基于DCS的水電廠電氣二次控制設(shè)備集成與應(yīng)用

0引言

智能水電已經(jīng)成為進(jìn)一步發(fā)展電氣系統(tǒng)控制和保護(hù)的重點(diǎn)內(nèi)容,引領(lǐng)著水電站建設(shè)的方向。在我國(guó)能源綜合利用的背景下,建設(shè)智能化、信息化水電廠,需具備遠(yuǎn)程監(jiān)視及控制功能,據(jù)此實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守下電廠自主控制。而電氣二次設(shè)備如合并單元、控制開關(guān)、電壓表、熔斷器等作為監(jiān)控、保護(hù)和調(diào)節(jié)水電廠一次設(shè)備的低壓電氣設(shè)備對(duì)建設(shè)智能水電作用重 大。因此,水電廠可基于DCS集成電氣二次控制設(shè)備,實(shí)現(xiàn)設(shè)備在線監(jiān)控,從而提高水電廠管理水平。

1基于DCS的水電廠電氣二次控制設(shè)備集 成系統(tǒng)方案

DCS系統(tǒng)是水電廠的“大腦”與“眼睛”,利用傳感器操作機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)電氣二次控制設(shè)備監(jiān)測(cè)全覆蓋,可就地傳輸設(shè)備參數(shù)型號(hào)至站點(diǎn),及時(shí)把控電氣二次設(shè)備狀態(tài),為定期檢修、運(yùn)維管理提供支持。系統(tǒng)框架如圖1所示。

DCS系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)控制站、操作員站、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及工程師站構(gòu)成。為保證DCS系統(tǒng)通信更為規(guī)范,設(shè)計(jì)三級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),具體如下:

1)現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)。該級(jí)以現(xiàn)場(chǎng)控制站為主,其作為 DCS系統(tǒng)中間層,能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)采集電氣二次設(shè)備信息傳輸至服務(wù)器,也能對(duì)二次設(shè)備進(jìn)行順序控制、反饋控制、批量控制等。該系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制站采取PI數(shù)據(jù)庫(kù),以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與挖掘。

2)網(wǎng)絡(luò)通信級(jí)。該級(jí)以系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為主,電氣二次設(shè)備獨(dú)立且分散,數(shù)據(jù)基本依賴于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)字信號(hào)。

3)監(jiān)控管理級(jí),以操作員站和工程師站為主。操作員站用于人機(jī)對(duì)話,采取Linux操作軟件,配合顯示器、CPU、主板、內(nèi)存、顯示器等硬件,顯示電氣二次控制設(shè)備數(shù)據(jù)^[1]。工程師站則權(quán)限較高,能夠開展組態(tài)工作,利用組態(tài)軟件編寫命令語(yǔ)句,賦予相同模塊不同屬性,如算法規(guī)則、計(jì)算參數(shù)等。

2基于DCS的水電廠電氣二次控制設(shè)備集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1監(jiān)控管理級(jí)

2.1.1工業(yè)控制主機(jī)

DCS電氣二次控制設(shè)備集成系統(tǒng)中,操作員站與工程師站采取工業(yè)級(jí)PC,能夠運(yùn)行于高粉塵、劇烈振動(dòng)、電磁干擾等惡劣環(huán)境下,由CPU卡、同步對(duì)時(shí)卡、存儲(chǔ)卡等構(gòu)成?？紤]水電廠現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜,設(shè)備采取抗干擾、防塵、加固設(shè)計(jì),設(shè)置不同接口外設(shè)^[2]。 該P(yáng)C機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)4U機(jī)箱、2.5 GHz CPU,硬盤160 GB,液晶CRT21Ⅱ,單網(wǎng)卡100M,兼顧現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)研發(fā)需求,且具備全鋼機(jī)殼,雙正風(fēng)扇,底板插槽為 PLC—E總線擴(kuò)展,設(shè)計(jì)14槽背板,滿足220 kV及以上電壓要求。

