基于CSPA-2000系统实现大中型水电站计算机监控系统智能化的完整解决方案

1、基于CSPA-2000系统实现大中型水电站计算机监控系统智能化的完整解决方案张志东，刘刚，李元盛，焦邵华（北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100084）摘 要：本文介绍了基于四方公司CSC全系列自动化产品设计实施大中型水电站计算机监控系统的完整解决方案。详细介绍了大中型水电站的系统特点，并阐述了系统硬件特点及系统应用架构，提高了水电站计算机监控系统的自动化和智能化水平，完美实现“无人值守、少人值班”的运行需求。关键词：智能化、大型水电监控、CSC-850、IEC618501.引言1.1水力发电发展概况当今全球面临着各种各样的问题，其中能源匮乏和环境保护是两个典型的热议话题。水电是清洁绿色

2、能源，可再生、无污染、运行费用低，便于进行电力调峰，有利于提高资源利用率和经济社会的综合效益。在地球传统能源日益紧张的情况下，世界各国普遍优先开发水电大力利用水能资源。 中国不论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，都居世界第一位，水电事业的快速发展为国民经济和社会发展作出了重要的贡献，同时还带动了中国电力自动化领域的繁荣发展。大型电站的机组单机容量将向巨型化发展，同时由于电网调峰、调频、调相的需要，中小水电也将蓬勃发展。1.2水电站概述水电站是将水能转换为电能的综合工程设施 。一般包括由挡水、泄水建筑物形成的水库和水电站引水系统、发电厂房、机电设备等。水库的高水位水经引水系统流入厂房推动

3、水轮发电机组发出电能，再经升压变压器、开关站和输电线路输入电网。常规水电站自动化设备主要包括由水轮机和水轮发电机组成的水轮发电机组，及附属的调速器、同期装置、油压装置、励磁设备等组成；电气装置除水轮发电机及其附属设备外，还包括发电机电压配电设备、升压变压器、高压配电装置和监视、控制、测量、信号和保护性电气设备等。1.3 CSPA-2000大型水电站智能监控系统近年来，随着现代通讯技术和计算机软硬件的飞速发展，水电站自动化水平不断提高。“无人值守、少人值班“、减员增效、提高自动化水平、加强集中综合监控管理是必然的发展趋势。在这一过程中，水电厂计算机监控系统起着至关重要的作用。CSPA-2000大

4、型水电站智能监控系统是一个集计算机技术、控制理论、通信、网络、电力电子为一体的新一代现场总线分布式综合监控系统，具备领先的硬件结构，开放的软件平台和强大的应用功能。提供全面的自动化产品，实现水电站自动化综合监控、梯级和流域的集中监控，是实现数字化水电站的理想平台。2.CSPA-2000系统关键技术面向具有大型巨型机组的特大型电站，计算机监控系统的性能和重要显得更加突出，影响更大。系统的数据采集周期、数据处理能力、事故处理响应时间、实时控制响应时间等性能指标需要更高的要求，要求控制系统具有高可靠性措施、抗强电磁干扰能力、大容量数据吞吐能力、智能化数据处理能力、开放的系统接入能力和更为全面的系统功

5、能。CSPA-2000系统具有全面的系统解决能力，具有以下技术特点：2.1基于IEC61850的系统通讯1）水电厂监控系统对互操作的需求水电厂监控系统是一个复杂的系统，既涉及到对水轮发电机本身的电气控制，也涉及到对机械状况、大坝状况等有关信息的监视和控制，涉及到电气、机械、水利、自动控制等多个专业的相互配合。在水电厂中布置了大量专门的监控系统和传感器。这些系统和设备往往都来自不同的供应商，针对各自不同的具体目标工作，对外使用各自不同的物理接口和供应商各自定义的私有通信协议。大量私有协议的存在使得水电厂监控系统系统集成变得困难，甚至形成部分信息孤岛。上述局面的存在，不利于水电厂信息的共享和控制系

6、统的优化。为此，水电厂监控系统中不同供应商所提供的设备应具备互操作性，能够顺畅地进行信息交换，并利用交换的信息完成各自的应用功能。2）支持互操作的水电厂监控国际标准IEC61850-7-410为满足水电厂监控系统对互操作的需求，国际电工委员会（IEC）以国际标准IEC61850变电站自动化系统通信网络和系统为基础，结合水电厂监控系统的实际情况，制定了水电厂监控系统通信网络和系统标准IEC61850-7-410。该标准充分借鉴了IEC61850在变电站自动化系统中成功应用的经验，继承了IEC61850的技术路线和成果，例如模型、通信服务和工程配置描述语言等，并考虑到水电厂的特殊情况，从如下几方面

