浦江西水东调流域梯级电站集中控制系统.pdf

收稿日期 ：2017 08 30 作者简介 ：郑江才 （1975 ） ，男 ，助理工程师 ，主要从事 水电站运行管理工作 。 E mail ：137048732 浦江西水东调流域梯级电站集中控制系统 郑江才1，王晓罡2 ， 3，徐竞喆2 ， 3 （1 .浦江县西水东调管理处 ，浙江 浦江 322200 ；2 .水利部农村电气化研究所 ，浙江 杭州 310012 ； 3 .水利部农村水电工程技术研究中心 ，浙江 杭州 310012） 摘 要 ：金坑岭一 、 二级水电站和外胡电站是浙江省金华市浦江县西水东调工程中的配套梯级电站 ，电站经报废重建 后采用了计算机监控系统 ，并将 3 座梯级电站的监控数据及视频信号经网络交换机和数据光纤接入西水东调管理处集控中 心 ，实现了电站的远程自动化控制管理 ，为电站无人值班运行创造了条件 。 电站集控中心的建设实现了流域梯级水电站发 电 、 生态流量及城市供水的统一调度和优化运行 ，提高了梯级水电站的总体经济效益和社会效益 。 图 4 幅 。 关键词 ：梯级电站 ；计算机监控系统 ；系统配置 随着全国农村水电增效扩容改造工作的深入开 展 ，小水电站的机电设备都进行了更新改造 ，特别 是电站自动化水平的提高 ，使得水电站 “无人值班 （少人值守）” 管理成为可能 ；同时减少人力成本的 支出也使得电站 “无人值班 （少人值守）” 成为一 种现实的客观需要 。 对于流域梯级电站来说 ，集控 中心的建设也显得尤为重要 。 集控中心的计算机监 控系统通过与各梯级电站的计算机监控系统通信 ， 可实时 、 全面 、 准确地获取所辖电站的设备运行信 息 ，统一控制调度整个流域的梯级电站 ，实现整个 流域综合管理 。 1 电站概况 金坑岭一 、 二级水电站都位于浙江省浦江县仙 华街道金坑岭水库坝后 ，是浦江西水东调工程中金 坑岭水库的配套电站 。 金坑水库是 1 座以供水 、 灌 溉为主 ，结合防洪 、 发电 、 养殖等综合利用的中型 水库 ，整个工程由大坝 、 2 座副坝 、 输水隧洞 、 溢 洪道 、 电站 、 东 、 西干渠及供水水厂等组成 ，改造 后一级电站装机容量 3 400 kW + 1 320 kW （卧 式混流机组） ，二级电站装机容量 2 250 kW （轴 伸贯流机组）。 外胡水电站位于金坑岭一 、 二级水 电站上游约20 km的杭坪镇 ， 电站装机容量 2 250 kW （卧式混流机组） ，主要建筑物分别由挡水 建筑物 、 泄水建筑物 、 发电引水隧洞 、 压力钢管 、 主厂房及尾水渠道等组成 ，是浦江西水东调水利枢 纽的源头水库电站 。 3 座电站于 2016 年底开始报 废重建 ，进行电站机电设备的升级改造 ，并在西水 东调管理处所属流域梯级电站壶源江电站建立流域 调度集中控制中心 。 2 电站计算机监控系统 电站监控系统按照 “无人值班 （少人值守）” 、 以计算机监控为主 、 简易常规控制为辅的原则进行 总体设计 ，充分注意计算机监控系统与常规控制设 备的协调配合 ，建成后电站实现 “无人值班 （少人 值守）” 。 监控系统采用分层分布式结构 ，分为电站 主控层和现地控制单元 ，简易常规控制可在主控级 与现地控制单元通讯中断 （或主控站故障） 时作操 作备用 ，现地控制单元具备运行人员进行常规控制 的值班条件 。 上位机是电站工作人员直接操作的对象之一 ， 上位机软件具有操作简便 、 用户界面友好 、 提示清 楚 、 功能详尽 、 可靠性高等特点 。 上位机的软件在 组态软件 GE IFIX 的基础上进行开发 ，具备高级语 言强大的数据处理功能 、 友好的人机界面等特点 。 上位机能自动完成水电站实时状态的采集与处 理 、 监控 、 对被控对象运行参数进行调节 、 报警及 95 小水电 2017 年第 5 期 （总第 197 期） 计算机应用 万方数据 事故记录 、 顺序事件记录 、 遥控记录 、 电站历史数 据状态的查询 、 报表处理与打印 、 事故追忆 、 计算 统计 、 实时显示电站设备运行状态和参数等功能 ； 并能将电站的实时数据送至管理处集控中心 。 