水电厂综合自动化分析论文 3×20MW水电厂自动化设计

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水电厂综合自动化分析论文

关键词：H9000水电厂综合自动化 引言 在国家电力公司(包括原水利电力部、原能源部、原电力部)的大力倡导下， 我国的水电自动化工作自二十世纪80年代的科研试点逐步进入了90年代的“无人 值班”(少人值守)试点和推广的阶段，建设并完成了一大批水电综合自动化系统， 有力地推动了水电行业的技术进步。目前，已有29个水电厂实现了“无人值班”(少 人值守)，20个水电厂通过了国家电力公司的一流水电厂验收，还有相当已批水 电厂已经具备了验收的条件，取得了巨大的成功。

水科院自动化所作为行业的自动化专业科研单位，自始至终地参加了与水 电厂综合自动化有关的科研、推广及“无人值班”(少人值守)和创一流水电厂的工 作，完成了包括东北白山梯级在内的一百多个大中小型水利水电自动化工程，出 口埃塞俄比亚TisAbay二级电站的系统已投入了商业化运行，完成了隔河岩电站 引进计算机监控系统的改造工程，实现了湖南镇100MW机组扩建电站的“关门运 行”，为白山等六大水电厂实现创“一流水电厂”创造了必要条件，2001年联合中 标三峡梯级调度中心及左岸电站计算机监控系统工程，2002年连续在洪江、碗米 坡、株州航电等国际招标工程中标，取得了令人瞩目的成果，回顾过去，展望未 来，意义非同一般。

本文首先回顾水电厂综合自动化的在科研试点、实用推广和“无人值 班”(少人值守)三个历史阶段的工作历程，然后重点介绍近年来H9000系统结合水 电厂“无人值班”(少人值守)工作进行的改进工作，在水电厂创一流和实现AGC方 面的经验，H9000V3.0系统的新功能和兼容性方面的进步。

水电站综合自动化技术的发展过程 科研试点阶段：我国水电站综合自动化技术的应用起步于20世纪80年代初。当时，水电部的水科院和南自所及机械部的天传所分别在富春江、葛洲坝二江和 永定河梯级进行试点研究，研制成功的富春江水电厂多微机分布控制系统于1984 年11月正式投入运行，1986年获国家科技进步三等奖。通过试点，尝试了计算机 技术应用于水电厂监控系统的可行性，培养和锻炼了一批从事水电厂计算机监控 系统的科研、设计、安装和运行维护的工程技术人员队伍，积累了宝贵的经验。

但由于经验不足，研制周期过长，资金缺乏，使基础自动化配套改造不够，影响 计算机监控系统的正常使用，另外，在系统的规模、功能、结构、工艺、可靠性 以及软件的水平等方面与国外差距较大。

实用推广阶段：原水电部于1987年和1993年先后制定了“七五期间水电厂 自动化计算机应用规划”和“八五期间以及2000年水电厂计算机监控系统推广应 用规划”，两批共规划了67个大中型水电厂。根据“七五”规划，到1993年，先后 又有27座水电站采用了不同形式的计算机监控系统，如葛洲坝二江、鲁布革、富 春江、丹江口、新安江、铜街子、安康、石泉、龙羊峡、东江、白山等。软件和 硬件设备的标准化工作取得了初步成效，初步形成了工业化生产，达到了实用化 水平，形成了几种成熟的推荐模式。同时，科技水平有了很大的提高，有关科研 院所已经能够独立承担各类工程的计算机监控系统设备的开发研制生产任务，一 大批科技人才茁壮成长。