7、对IEC61850变电站内现有模型进行了扩展，新增了一些逻辑节点（LN）。（1）电气功能；（2）机械功能；（3）水电厂功能；（4）传感器。新增逻辑节点中，字母F开头的LN是针对功能模块的逻辑节点，例如FCNT（计数器LN）、FPID（PID控制LN）。字母H开头的LN是针对水利功能的逻辑节点，例如HDAM（水坝LN）、HLEV（水位监视LN）等。字母K开头的LN是机械和非电气功能的逻辑节点，例如KPMP（泵LN）、KVLV（阀LN）。 在实际应用中，IEC61850-7-410与现有IEC61850结合在一起使用。3）基于IEC61850-7-410开发的CSPA-2000大型水电厂监控系统

8、CSPA-2000大型水电厂监控系统是基于IEC61850-7-410国际标准开发的水电厂计算机监控系统，可以实现来自厂家设备的互操作，方便信息共享，简化系统集成过程。2.2海量的数据采集和处理技术针对大型水电站海量数据的高可靠性和高实时性采集要求，CSPA-2000系统采用了更为先进的技术手段。系统软件全新提出数据库族技术实现超大容量数据点的处理功能。按专业规划部署实时数据库，保证本数据库的高效访问；同时数据库族的成员可互相访问，成员之间可灵活合并与拆分。软件实时数据库结构定义灵活，数据容量可以灵活配置，以“按需分配”为原则，根据实际需求的点数量配置实时库容量。系统数据库支持600,000数

9、据点的采集处理。实时数据库提供高效的DP处理，包含对数据的抖动，零值，变化率，延时，坏点，死数据，量程处理等多种数据处理，以保证数据具有更高的可用性和正确性。服务器DP统一处理开关量变位和报警，同步熟数据，保障系统设备状态检测的准确性；服务器DP透传生数据，工作站独立处理过程参数量变化和判别越限报警，减少网络报文，降低网络负荷。2.3系统软件跨平台模块化技术系统软件采用跨平台方式设计，可运行于多种硬件平台和操作。如基于RISC硬件平台的Unix系统 （Solaris、AIX、HP-UX等），基于Intel硬件平台的Windows NT系列、Linux及Solaris系统。系统软件采用模块化设计

10、结构，可实现分布式功能部署。2.5全息压缩存储的历史数据库管理技术大型水电监控系统面对大量的历史数据存储查询任务，CSPA-2000系统历史数据库用于完成实时数据库数据的全息数据持久化和数据访问工作，将关系数据库强大的功能性和灵活性与实时系统的速度和高压缩比结合在一起，实现实时数据的永久化保存和随时访问。系统历史数据库支持完备的存储策略，能够高速地采集实时数据及与实时系统产生的所有报警和所有系统操作信息，并使这些数据紧密集成，通过专用的历史服务对海量数据进行快速的压缩和存储，使用数据变化判别机制和CyberZip多级压缩技术全息存储历史数据。系统历史库通过精心设计数据存储空间来最大限度加快数据

11、的提取速度，先进的数据检索方式使用户能够迅速检索到所需的详细数据信息。可冗余配置历史服务和检索系统，支持磁盘阵列存储，提供数据空间监视和备份功能，支持各种主流的关系型数据库，从嵌入式的Java Derby小型数据库到大型的DB2，Oracle等主流商用数据库，满足不同容量的数据需求；2.6基于IEC61131的过程控制系统大型水电站一体化监控系统是自动化程度非常高的过程控制系统。系统在设计时，充分考虑“无人值班、少人值守”的监控要求，发挥智能控制的优势，利用顺序控制、模糊控制、PID调节等控制算法，优化控制逻辑，增加逻辑运行的完善性、合理性，减少系统运行时的人为干预。CSPA-2000系统在通

12、用组态环境中引入逻辑组态的建立、调试和部署，从而实现对过程控制系统的构建，逻辑组态符合IEC61131-3标准，全面支持五种编程语言。2.7仿控一体化技术CyberSim仿真平台是CSPA-2000系统软件的独立功能模块，综合了数字化建模技术、分布式技术、仿真支撑软件等多种技术手段，提供图模一体化的仿真开发环境。针对水电站系统系统的结构原理，水电厂被控设备的特性，建立了一套标准化的仿真模型，包括水轮机本体、发电机本体、调速器、励磁装置等。结合系统控制逻辑实现水电站闭环仿真、系统培训、系统性能分析、前期可行性验证，以及在此基础上进一步进行的运行状况分析及优化，完美的实现了水电厂的数字化和仿控一体

