淺談H9000系統(tǒng)的開發(fā)及其在大型梯級水電廠的應用論文
H9000計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過6a的開發(fā)應用,已逐步成熟與完善,不僅在近40個水電廠中得到成功應用,而且推廣應用到了小型電網調度自動化系統(tǒng)、電網水庫調度自動化系統(tǒng)和水情測報信息管理系統(tǒng)等新的領域;1998年底,該系統(tǒng)又在廣東北江防洪調度自動化系統(tǒng)的國際招標中一舉中標。說明該系統(tǒng)的應用領域越來越廣闊,也充分體現了H9000系統(tǒng)標準化與通用化的特點。
1H9000系統(tǒng)的開發(fā)與發(fā)展
H9000計算機監(jiān)控系統(tǒng),是由中國水利水電科學研究院自動化所于1994年結合寶珠寺、鳳灘水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)工程而開發(fā)的新一代面向對象的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在硬件和系統(tǒng)平臺選型等方面,參照了當時國際最新計算機硬件產品、軟件產品、實時工業(yè)控制產品的特點,并根據未來的發(fā)展趨勢,采用了系統(tǒng)開放技術。在系統(tǒng)總體設計方面,通過與國外公司如CAE、ABB等的技術交流,特別是通過與美國Landis&Gyr公司合作開發(fā)五強溪水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng),有選擇地吸收了這些公司的一些比較先進的技術思路,使H9000系統(tǒng)的總體設計接近國際先進水平。
H9000系統(tǒng)的功能設計,是在密切結合我國國情并在全面總結我所在此領域近20a的開發(fā)實踐經驗的基礎上完成的。該系統(tǒng)的全面開發(fā)將近3a的時間。首先經過12個月的努力,完成了系統(tǒng)的總體設計與關鍵技術研究;接著于1994年6月起計18個月的時間,進行了系統(tǒng)的集中開發(fā),其間完成了包括湖南鳳灘、浙江湖南鎮(zhèn)(擴機)及四川寶珠寺等水電廠在內的首批系統(tǒng)開發(fā)、出廠試驗及投運。后續(xù)的其他水電廠系統(tǒng)工程的開發(fā)和投運均十分順利。
基于UNIX的H9000系統(tǒng)開發(fā)完成后,立即著手向WindowNT移植并于1996年底移植成功。1997年1月,第一套基于WindowNT的H9000S系統(tǒng)在大河口水電廠投運,這標志著我所UNIX和WindowNT兩個操作系統(tǒng)平臺下完全兼容的分布開放系統(tǒng)的誕生。此后,我們又對H9000S系統(tǒng)進行了進一步的改進設計,形成了H9000XS系統(tǒng),以便更好地滿足小型水電站對計算機監(jiān)控系統(tǒng)的要求。
自1994年推出面向對象的通用型、標準化的H9000系統(tǒng)以來,受到廣大用戶的歡迎,目前已在近40個電廠得到應用。通過幾年的現場運行考驗,證明H9000系統(tǒng)的通用化與標準化設計的思路是十分正確與成功的。系統(tǒng)已在包括四川寶珠寺,湖南鳳灘,浙江湖南鎮(zhèn)、緊水灘,青海龍羊峽,湖南東江梯級,吉林白山、紅石梯級,廣西西津,重慶大河口、磨刀溪梯級,河北桃林口,海南牛路嶺,福建雍口,浙江烏溪江梯級及西北水調中心等工程投運,運行非常穩(wěn)定,受到用戶的好評。近期正在開發(fā)的工程有福建涌溪、沙縣,四川高鳳山、城東、中壩、波蘿,廣東大河,陜西安康、石泉,云南華能大理徐村等水電廠的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。此外,H9000系統(tǒng)還首次漂洋過海,出口非洲。
2H9000系統(tǒng)在白山梯級水電廠的應用
如上所述,H9000系統(tǒng)已在全國近40個水電廠中得到成功的應用并出口國外,為了展示該系統(tǒng)的結構、功能及其特點,現以白山大型梯級水電廠的監(jiān)控系統(tǒng)工程為例作一具體介紹。
2.1電廠概況
