朱辰代施冲发言　（论文作者：王惠民 戎刚 刘林兴）

　　（国网电力科学研究院/南瑞集团公司）

　　摘要：本文介绍了龙滩水电站计算机监控系统应用过程中技术特点、总结了技术优化方案，对类似特大型水电站计算机监控系统研制和调试有一定的借鉴作用。
关键词：特大型水电厂; 监控系统; 应用技术; 

　　1  工程概述

　　龙滩水电站位于广西天峨县境内，距天峨县城15km。设计总装机容量630万kw，是目前国内已建和在建的仅次于三峡工程的特大型水电站。坝址以上流域面积占红水河流域面积的71%。坝址多年平均流量1640m3/s，年均径流量517亿m3。工程按正常蓄水位400m设计，按初期蓄水位375m建设。相应初、后期蓄水位375m和400m水库总库容分别为162.1亿m3和272.7亿m3，有效库容分别为111.5亿m3和205.3亿m3，水库具有年调节和多年调节能力。电站地下式厂房内初期装机7台，后期再装2台，单机容量为700MW，电站年发电量分别为156.7亿kW•h与187.1亿kW•h，防洪库容分别为50亿m3和70亿m3。龙滩水电站以500kV电压等级接入电力系统，在系统中担任调峰、调频和事故备用。电站按无人值班(少人值守)设计，首台机投产时间为2007年5月。

　　主厂房为全地下厂房，9台水轮发电机组全部布置在左岸地下。中控室、计算机室、500kV系统继电保护室、地面220kV直流系统设备、通讯设备均布置在中控楼。

　　2  应用技术总结

    2006年4月至9月，龙滩电站计算机监控系统进行厂内设计和调试；2007年2月至5月，配合龙滩电站首台机组投产，龙滩计算机监控系统与主机设备同步调试和投运。龙滩电厂监控系统有以下特点：机组容量大（单机容量700MW）、LCU单元多（全厂共9台机，22个LCU）、全厂监控测点多（累计达43902点）。针对以上特点，我们在龙滩计算机监控系统设计、调试和投远过程中应用了有别于普通水电厂机组的关键技术，总结如下：

　　2.1  开出重漏选技术

　　监控系统控制输出过程是：开出模件动作－开出继电器动作－现场设备动作，如果因为PLC开出模件的故障而引起误输出的话将对现场设备造成误动，严重的情况下甚至会对运行设备造成损坏。考虑到龙滩电厂在电网系统中的重要性，在龙滩电厂计算机监控系统设计初期，南瑞公司就考虑如何防止由于开出模件故障而引起的误输出动作。

　　龙滩电厂计算机监控系统每套LCU内均配置了南瑞公司的专利产品：DOP-1型开出保护技术。采用该技术后，在任意时刻，所有参加开出保护的开出点只可以有一点动作,不参加保护的输出点可以有多点同时动作.当参加保护的开出点未经允许有有2点或2点以上同时动作时,重漏选保护动作,参加开出保护的所有继电器均不能动作,从而起到了开出保护作用。

　　DOP-1型输出保护实际上是由信号检测部分、逻辑比较判断部分和继电器输出闭锁部分组成，这些部分是由硬件电路构成，不受PLC的程序和开出模件状态的影响。如果开出模件的信号输出状态不符合DOP-1型输出保护设置的条件，则其内置的闭锁继电器将起作用，从而切断开出中间继电器的电源回路。一个完整的DOP-1型输出保护回路由开出保护盒DOP-1和开出重漏选判断盒DPS-1两部分组成，其原理如图1所示： 
  

           
　　如图1所示，DOP-1输出保护设备检测开出模件的开出动作信号，当检测到只有1个开出点动作时，认为开出合法，逻辑判断回路输出“ok”信号使得内部闭锁继电器JS励磁动作，同时复归“信号漏”和“信号重”。此时开出继电器才有可能动作。

