基于DCS的水电厂电气二次控制设备集成与应用

0引言

智能水电已经成为进一步发展电气系统控制和保护的重点内容,引领着水电站建设的方向。在我国能源综合利用的背景下,建设智能化、信息化水电厂,需具备远程监视及控制功能,据此实现无人值守下电厂自主控制。而电气二次设备如合并单元、控制开关、电压表、熔断器等作为监控、保护和调节水电厂一次设备的低压电气设备对建设智能水电作用重 大。因此,水电厂可基于DCS集成电气二次控制设备,实现设备在线监控,从而提高水电厂管理水平。

1基于DCS的水电厂电气二次控制设备集 成系统方案

DCS系统是水电厂的“大脑”与“眼睛”,利用传感器操作机构,实现电气二次控制设备监测全覆盖,可就地传输设备参数型号至站点,及时把控电气二次设备状态,为定期检修、运维管理提供支持。系统框架如图1所示。

DCS系统由现场控制站、操作员站、系统网络及工程师站构成。为保证DCS系统通信更为规范,设计三级网络系统,具体如下:

1)现场控制级。该级以现场控制站为主,其作为 DCS系统中间层,能够将现场采集电气二次设备信息传输至服务器,也能对二次设备进行顺序控制、反馈控制、批量控制等。该系统现场控制站采取PI数据库,以此实现数据的采集、存储与挖掘。

2)网络通信级。该级以系统网络为主,电气二次设备独立且分散,数据基本依赖于网络系统,须通过现场总线、光纤网络传输数字信号。

3)监控管理级,以操作员站和工程师站为主。操作员站用于人机对话,采取Linux操作软件,配合显示器、CPU、主板、内存、显示器等硬件,显示电气二次控制设备数据^[1]。工程师站则权限较高,能够开展组态工作,利用组态软件编写命令语句,赋予相同模块不同属性,如算法规则、计算参数等。

2基于DCS的水电厂电气二次控制设备集成系统设计

2.1监控管理级

2.1.1工业控制主机

DCS电气二次控制设备集成系统中,操作员站与工程师站采取工业级PC,能够运行于高粉尘、剧烈振动、电磁干扰等恶劣环境下,由CPU卡、同步对时卡、存储卡等构成。考虑水电厂现场条件复杂,设备采取抗干扰、防尘、加固设计,设置不同接口外设^[2]。 该PC机采用标准4U机箱、2.5 GHz CPU,硬盘160 GB,液晶CRT21Ⅱ,单网卡100M,兼顾现场实验与实验研发需求,且具备全钢机壳,双正风扇,底板插槽为 PLC—E总线扩展,设计14槽背板,满足220 kV及以上电压要求。

2.1.2运算处理器

电气二次设备监控中,采取XEONX5570核心处理器,为双路服务器,主频2 930 MHz,支持超线程与 DDR3内存技术。该处理器采用45 nm工艺,高速缓存8M,功率95 W,内存48 GB,配以Linux系统,能够输出电气二次设备数据,并采取软总线并行CPU处理,满足不同结构、电压等级、接口形式电气二次设备要求,实现处理器数据传输。

2.1.3嵌入式系统

Linux系统作为免费开源的操作系统,能够根据电气二次设备控制需求,对源代码自由修改,且操作更为安全,支持X86、PowerPC、ARM等硬件平台,能够在多种设备上运行系统,满足监控要求。

2.1.4I/O实时接口

通信接口利用PCIe卡槽连接操作站设备,负责将电气二次设备数据同步、高速发送至被测间隔,利用FPGA处理模块实现数据组包、协议转换、同步处理功能^[3],而时钟同步、电源管理、CPU管控、以太网 PHY模块则单独布置于系统级芯片中,如图2所示。

外部接口则有无线以太网接口、电源接口、GPS数传接口、串行以太网接口等。FPGA是接口卡核心,采取EP4CE22与PE4CGX22结构;PHY芯片是88E1512,以此实现现场控制装置与监控管理装置的数据交互。

2.2 网络通信级

2.2.1通信要求

水电厂DCS电气二次控制中,通信采用IEEE 802.11n协议,以OFDM与MIMO为核心技术,最高传输速率600MB/s,平均300MB/s,能够兼容802.11b/g。考虑水电厂实际应用环境,总线、光纤传输需考虑多径传输、障碍物、电磁干扰等影响,即相同信源不同传输路径互相干扰,加上水电站电气设备运行电磁辐射、相邻频段设备等,均会影响通信效果^[4]。为满足电气二次设备控制要求,通信技术指标要求如下:采集数据周期<250μs,通信延时<4 ms,同步精度>10 μs,数据离散度<1 ms,采样精度>16 bit,无数据丢包情况。

