摘 要: 本文介紹了基于羅克韋爾系列自動化產品實現了一個水電站先進監控系統。結合某大型水電站的系統組建實例，詳細闡述了系統的硬件及軟件架構和實施注意事項。實際運行的結果證明：本系統利用羅克韋爾自動化產品，成功實現大中型水電站的無人監控、少人值班的高自動化水平，值得國內同行借鑒。
關鍵詞: 羅克韋爾 監控 LCU PLC 主機
1 引言
目前國內大多數傳統水電站監控系統一般采用儀表監控和計算機監控，在廠站端用微機遠動裝置RT U作為數據采集設備，電站僅僅作為數據采集與傳輸單元向調度中心發布信息，大部分監護和控制動作都需要手工完成，自動化水平低，能源消耗量大并且維護成本高。
隨著電力系統自動化水平的提高，傳統水電站監控系統已不能滿足要求。電廠站除數據采集與向調度中心發布信息外，同時需實現圖形、曲線、報表處理等能力。把工業計算機（IPC）用于電力系統廠站端的實時監控專家系統可以和RTU通訊，并將所得的數據信息加工處理成為用戶需要的形式，實現水電站的實時監控。本文基于國內西南部某大型水電站的實例，提出了一套基于羅克韋爾自動化產品及系統的水電站實時監控系統。
2 水電站實時監控系統
本系統采用分層分布式開放型網絡結構。系統分為三層，即廠級控制層和現地控制層和輔助設備控制層。上兩層之間采用可靠的雙網冗余快速以太網總線結構。系統結構如圖1所示。
圖1 水電站實時監控系統框圖
2.1 廠級控制層
（1）主控計算機（專家處理機）兩套，以互為熱備用方式工作，完成計算機監控系統的管理。包括AGG/AVC計算和處理、數據庫管理、在線及離線計算、圖表曲線的生成、事故及故障信號的分析處理等。
（2）操作員工作站設兩套，每套工作站帶兩個顯示器（雙屏），兩臺工作站互為熱備用方式，一臺用于監控，一臺用于監視。當監控工作站因故退出時，監視工作站可自動或手動升為監控站。
（3）工程師兼培訓工作站用于修改定值、增加和修改畫面、系統維護、軟件開發及遠程診斷。還可以離線設置，仿真培訓。
（4）歷史數據兼打印報表計算機用于完成歷史數據查詢、報表打印等。
（5）通訊處理機完成與網調、省調EMS系統進行實時數據交換，與廠內其他系統（MIS系統、水情測報系統、五防機等）進行通訊。
（6）電話及語音報警計算機用于語音報警輸出、電話語音查詢、報警自動傳呼等。
（7）其他設備包括GPS時鐘系統、網絡設備、不間斷電源系統（UPS）、模擬屏、 模擬屏控制機、打印機等。
2.2 現場控制層
廠房內設有四套現地控制單元（LCU）。其中三套機組LCU（LCU1、LCU2、LCU3）用于對發電機組的數據采集和控制，LCU4則用于對電壓開關站和公用設備的控制。各LCU分別完成各自監控對象 的數據采集及處理，并向網絡傳送數據，接受上位機的命令和管理。同時單個LCU具有獨立的控制、調節和監視功能，配有鍵盤和監視器。當與上位機系統脫機時，仍可進行必要的控制調節和監視。現地控制單元（LCU）由工控機和PLC及遠程I/O等設備組成。整個系統的主計算機、LCU及各輔助設備均通過羅克韋爾自動化的ControlNet網連接通信。各個LCU裝備PLC-5/40C可編程控制器，I/O機架、通信模塊、I/O模塊及UPS等。各LCU通過A-B公司的1771-DB PLC Basic Module實現各個設備之間方便快捷的接口通信。
為方便操作人員在現場對設備的監視和操作，各個LCU配置了1776-TS時間順序記錄模塊和A-B PanelView系列觸摸屏，既方便現場事件的記錄和分析，又提供了操作和監控的操作平臺。
2.3 輔助設備控制層
