張家口發電廠水源地井群無線集中監控系統

摘要
　　本文以張家口電廠的水源地兩次遠控改造為例，闡述SCADA在此領域的應用和發展狀況。
　　Based on the twice ?waterhead reconstruct of Zhangjiakou power plant ,this paper introduces the application and development? of SCADA in this area.

關鍵詞
　　SCADA APN RTU DTU

一、概述
　　張家口發電廠為北京最主力供電廠，全廠8臺300MW機組。其水源地一、二期工程共26口井，分別于1989年、2000年投入運行，提供8臺機組發電用水及消防、生產和全廠職工生活等用水。水源地供水系統設備能否正常運轉是直接關系到全廠安全發供電以及全廠職工生活保障的大問題。能夠進行可靠的啟停控制及各種參數的及時準確反饋是確保供水設備安全穩定運行的重要保證。水源地井位啟停控制及電流反饋設備均是80年代初技術及產品，部分為電纜控制，系統結構很多環節都存在著很多問題。再加上設備本身質量差、絕緣強度低，所以導致多次發生電氣事故，存在的主要問題如下：

1. 水源地各井位具有地理上分散、空間遠距離，現有20口井位控制系統采用長距離架空電纜遠方控制，最長的控制電纜約5.05公里，由于電纜距離長加上風吹日曬，控制電纜的老化狀況極為嚴重。由于電纜絕緣老化，以至于啟一臺泵，多臺水泵聯啟，停一臺泵多臺水泵聯掉。由于二次電纜線路沿途經過的地面情況復雜，經常遭受雷擊損壞，導致深井泵控制失靈。
2. 目前由于控制電纜絕緣損壞嚴重，已經沒有備用通道，重新敷設控制電纜費用較高。而且現還有6口井不能實現遠方控制，需運行人員到就地進行啟停操作，故障時經常造成越級跳閘，嚴重影響機組安全運行。
3. 掉泵及泵電機運行出故障不知道，改造后提高了對此的響應速度。
4. 現對井位的各種運行參數除電流外其他都無法監視，設備改造后，將對井位電機電流、電壓、溫度、壓力以及流量等運行情況進行監視。
5. 中心泵房處機電設備（10KV段，380V段，各升壓泵出口電動閥）尚無監控，改造后此部分一起并入總的監控系統。
6. 廠區對水源地處設備運行狀況了解方式傳統落后（通過電話詢問方式），改造后廠區聯網計算機均可查詢水源地處設備運行狀況。

二、改造方案

　　（１）簡介

　　水源地井群監控系統采用北京大唐興業國際控制技術有限公司的DT-MCS遠程測控系統，該系統為集傳感技術、自動化控制技術、無線通信技術、網絡技術為一體的高科技遠程測控系統。該系統能夠成功的解決人工遠程啟動停止水源井水泵的不便與危險，同時大大地提高了測量精度，使運行人員在中心泵房通過計算機可隨時直觀地監視和控制水源地各井位泵運行狀況。從根本上解決了運行人員工作多年的問題——掉泵不知道，變壓器被盜無報警；另外，通過水源地到生產廠區的光纖電纜的鋪設，可將水源地各井位運行參數傳輸到廠區網控中心，網控人員視情況，通過權限的設置，可對水源地各井位進行控制，提高水源井整個系統的自動化運行管理水平。

　　（２）系統結構、工作原理及實現功能

　　　1.系統結構

　　水源地中心泵房為本系統的控制中心，由工控機、系統監控軟件、網絡接入設備共同構成中心主站，水源地各井位泵房為分站，中心泵房統領各分站，通過中國移動的無線數據傳輸設備，實現點到多點的通訊，從而最終實現對各井位泵的遠程集中監視和控制。

結構示意圖：
　　　　　　　

　　　2.系統工作原理

　　　在水源地各個井位安裝一臺遠方遙控箱，控制箱內核心設備為RTU(Remote Terminal Unit)、DTU(Data Transmit Unit),RTU采集現場設備信息， DTU將此信息從控制箱經移動公網及互聯網，最終傳至泵房監控服務器，服務器將獲得的信息進行存儲，分析，轉發，輸出等動作。正常的系統操作在泵房的客戶端和網控的客戶端。
　　　