白山水電廠位于吉林省東南部、松花江上游,是一廠兩壩三站的大型水力發(fā)電廠,總裝機容量為1700MW,在東北電網中擔任調峰、調頻和事故備用任務。白山水電站位于紅石水電站上游,距樺甸市73km,紅石水電站距樺甸市35km。白山水電廠的生活基地建在吉林省樺甸市。白山水電廠的生產調度中心擬建在樺甸市,以實現對白山、紅石兩電站的遠方監(jiān)控和無人值班。
2.2系統(tǒng)總體結構
白山水電廠無人值班自動化工程的計算機系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)組成,即:樺甸梯調中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)(簡稱“樺甸系統(tǒng)”)、白山電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)(簡稱“白山系統(tǒng)”)和紅石電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)(簡稱“紅石系統(tǒng)”)。整個系統(tǒng)采用分層分布結構,共分3層,即:樺甸調度中心層、白山(紅石)站級監(jiān)控層以及現地控制單元層。
樺甸梯調中心、白山電站和紅石電站均采用H9000系統(tǒng)。白山系統(tǒng)與樺甸系統(tǒng)采用100Mbps的光纖主通道與2MB的路由備用通道方式通訊,其中光纖通道距離長達110km。紅石系統(tǒng)與樺甸系統(tǒng)的主備通道均采用2MB的路由方式。
樺甸系統(tǒng)可實現對白山及紅石電站主要設備的遠方集中監(jiān)控,并實現梯級經濟運行閉環(huán)控制功能。白山與紅石系統(tǒng)是一個完整的實時閉環(huán)過程控制系統(tǒng),既可獨立完成各種現地閉環(huán)控制功能,也可通過與調度中心計算機控制系統(tǒng)聯(lián)網實現遠方監(jiān)控。
2.3白山站級監(jiān)控系統(tǒng)結構
系統(tǒng)采用雙重冗余光纖網絡結構,分現地單元層(包括白山右岸電站和左岸電站)和中央控制層2層。中央控制層設數據庫管理機2臺,操作員工作站2臺(帶雙屏顯示器),工程師工作站1臺,模擬屏驅動與語音報警裝置1套(可電話語音報警),打印服務器2臺,GPS時鐘1臺,DECHUB900光纖網絡設備及路由器1套。根據運行需要,在左岸廠房的控制室另設操作員工作站1臺。
現地單元層由LCU組成,按單元分布。全廠共設9套LCU:5臺300MW發(fā)電機-變壓器組各設1套,左、右岸開關站、廠用電及全廠公用設備各設1套。機組LCU由工控機加數據采集系統(tǒng)組成,配有獨立的同期裝置、溫度量檢測裝置和性能指標較高的GE90-70可編程控制器構成雙CPU的同步熱備冗余系統(tǒng)。開關站和公用單元LCU由工控機加可編程控制器組成,開關站LCU配有1套同期裝置。
2.4紅石站級監(jiān)控系統(tǒng)結構
該系統(tǒng)采用雙網冗余結構,分現地控制單元層和中央控制層2層。中央層設數據庫管理機2臺(兼作操作員工作站),工程師工作站1臺,打印服務器2臺,GPS時鐘1臺,語音報警裝置1套(可電話語音報警),DECHUB90光纖網絡設備及路由器1套的。
現地控制層由LCU組成,按單元分布,共設6套LCU:4臺發(fā)電機-變壓器組各設1套,開關站和全廠公用設備各設1套。機組LCU由工控機加GE90-70可編程控制器組成,配有獨立的同期裝置和溫度量檢測裝置。開關站和公用單元LCU由工控機加GE90-70可編程控制器組成,開關站LCU配有1套同期裝置。
2.5樺甸梯調中心監(jiān)控系統(tǒng)結構
梯調中心系統(tǒng)采用雙網冗余結構,設數據庫管理機2臺,操作員工作站3臺(帶雙屏顯示器),工程師工作站1臺,通訊服務器2臺,模擬屏驅動與語音報警裝置1套(可電話語音報警),打印服務器2臺,GPS時鐘1臺,網絡設備及路由器1套。網絡介質采用雙DECHUB900集線器加屏蔽雙絞線。另外,樺甸設培訓仿真系統(tǒng)1套。
2.6系統(tǒng)的功能
