1概述
以水资源总量来讲，广西是全国水资源丰富的省区，广西政府根据广西水力资源丰富而煤炭资源缺乏的特点，制定了“水电为主，火电为辅”的电力发展方针。水电站作为电力资源的重要提供者，随着社会经济水平不断向前发展，对水电站的运营和现代化水平提出了更高的要求。水电站电气自动化可以有效提高电站运行效率，减少人力投资，并使水电站按照设定的程序准确运行[1]。本文以广西某投产水电站（2×800kW）的电气自动化控制系统为例，介绍该系统的结构、原理、软硬件设计及实际应用情况，为其他水电站建设和应用电气自动化系统提供借鉴。
2系统概述及技术特点
本系统是基于我国水电发电自动化水平，结合水电站的实际需求，而开发的一套运行控制及综合自动化系统。系统采用微机保护测控装置，同时综合运用了自动化控制技术、现场总线技术以及网络通讯技术等，提供水电站水轮发电机组、开关站、公用设备的控制、保护、测量、信号、远控等要求的完整自动化解决方案。本系统采用分层分布式结构，除了具备一般分布式系统所具备的高可靠性、灵活性和可扩展性以及系统构成和维护的简易性之外，还具备完整的自动化解决方案、以太网快速响应系统、人性化设计、多级控制方式设计以及多领域联网设计，一改以往拼凑的做法，通过软硬件的独立模块减少系统内部各环节相互协调的工作量，使系统构成方式更加科学合理。通过高速以太网的快速响应系统使得监控系统、数据库、人机交互图形的建立变得更简单方便；通过后台控制、现场控制、手动控制三级控制方式使操作人员能更方便地在个控制层之间、计算机控制与简约常规控制设备之间选定对设备的控制权。
3系统结构和配置
为保证系统兼容性、可扩展性和可移植性等技术指标，本系统按分层分布开放式“无人值班（少人看守）”运行方式设计[2]。系统分为分站控和现控两层，站控层和现控层之间采用光纤以太网，传输速率为10~100mbps自适应。现场控制层中级组LCU系统采用以太网，继电保护系统间通讯方式采用现场总线RS-485方式，再通过机组LCU中的智能通讯设备进行规约转换（现场总线RS-485转以太网RJ-45）后与站控层之间进行通讯。系统结构图如图1。
3.1硬件结构和配置
3.1.1系统站控层结构和配置
系统站控层设备主要由主机兼操作员工作站、工业级网络通讯设备、通讯服务设备、语言报警设备、打印设备、GPS卫星对时设备、电源设备、值班操作工作台等八个单元组成。站控层设备采用组态方式，完成站内监控功能，全面提供设备状态监视及控制、保护信息记录与分析等功能。操作人员可通过工作站监视全站的信息，如显示主接线图、潮流图、各种实时数据和报表、事件顺序记录及各种故障信息、控制全站机组的启停、断路器及电动隔离刀闸运行状态等。系统网络设备主要包括以太网卡、网络双绞线及其他网络辅助设备，系统主控级网络采用高可靠以太网交换机、机组LCU及公用LCU通过双绞线与交换机相连。网络系统结构是整个系统安全可靠运行的基础，所以必须具备高安全可靠性、较强的数据吞吐能力以及通信的开放性、集成性、易用性和可维护性，保证系统的实时通信与信息交换。通讯服务设备用于系统通讯管理，满足同供电局联网组成调度系统。系统还具备根据故障的等级，通过语言报警设备完成不同频率的音响报警功能。设置GPS时钟设备，用于完成与监控系统对时，GPS时钟系统还可给其他如保护、故障录波等提供对时脉冲信号。在保证电站控制层和LCU时钟与卫星时钟同步的条件下，满足事件分辨率记录的要求，时钟误差24h不超过±0.001s。电源设备由1~2套1KVA交直流双供逆变稳压电源装置组成，确保监控系统上位机的不间断供电。
3.1.2系统现控层结构和配置
现控层主要由现控层PLC、LCU现地人机接口单元、微机转速测量装置、微机温度智能巡检装置、同期装置、交直流双供电源等个六个单元组成。现控层采用可编程控制器与专用功能装置相互配合，依据相对独立的设计原则，以提高系统的可靠性和整体性。按照电站的机组数量配置相应数量的现地控制单元（LCU），其中包括机组LCU（LCU1、LCU2）、厂房公用LCU。各LCU由现控层PLC组成，通过LCU现地人机接口单元完成对监控对象的数据采集及预处理，向网络传送数据信息。微机转速测量装置对发电机测速，同时具备不少于6路继电器输出，实现设置任意定值完成机组启动。微机温度智能巡检装置对多路温度检测，越限报警采用继电器接点输出。全站厂区配置多台多点自动准同期装置，完成多台发电机自动准同期并网，及一台多点自动准同期装置，完成线路自动准同期操作，同时配置手动同期作为手动同期装置操作备用。同期系统具有微机选线、同期闭锁等功能，方便运行人员操作。各LCU配置一台交直流双供电源装置，完成PLC、继电器及部分自动化元件供电要求。现控层各单元满足自动服从调度层上位机的命令和管理，同时对LCU具有控制、调节操作和监视功能，配备现地操作面板和指示元件，当与上位机系统脱机时，仍具有监视和控制功能。
3.2软件结构和配置
监控系统软件包括四大部分，即计算机系统软件、基本软件、应用软件以及工具软件。计算机系统软件提供监控系统其他软件运行的环境（平台），是用户软件的开发手段。基本软件由组态系统软件、实时任务执行软件、编程语言开发工具包、自诊断软件、数据库管理软件这五部分组成，实现数据采集、数据处理、图形显示、报表生成等监控系统基本功能。应用软件主要监控和数据采集程序、事件记录程序、报警报告程序、趋势分析程序、跳闸分析程序、通讯设备监视、状态检查七个子项组成，是实现生产过程操作或控制功能的软件。工具软件是监控系统开放性的体现，提供进一步的开放限权，方便系统的二次开发，提高系统的可维护性。
4应用效果
该系统在2013年下半年投入使用，在这一年多的实际运行过程中，整套系达到了自动化稳、准、快的水平。监控系统更新周期＜2s，画面调用实时相应＜2s，画面实时数据刷新时间最快达到1s，遥信处理正确率＞99.99%，系统无故障工作时间（MTBF）＞30000h。站控层能从任何一个现地控制单元采集变化的状态量、报警量、模拟量以及带时间信息的混合信息数据到实时数据库，采样时间＜2s。最重负担的信息数据到实时数据库内的时间＜3s。现控层数据采集时间分别为：开关量＜1s，电气量＜1s，非电气量＜1s，温度量＜3s。脉冲量连续无延迟。控制响应时间为：控制命令回答响应时间＜1s，接受控制命令响应时间＜1s。
5结束语
该水电站采用计算机自动监控系统，对水轮发电机组、变压器、配电线路、重要电气设备及公用单元的安全运行进行全面监视与控制，在实际运行工程中，达到了操作简便、运行稳定、安全可靠等目的，实现了自动化监控系统在水电站运行管理中的综合应用。
作者：李珏 张美义 蒋鲲鹏 单位：广西冶金研究院有限公司
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