　　　3.系統的數據中心網絡接入方式

　　數據中心部分的網絡接入方式的選取在整個無線超遠程測控系統的實施過程中占尤為重要的一環，選好則將事半功倍。

　　　1).一期的網絡接入方式（一期僅上了3個泵站）

　　針對一期無光纜接入計劃，而泵房又無直撥外線（接入直撥外線要由網通拉幾公里的電話線），經協商我們采用了中國移動 GPRS APN 業務。如下圖

　　實際的物理鏈路簡化為下圖

　　APN(Access Point Name)，即“接入點名稱”，是用來標識GPRS的業務種類。本系統中每個無線設備均內插一張APN無線上網卡，這樣每套含卡的設備在移動公網內均有一固定IP地址。因具有相同接入點名稱的卡其IP在同一網段下，由此，數據中心對各下位站點便可實現點到多點的串口透明訪問了。
　　采用此方式后系統解決了數據中心有線網絡接不入的問題，使水源地系統在中國移動公網內自成一個小型局域網，內網自身出不去，外網進不來，保證了系統的內外隔絕，保證了數據的安全與系統的穩定。

　　2).二期網絡接入方式

　　我廠水源地二期改造網絡接入方式為光纜接入。

　　光纜加固定IP保證了數據中心的帶寬，因加了硬件防火墻且屏蔽了無用端口，同樣保證了系統數據的安全與穩定。

　　4.現場硬件部分

　　本系統現場分為兩類：遠方各井位和中心泵房處

　　1).遠方各井位

　　遠方每口井位都放一遠程控制箱,結合系統功能，其內核心設備為RTU和DTU.
　　現場控制器RTU
　　現場控制器RTU是系統最核心的硬件，它的優劣直接決定著系統品質的高低。本系統所采用的RTU北京大唐控制產的DT-M104，它是一微機監控、保護單元，是針對高低壓電力監控保護、配網監控保護、用電監控保護；化工、油田集轉油站、水源井、揚水泵站遠程控制等存在眾多三相用電的場合而專門開發的一種專門適用于三相交流電監控、保護的測控、保護單元。
　　DT-M104功能特點

　＊三表法測量準確測量三相交流電壓、電流、有功、無功、頻率、功率因數、零序電流、零序電壓等電參量，快速數據刷新速度100次/S。測量數據刷新25次/S,也可以接成兩表法使用，兩表法下無法進行負序保護 。

　＊具有4路獨立的開關量輸出，可以作為遙控、跳閘或者告警。

　＊6路開關量輸入，也可以作為脈沖量輸入。

　＊4路隔離直流采樣,可以接各種變送器；

　＊2路RS232/RS485通信接口，支持MODBUS規約。

　＊FFT算法，可計算1－7次諧波。

　＊三相異步電動機的過電流保護、不平衡（負序過流）保護、接地（零序過流）保護、啟動時間過長保護、堵轉保護、反時限過負荷（熱過載）保護、欠電壓保護、過電壓保護、故障范圍判別等。

　＊線路三段過流速斷保護，反時限速斷保護，自動重合閘可以通過正序和負序電流的計算，了解當前電動機是正轉還是反轉，防止電網事故導致相序錯誤而導致的電動機燒毀。


2).數據通信設備GPRS DTU

　　系統DTU選擇為北京計算中心的MD600G,它是一款超高性能、超穩定、適用于在氣候條件惡劣的地區使用、配備完善本地和遠程調試功能的GPRS DTU產品。提供單獨的RS232配置/本地調試串口及標準RS232/485數據接口，與用戶設備即插即用；硬件設計符合電工電子產品低溫GB/T2423.1、高溫GB/T2423.2的要求，MD600G可以快速連接RTU、PLC、工控機等設備，實現串口到Internet遠程數據透明傳輸。

DTU具體的配置工作如下：
　　a.配置接入點名稱(APN方式)
　　b.配置數據中心
　　c.配置數據中心端口
　　d.配置傳輸協議
　　e.配置串口相關信息（波特率，起始停止位數，校驗位，流控等）
　　3）井位硬件回路配合

　　泵主回路示意圖

2)泵控制回路

　　現場控制器RTU數字輸出端子接井位就地控制柜內控制回路（繼電器常開點并聯在就地控制柜內啟動按鈕上，繼電器常閉點串聯在就地控制柜內停止按鈕上——保證原系統功能不受影響），控制器模擬輸入接三相電壓、三相電流，泵溫度、等相關信號參量，由無線收發設備通過中國移動無線公網將采集井位信息傳至中心泵房控制中心主站。

　　5.中心泵房處機電設備監控
　　中心泵房處有10KV段，380V段，蓄水池2個，升壓泵6臺，電動門，聯絡門若干，監控參量包括電壓，電流，流量，壓力，液位，設備的啟停，故障等。

　　設備選型
　　結合本部分的功能需求，系統最終選擇了北京易控微網的不同側重的RTU(均有232口和485口),具體如下：
　　STC101：8DI,8DO,8AI
　　STC101：16DI
　　STC102：16DO
　　STC103：16AI
　　STC201：3U,3AI,3DO,6DI