白山梯級電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)是一個完整的實時閉環(huán)過程控制系統(tǒng),不僅具有常規(guī)水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控功能,如各類數據的采集與處理、綜合參數統(tǒng)計計算與分析、安全監(jiān)視與溫度保護、網絡通訊、數據通訊與數據庫管理、自動發(fā)電控制與經濟運行、梯級電站優(yōu)化運行、自動電壓控制、電站設備的指令操作控制與調節(jié)、生產管理統(tǒng)計、打印制表以及系統(tǒng)自檢、互檢、雙機切換等,而且具有遠方實時監(jiān)控、遠方診斷及維護、語音報警與電話自動報警及查詢的功能。系統(tǒng)還設有防止誤操作閉鎖功能,以確保系統(tǒng)自動或手動操作的安全。系統(tǒng)采用高分辨率圖形工作站、世界座標系統(tǒng),具有多屏幕多窗口顯示,無級縮放、細節(jié)顯示、漫游、跟蹤查詢等功能,人機聯(lián)系面向對象、全鼠標驅動、無鍵盤設計,操作使用十分方便。作為開放系統(tǒng)的重要組成部分,白山系統(tǒng)還提供了諸如交互式圖形與報表開發(fā)工具軟件、數據庫開發(fā)調試工具軟件、綜合計算開發(fā)工具軟件等開發(fā)支持軟件,為用戶提供了二次開發(fā)的手段。用戶掌握這些工具軟件,可以自行進行系統(tǒng)的集成開發(fā),使系統(tǒng)維護更加簡單、方便。
2.7系統(tǒng)的特點
白山梯級電廠監(jiān)控系統(tǒng)的3個子系統(tǒng)均采用了標準化的H9000系統(tǒng),使系統(tǒng)在軟件、硬件配置方面完全一致,方便了維護管理,主要特點如下:
(1)標準化的系統(tǒng)與軟件設計。H9000系統(tǒng)的開發(fā)嚴格按照該系統(tǒng)的標準,使軟件達到通用化的要求,即軟件不僅能滿足不同水電廠用戶的要求,而且能滿足其他應用領域的要求。軟件的標準化提高了軟件的質量,通用化則提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率,縮短了交貨周期。目前,H9000系統(tǒng)已用于一般水電廠監(jiān)控系統(tǒng),梯級水電廠監(jiān)控系統(tǒng),水庫調度自動化系統(tǒng),小型電網監(jiān)控系統(tǒng)等方面。如白山的站級系統(tǒng)與樺甸調度中心系統(tǒng)所采用的H9000系統(tǒng)軟件是完全一致的。
(2)開放的硬件及系統(tǒng)環(huán)境。對于計算機、數據采集、網絡等硬件設備,H9000系統(tǒng)立足于采用國內外質量可靠的產品,如美國Compaq公司(前美國digital公司)的Alpha系列計算機及網絡設備,GE公司的GE90系列可編程控制器等,并保持對其他硬件設備的接入開放,使64位與32位兼容。如白山系統(tǒng)要求的雙CPU配置的可編程控制器很方便地在H9000系統(tǒng)的環(huán)境下實現。在硬件開放的同時,H9000系統(tǒng)支持UNIX和WindowNT這兩種開放的操作系統(tǒng)。H9000系統(tǒng)采取開放的系統(tǒng)網絡結構,采用以太網,介質可為同軸電纜、光纖、雙絞線等,速率可達100MB。網絡協(xié)議采用TCP/IP,數據庫采用面向網絡的實時數據庫和歷史數據庫,編程語言采用C或C++。
(3)靈活多變的系統(tǒng)結構。H9000系統(tǒng)支持靈活多變的系統(tǒng)結構,如從簡單廠站級的單機單網或多機雙網冗余結構,到梯級水電廠的復雜多網結構。白山梯級系統(tǒng)的網絡結構較為復雜,有以太網總線局域網,也有路由器廣域網和現地總線網,其中光纖無中繼傳輸距離達110km,傳輸速率達100Mbps。
(4)完善的系統(tǒng)應用功能。根據我們的經驗,白山系統(tǒng)配備了完善的水電廠應用功能軟件,如經濟運行(EDC)、自動發(fā)電控制(AGC)、自動電壓控制(AVC)、梯級優(yōu)化、防誤操作等高級功能。
(5)簡潔的圖形與人機界面設計。白山系統(tǒng)采用面向對象技術,使系統(tǒng)的人機界面大為簡化,簡單直觀易學,使用方便,向“傻瓜機”的目標前進了一大步,受到用戶歡迎。