13、化。2.8水电站监控深度集成技术CSPA-2000监控系统集成了水电站多个子系统，融合了过程控制、电气监控与保护、水电仿真等多个专业，将水电站中多个专业的子系统作为一个大规模的综合自动化系统进行统一设计、实施和调试。主要的集成范围如下：（1）电网动态安全监测系统PMU；（2）电力系统区域安全稳定系统；（3）升压站综合自动化系统；（4）工业电视系统；（5）消防监控系统；（6）能量采集计费系统；（7）水情测报系统CSPA-2000监控系统主要特点将机械和电力，控制、保护和仿真，监控和管理等多个专业子系统作为一个整体进行考虑，原来分立的子系统功能在该系统统一的软硬件平台上完成。系统在接入方式上也进行

14、了优化处理，多个子控制系统（如机组LCU控制、开关站电气监控、升压站综合自动化、电网动态安全监测PMU、电力系统区域安全稳定等）直接连接到综合监控系统的站级网络上，使得在简化网络层次的同时还满足相关子系统相互通信和远程访问等功能需求，实现被集成子系统的全部功能，从而极大地提高集成系统的性能。3.整体解决方案3.1典型配置站级信息层典型配置包括厂站数据通讯服务器、WEB数据发布服务器、仿真培训站、性能分析工作站、厂级信息监控站和报表打印站，完成全厂设备运行信息管理和信息查询任务，实现监控系统信息的WEB发布功能。站级监控层典型配置包括冗余实时/历史服务器、冗余工程师站、冗余操作员站、制表打印工作

15、站、智能报警工作站、冗余调度通讯工作站、大屏幕、不间断UPS电源、冗余网络设备、纵向加密装置及防火墙等，完成全厂实时数据采集、数据处理、历史数据存储、报表生成打印、报警处理；完成与各调度中心的实时数据交换，与厂内其他系统（MIS系统、水情测报系统、五防机等）进行通讯；完成全站机组发电AGC/AVC运行管理。现地控制层包括机组LCU、开关站LCU、公用LCU及闸首LCU，配置CSC-850 PAC自动化产品，包括冗余CPU模块、分布式I/O单元、远程IO单元、CSC-861智能通讯管理机、CSC系列同期装置、调速器及励磁装置、机组保护装置、线路保护装置、网络交换机触摸屏电脑及GPS时钟源。采用现

16、场总线技术完成各设备的接入监控。3.2典型系统结构CSPA-2000系统大型水电站流域监控结构图CSPA-2000水电监控系统采用全开放的三层三网分布式结构，对整个电站（梯级电站或整个流域）从水文测报，机组启、停控制及工况监视，辅助、公用设备的启、停控制及工况监视，负荷的分配，直到输电线路运行全过程的自动控制，并能准确地与上一级调度部门进行实时数据通信，是以集中监控和科学管理为目的而构成的全方位自动监测的综合自动化系统。系统由站级信息层、站级监控层、现地控制层组成，系统网络包括站级信息网、站级控制网、现地控制网三层，全系统双网冗余配置。主干控制网络采用千兆以太网，能够实现与现地LCU和与各级调

17、度中心的通讯，实现调度中心的远程控制，实现站站级监控按上级调度对电站进行实时控制调节和安全监视。现地控制网络采用多类型现场总线接入保护、励磁、调速器等智能设备；针对进水口闸门配置远程LCU采用光纤网接入，实现现地LCU根据上级的调控指令自动执行控制调节和现地手动控制。站级控制网和站级信息网之间采用纵向加密隔离装置，减少互相之间干扰，提高网络的可靠性。根据信息使用对象分流网络信息，提高系统网络性能，配置高性能网络通讯设备，保证通讯实时可靠。3.3系统时钟管理系统对时部分包括现地控制层各LCU控制器、分布式I/O控制单元、励磁同期等智能设备、厂站监控层集控室工作站、计算机房服务器及工程师站。典型对

18、时模式：主时钟源安装于现地厂房，连接室外天线，主时钟源通过光纤、RS422/485等多种通讯方式同步LCU控制器时钟，LCU控制器通过控制网络同步计算机房服务器本地时间和中控室内所有系统节点站。时钟准确度：优于1us；对时精度<1ms。CSPA-2000系统对时示意图3.4系统特点3.4.1提供水电站全面的自动化产品CSPA-2000大型水电站计算机监控系统包括全面的软硬件产品。系统软件CyberControl大型自动化软件平台通过国家信息中心技术鉴定，适用于各类大型综合监控系统，达到国际领先水平；CSC-850可编程自动化控制器遵循IEC61131标准，适用于水电现地LCU单元的设计实