金坑岭由一级 、 二级电站组成 ，主要由一级站 来总控一级 、 二级站 ，二级站不配套上位机系统 。 二级站设备通过光纤接入一级站网络中 ，由一级站 上位机直接通讯 （见图 1）。 图 1 金坑岭电站网络拓扑图 在金坑岭电站的上游 ，设备包括上位机 PC 与 下位机 PLC 、 触摸屏及各种仪表通讯 ；其中 PC 与 触摸屏直接由网口进行通讯 ， 采用 modbusTCP 协 议 ；而 PLC 及各种仪表提供 RS485 通讯接口 ，上位 机 PC 通过添加串口服务器模块将 RS485 接口转换 为网络进行通讯 （见图 2）。 图 2 外胡电站网络拓扑图 3 西水东调管理处集中控制中心 梯级电站实现远方集中调控运行管理模式 ，对 其集控中心计算机监控系统在数据通信功能上的安 全性 、 实时性 、 可靠性等方面提出了较高的要求 。 3.1 网络架构 3.1.1 整体网络架构 整体网络由电站网络模块和集控中心网络模块 组成 ，中间通过光纤相互连接 ，不接入互联网 ，保 证网络的独立性与安全性 （见图 3）。 06 计算机应用 SMALL HYDRO POWER 2017No.5 ， Total No.197 万方数据 图 3 3D整体网络架构示意 3.1.2 集中控制中心网络架构 集中控制中心主要由操作员工作站和电视屏幕 墙组成 ，主要对接入的各下级电站进行监控 ，实现 集中控制 、 统一调度等功能 （见图 4）。 图 4 集中控制中心网络架构示意 3.2 系统配置及功能 系统为更方便的操作 ，更加通俗易懂 ，采用市 面上主流的 Win7 系统 。 使用美国 GE 公司组态软 件 IFIX 作为监控软件 ，在安全 、 稳定 、 可靠的基 础上 ，保证了技术的领先性 。 系统硬件方面经比较选取了质量过硬 、 品质有 保证的工业级计算机 。 扩展性好 ，易安装 ，适配各 种系统 ，具有运行稳定 、 兼容性好等特点 。 3.2.1 系统通讯 可靠的通信是远程控制和数据交换的基础 ，是 16 小水电 2017 年第 5 期 （总第 197 期） 计算机应用 万方数据 实现梯级水电站联合优化调控的保障 。流域梯级电 站集控中心计算机监控系统基于网络实现 ，但为保 证安全独立的原则 ，并不接入互联网中 ，由光纤 、 交换机等设备将所有的下级电站及集控中心独立的 系统组成一个局域网 ，所有的数据交互都在此局域 网中 。 在此局域网中 ，数据之间的交互采用 Modbus TCP 协议 。 Modbus TCP 协议是一种一问一答的协 议 ，在工业级通信中广泛应用 ，稳定而且可靠 。 此 处采用此协议 ，不仅提高了获取数据的准确率 ，也 保证了数据获取的及时性 。 另外 ，各级电站的各个 设备都拥有自己的专属 IP 地址 ，门对门 、 户对户 数据之间的交互清晰有条理 ，排除了数据错乱的可 能性 。 3.2.2 系统数据管理 集控计算机监控系统数据管理系统包括实时数 据系统和历史数据系统 。 （1） 实时数据系统 可由控制中心的数据服务器向其下属电站的 PC 及 PLC 等设备获取实时数据 ，并显示于数据服 务器及电视屏幕墙上 。 该数据实时更新 ，保证在集 控中心获取到的信息与在现场所获取到的信息保持 一致 。 实时数据系统因其实时性为整个集控的现地 无人值班控制打下了坚实的基础 。 （2） 历史数据系统 历史数据系统的内容主要包括 ：历史遥测 、 遥 信 、 故障及事故报警等数据 ，并以曲线及表格等形 式输出 。 历史数据系统分为两部分 ，一个是现地计 算机历史数据系统 ，另一个是集控中心数据服务器 历史数据系统 。 现地计算机历史数据系统与集控中 心数据服务器历史数据系统在正常情况下保存的历 史数据是一致的 。 