(6)強大的`應用開發(fā)支持軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)學習了國外的先進思想,配備了許多開發(fā)支持軟件,如圖形報表工具軟件(IPM),數據庫生成調試工具軟件(DBgen),連鎖生成調試工具軟件(ControlLock)等,提高了系統(tǒng)集成的質量和效率,也改善了系統(tǒng)的可維護性。
2.8系統(tǒng)的應用與評價
白山梯級電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)工程合同簽訂于1997年5月,經與白山電廠技術人員的齊力合作,使白山站控系統(tǒng)與樺甸梯調系統(tǒng)于1997年11月同時投運,實現了樺甸梯調中心遠方遙控開機一次成功。目前,樺甸梯調中心、白山站控系統(tǒng)、紅石站控系統(tǒng)均已投入運行。根據運行的情況,在系統(tǒng)的實時性、可靠性、實用性等方面,均達到或超過了預期的要求,開停機成功率達100%。
白山系統(tǒng)的成功投運,使H9000系統(tǒng)在技術上更邁進了一大步,在國內首次實現了大型梯級水電廠大型機組的現地無人值班(少人值守)和遠方集中監(jiān)控,并首次實現了110km的長距離、100MB高速以太網通訊,受到東北電管局有關領導及白山水電廠有關人員的高度評價。
該系統(tǒng)的成功投運,使我所在100MB長距離高速網絡組網技術、梯級電廠監(jiān)控技術方面取得了寶貴的經驗,標志著我國水電廠計算機監(jiān)控技術從此進入了高速網絡時代,也標志著我國已能提供具有獨立自主版權的大型梯級水電廠計算機集中控制系統(tǒng),為我國今后大型梯級水電廠的建設在這一領域提供了成功的經驗。
3H9000系統(tǒng)開發(fā)的實踐經驗與體會
通過H9000系統(tǒng)的全面開發(fā),特別是對白山系統(tǒng)的開發(fā)與順利實施,我們主要有以下幾點實踐經驗與體會:
(1)系統(tǒng)的標準化設計。白山梯級電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)模大,硬件設備和軟件的功能較多,我們提供了高度標準化的H9000系統(tǒng),使不同的硬件設備和不同控制對象所采用的基本控制程序完全一致。也就是說,白山、紅石和樺甸3個子系統(tǒng)的軟件是完全一致的。軟件的標準化,極大提高了軟件的可維護性,方便了軟件的版本管理。
(2)成熟的系統(tǒng)應用。白山梯級監(jiān)控工程的合同交貨期非常緊,軟件工作量大,新技術含量高,由于H9000系統(tǒng)本身是一套成熟的系統(tǒng),已有成功的應用,所以該工程主要是針對白山系統(tǒng)要求的新技術進行了重點研究(如高速網絡技術、遠距離高速網絡通訊技術、梯級集中監(jiān)控技術等),保證了白山工程的進度要求。
(3)強有力的組織措施。白山水電廠在工程前期即成立了自動化處,在全廠各有關生產部門抽調技術骨干,負責全廠自動化改造工程的設計、調研選型及施工,統(tǒng)一指揮調配人力、物力資源,避免了部門之間的拖拉扯皮現象。白山監(jiān)控系統(tǒng)的順利實施,與該廠強有力的組織領導是分不開的。
(4)完善的基礎自動化改造。在實施計算機監(jiān)控系統(tǒng)工程的同時,白山水電廠投入了大量的人力、物力進行了基礎自動化的調研和改造(如傳感器、執(zhí)行元件等),并引進以色列閥門,對技術供水回路進行了大規(guī)模的改造,消除了以往影響監(jiān)控系統(tǒng)正常運行的因素,使監(jiān)控系統(tǒng)外圍設備動作的正確率保持在較高的水平,為監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行提供了有力的基礎保證。
(5)用戶參與的意義與作用。白山水電廠在監(jiān)控系統(tǒng)的實施過程中,安排了多名工程技術人員參與了系統(tǒng)的集成與開發(fā),使電廠人員比較深入地了解及參與了系統(tǒng)開發(fā)調試的全過程,并在后續(xù)工作中增加了承擔的份量,使用戶真正地掌握系統(tǒng)的運行維護技術,減輕了研制單位的壓力,也為H9000系統(tǒng)的推廣應用闖出了新路。
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