本層包含了水泵控制箱、空氣壓縮機控制箱、防滲控制箱、通風控制箱、油壓控制箱、旁路電源切換控制箱等九個小控制箱。所有這些輔助設備都直接掛在A-B DH-485工業局域網上。各個設備之間可獨立運行，也可通過網絡接受命令并進行相應處理。該局域網所有的主機和站點都可以共享輔助設備的信息，因此所有水泵、油泵、空壓機、通風設備及旁路電源工作情況等信息都可以第一時間直觀的顯示在上層的主機監控畫面上。
3 系統軟件及實現功能
系統組態軟件采用Rockwell的RSView32來完成數據采集、記錄、操作監控等任務，并通過RSWebserver將圖形和數據發給遠程調度中心進行分析，同時系統軟件自身采用專家數據庫系統來進行分析和實時管理。系統軟件模塊組成如圖2所示：
圖2 系統軟件模塊組成
軟件詳細各個功能塊如下：
3.1 監控畫面功能
（1）電氣主接線狀態畫面
畫面顯示電氣主接線所有開關的狀態，發電機出口的電氣和勵磁參數，主變壓器高、低壓側的電氣參數，高壓線路出口的電氣參數，母線的電氣參數，廠用變壓器的電氣參數，電氣主接線上所有開關的分、合閘操作按鈕狀態。主接線的運行狀態和操作均在該畫面上進行。當運行參數超出正常范圍或開關跳閘時，相應的數值和開關顏色變化，語音設備報警。
（2）機組工藝系統狀態畫面
畫面顯示機組及其氣、水、油等主要設備的狀態參數，主要設備的操作按鈕。當氣、水、油等參數超出正常范圍或設備故障時，相應的數值和設備圖形顏色變化，語音設備報警。
（3）監控系統運行狀態畫面
畫面顯示監控系統繼電保護、PLC和測量裝置的工作狀態和參數。
（4）電站所有需要監測的各種參數的實時和歷史曲線圖、棒型圖畫面。
（5）各種運行和管理報表及表格畫面。
（6）電站的平面圖、動畫等顯示。
3.2 遠動功能
由監控系統的主工作站實現，并留有擴展能力。需要向電力系統調度機關傳送和接收數據，實現調度機關對本電站的遙測、遙信、遙控和遙調，實時接收調度命令，向調度機關發送水電站實時運行工況、運行參數等信息。
3.3 數據采集和處理功能
3.3.1電站控制層
自動實時采集和處理來自各現地控制層及調度系統的數據。主要包括：機組、主變、母線、35KV線路、廠用電、調壓井閘門及全廠公用系統的電氣模擬量、非電氣模擬量、脈沖量、開關量的采集，對這些數據進行處理，包括越限處理、報警處理及事故追憶處理，處理后的數據以一定的格式存入實時數據庫，形成實時數據庫和歷史數據庫，以備系統調用和隨時查詢，并對監視的模擬量、開關量、脈沖量進行統計分析計算（含變位、越限等）作為歷史數據存入歷史數據庫，并作為報表輸出的主要數據來源。當出現異常事件記錄和出現事故時，計算機監控系統根據目前的情況自動作出處理。
3.3.2機組現地層LCU
自動實時采集和處理發電機、水輪機、勵磁及調速裝置、機組附屬設備的電氣模擬量、非電氣模擬量、脈沖量、開關量，主要設備運行工況診斷處理，并以一定的格式存入實時數據庫，對各類信息進行數據封裝后存放在現地控制單元的存儲單元中，并上傳電站控制層。
（1）直接采集的信號
電氣量：發電機定子電壓、電流，勵磁電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率和功率因數等。
·非電量：機組油、氣、水系統的壓力、壓差、流量、液位、溫度。
·開關量：發電機斷路器位置、繼電保護電氣事故信號、故障分類信號；勵磁系統工作方式設置、滅磁開關位置、故障信號；調速器工作方式設置、故障信號；油壓裝置壓力、油位信號；油泵運行方式、設置信號、運行狀態信號；機組各溫度信號、轉速位置信號、導葉開度位置信號、接力器鎖錠投切信號、制動閘塊位置信號、制動氣壓位置信號、剪斷銷剪斷信號、油槽油位信號；進水口閥門位置信號、機組冷卻水信號；水機保護動作信號等。
·脈沖量：發電機有功電能、無功電能等。
（2）通信采集的信號數據
