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案例頻道 活動鏈接：2013年控制網技術專題---引領水工業智能化新時代
1. 項目背景介紹
深溪溝水電站位于四川省大渡河中游漢源縣和甘洛縣接壤部，為大渡河干流規劃的第十八級電站，隸屬于國電大渡河流域開發公司。電站接瀑布溝水電站尾水，裝機規模為4×165MW，主要任務是發電；配合瀑布溝水電站的運行方式，深溪溝水電站相應將承擔腰荷和調峰運行任務。
電站樞紐由河床式廠房、窯洞式安裝間、泄洪閘、沖沙閘、擋水壩等水工建筑物組成，壩頂高程662.50m，電站裝設4臺軸流轉槳式水輪發電機組，單機容量為165MW，額定水頭30m，最大水頭40m，最小水頭20.1m。電站以500kV電壓等級接入電力系統。
電站發電機與主變壓器組成兩組擴大單元接線，發電機額定電壓為15.75kV。發電機通過離相封閉母線引出與主變壓器低壓側連接。主變壓器高壓側直接與500kV SF6管道母線（GIS管道母線）連接。主變壓器中性點直接接地。
電站按無人值班原則設計，采用計算機監控系統控制，正常情況下由大渡河流域成都集控中心統一調度運行，當成都集控中心由于某種原因退出運行時，由瀑布溝區域控制中心對本電站進行聯合控制運行。
國電智深公司在工程項目中承擔全廠計算機監控系統的設備制造與供貨、平臺軟件研發、工程設計組態、試驗、現場安裝指導及調試等工作。監控系統包括水輪發電機組監控系統、開關站控制系統、水電站公用設備控制系統、水電站大壩閘門自動控制系統等。通過監控系統實現對水電廠生產過程的監視、數據采集、控制和調節，實現對機組、變壓器、線路等電氣設備及全廠油、氣、水系統等輔機的操作、監控和保護功能。
監控系統與四川省網調、國電大渡河流域成都集控中心、瀑布溝總廠區域控制中心等的通訊接口，可以實現各級遠方調度和控制；同時具有AGC/AVC以及語音報警和ON CALL功能。監控系統上位機部分采用國電智深EDPFNT+系統平臺，下位機采用施耐德UNITY QUANTUM系列PLC。
2. 項目目標與原則
監控系統滿足水電行業控制需求，同時滿足各項文件及規定的條件，讓電站實現無人值班少人值守的設計理念。通過嚴謹的設計和規范的工程實施，實現新型監控系統首臺套的順利實施并投入運行。
3. 項目實施與應用情況詳細介紹
深溪溝水電站項目是國電智深公司承接的第一個大型水電項目，公司組織工程、研發、客服、集成等公司各部門，積極調研學習，并針對項目特點安排分工。其中工程部門負責下位機PLC程序的開發、組態、硬件設計集成及工程具體實施；客服部門負責與四川省調、成都集控，瀑布溝區域調度等遠動通訊，站內485通訊及場內通訊，ONCALL及語音報警功能開發；研發部門負責水電監控系統平臺的開發，為其它部門的工作提供接口，使之成為一個完整的系統；深溪溝水電站的監控系統以EDPF-NT plus為基礎，可滿足國電大渡河深溪溝水電站計算機監控系統招標書的要求。研發內容包括：
1）系統結構
用于水電站現地時，水電站監控系統的下層是PLC，通過通訊管理機與廠內其他系統、遠方的梯調等系統交換數據和指令。目前的方案是通過虛擬DPU的EIO技術解決與外界系統的數據交換，原有結構基本不變。
國電智深公司自主研發的擴展IO總線技術（EIO）,全面支持采用各種現場總線協議的第三方控制系統及儀表的無縫接入。
EIO是國電智深公司開發的工業實時以太網網絡和協議，該協議兼容HSE、EPA等工業以太網協議。純數字的現場總線信息和傳統I/O信號通過各自的協議轉換模件轉換為EIO信息。EIO網絡上可以接入一個或多個控制器，組成一個分布式控制單元（DPU）。
EIO技術的引入，顛覆了傳統DCS的過程控制站體系結構，它將兩類I/O總線技術融為一體。一類是多種類型的現場總線（如FF、PROFIBUS DP/PA、EPA和HART等），另一類是傳統I/O總線。系統開放性獲得極大提高。
2）監控界面的跨平臺改進
EDPF-NT plus系統的控制器和通訊管理軟件是跨Windows/Linux平臺的，其余軟件是基于Windows平臺的。而水電站用戶習慣上信賴UNIX類操作系統，因此需要將EDPF-NT plus系統的部分軟件移植到Linux平臺上，實現跨Windows/Linux平臺的操作員站、歷史站、通訊管理站和虛擬DPU。工程師站仍然基于Windows（用戶可接受）。界面開發庫選用QT，底層支持庫選用ACE。
3）AGC/AVC功能實現
水電站的AGC/AVC有其特殊性，與火電廠不同。這是水電站監控系統的必備功能。梯調系統和水電站現地系統中該功能還有差異。本研發項目僅針對水電站現地系統的AGC/AVC。該功能的計算部分實現為專用算法，操作部分可通過過程畫面或專用界面實現。
4）特殊需求的開發