“无人值班”(少人值守)阶段：通过技术改造与技术进步，实现减人增效， 创国际一流企业，是国家电力公司的长远发展战略。为了实现这一目标，根据1994 年原电力部在东北太平湾水电厂会议提出的建议，由安生司主持、水科院自动化 所等单位参加，讨论制定了《水电厂“无人值班”(少人值守)的若干规定(试行)》 并由电力部于1996年颁布执行。与此同时，电力部颁布试行了《一流水电厂的考 核标准》。1994年太平湾会议还确定了葛洲坝二江、太平湾等5个水电厂为“无人 值班”(少人值守)第一批试点单位，水电厂“无人值班”(少人值守)试点工作由此拉 开帷幕。1996年又扩大白山、紧水滩、龚嘴等9个水电厂为第二批试点单位。两 批试点带动了水电行业的自动化技术进步，据不完全统计，自1980年以来截止到 目前为止，全国安装水电厂计算机监控系统总数约300套，而在这一阶段内，国 内总共新安装投运的监控系统约250套，其中水科院自动化所新投系统100套，电 自院新投运约120套，其余系统由国外公司或国内其他厂家提供。

与1994年以前比较，“无人值班”(少人值守)阶段的工作特点是：(1)各水电 厂自动化改造的积极性空前高涨，积极要求上计算机监控系统，并把监控系统当 作全厂“创一流”工作的重点，以监控系统带动全厂的自动化改造，为监控系统工作的顺利展开创造了良好的局面。(2)监控系统的功能齐全，软件和硬件标准化 程度高，开发周期短，性能指标先进，普遍达到了国际同期先进水平，实用性强， 可靠性好，成功率高，满足了水电厂“无人值班”(少人值守)的要求。(3)国家级科 研开发骨干队伍逐渐形成，形成了自主品牌的监控系统，在国际上具有相当的知 名度，如水科院的H9000系列分布开放系统和电自院的SSJ系列计算机监控系统， 基本占领了国内水电市场。(4)系统的实用化程度高，推动了行业的技术进步， 促进了管理的现代化，为减人增效奠定了技术基础，取得了实效。

H9000系统与水电厂“无人值班”(少人值守)技术 H9000系统是水科院自动化所于二十世纪90年代初期设计开发的面向水 电应用的分布开放系统，我国水电厂综合自动化的重要科研成果。该系统的设计 不仅吸收了国外公司产品的先进技术路线，使H9000系统的总体设计接近国际先 进水平，而且根据我们多年的工程经验和对水电自动化理解，结合1994年国电公 司颁布的水电厂“无人值班”(少人值守)导则，在系统的结构设计、功能设计方面， 充分考虑水电厂有人和“无人”对监控系统在可靠性、冗余措施、功能要求等方面 的差异，系统功能齐全，软件和硬件标准化程度高，组态能力强，开发周期短， 符合中国国情，实用性强，可靠性好，系统投运成功率高，满足了水电厂“无人 值班”(少人值守)的要求。为此，H9000系统不仅具有常规电站监控系统的功能， 而且进一步开发完善了下列功能：
完善的硬件与软件冗余体系 水电厂实现“无人值班”(少人值守)后，由于现场值班人员减少，每值往往 只有两人，当现场设备出现故障时，消缺人员一般要等较长时间才能抵达现场， 因此对于监控系统的可靠性要求更高，要求有较高的冗余度，在系统降阶运行时 不影响电站的安全。

为了满足要求，H9000系统的硬件可采用多层次的冗余措施，如数据库管 理站、操作员站、通讯服务器、网络交换机、网络通道、主控级UPS、LCU的数 据采集与控制器、CPU模块、通讯模块、I/O通道、现地总线、机箱电源、机柜 电源等，全部可以实现冗余配置，由软件实现冗余设备的检测与故障诊断，实现 冗余部件的无扰动切换，确保系统中某一部件的故障不影响系统的正常运行。故 障部件由消缺人员及时处理。

另外，H9000系统的软件总体设计技术采用了无主设计的概念，即系统中任何一个计算机节点的应用软件配置是完全相同的，如数据库管理站、操作员站 或工程师站，相同的软件配置根据不同的功能授权实现不同的功能。当任何一个 计算机节点出现故障时，可通过功能授权调整实现功能的重新分配。如正常运行 时，工程师站不具备现场设备的操作控制权，但经过权限的调整，可以进行控制 操作。因此，当一个系统具有多台计算机节点时，计算机出现全部调试故障的概 率可以认为是零，H9000系统永远是可控的。目前由于计算机的硬件资源相对丰 富，很多原先需要很高配置的设备完成的工作一般计算机均能完成，因此，H9000 系统将现地人机联系计算机节点的功能也充分提升，基本上可以完成主控级的人 机联系任务，使H9000系统的控制可靠性得到进一步加强。