当然现地历史数据只保存其所在 电站的历史数据 ，集控中心历史数据则更为庞大 ， 保存了集控中心所有下属电站的历史数据 。 两者之 间互为备份 ，即保证了数据的准确又为历史数据丢 失等特殊情况做了很好的应急措施 。 3.2.3 系统集控功能 集控中心计算机监控系统实现对各集控电站实 时数据的采集 、 设备的控制 ，并进行通讯状态报警 和命令发送返回报告 ；处理及完成相关趋势报告和 计算 ，对各种数据进行分析和处理 ，监视和事件报 警 ，越复限检查 ，过程监视 ，状态变化监视 ，趋 势分析和异常状态在线实时监视 。 在满足监控系统 对流域各电站同步监控的同时 ，通过对电站的水库 水位 、 引水压力钢管流量的监测 ，实现了电站生态 流量及城市供水的远程自动控制及流量调节 。 实现 了流域各电站 “无人值班 （少人值守）” ，相应提 高了电站安全运行及优化运行水平 。 控制模式上 ， 各电厂级监控系统保留独立的自动控制功能 ，保证 设备操作的安全性 ， 实现集控中心对电站的安全 控制 。 4 大屏幕 LCD 拼接显示系统 根据浦江西水东调管理处集控中心实际的使用 要求和空间环境 ，设计了 1 套完整的 3 行 5 列 46 寸 LCD 拼接显示系统方案 ，将高清显示技术 、 LCD 拼接技术 、 多屏图像处理技术 、 多路信号切换技 术 、 网络技术 、 集中控制技术等的应用集合为一 体 ，使整套系统成为一个拥有高亮度 、 高清晰度 、 高智能化控制的液晶大屏幕拼接显示系统 。 4.1 系统结构及配置 整个大屏系统可以分为前端系统 、 信号传输及 控制系统 、 视频显示系统几个部分 。 4.1.1 前端系统 大屏显示系统支持各类型信号的接入 ，电站监 控区域采用高清数字摄像机进行图像获取 ，通过电 站以太网交换机接入集中控制中心 。 除接入远端摄像机之外 ， 还可接入本地的 VGA 、 BNC 等模拟信号及 DVI 、 HDMI 等数字信号 ， 满足用户所有信号类型的接入 。 4.1.2 信号传输及控制系统 各电站厂房前端摄像机信号和电厂监控数据接 入站内网络交换机之后通过光纤专线传输至集控中 心 ，然后在视频主机上安装拼接控制软件 ，可实现 对整个大屏显示系统的控制与操作 ，可实现上墙显 示信号的选择与控制 。 工作站计算机选用工业级计 算机 ，配控制键盘 ，界面友好 ，具备图标指示设 计 ，视频输入输出切换 ，启动和控制系统监视器 的巡视和系统成组切换 ，监视器布防撤防以及报 （下转第 70 页） 26 计算机应用 SMALL HYDRO POWER 2017No.5 ， Total No.197 万方数据 示灯亮或发快速熔断器熔断信号） ，一相触发脉冲 信号消失或一相的可控硅不导通 ，自动控制信号电 压突然下降 ，造成输入端三相电流不平衡 。 处理 ：三相整流桥中 ，正常运行时整流后三相 波形均匀 、 平稳 。 如其中一相桥臂的可控硅因故障 而发相应故障信号 ，由于调节器的自动调节作用 ， 将自动调节增大正常两相的可控硅导通角 ，以保证 发电机端电压的恒定 ，故不会出现失控现象 。 为了 不使整流变压器因三相电流不平衡而其中的一相长 时间过载 ，可适当降低励磁电流至额定值的 70 80 左右 。 当三相整流桥中如有两相桥臂发生故 障时 ，由于欠励多 ，不能满足发电机的继续运行 ， 会出现失控现象 ，必须停机检修 ，检查出故障原 因 ，再进行更换 。 4.6 残压起励不成功 残压起励不成功 ，可能故障一是有脉冲但整流 桥触发电压太低 ，可控硅无法导通 ，处理方法为改 用手动起励或提高发电机转速 。 二是励磁调节器故 障 ，处理方法为检修励磁调节器 。 4.7 手动起励不成功 手动起励不成功 ，可能故障一是手动起励回路 不通或故障 ，处理方法为检查电源回路中的熔断器 是否熔断 ，起励回路中二极管是否开路 。 二是灭磁 回路元件误动 ，处理方法为检查灭磁回路元件 。 三 是励磁调节器故障 ，处理方法为检修励磁调节器 。