機組各部位溫度、測溫電阻斷線及裝置故障，以及有關機組軸溫溫度信號和交換控制、狀態和報警信息。勵磁系統、調速器系統、同期系統、發電機及主變和線路微機保護裝置的通訊。
3.4 綜合參數統計、計算與分析功能
計算機監控系統根據實時采集到的數據進行周期、定時或召喚計算與分析，形成計算數據庫與歷史數據庫，幫助運行人員對電廠設備的運行進行全面監視與綜合管理，可及時發現故障征兆，提高機組運行的安全性。對現成的計算數據列出作為實時數據處理，存入相應的實時數據庫和歷史數據庫，進行越限報警、啟動相關處理程序等操作。
（1）溫度量分析計算
LCU周期獲得溫度測量裝置采集的溫度數據，進行預處理，并作計算后將數據存入LCU數據庫，實現全系統數據共享，可顯示、制表打印。
·溫度最高值、最低值：溫度畫面的實時值現示和歷史曲線現示;
·溫度變化趨勢分析：實時和歷史變化曲線;
·溫度越限追憶記錄：歷史變化曲線;
·正常值與實測值的比較分析：溫度畫面中溫度現示值變色，正常溫度為白色、報警溫度為黃色、停機溫度為紅色。
（2）電量累積計算
計算機監控系統對全廠有功電度量、無功電度量進行周期分項分時累加，并存入數據庫，供顯示并制表打印。
·單臺發電機的發電有功、無功電量累加;
·單回送電線路的送電有、無功電量累加;
·全廠發電機總發電量累加，全廠線路總送電量累加;
·全廠總廠用電量累加。
（3）設備運行統計計算
對機組、斷路器、機組油壓裝置等重要動力設備，以及間歇運行的輔助設備的運行工況（包括啟動次數據、運行時間、間歇時間等）進行統計，對繼電保護及自動裝置動作情況進行統計。
3.5 定值管理功能
計算機監控系統對所有定值作統計，定值修改、變更情況統計，并存入數據庫，以備查詢。
3.6 生產報表功能
計算機監控系統進行電氣量參數報表，非電氣化量參數報表，溫度、日發電量、廠用電量統計報表，生產綜合統計報表等。
3.7 安全運行監視及事件報警功能
（1）主要設備安全運行實時監視
計算機監控系統可以使運行人員通過主機兼操作員工作站顯示器屏幕對全廠主要設備運行狀態和運行參數進行實時監視，包括狀態變化監視、越限檢查、過程監視、歷史趨勢分析和監控系統異常監視。
·越限檢查：主要針對主機定子電流、油溫、冷卻水壓力、定子線圈和鐵心的溫度計及其它被監視參數，檢查設備異常狀態并發出報警。
·過程監視：監視機組開停機條件、開停機進程、狀態轉換過程的順序及轉換時間等，并上送至電站控制層。監視機組各種運行工況的轉換過程所需要的操作步驟，在發生過程阻滯時，顯示阻滯原因，并由機組現地控制單元將機組轉換到安全狀態。（如開機、停機、冷卻水狀況等）
·趨勢分析：分析機組運行參數的變化。（如機組軸承溫度趨勢監視、發電機溫度變化趨勢監視、機組電壓和負荷變化、勵磁電壓和電流變化等）
·監控系統異常監視：對機組現地控制單元硬件、軟件故障自動監視，報警并上送數據信息給電站控制層。實時監視監控系統本身的工作狀況，通信狀態等。
（2）事件報警
·故障報警記錄
計算機監控系統周期性掃描故障信號，故障發生時，立即響應并處理，同時記錄故障發生時間（時、分、秒）、動作設備器件名稱、事故內容等信息，并顯示、打印故障報警語句，發出聲光報警信號，按故障發生的先后次序排列，形成故障記錄并存入數據庫。故障記錄表格為故障匯總記錄表，可供值班人員查尋，并定時打印，也可召喚打印或顯示。
·參數越限、復限報警記錄
計算機監控系統在設備運行參數超越其限值時，立即報警，越限值恢復正常值時，進行復限提示。參數越、復限時，記錄發生時間（時、分、秒）、參數名稱、參數值勤等信息，并顯示打印故障報警語句，發出音響報警信號，形成全廠參數越看待線記錄并存入數據庫。
·事件順序檢測