19、施，完成机组及辅助设备的控制调节任务，同时适用于多领域的过程控制。站控层部分CSPA-2000包括梯级水电站计算机监控系统、开关站监控系统、闸门控制系统、水电闭环仿真系统、广域同步测量系统WAMS、嵌入式CSC-800M调度通讯工作站，现地层部分提供CSC-850可编程控制器、CSC-861通讯管理机、微机同期装置、同步相量测量装置、平板式触摸电脑、各类型机组及线路保护装置等。 3.4.2适用于水电站的分层分布式系统结构 CSPA-2000系统采用全开放、分布式模块化冗余结构，以“分层管理、集中控制”为原则，组成站级信息层、站级控制层和现地控制层三部分，充分利用计算机和通讯领域的先进技术，具有

20、高度的实时性和实用性。 3.4.3更高的系统可靠性CSPA-2000电站全系统重要设备均采用冗余配置。如现地控制单元控制器CPU模块、关键点I/O采集模块、同期装置、电源、现场总线、系统网络等，监控室冗余配置服务器、操作员站、通讯调度站等。现地控制单元可编程控制器及I/O单元采用四方公司CSC-850系列自动化产品，具有继电保护装置同等高性能的抗电磁兼容性。可编程控制器CPU模块采用工业级微处理器结合嵌入式操作系统，具有强大的实施可靠性。CPU及I/O单元采用模块化结构设计，支持模块热插拔技术，局部故障不影响系统运行。全系统软件遵循TCP/IP、SQL、ODBC、COM/DCOM、C+、Off

21、ice、IEC61131-3等国际标准，具有较强的接入性和可操作性。支持IEC61850-7-410规范，为数字化水电站提供系统支撑。系统具备全面的自诊断功能来有效预防故障的发生，包括现地控制单元CPU自诊断、I/O控制单元自诊断、软件模块自诊断、现场总线自诊断、系统网络自诊断等。系统具备完善的安全管理机制，采用用户与权限分组归属制度，允许同一用户采用不同身份登录系统，具有不同的操作权限，并实时记录操作日志。系统可分级控制，站控层与现地控制层控制可进行操作互斥闭锁。3.4.4系统高度开放性和可扩展性系统提供多种类型标准规约，实现现地设备的数据接入和与第三方系统的数据交互。提供开放的规约开发接口

22、，满足与各厂家设备和系统进行通讯。系统采用Profibus-DP、LonWorks、RS485等多种现场总线通信方式，可接入现地各类型智能装置和一次设备。现地控制单元控制器及I/O单元采用插件式组装模式，适用于各种规模LCU控制单元的搭建配置。软件系统采用跨平台技术，可选择多种运行环境；系统数据库提供小、中、大、巨型容量的数据库配置，满足各种规模监控系统的应用。3.4.5强大的专家工具库CSPA-2000的专家分析系统提供多种高级应用工具，提供系统运行监测及故障处理时的分析手段。系统软件提供智能报警功能。支持自定义配置报警类型、报警等级； 具有文字报警、语音报警、电铃电笛报警、短信报警、推图报

23、警等多种报警手段；具有报警确认、报警消音、报警清除、报警保存、报警暂停等管理机制；支持普通、持久、持久安全、短暂、短暂自动型的报警确认行为机制。采用控件模式查询实时报警信息和历史报警记录。软件提供开放灵活的报表定制方案，打造成为系统数据分析的利器。系统报表服务模块采用了Excel插件技术访问实时历史数据库，利用Excel强大的编辑功能设计实现实时报表和历史报表（日报表、月报表、年报表），支持各种柱形图、饼图嵌入，支持用户手动输入抄表数据，提供授权用户的在线修改功能。软件提供状态趋势分析功能。提供多种类型的实时趋势、历史趋势、XY趋势类型曲线。水电站全景录波，基于全息存储的历史数据源，提供系统运

24、行过程值变化、设备动作状态的过程重演，为故障分析提供最有利的指导。软件完整记录系统事件和用户操作日志。包括系统运行状态报告、过程值越限告警、开关量变位告警、操作信息等。可过滤查询历史记录，按时间段、按报警等级、按所属单元、以及模糊过滤查询。4.结束语本文基于四方公司CSPA-2000系统全系列产品提出了大中型水电站计算机监控系统智能化解决方案。提供的实时监控功能满足运行人员对系统状态的实时掌握和可靠管理；专家系统高级应用工具自动生成报表，减轻运行人员负担；事件存储记录、水电站全景录波反演、历史趋势分析、系统报警存储查询为事故分析提供强有力的依据和指导。采用CSPA-2000系统最先进的技术手段实现了水电站机组的无人监控、少人值班，满足了机组自动化监控的安全可靠性，提高了水电站的数字化水平。参考文献1王定一等编著水电厂计算机监视与控制M北京：中国电力出版社ISBN7-5083-0584-1，2001.082