　　当DOP-1检测到有2点或2点以上开出点同时动作的时候，认为开出不合法，复归“ok”信号，切断闭锁继电器JS，同时发出“信号重”，此时所有开出继电器均不能动作。

　　当然单独采用硬件上的DOP-1型输出保护技术是不够的，必须与PLC的控制程序结合起来才具有效果。首先必须作一个约定：PLC的开出信号必须是逐一输出的，即参与输出保护回路的所有开出测点中每次只能有一点输出，只有这样才符合DOP-1型设置的条件，否则一律作为非法输出将其闭锁。对于龙滩电厂监控系统而言，开关站，厂用电等LCU控制过程恰是这样，即运行人员对开关站开关或刀闸进行控制时，一次只对一个对象进行操作，只有当这个对象操作完成后才会对下一个对象进行操作。而对于机组这样需要多个开出点同时动作的控制设备，则是增加一个开出旁路功能，在需要有多个开出同时动作的情况下，通过开出旁路功能绕过开出保护闭锁继电器JS，在经过DOP-1型输出保护的硬闭锁和PLC控制程序中的控制使能软闭锁的双重保护闭锁下，一切非正常的输出都无法启动监控系统的控制输出中间继电器，使龙滩电厂现地控制单元的可靠性得到了真正的提高。

　　2.2  PLC与上位机通讯连接技术        

　　龙滩电站仅机组就有9套LCU，每套机组LCU经统计，开关量有1718点，SOE有480点，模入点有375点，模出有20点，加上其他通讯相关的信息字，与上位机通讯的信箱的长度达到了817字，远远超过普通电站单台机组上送信息的长度，如此大量的数据需要在机组LCU/上位机和上位机/上位机之间进行传递，必须要求监控系统对以往的数据交换模式进行改进，提高速度，否则将会造成上位机数据刷新缓慢，影响监控系统的正常运行。

　　龙滩电站监控系统的NC2000采用Client/Server模式和媒体流相结合的方式，协同事件驱动机制，实现了特大型厂站/集控中心监控系统实时性和可靠性的完美统一。具体采用的技术有：

　　2.2.1    将与现场控制直接相关的数据（如：控制命令、事件信息等）采用经典的C/S模式进行处理，保障数据可靠到达目标节点，再通过数据分组技术，在Server端分发给注册进程并行处理，提高实效性。

　　2.2.2    将数据同步等其它非直接控制类数据，采用媒体流方式进行处理，充分利用组播技术在网络传输层的特性，减少节点增加造成的不必要网络负载，避免数据重复传播，实现一发多收的实时数据同步和可靠传输。

　　2.2.3   实时库中所有数据类型，包括基本I/O量、PID、曲线、对象，当其特征值（如：测值、品质、投退标志、各种限值等）发生变化或超越死区时，才主动触发数据传输、数据处理和界面刷新程序；其余仅当全数据或初始化请求时，才触发相应程序。采用这种事件驱动技术，可以将网络流量和系统负载减少到最小，进一步提高系统实时性。

　　现地LCU作为监控系统的核心设备，巨型机组往往意味着有更大量的数据通信。然而由于PLC设备的局限性，其通信处理能力不会因为服务器端通信进程（线程）的增加而产生飞跃。提高PLC程序运行效率和响应速度，缩短CPU程序处理周期；利用PLC CPU串行处理的特性，实现通信请求一次批量处理，缩短通信处理周期；设计采用高效的通信协议，精简周期性数据报文，触发传输事件性报文，提高数据传送效率。

　　通过上述措施，龙滩电站从根本上实现实时数据采集的快速安全可靠，为监控系统的安全运行打下了坚实的基础。

　　2.3  独立的测温LCU配置

　　在水电厂计算机监控系统中温度量测量及机组的温度保护一直是非常重要的一个环节。龙滩电站计算机监控系统中测温系统与常规的水电厂计算机监控系统相比又具有其特殊性，主要表现在温度量测量的数目非常大，单台机需测量的温度量点达到了640点，而普通300kW装机容量的水电机组的单机温度量测量一般只有128点。温度量测量数目的大大增加而同时必须保证温度测量精度、刷新速率、抗干扰性指标良好，这对测温系统的设计提出了更高的要求。

　　龙滩电站机组测温系统最初设计为机组主PLC一个远程IO站，有4个独立机柜与主PLC机柜放置在不同的高层，与主PLC间通过远程IO 电缆相连。因为没有独立的CPU，所以温度量处理程序和温度保护判断的程序作为主PLC程序的子程序运行，温度量数据和主PLC采集的其余IO数据及各类信息一起送至上位机。这种模式虽然可以满足技术要求，但存在一定弊端，主要有：