機組現地LCU自動檢測本單元所監視的設備、繼電保護和自動裝置的動作情況，當發生狀態變換時，對于事故信號自動產生中斷，檢測事件性質、發生時間，并順序記錄，上送電站控制層，計算機監控系統立即響應中為信號，同時記錄事故發生時標（時、分、秒、）、動作設備器件名稱、事故內容等信息，并顯示、打印事故報警語句，發出聲光報警信號，按事故發生的先后次序排列，形成事件記錄并存入數據，可按設備進行搜索記錄。
（3）事故追憶及相關量記錄
水電站發生事故時，需對事故發生前后的某些重要參數進行追憶記錄，以供運行人員事故分析。事故發生時，計算機將按順序將事故報警信息、事故的名稱及這些追憶數據保存于磁盤中，形成歷史數據。并自動顯示、打印這些數據。事故追憶的重要參數有：線路三相電流和電壓（正常值和故障值）；主變的電流和溫度（正常值和故障值）；發電機定子三相電流和電壓（正常值和故障值）、機組推力軸瓦最高溫度等。
（4）機組開、停機過程監視
機組開、停機時（命令發出），計算機監控系統自動推出相應機組的開、停機過程監視畫面。畫面包括：機組編號、自動/手動標記、開（停）機條件、用流程圖表示的開（停）機步驟、每步操作的時間及總時間。實時顯示全部開、停機過程中每一步驟及執行情況，并按設備實際動作狀態自動改變步序框的顏色，以區分已操作、正在操作、待操作及操作受阻部位。并提示在開、停機過程受阻的受阻部位的原因，進行開環運行指導甚至閉環自動控制操作。
3.8 控制、操作與調節功能
根據電廠設備運行的情況和有關計算結果，按預定步驟遠方及現地的控制命令對全廠設備的運行進行控制與調節。運行設備控制方式設置，自動/手動控制、遠方/現地操作，均可在操作畫面中點擊實現，有功功率、無功功率調節以及機組開停機的控制操作也可在操作畫面中點擊實現。
4 問題點及注意事項
（1）設備的屏蔽
電子設備中某些元器件或電路中有電流流過時，其周圍空間將建立磁場；同時，電路某一部分所存儲的電荷，又在其周圍建立磁場；電能與磁場的相互急劇轉化將形成電磁干擾，這種電場與磁場，對設備本身來講屬于內生干擾，降低了設備的抗擾容限。嚴重時會使設備經常發生故障。為了將產生的電場或磁場限制在某一規定的空間范圍內，或為了使設備或元器件不受外部電磁場的影響，系統實施時必須采用隔離屏蔽措施，其方法是將有關電路、元器件、或設備安裝在銅、鋁等低電阻材料或是磁性材料制成的屏蔽物內，不使電場和磁場穿透這些屏蔽物。屏蔽就是用金屬導體，把被屏蔽的元件，組合件，電話線，信號線包圍起來。這種方法對電容性耦合噪聲抑制效果很好。最常見的就是用屏蔽雙絞線連接模擬信號。
（2）軟件的開發
利用Rsview32開發的過程中，盡可能的簡化程序設計，同時要兼顧所有功能的實現，務必避免為追求完美而使得程序非常冗雜，降低運行效率。同時程序中一定要包含充分的錯誤捕獲機制，以便出現問題時的及時診斷和處理。
5 結束語
本文基于羅克韋爾自動化的系列產品組建的水電站監控系統，實現了機組的無人監控、少人值班，提高了水電站的自動化水平和安全可靠性，減輕了運行人員的負擔。系統提供一次接線圖實時刷新顯示，使值班人員對電器運行狀況一目了然；實時數據表顯示與打印功能使傳統的、煩瑣的手工抄表得以取代；事件順序記錄和事故追憶功能為分析事故原因帶來方便；歷史記錄存檔功能使廠站的生產運行情況有案可查；豐富的曲線功能為了解電氣參數的變化規律提 供了客觀依據；系統支持用戶進行遙控和遙調。實際運行證明，本系統可達到大中型水電站的無人監控、少人值班的高自動化水平，減輕了操作人員工作強度，提高了電廠站運行的安全可靠性。
參考文獻
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：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