On-call技术 H9000系统可对系统数据库进行设置定义，当发生事故时，监控系统可根 据定义声光信号，进行语音报警、电话自动报警、传呼报警或手机短信息报警， 实现On-call。系统还可根据需要将几个电话或传呼机号码按一定的优先级顺序排 列，系统可根据定义的顺序依次进行呼叫。系统还提供电话查询功能，任何人只 要拨查询电话，即可查询电站当前设备运行情况，如有无故障及故障报警信息， 重要运行参数等。On-call技术已成为水电厂实现“无人值班”(少人值守)的重要设 备。H9000/On-call也已被三峡梯级调度中心自动化系统采用。

电脑值班员技术 在隔河岩电站监控系统设计与实施过程中，在国内首次提出了“电脑值班 员”的概念，并且被采纳实施。这是无人值班、关门电站最具有特色的功能之一。

通过考察和调研，结合我国水电厂的运行方式与当前电网结构，我们初步 提出了安全稳定智能控制和智能电脑值班的概念、功能要求和实现方法，使水电 厂在没有现地值班人员的情况下，从保证主、辅设备安全角度出发，由计算机监 控系统自动处理各类随机异常情况和隐患，经严格的条件判别和闭锁，进行控制 和调节。本功能好比一位经验丰富、责任感强而又不知疲惫的老值长时刻值守在 现场，保证水电厂主、辅设备的安全，并尽可能运行在最佳工况。

自诊断与远程维护技术 系统自诊断与自恢复功能是提高系统可靠性的重要措施。

H9000系统为分布式网络控制系统，具备完善的自诊断与自恢复功能，系统各设备不仅自检，还可通过网络进行互检，形成系统检测报告。诊断分硬件检 测和软件检测。硬件检测包括CPU、内存、I/0通道、电源、网络、通讯接口等。

软件检测包括软件异常中断、通信链路故障等。系统可将异常情况及时报警，并 可对冗余的异常部件进行自动切换。

监控系统具有远方诊断及远方维护功能。通过远方诊断及维护系统，可以 实现远方故障诊断及远方系统维护。

H9000与创“一流水电厂” 通过与用户的通力配合，目前采用H9000系统已经很多，并且已许多投入 AGC功能，特别是龙羊峡、东风、东江等几个大型或特大型水电厂实现了AGC 自动控制，白山、乌溪江和紧水滩先后实现梯级电站AGC，优化运行，并已有白 山、龙羊峡、紧水滩、乌溪江、东风以及东江等6个水电厂先后顺利通过了国电 公司“无人值班”(少人值守)和“一流水电厂”验收。

东北白山梯级电站的“无人值班”(少人值守)计算机监控系统工程规模宏大， 性能指标卓越，在国内首次实现了大型梯级水电站巨型机组的现地“无人值 班”(少人值守)和远方集中实时监控运行，首次成功地采用了110公里超长距离的 高速以太网通讯，标志着我国水电站计算机监控技术进入高速网络时代。监控系 统不仅实现了厂内AGC、梯级电站本地调频，而且实现了梯级调度全厂负荷自动 分配，实现了与东北电网调度自动化系统的通讯，实现电网的统一调度、负荷的 合理分配，使白山梯级电站监控系统根据电网远方负荷给定，由AGC实现了梯级 电站的优化控制。该项目于1999年3月通过国电公司组织的技术鉴定，受到东北 电管局及国家电力公司鉴定小组有关专家、领导及白山电厂工程技术人员的高度 评价，一致认为该系统在“远方集中监控总体技术方面居国内领先水平，国际先 进水平”，获国电公司2000年度科技进步二等奖，于2000年通过国电公司“一流水 电厂”验收。

贵州东风水电厂AGC先后完成了与省调之间双微波通道的SC1801规约通 讯、厂内及远方AGC负荷分配功能、远方负荷调节、远方开停机、远方给定全厂 总负荷、远方给定负荷曲线等功能，由电厂AGC完成机组的合和经济负荷的分配。