　　1、主PLC系统较复杂，测温远程IO站是主PLC的第9个IO站，一旦前级IO网络出问题都会影响测温系统正常工作。与主PLC相连的是同轴电缆且距离较远，在电厂较复杂的电气环境下易受干扰。

　　2、因程序在主PLC中运行，所以造成主PLC的CPU负载提高需程序上特殊处理，虽能满足刷新速率≤5秒的要求，但整体所花费时间依然较长，需3、4秒才能刷新全部数据。

　　3、温度量数据与其余IO数据及各类信息一起送至上位机，而主PLC采集IO总点数很多，大量数据上送其所需时间较长。

　　4、作为主PLC的附属系统一旦主PLC出现问题则不能运行，水机保护PLC在此情况下无法进行温度保护停机，造成安全隐患。

　　5、只有主PLC机柜有现地显示设备，测温系统机柜与主PLC机柜不在相同高层，所以在现地无法查看温度测值。

　　鉴于上述原因，龙滩电站测温系统由原有的远程IO模式改进为一套完全独立的LCU系统模式，拥有独立的CPU、网络设备及触摸屏，与上位机系统通过网络直接通讯，温度保护出口通过输出节点送至主、备PLC。

　　改进后的不但解决了原有远程IO模式的弊端，还具有下述优点：

　　1、与上位机系统直接通过光纤网络通讯，抗干扰性强。

　　2、与上位机系统交换数据量较少，数据上送较快。

　　3、将温度处理程序从主PLC中分离出来可降低主PLC CPU的负荷率。可编制更复杂、完善的温度处理程序，也可使温度保护的逻辑判断更复杂，合理，独立运算的速度也高，可在1秒内完成所有数据刷新。从而提高整体系统的指标和可靠性。

　　4、独立的测温系统和主PLC没有关联，在主PLC出问题的情况下仍可正常工作，将温度保护信号送至备用停机PLC，提高机组运行的安全性。
5、现地配置有触摸屏，可在现地随时查看温度量测值。
改进后的龙滩电站机组温度测量准确可靠，运行稳定，为龙滩电站机组的安全运行奠定了坚实的基础。

　　2.4  新机组节点接入现有监控网络的时机和方法：

    龙滩电站共计有9台机组，除第一台机组外，其他机组的调试接入过程均是在现场有机组正常发电运行的情况下进行的，如何保证新机组节点平稳、安全和可靠的接入现有监控网络是监控系统现场实时过程中要重点考虑的问题。

　　从电站控制方式出发，现行的监控系统控制方式为现地LCU接受电站级主控单元发令，如运行人员在上位机发出的开机，停机等命令。控制命令集中存放在上位机主机系统内，由运行人员在画面上点击相应区域，在弹出的窗口中选择控制命令并确认。在第一台机组进行调试时不存在点错或误发的情况，但在已有机组投产发电的情况下同时进行后续机组的安装调试工作，如果工程人员失误（如数据库，画面做错，将新机组的控制误做在已投运机组上）或运行人员失误（对新机组的试验操作误点击了已投运机组的控制画面），均有可能误操作已投运机组，造成不必要的损失。

　　从系统安全角度出发，在新机组的调试期间，不可避免的需要将调试用的便携计算机机接入网络、运行各种调试软件、修改数据库和程序，稍有不慎，就有可能导致病毒侵入或网络异常，影响其它已投产设备的正常运行。

　　结合以上情况，龙滩电站在后续机组开始调试的初期，调试的机组LCU暂时不接入现有网络系统，而是利用该机组LCU内原有的环网交换机组建一个小型网络（若无环网交换机可为其单独配置一个交换机）。将现场原有的其它可以暂时不用的机器（如培训机或工程师站）从现有监控网络中脱离，按照现有主机的系统设置方式重新进行配置，装载监控系统上位机机现有的数据库，模拟成监控系统的一台主机，将这台重新配置后的“临时主机”接入新机组自己建立的小型网络。该机组所有的其它调试用计算机也接入该小型网络进行调试工作。调试期间所有上位机的修改测试工作（如数据库修改，画面修改，画面控制连接）均在原有数据基础上在这台临时主机上完成，待机组测点基本对完，所有控制流程的模拟实验全部完成后，再将临时主机中的修改好的最新数据库和画面导入当前监控系统主机，取消新机组自身的小型网络，断开原有环网系统，接入新机组LCU，测试无误后恢复整个环网系统。此时运行的无论是上位机系统和LCU均是已在原小型网络中调试过的，可以保证新加入的节点再整个系统中的安全无缝接入。

