工复归才能取消输出，即报警灯应该常亮直到全部复位并复归后才能灭灯。

4.4 画面配置

配置声光报警画面，便于进行屏蔽、复位等操作，以及状态监视。

图11 声光屏蔽示意图

4.5 PLC 运算逻辑简图

综上，PLC中ST语言构建的的运算逻辑概括如图12所示。

图12 PLC中的声光报警逻辑简图

4.6 声光报警的应用

作为一种改变值班模式的技术，声光报警发生时，驱使人员快速进入应急状态；配合监控系统画面(如跳闸矩阵、闭锁逻辑图等)准确快速定位事件要素，进行包括事件核实、人员组织、暂停检修工作、风险隔离、紧急汇报等一系列符合应急规程的操作，在事故早期关键的3 min完成组织、介入处理，确保电力系统的稳定，将不安全事件控制和消除于萌芽状态。

5 结语

声光报警的设置大大提高了特殊事件的应急处置效率，应急介入时间可提前至25 s以内，处置效率提升30%～75%。应急模式的快速切入，有利于快速控制异常，避免对社会供电造成不当的影响，也为开展水电站“无人值班”管控模式改革等工作提供重要的支撑。

声光报警触发源的选配，要深挖管理本质要求，确立恰当的数据模型构建原则。声光报警是对核心状态进行提醒、触发应急处置模式的工具，可以克服文本报警无重点、语音报警不及时等方面的弱点，但其无法替代语音、文本等传统工具；因此不宜增加过多的信号，不宜引入过度复杂的逻辑，防范系统各部件配合失效现象。