2.1.2運(yùn)算處理器

電氣二次設(shè)備監(jiān)控中,采取XEONX5570核心處理器,為雙路服務(wù)器,主頻2 930 MHz,支持超線程與 DDR3內(nèi)存技術(shù)。該處理器采用45 nm工藝,高速緩存8M,功率95 W,內(nèi)存48 GB,配以Linux系統(tǒng),能夠輸出電氣二次設(shè)備數(shù)據(jù),并采取軟總線并行CPU處理,滿足不同結(jié)構(gòu)、電壓等級(jí)、接口形式電氣二次設(shè)備要求,實(shí)現(xiàn)處理器數(shù)據(jù)傳輸。

2.1.3嵌入式系統(tǒng)

Linux系統(tǒng)作為免費(fèi)開源的操作系統(tǒng),能夠根據(jù)電氣二次設(shè)備控制需求,對(duì)源代碼自由修改,且操作更為安全,支持X86、PowerPC、ARM等硬件平臺(tái),能夠在多種設(shè)備上運(yùn)行系統(tǒng),滿足監(jiān)控要求。

2.1.4I/O實(shí)時(shí)接口

通信接口利用PCIe卡槽連接操作站設(shè)備,負(fù)責(zé)將電氣二次設(shè)備數(shù)據(jù)同步、高速發(fā)送至被測(cè)間隔,利用FPGA處理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組包、協(xié)議轉(zhuǎn)換、同步處理功能^[3],而時(shí)鐘同步、電源管理、CPU管控、以太網(wǎng) PHY模塊則單獨(dú)布置于系統(tǒng)級(jí)芯片中,如圖2所示。

外部接口則有無(wú)線以太網(wǎng)接口、電源接口、GPS數(shù)傳接口、串行以太網(wǎng)接口等。FPGA是接口卡核心,采取EP4CE22與PE4CGX22結(jié)構(gòu);PHY芯片是88E1512,以此實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制裝置與監(jiān)控管理裝置的數(shù)據(jù)交互。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信級(jí)

2.2.1通信要求

水電廠DCS電氣二次控制中,通信采用IEEE 802.11n協(xié)議,以O(shè)FDM與MIMO為核心技術(shù),最高傳輸速率600MB/s,平均300MB/s,能夠兼容802.11b/g?？紤]水電廠實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,總線、光纖傳輸需考慮多徑傳輸、障礙物、電磁干擾等影響,即相同信源不同傳輸路徑互相干擾,加上水電站電氣設(shè)備運(yùn)行電磁輻射、相鄰頻段設(shè)備等,均會(huì)影響通信效果^[4]。為滿足電氣二次設(shè)備控制要求,通信技術(shù)指標(biāo)要求如下:采集數(shù)據(jù)周期<250μs,通信延時(shí)<4 ms,同步精度>10 μs,數(shù)據(jù)離散度<1 ms,采樣精度>16 bit,無(wú)數(shù)據(jù)丟包情況。

2.2.2通信機(jī)制

根據(jù)水電廠通信要求,二次開發(fā)IEEE 802.11n通信機(jī)制,解決傳輸數(shù)據(jù)延時(shí)、丟幀問(wèn)題。具體如下:

1)采樣值雙通道通信。水電廠電氣二次設(shè)備采樣值數(shù)據(jù)差異較大,要求采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、優(yōu)先傳輸,滿足監(jiān)控要求,以免臨頻、射頻干擾,選擇采用5.8 GHz 頻率完成SV報(bào)文傳輸。

2)采樣值重復(fù)發(fā)送。為克服水電廠電氣二次設(shè)備環(huán)境惡劣數(shù)據(jù)丟幀問(wèn)題,采取數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送的方式,可提高10倍傳輸效率。并且下行數(shù)據(jù)以單向廣播通信,全部監(jiān)控所需電壓、電流數(shù)據(jù)組包發(fā)送,由接收端拆分處理,以免不同間隔終端爭(zhēng)奪通信道路使用權(quán),增加延時(shí)^[5]。以實(shí)際電氣二次設(shè)備數(shù)據(jù)而言,裸采樣數(shù)據(jù)每個(gè)A/D模擬量2 B,以太網(wǎng)可攜帶報(bào)文46 B,根據(jù)采樣周期250μs,需要2 MB/s帶寬,設(shè)置帶寬6M,可重復(fù)發(fā)送3次。