　　2.5  LCU间网络互取数据代替硬接线及实施过程中的完善

　　龙滩电站每套机组LCU需要判断相应主变高压侧的刀闸状态等其他LCU的输入信号,由于现场开关站系统离厂房机组较远,故这些信号没有送到机组只送到了开关站LCU。机组LCU通过网络互取数据的方式从开关站LCU获取自身控制判断需要的数据。这种方式为现场节约了大量电缆，当机组LCU控制过程中需要判断这些信号时，通过现有的网络读取开关站LCU的共享数据区从而得到需要的数据。

　　值得注意的是，每套机组通过网络从开关站LCU需要的数据并不相同，如果每套机组LCU的PLC在程序上都独自通过网络取自己需要的数据，这样每套机组的程序都各不相同，在投运后期如果控制流程有改动，其已投运机组的改动维护工作会非常大，而且一不小心很容易出错。所以在项目投运初期，就需要对所有的机组程序做统一考虑，即要求机组LCU程序除了IP地址不同以外，其它程序部分完全一致，这样如果后续机组调试工作中有什么改动，该程序只做简单修改既可替换已投运机组的程序。

　　为达到以上要求，在龙滩机组LCU的PLC程序中，在初始化程序中定义变量LCU_NO，通过该变量区分程序程序用在哪台机组上。在程序中如果有针对不同机组判断条件不同的地方（如判断开关站隔刀位置），根据LCU_NO的不同调用不同的语句，或语句相同但判断条件根据LCU_NO确定。通过上述方式，可以保证所有的机组在投运完成后程序一致，只是IP地址和LCU_NO不同，这样大大降低了其它机组程序修改的难度和用户现场维护人员的维护工作量。

　　2.6  数据采集和处理中的可靠性措施

　　为了加强龙滩电站计算机集控系统数据采集和处理的可靠性，除了常规外部信号硬接线输入输出回路外，还增加了多种其他信号的采集和处理模式，为系统的正常运行和事故分析提供了全面的运行记录和数据资料。主要有以下几点：

　　2.6.1    所有的控制开出动作均有事件记录和硬件输入变位记录

　　控制开出是监控系统对外部设备进行控制的基本手段，由于龙滩电站控制对象众多，控制过程复杂，对每个控制开出均要有详细的动作记录。一旦设备操作过程中发生异常，这些记录将极大的方便运行和维护人员检查监控系统的控制过程，分析故障原因。

　　龙滩监控系统中对所有的控制开出均有2种记录方式，一种为软件方式，一种为硬件方式。软件方式为对程序中的输出寄存器进行监视，一旦发现输出寄存器发生变位，立即产生事件记录，该记录以事件信文的方式立即上送上位机，做为一条事件记录永久保存在上位机内。硬件方式为利用每个开出继电器的一路常开节点作为返回节点，再接入监控系统的硬件开关量输入点，一旦开出继电器动作，相应的开关量输入点可以采集到变位信息，由此记录到开出继电器的动作信号。

　　通过软件和硬件结合的方式，所有监控系统发出的控制指令均可以准确无误的记录在系统内，随时供运行和维护人员进行查询。

　　2.6.2    水机保护PLC通过MB+网络接入主PLC

　　龙滩电站采用PLC系统代替常规水机保护回路，称为水机保护PLC。常规水机保护PLC做为独立运行的设备，一般不接入监控系统，这样一旦水机保护PLC发生动作或者发生故障，在监控系统没有记录，运行人员无从知晓，不利于设备的安全稳定运行。

　　龙滩电站水机保护PLC采用的施奈德公司的11303CPU,该CPU具有一个MB+通讯接口，通讯速率为1Mbps/秒，机组PLC采用的施奈德公司的UNITY 6716 CPU，该CPU也具备MB+通讯接口。在监控系统内部将两种不同型号的CPU模件通过MB+网联接在一起，主PLC实时采集水机保护PLC的信息，包括水机保护PLC的模件状态，输入/输出测值等。这样水机保护PLC内的所有信息均可以在监控系统内显示和记录，方便了运行人员及时了解水机保护PLC的运行状况，一旦发生事故，也可以及时了解水机保护PLC在事故过程中的动作记录。