　　380V段電壓電流及開關狀態的接入： STC201， STC102， STC103
　　10KV電壓及開關量的接入： STC201(3U,3I,3DO,6DI)
　　電動門，聯絡門： STC101， STC102
　　壓力流量液位等4——20mA接入： STC-1

現場每個RTU通過485總線設備相連，共同經過485/232轉換器A53連至監控服務器串口。

　　6.系統軟件：

　　本系統軟件分為兩部分：數據接口軟件和組態軟件。

　　數據接口軟件
　　數據接口軟件名稱為Mserver（廠家提供）,其功能為一軟協議轉換器。通過對其的配置，使它映射出對應下位子站的虛擬串口。它接收有線網絡或無線網絡傳來的網絡協議信息，將其轉換為遠控箱內RTU發出的原本格式及信息。這樣組態軟件通過其虛擬的這些串口，經由物理介質可透明和遠方各泵站控制箱相連接。

　　組態軟件
　　本系統選用工業監控組態軟件——力控V6.0
　　力控6.0產品在數據處理性能、容錯能力、界面容器、報表等方面，具有方便、靈活的開發環境。它提供的各種工程、畫面模板、可嵌入各種格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等）的圖片，方便了畫面制作，大大降低了組態開發的工作量。另外，高性能實時、歷史數據庫，強大的分布式報警、事件處理，支持報警、事件網絡數據斷線存儲，恢復功能，全新的、靈活的報表設計工具，豐富的報表操作函數集、支持復雜腳本控制，支持通過移動GPRS、CDMA網絡與控制設備或其它遠程節點通訊，支持控制設備冗余、控制網絡冗余、監控服務器冗余、監控網絡冗余、監控客戶端冗余等功能，使得系統整合起來尤為輕松自如。

　　三．系統實現功能

　　1).電氣參數實時監視

　　實時顯示系統的各個井位的狀態及具體參數，包括：泵的狀態啟停、運行、故障、3相電流、3相電壓、3相功率、總功率、功率因數、頻率。

　　2).泵實際運行效果監視

　　實時監視泵的出口壓力，母管流量，以及深井泵電機的實際溫度。

　　3).井位地理信息功能

　　系統總界面按每個泵站實際方位成比例顯示，使操作者對系統結構及當前運行狀況一目了然。

　　4).調配控制功能

　　在中心泵房通過系統應用界面遠程控制泵電機的工作狀態（啟、停）。泵的保護功能，三相異步電動機的反時限過負荷（熱過載）保護、不平衡（負序過流）保護、啟動時間過長保護、堵轉保護、接地（零序過流）保護、欠電壓保護、過電壓保護。

　　5).歷史紀錄功能

　 　a.將系統的必要狀態（啟、停、故障報警等）進行記錄，運行人員可查詢歷史數據。
　　b.對電機實時監控，出現線路故障（超載、堵轉、缺相、欠載等）或泵溫度等參數超標報警并顯示、記錄到位,可設置、更改運行參數功能，可輸出聲光報警。

　　6).報表功能

　　按水源地的運行需求，系統自動生成管理所需要的各種報表，可將報表進行打印并具有報表轉發功能。

　　7).軟件的用戶管理

　　a.添加刪除用戶
　　b.修改注冊用戶的信息和權限。

　　8)冬季配電箱具有空調自動加熱功能

　　本功能確保了現場控制箱電子元器件在嚴冬的穩定運行（-10℃加熱，-5℃停止加熱）從而保證了整個系統在惡劣條件下的穩定運行。

　　9）井位供電系統異常報警

　　 井位變壓器被盜屬于供電系統異常范疇，由此當井位變壓器被盜時，系統可輸出聲光報警。

　　10）其它功能

　　本系統軟件具備多種標準接口協議，通過光纖電纜可將監視及控制功能傳輸到廠區計算機網絡內，實現廠區監視及控制功能。

四、移動通信網絡費用

　　目前通訊車間與張家口移動通信了解網絡使用費用，由于系統通信鏈路使用GPRS移動通信網絡的信令通道，不占用系統話路資源，系統運行的收費標準較為低廉，其標準費用為：
　　水源地各井位（26口井）采用50M/20元， 水源地各井位（26口井）全部實現集中控制后，每月支付中國移動公司720元，全年共需要支付8640元網絡費用。

結語

　　本水源地SCADA系統自投運以來（一期：2007年1月，二期：2007年10月）,運行狀況一直穩定良好，控制功能很好的滿足了實際生產生活的需要，降低了原有的操作難度和成本，提高了本部門的勞動生產率，減少了勞動力數量和運營費用，為我廠外圍附控的自動化和信息化建設開了先河。