2001年11月，贵州省调进一步修改了调度规程，较好地解决了无人值班条件下 AGC对接地中性点问题的处理及机组的自动开、停问题，既保证了电网的安全性， 又满足了“无人值班”（少人值守）的要求，成为国内第一个自动按调度负荷曲线 运行、实现远方自动开停机的电厂。由于有省调的大力支持和配合，东风电厂的AGC功能国内最先进完善，得到国电公司领导的充分肯定和好评。

在2002年1月贵州东风水电厂“无人值班”(少人值守)验收会上，国电公司有 关领导和专家对该厂的自动化工作给予了极高的评价，认为该厂在AGC方面仅次 于广蓄，在没有人工干预的情况下，实现了监控系统按省调负荷曲线自动开停机 和负荷调整，实时性好，对保证贵州系统“西电东送”电能质量起到了非常积极的 作用，受到了电网调度人员的欢迎和好评。

龙羊峡水电厂是西北电网第一调频厂，装机容量为4台320MW机组，2001 年3月在西北网调的大力支持和配合下，采用DNP3.0网络通讯，实现网调远方 AGC。龙羊峡AGC由网调给出远方开停机命令和实时功率设定值，远方开停机 命令和实时功率设定值通过数字通道传送，成功地解决了大机组远方平稳开停机。

特别值得一提的是，浙江乌溪江水电厂自动化改造工作由于领导重视，电 厂先后安排40余人参加了监控系统培训，较好地掌握了技术，成为技术骨干，承 担了大部分系统的功能开发、设备现场安装调试工作，在不到6个月的时间内完 成了全厂11台机组共16套LCU的安装调试工作，整个工程自1998年5月启动到 1999年5月省公司验收，只经历了短短的一年的时间，创造了“乌溪江速度”。另 外，1996年乌溪江扩建电站按“无人值班”(少人值守)设计，采用H9000系列计算 机监控系统，实现了远方监控系统与机组发电同步投运，实现了远方实时监控和 现地“无人值班”(少人值守)，1998年进一步取消了夜间巡视，成为国内第一个真 正的关门电站，引起国家电力公司安运部有关领导的高度重视。

目前，仍有一批采用H9000系统的水电厂正在积极进行准备工作，我们将 一如既往地秉承“服务和合作”的精神，做好支持配合工作，争取使H9000的每一 个用户都能顺利跨入“一流水电厂”的行列。

H9000系统的新进展与兼容性考虑 为了满足用户不断增长的需求，满足电力生产对控制系统的要求，我们在 全面继承H9000系统的开放性、友善性、标准化、通用化及面向对象等优点的基 础上，于2001年研制开发了H9000V3.0系统，进一步吸收了国内外系统的先进经 验和技术，在系统结构、WEB浏览、最新国际标准通讯规约库及软件包、集成 开发工具软件及高级应用软件等方面有较大改进，进一步提高了系统的可靠性和 可维护性，在湖北隔河岩、福建高砂、天津大张庄、重庆江口等一系列工程中得 到成功应用。下面简要介绍H9000V3.0系统的技术特色。新型的系统结构 由于工业控制微机(简称IPC)结构复杂，有机械旋转部件如硬盘、风扇等， 是LCU乃至监控系统的可靠性瓶颈。H9000V3.0在系统结构有较大改进，LCU采 用了可编程控制器直接上以太网的方式，在控制主回路中取消了IPC，IPC仅作为 现地的辅助控制人机联系设备，系统正常运行时，IPC可以退出运行。由于控制 主回路取消IPC，使LCU的可靠性大幅度提高，可以很好地满足下一阶段水电厂 无人值班运行的要求。IPC也可由智能化液晶操作面板代替，可靠性可进一步提 高。

在进行H9000V3.0系统设计时，充分考虑了与H9000老系统的兼容性，可 确保H9000的老系统平稳升级到V3.0，并且新老系统可全兼容混合运行，因此老 系统的升级改造提供了非常便利的途径。