3)應(yīng)用層插值。根據(jù)802.11n協(xié)議,接收端接收數(shù)據(jù),向發(fā)送端回傳ACK包告知,如果發(fā)送端未能收到 ACK包,認(rèn)為傳輸中數(shù)據(jù)包丟失,需重新發(fā)送,數(shù)據(jù)抖動(dòng)與延時(shí)較大^[6]。該系統(tǒng)中,設(shè)置數(shù)據(jù)插值機(jī)制,對(duì)于多次發(fā)送仍然錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)直接拋棄,采取插值算法將其補(bǔ)齊,無(wú)須多次重復(fù)發(fā)包。

4)接收層緩存。接收端構(gòu)建內(nèi)存區(qū)緩存處理接收數(shù)據(jù),緩存時(shí)長(zhǎng)為0~100 ms,數(shù)據(jù)精度100μs,以該機(jī)制消除數(shù)據(jù)抖動(dòng),保證數(shù)據(jù)平滑、無(wú)抖動(dòng)輸出,為系統(tǒng)提供高質(zhì)量、真實(shí)的電氣二次設(shè)備數(shù)據(jù)。

2.2.3通信硬件

DCS系統(tǒng)中,通信數(shù)據(jù)鏈路硬件包括基帶級(jí)與射頻級(jí)部分;射頻級(jí)模擬前端處理,完成濾波、下變頻、放大等;基帶級(jí)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、制訂通信報(bào)文等。鏈路中數(shù)據(jù)包括電氣二次設(shè)備開關(guān)量信息,通過(guò)管理軟件對(duì)各模塊加以協(xié)調(diào),提供數(shù)據(jù)終端控制、時(shí)鐘、電源功能,如圖3所示。

基帶物理層涉及幀同步、編碼解碼、信道估計(jì)、頻率同步等通信算法。發(fā)送信號(hào)時(shí),由收發(fā)器直接輸出小功率射頻信號(hào),利用功率放大器將其放大,通過(guò)收發(fā)切換器輻射至系統(tǒng)空間。接收信號(hào)時(shí),感應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào),以切換器、低噪聲放大器處理,進(jìn)而解調(diào)信號(hào)。

2.3現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)

數(shù)據(jù)庫(kù)作為DCS系統(tǒng)電氣二次設(shè)備監(jiān)控基礎(chǔ),要求具備先進(jìn)的壓縮技術(shù)、采集技術(shù)、系統(tǒng)訪問(wèn)結(jié)構(gòu)及廣泛接口技術(shù)。DCS系統(tǒng)采集、監(jiān)視數(shù)據(jù)功能強(qiáng)大,存儲(chǔ)數(shù)據(jù)欠佳,原因在于每個(gè)廠商獨(dú)立研發(fā)DCS 數(shù)據(jù)庫(kù),開放性不足,缺乏后續(xù)開發(fā)能力,需在DCS 系統(tǒng)外構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)。而PI系統(tǒng)能夠直觀顯示水電廠生產(chǎn)過(guò)程,實(shí)時(shí)獲取原始電氣二次設(shè)備數(shù)據(jù),通過(guò)可配置報(bào)表,即可了解電氣二次設(shè)備采集數(shù)據(jù)^[7]。PI系統(tǒng)由分析工具、服務(wù)器軟件、可視化工具構(gòu)成,服務(wù)器處于最底層,采集、分配和存儲(chǔ)數(shù)據(jù),包括自定義數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)等;分析工具可轉(zhuǎn)化有價(jià)值數(shù)據(jù)為操作信息;可視化工具能夠傳遞信息,支持決策。而在PI服務(wù)器應(yīng)用中,面對(duì)水電廠電氣二次設(shè)備不直觀、雜亂、特征不明顯的數(shù)據(jù),需要對(duì)其進(jìn)行挖掘,具體流程如下:

1)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。該環(huán)節(jié)包括選擇與集成兩步,將不同格式、來(lái)源、特性的數(shù)據(jù)在物理或邏輯上有機(jī)集中,根據(jù)需求抽取原始數(shù)據(jù)的一組為目標(biāo)數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)預(yù)處理。該環(huán)節(jié)消除數(shù)據(jù)噪聲,推導(dǎo)缺少數(shù)據(jù),清理重復(fù)記錄,變換數(shù)據(jù)類型,通信應(yīng)用層插值即為補(bǔ)值環(huán)節(jié)。

3)挖掘數(shù)據(jù)。該環(huán)節(jié)需確定數(shù)據(jù)任務(wù),包括數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)總結(jié)、關(guān)聯(lián)規(guī)則等,根據(jù)不同數(shù)據(jù)及任務(wù)需求,確定數(shù)據(jù)算法,完成挖掘工作。

3基于DCS的水電廠電氣二次控制設(shè)備集成系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 案例分析

以某水電廠為例,開展電氣二次控制設(shè)備集成系統(tǒng)驗(yàn)證,將工控PC機(jī)、電纜等按照系統(tǒng)要求逐一布置,配置2套集成系統(tǒng)、10個(gè)核心處理器、13套工控PC 機(jī),選擇國(guó)產(chǎn)廠家配置設(shè)備,現(xiàn)場(chǎng)完成安裝設(shè)置。

3.2 功能應(yīng)用

3.2.1信號(hào)變送

系統(tǒng)可讀取電氣二次設(shè)備信號(hào),將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),如電壓、振動(dòng)、壓力等數(shù)據(jù),完成信號(hào)變送;并對(duì)傳感器型號(hào)開展預(yù)處理,如調(diào)整信號(hào)幅值電 平、抑制信號(hào)干擾等。

3.2.2數(shù)據(jù)采集

信號(hào)預(yù)處理后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換、記錄,讀取電氣二次設(shè)備實(shí)時(shí)信號(hào),傳輸至PI系統(tǒng)緩沖區(qū),完成數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)工作。軟件可編輯、添加、刪除電氣二次設(shè)備電流、電壓幅值、頻率及相位。該狀態(tài)處于采集列表內(nèi),勾選后即可抽取有價(jià)值數(shù)據(jù)整合。

3.2.3權(quán)限管理

集成系統(tǒng)設(shè)置人員權(quán)限,部分重要參數(shù)禁止一般操作人員修改或查看,僅專業(yè)工程師方能設(shè)置系統(tǒng)參數(shù),提高系統(tǒng)保密性;并對(duì)不同權(quán)限用戶設(shè)置密碼,以此保護(hù)賬號(hào)安全性。

3.2.4二次回路可視化

電氣二次設(shè)備運(yùn)行中,根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)利用PI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬二次回路可視化,通過(guò)通信報(bào)文,確定二次回路變化,展示實(shí)時(shí)狀態(tài),輸出電氣波形、矢量圖、頻率等參數(shù),支撐水電廠運(yùn)行維護(hù)、檢修等作業(yè)。

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)深入研究基于DCS的水電廠電氣二次控制設(shè)備集成系統(tǒng),探討現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)、網(wǎng)絡(luò)通信級(jí)、監(jiān)控管理級(jí)設(shè)計(jì)措施,對(duì)電氣二次設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸、通信、存儲(chǔ)等提出解決方案?；贒CS與水電廠二次控制設(shè)備結(jié)合,確定了集成系統(tǒng)方案,能夠有效傳輸電氣二次設(shè)備數(shù)據(jù),具備信號(hào)變送、數(shù)據(jù)采集、權(quán)限管理、二次回路可視化等功能,滿足在線監(jiān)控要求,為水電廠安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供了支持,有利于推動(dòng)水電行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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2024年第20期第17篇