0引言

智能水電已經(jīng)成為進一步發(fā)展電氣系統(tǒng)控制和保護的重點內(nèi)容,引領著水電站建設的方向。在我國能源綜合利用的背景下,建設智能化、信息化水電廠,需具備遠程監(jiān)視及控制功能,據(jù)此實現(xiàn)無人值守下電廠自主控制。而電氣二次設備如合并單元、控制開關、電壓表、熔斷器等作為監(jiān)控、保護和調(diào)節(jié)水電廠一次設備的低壓電氣設備對建設智能水電作用重 大。因此,水電廠可基于DCS集成電氣二次控制設備,實現(xiàn)設備在線監(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”,利用傳感器操作機構,實現(xiàn)電氣二次控制設備監(jiān)測全覆蓋,可就地傳輸設備參數(shù)型號至站點,及時把控電氣二次設備狀態(tài),為定期檢修、運維管理提供支持。系統(tǒng)框架如圖1所示。

DCS系統(tǒng)由現(xiàn)場控制站、操作員站、系統(tǒng)網(wǎng)絡及工程師站構成。為保證DCS系統(tǒng)通信更為規(guī)范,設計三級網(wǎng)絡系統(tǒng),具體如下:

1)現(xiàn)場控制級。該級以現(xiàn)場控制站為主,其作為 DCS系統(tǒng)中間層,能夠將現(xiàn)場采集電氣二次設備信息傳輸至服務器,也能對二次設備進行順序控制、反饋控制、批量控制等。該系統(tǒng)現(xiàn)場控制站采取PI數(shù)據(jù)庫,以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲與挖掘。

2)網(wǎng)絡通信級。該級以系統(tǒng)網(wǎng)絡為主,電氣二次設備獨立且分散,數(shù)據(jù)基本依賴于網(wǎng)絡系統(tǒng),須通過現(xiàn)場總線、光纖網(wǎng)絡傳輸數(shù)字信號。

3)監(jiān)控管理級,以操作員站和工程師站為主。操作員站用于人機對話,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備數(shù)據(jù)^[1]。工程師站則權限較高,能夠開展組態(tài)工作,利用組態(tài)軟件編寫命令語句,賦予相同模塊不同屬性,如算法規(guī)則、計算參數(shù)等。

2基于DCS的水電廠電氣二次控制設備集成系統(tǒng)設計

2.1監(jiān)控管理級

2.1.1工業(yè)控制主機

DCS電氣二次控制設備集成系統(tǒng)中,操作員站與工程師站采取工業(yè)級PC,能夠運行于高粉塵、劇烈振動、電磁干擾等惡劣環(huán)境下,由CPU卡、同步對時卡、存儲卡等構成。考慮水電廠現(xiàn)場條件復雜,設備采取抗干擾、防塵、加固設計,設置不同接口外設^[2]。 該PC機采用標準4U機箱、2.5 GHz CPU,硬盤160 GB,液晶CRT21Ⅱ,單網(wǎng)卡100M,兼顧現(xiàn)場實驗與實驗研發(fā)需求,且具備全鋼機殼,雙正風扇,底板插槽為 PLC—E總線擴展,設計14槽背板,滿足220 kV及以上電壓要求。

2.1.2運算處理器

電氣二次設備監(jiān)控中,采取XEONX5570核心處理器,為雙路服務器,主頻2 930 MHz,支持超線程與 DDR3內(nèi)存技術。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備數(shù)據(jù),并采取軟總線并行CPU處理,滿足不同結構、電壓等級、接口形式電氣二次設備要求,實現(xiàn)處理器數(shù)據(jù)傳輸。

2.1.3嵌入式系統(tǒng)

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

2.1.4I/O實時接口

通信接口利用PCIe卡槽連接操作站設備,負責將電氣二次設備數(shù)據(jù)同步、高速發(fā)送至被測間隔,利用FPGA處理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)組包、協(xié)議轉換、同步處理功能^[3],而時鐘同步、電源管理、CPU管控、以太網(wǎng) PHY模塊則單獨布置于系統(tǒng)級芯片中,如圖2所示。

外部接口則有無線以太網(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結構;PHY芯片是88E1512,以此實現(xiàn)現(xiàn)場控制裝置與監(jiān)控管理裝置的數(shù)據(jù)交互。

2.2 網(wǎng)絡通信級

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OFDM與MIMO為核心技術,最高傳輸速率600MB/s,平均300MB/s,能夠兼容802.11b/g。考慮水電廠實際應用環(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,加上水電站電氣設備運行電磁輻射、相鄰頻段設備等,均會影響通信效果^[4]。為滿足電氣二次設備控制要求,通信技術指標要求如下:采集數(shù)據(jù)周期<250μs,通信延時<4 ms,同步精度>10 μs,數(shù)據(jù)離散度<1 ms,采樣精度>16 bit,無數(shù)據(jù)丟包情況。

2.2.2通信機制

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

1)采樣值雙通道通信。水電廠電氣二次設備采樣值數(shù)據(jù)差異較大,要求采樣數(shù)據(jù)實時、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報文傳輸。

2)采樣值重復發(fā)送。為克服水電廠電氣二次設備環(huán)境惡劣數(shù)據(jù)丟幀問題,采取數(shù)據(jù)重復發(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奪通信道路使用權,增加延時^[5]。以實際電氣二次設備數(shù)據(jù)而言,裸采樣數(shù)據(jù)每個A/D模擬量2 B,以太網(wǎng)可攜帶報文46 B,根據(jù)采樣周期250μs,需要2 MB/s帶寬,設置帶寬6M,可重復發(fā)送3次。