　　2.6.3    实发功率测量采用变送器和交采两路输入，互为冗余备用

　　为了保证龙滩电站实发功率测量的准确稳定，在监控系统每套机组LCU配备了美国ALSTOM公司的百超交采表和台湾祥正的功率变送器各一个，两种表计的精度均为0.2级。

　　在监控系统内，对两种表计采集的数据互为冗余备用，实时监视这两种数据的测值和品质，一旦某路测量输入的数据发生异常，可以自动切换到另外一路采集数据，保证测量和功率调节的安全稳定，同时在监控系统报警输出，提醒运行人员注意。

　　除了测量值异常自动切换外，龙滩电站的两路功率信号输入可以由运行人员根据需要进行手动切换，运行人员可根据实际情况对测量源进行选择，完善电厂运行的需要。

　　2.6.4    有功/无功具备三种调节功能，均可以通过脉冲、通讯和模出方式进行调节。

　　监控系统对水轮机组的调节一般采用脉冲方式，在部分电厂也开始采用通讯方式进行调节。龙滩电厂功率调节共具备三种方式，分别是脉冲调节方式，通讯调节方式和模出调节方式。

　　脉冲方式是监控系统常规的功率调节方式，由监控系统根据当前负荷设定值和实发值进行比较和运算，通过功率增、减输出继电器将调节指令发送到相应的调节机构（调速器、励磁系统），由调节机构响应动作调整负荷。这种调节方式的优点是安全，可靠，但精度和速度稍有不足。

　　通讯方式下监控系统将运行人员或AGC/AVC设定的负荷设定值通过通讯的方式，将数据打包，按照约定的通讯规约将设定值发送给相应的调节机构（调速器、励磁系统），调节机构收到设定值后根据自身采集到的数据和设定值进行比较后直接进行闭环调节，由于调节和测量均在调节机构自身内完成，这种小闭环的调节方式具备速度快，精度高的优点，但要求调节机构具备相应的通讯接口并且自身具备实发功率测量元件。

　　模出方式下监控系统将运行人员或AGC/AVC设定的负荷设定值通过模拟量输出的方式，将设定值按照一定的转换算法转换成模拟量输出4～20mA信号发送给相应的调节机构（调速器、励磁系统），调节机构收到设定值后根据自身采集到的数据和设定值进行比较后直接进行闭环调节。这种调节方式的优点同通讯调节方式，但要求调节机构具备相应的模拟量输入采集接口并且自身具备实发功率测量元件。
龙滩电站具备上述三种功率调节方式，并且可以在三种方式之间自由选择和切换，切换过程负荷稳定，没有波动，任何一种方式下调节出现故障均可以切换到其他方式，保证了负荷的稳定输出。

　　3  总结

　　龙滩工程是继长江三峡水电站工程之后中国目前在建的最大的水电站工程，2007年5月，龙滩首台机组投产，由南京南瑞集团公司负责研制的龙滩水电站计算机监控系统也成功同步投运。截至2008年10月，龙滩现场共有5台机组投入商业运行, 实现投产发电后连续安全生产500天，计算机监控系统稳定高效运行，为电厂安全生产提供了坚强技术保障。实践证明上述技术和方案在龙滩电厂应用是成功的，为其他巨型机组水电厂监控系统实施提供了借鉴经验。

　　参考文献

　　[1] 汪军， 郑东梅，方辉钦。第3代水电厂监控系统及其在水口电厂的应用[J].水电自动化与大坝监测,2004,28(2):13-16

　　[2] 王惠民  芮 钧，龙滩水电站计算机监控系统. 第一届水力发电技术国际会议论文

　　[3] 王惠民，特大型水力发电厂控制系统现场调试. 水电厂自动化,2007,4:18-24



　　作者简介：
 
　　王惠民，男，1968年生，高级工程师，从事水电站计算机监控系统研究和工程管理工作。

　　戎刚，男，1977年生，工程师，从事水电站计算机监控系统研究和工程管理工作。

　　刘林兴，男，1979年生，工程师，从事水电站计算机监控系统研究和工程管理工作。