水電站監控系統設計了一對冗余的服務器，用于運行歷史站軟件、數據庫軟件等重要應用。為此需要增加歷史數據同步的功能。
簡報窗口是一種分類顯示實時報警和操作記錄的工具，因為水電站的特殊操作習慣，需要增加這個工具。
5）64位系統平臺
招標書要求的計算機配置較高，應配套Linux server/Windows Server2003的64位版本。經過測試和評估，最終選擇CENTOS5.4的64位版本作為監控軟件的桌面操作系統。
6）現地控制單元（PLC）組態編程工作
根據工程特點制定下位機PLC 內部數據庫規劃，主要是規范各類數據管理、合理應用，制定PLC 內部數據流向圖。制定上位機組態規劃及上位機通訊數據庫規劃，以合理利用通訊空間。根據水電控制的特點，依據現場情況，設計水輪機負荷控制和線路電壓控制方案，規劃各級控制之間的操作權限切換和控制權限切換的基本思路。
7）實現通訊管理機，同時為對外通訊規約提供標準接口
水電站現地監控系統通過通訊管理機向梯調系統發送大量用于監視的數據，還需要接收梯調指令。需要針對這個需求設計合理的通訊管理機方案。招標書規定了與各個調度中心的通訊采用IEC-10875-101和104規約，調度包括和瀑布溝梯級電站控制中心通訊、大渡河流域成都集控中心的通訊、華中網調、四川省調、南充省備調、雅安地調的通訊。
另外還需要實現與其他系統通訊使用的通訊規約，包括與主機設備、水情監控、能量采集、微機五防的通訊。廠內通訊服務器與安全II區設備之間的通信采用硬件防火墻進行邏輯隔離，與安全III區設備之間的通信采用正/反向安全隔離裝置進行隔離，來確保計算機監控系統對外通信的安全性和可靠性。
8）On-Call子系統
ONCALL子系統包括語音報警和語音查詢，短信通知和查詢。當出現重要故障和事故時，應能通過移動通信卡或語音卡向預先規定固話用戶發送語音或向手機用戶發送短信，告訴對方報警內容，同時支持語音和短信的撥入查詢功能。
發現、發明及創新點：
1）首次將冗余的虛擬控制器應用于控制系統的核心環節。
在水電系統中將虛擬控制器將做為水電監控系統中的核心節點，負責與PLC通訊，以及完成必要的邏輯運算，虛擬控制器本身要實現冗余，完成數據的同步，使系統完全是面向工程應用的，脫離了腳本和編程語言，這是其它水電監控系統還沒能實現的。
2）開發了圖形模塊化的AGC/AVC算法。
模塊化的AGC/AVC算法的開發成功，標志著EDPF-NT+系統完全可以應用于水電行業。
3）引入發布訂閱功能，優化了EDPF-NT+系統的內部通訊機制，進一步提高了通訊效率。
4）EDPF-NT+系統的擴展IO（EIO）技術的成功應用
EDPF-NT+系統與PLC、梯調等系統通訊都依賴于EIO技術。
EIO是國電智深公司自主研發的擴展IO總線技術,全面支持采用各種現場總線協議的第三方控制系統及儀表的無縫接入。純數字的現場總線信息和傳統I/O信號通過各自的協議轉換模件轉換為EIO信息。EIO網絡上可以接入一個或多個控制器，組成一個分布式控制單元（DPU）。
EIO技術的引入，顛覆了傳統DCS的過程控制站體系結構，它將兩類I/O總線技術融為一體。一類是多種類型的現場總線（如FF、PROFIBUS DP/PA、EPA和HART等），另一類是傳統I/O總線。系統開放性獲得極大提高。
5）實現了監控界面跨平臺的應用，功能上融合了火電和水電的優點。
6）增強了歷史站的功能
本項目將EDPF-NT+系統原有的歷史站功能移植到linux平臺，并做了功能擴展，不僅實現了實時數據的采集和查詢，還實現了系統的狀態和操作記錄的采集和查詢以及多個歷史站的數據同步。
7）實現高效穩定的通訊站
全新開發了通訊管理平臺（通訊管理機），可以滿足不同類型水電站以及其他行業的對外通訊需要。
與電網調度的通訊實現了101規約和104規約間轉換的無縫切換；104規約（省調用2002版和省調用97版并行運行）間多任務運行；各調度間梯級控制權的管理
8）現地控制單元功能的開發
采用先進的數據流向設計理念，實現了PLC 內部數據區規劃及數據流向處理功能。
根據水電控制需求和控制安全考慮，工控水電小組開發出專用于施耐德PLC與國電智深EDPFNT系統兼容的PLC基礎程序，可以實現雙機熱備切換，邏輯自動同步，專用功能塊的調用，SOE事件處理，操作安全閉鎖功能及專屬數據結構控制。
4. 效益分析
1） 購買成本。EDPF-NT+監控系統的價格同比國內外自動化控制系統便宜100萬元以上；
2） 先進的AGC/AVC功能算法，快速有效的響應負荷調整，增加考核優良率，提高了年發電量，年度效益增加500萬元以上；
3） 實現無人值班、少人值守的運行模式，每年減少運行成本100萬元以上；
4） 系統整體設計先進，每年減少維護成本50萬元以上。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號