3)應用層插值。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,認為傳輸中數(shù)據(jù)包丟失,需重新發(fā)送,數(shù)據(jù)抖動與延時較大^[6]。該系統(tǒng)中,設置數(shù)據(jù)插值機制,對于多次發(fā)送仍然錯誤的數(shù)據(jù)直接拋棄,采取插值算法將其補齊,無須多次重復發(fā)包。

4)接收層緩存。接收端構建內(nèi)存區(qū)緩存處理接收數(shù)據(jù),緩存時長為0~100 ms,數(shù)據(jù)精度100μs,以該機制消除數(shù)據(jù)抖動,保證數(shù)據(jù)平滑、無抖動輸出,為系統(tǒng)提供高質(zhì)量、真實的電氣二次設備數(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與射頻級部分;射頻級模擬前端處理,完成濾波、下變頻、放大等;基帶級完成協(xié)議轉換、模數(shù)轉換、制訂通信報文等。鏈路中數(shù)據(jù)包括電氣二次設備開關量信息,通過管理軟件對各模塊加以協(xié)調(diào),提供數(shù)據(jù)終端控制、時鐘、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、頻率同步等通信算法。發(fā)送信號時,由收發(fā)器直接輸出小功率射頻信號,利用功率放大器將其放大,通過收發(fā)切換器輻射至系統(tǒng)空間。接收信號時,感應數(shù)據(jù)信號,以切換器、低噪聲放大器處理,進而解調(diào)信號。

2.3現(xiàn)場控制級

數(shù)據(jù)庫作為DCS系統(tǒng)電氣二次設備監(jiān)控基礎,要求具備先進的壓縮技術、采集技術、系統(tǒng)訪問結構及廣泛接口技術。DCS系統(tǒng)采集、監(jiān)視數(shù)據(jù)功能強大,存儲數(shù)據(jù)欠佳,原因在于每個廠商獨立研發(fā)DCS 數(shù)據(jù)庫,開放性不足,缺乏后續(xù)開發(fā)能力,需在DCS 系統(tǒng)外構建實時數(shù)據(jù)平臺。而PI系統(tǒng)能夠直觀顯示水電廠生產(chǎn)過程,實時獲取原始電氣二次設備數(shù)據(jù),通過可配置報表,即可了解電氣二次設備采集數(shù)據(jù)^[7]。PI系統(tǒng)由分析工具、服務器軟件、可視化工具構成,服務器處于最底層,采集、分配和存儲數(shù)據(jù),包括自定義數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、結構數(shù)據(jù)、關系數(shù)據(jù)等;分析工具可轉化有價值數(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服務器應用中,面對水電廠電氣二次設備不直觀、雜亂、特征不明顯的數(shù)據(jù),需要對其進行挖掘,具體流程如下:

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

2)數(shù)據(jù)預處理。該環(huán)節(jié)消除數(shù)據(jù)噪聲,推導缺少數(shù)據(jù),清理重復記錄,變換數(shù)據(jù)類型,通信應用層插值即為補值環(huán)節(jié)。

3)挖掘數(shù)據(jù)。該環(huán)節(jié)需確定數(shù)據(jù)任務,包括數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)總結、關聯(lián)規(guī)則等,根據(jù)不同數(shù)據(jù)及任務需求,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備集成系統(tǒng)應用

3.1 案例分析

以某水電廠為例,開展電氣二次控制設備集成系統(tǒng)驗證,將工控PC機、電纜等按照系統(tǒng)要求逐一布置,配置2套集成系統(tǒng)、10個核心處理器、13套工控PC 機,選擇國產(chǎn)廠家配置設備,現(xiàn)場完成安裝設置。

3.2 功能應用

3.2.1信號變送

系統(tǒng)可讀取電氣二次設備信號,將現(xiàn)場數(shù)據(jù)轉化為電信號,如電壓、振動、壓力等數(shù)據(jù),完成信號變送;并對傳感器型號開展預處理,如調(diào)整信號幅值電 平、抑制信號干擾等。

3.2.2數(shù)據(jù)采集

信號預處理后經(jīng)過轉換、記錄,讀取電氣二次設備實時信號,傳輸至PI系統(tǒng)緩沖區(qū),完成數(shù)據(jù)采集與存儲工作。軟件可編輯、添加、刪除電氣二次設備電流、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值數(shù)據(jù)整合。

3.2.3權限管理

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

3.2.4二次回路可視化

電氣二次設備運行中,根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)利用PI系統(tǒng)實現(xiàn)虛擬二次回路可視化,通過通信報文,確定二次回路變化,展示實時狀態(tài),輸出電氣波形、矢量圖、頻率等參數(shù),支撐水電廠運行維護、檢修等作業(yè)。

4結束語

本文通過深入研究基于DCS的水電廠電氣二次控制設備集成系統(tǒng),探討現(xiàn)場控制級、網(wǎng)絡通信級、監(jiān)控管理級設計措施,對電氣二次設備數(shù)據(jù)傳輸、通信、存儲等提出解決方案?；贒CS與水電廠二次控制設備結合,確定了集成系統(tǒng)方案,能夠有效傳輸電氣二次設備數(shù)據(jù),具備信號變送、數(shù)據(jù)采集、權限管理、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,有利于推動水電行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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2024年第20期第17篇