WEB浏览 由于因特网普遍采用浏览器等瘦客户端软件，系统的使用及维护十分方便， 受到广大用户的欢迎。H9000V3.0增加了WEB浏览功能，系统仅需增加配置WEB 服务器，安装woixWEB服务器端软件。为了确保系统的安全性，可设硬件或软 件防火墙。同样，WEB浏览功能充分考虑了与H9000系统原有图形界面的兼容性， woix软件可完全识别原H9000系统的*.dbin图形文件，并且外观效果与oix完全一 致，实现了百分之百兼容。

H9000/Toolkit系统集成工具软件 H9000V3.0系统在原开发工具软件的基础上，进一步充实完善，不仅提供 IPM交互图形开发系统、DBgen数据库开发系统、PDC综合计算工具软件、 ControlLock控制闭锁工具软件、API接口等，而且新开发研制了DEtool数据工程 软件。特别是DEtool，将系统集成开发工作于一体，成为包括数据库、语音、控 制闭锁等功能于一体的集成开发工具软件，强化了系统集成与数据工程的可视化， 并且具有学习指导性质，进一步提高了系统开发集成效率和质量，也为设计部门 和最终用户提供了有效的系统设计开发手段，受到广大用户的一致好评。

国际标准通讯规约 通过与ABB、Alstom等公司在三峡工程的合作，H9000V3.0系统在通讯规约方面获得进一步充实，不仅支持DL476-92、m4f、SC1801、CDC8890TypeII、 CDT及Polling等传统远动规约，而且研制开发了IEC870-5、DNP3.0、TASE-2规 约通讯软件，形成了较为完善的通讯软件包。

高级应用软件 H9000V3.0系统在AGC/AVC等高级应用软件方面有较大进展，实现了白 山、乌溪江等梯级水电厂的联合AGC，在东江等水电厂实现了AGC/AVC，在龙 羊峡、乌江渡、东风等水电厂实现了调度远方AGC，其中贵州东风水电厂在没有 人工干预的情况下，实现了电站监控系统按省调负荷曲线自动开停机和负荷调整， 实时性好，对保证贵州系统“西电东送”电能质量起到了重要作用。在更多的水电 厂实现了电站AGC功能。

Simulog培训仿真软件 在操作员培训仿真方面，分析研究了水电厂复杂的生产过程，完善和充实 水电厂生产过程仿真的总体模型，增加了连续系统仿真、非线性系统仿真及处理 等功能，建立和完善处理上述复杂系统的数学模型和Simulog语言，并开发了相 关的编译器和仿真器软件，结合H9000系统原有功能，OTS2000培训仿真系统已 经可以初步应用于分解和描述比较复杂的连续非线性过程控制系统。

综上所述，H9000V3.0在确保技术进步和功能扩充的同时，将新老系统的 兼容性放在一个十分重要的位置。新老系统兼容，也就是说H9000系统的V3.0版 可以与V2.0版本混合运行，确保老用户系统升级的便利实施，简化过渡期的施工 方案，可以很好地避免由于产品升级而将系统硬件和软件全部推倒重来的做法， 保护用户的投资。

结束语 过去的20年，我国的水电厂计算机监控技术从无到有、从“景上添花”的“花 架子”到现代化生产运行管理和实现“无人值班”(少人值守)必不可少的重要装备， 无不凝聚了我国水电行业主管领导部门、科研、规划设计、生产运行等部门几代 人的智慧、抱负和辛勤劳动。

过去的20年，也是H9000系统孕育、诞生、成长、逐步发展壮大取得了辉 煌业绩的20年，成为我国水电自动化领域一颗璀璨的明珠，为我国水电厂自动化 技术的进步和创“一流水电厂”工作做出了应有的贡献。在这里，我们再次感谢有关领导、广大用户对我们的支持和信任。我们将戒骄戒躁，密切注意中国进入 WTO后国外公司对我国水电自动化市场的冲击和挑战，严格执行ISO-9001质量 保证体系，贯彻质量方针，永远以用户的需求作为我们的第一需要，不断跟踪国 际技术的发展与进步，开发更多更好的产品，以更高的技术质量水准，为广大的 水利水电用户服务，为水电厂真正实现无人值班、关门运行、创国际一流做出应 有的贡献。