2.2.2通信机制

根据水电厂通信要求,二次开发IEEE 802.11n通信机制,解决传输数据延时、丢帧问题。具体如下:

1)采样值双通道通信。水电厂电气二次设备采样值数据差异较大,要求采样数据实时、优先传输,满足监控要求,以免临频、射频干扰,选择采用5.8 GHz 频率完成SV报文传输。

2)采样值重复发送。为克服水电厂电气二次设备环境恶劣数据丢帧问题,采取数据重复发送的方式,可提高10倍传输效率。并且下行数据以单向广播通信,全部监控所需电压、电流数据组包发送,由接收端拆分处理,以免不同间隔终端争夺通信道路使用权,增加延时^[5]。以实际电气二次设备数据而言,裸采样数据每个A/D模拟量2 B,以太网可携带报文46 B,根据采样周期250μs,需要2 MB/s带宽,设置带宽6M,可重复发送3次。

3)应用层插值。根据802.11n协议,接收端接收数据,向发送端回传ACK包告知,如果发送端未能收到 ACK包,认为传输中数据包丢失,需重新发送,数据抖动与延时较大^[6]。该系统中,设置数据插值机制,对于多次发送仍然错误的数据直接抛弃,采取插值算法将其补齐,无须多次重复发包。

4)接收层缓存。接收端构建内存区缓存处理接收数据,缓存时长为0~100 ms,数据精度100μs,以该机制消除数据抖动,保证数据平滑、无抖动输出,为系统提供高质量、真实的电气二次设备数据。

2.2.3通信硬件

DCS系统中,通信数据链路硬件包括基带级与射频级部分;射频级模拟前端处理,完成滤波、下变频、放大等;基带级完成协议转换、模数转换、制订通信报文等。链路中数据包括电气二次设备开关量信息,通过管理软件对各模块加以协调,提供数据终端控制、时钟、电源功能,如图3所示。

基带物理层涉及帧同步、编码解码、信道估计、频率同步等通信算法。发送信号时,由收发器直接输出小功率射频信号,利用功率放大器将其放大,通过收发切换器辐射至系统空间。接收信号时,感应数据信号,以切换器、低噪声放大器处理,进而解调信号。

2.3现场控制级

数据库作为DCS系统电气二次设备监控基础,要求具备先进的压缩技术、采集技术、系统访问结构及广泛接口技术。DCS系统采集、监视数据功能强大,存储数据欠佳,原因在于每个厂商独立研发DCS 数据库,开放性不足,缺乏后续开发能力,需在DCS 系统外构建实时数据平台。而PI系统能够直观显示水电厂生产过程,实时获取原始电气二次设备数据,通过可配置报表,即可了解电气二次设备采集数据^[7]。PI系统由分析工具、服务器软件、可视化工具构成,服务器处于最底层,采集、分配和存储数据,包括自定义数据、实时数据、结构数据、关系数据等;分析工具可转化有价值数据为操作信息;可视化工具能够传递信息,支持决策。而在PI服务器应用中,面对水电厂电气二次设备不直观、杂乱、特征不明显的数据,需要对其进行挖掘,具体流程如下:

1)准备数据。该环节包括选择与集成两步,将不同格式、来源、特性的数据在物理或逻辑上有机集中,根据需求抽取原始数据的一组为目标数据。

2)数据预处理。该环节消除数据噪声,推导缺少数据,清理重复记录,变换数据类型,通信应用层插值即为补值环节。

3)挖掘数据。该环节需确定数据任务,包括数据分类、数据总结、关联规则等,根据不同数据及任务需求,确定数据算法,完成挖掘工作。

3基于DCS的水电厂电气二次控制设备集成系统应用

3.1 案例分析

以某水电厂为例,开展电气二次控制设备集成系统验证,将工控PC机、电缆等按照系统要求逐一布置,配置2套集成系统、10个核心处理器、13套工控PC 机,选择国产厂家配置设备,现场完成安装设置。

3.2 功能应用

3.2.1信号变送

系统可读取电气二次设备信号,将现场数据转化为电信号,如电压、振动、压力等数据,完成信号变送;并对传感器型号开展预处理,如调整信号幅值电 平、抑制信号干扰等。

3.2.2数据采集

信号预处理后经过转换、记录,读取电气二次设备实时信号,传输至PI系统缓冲区,完成数据采集与存储工作。软件可编辑、添加、删除电气二次设备电流、电压幅值、频率及相位。该状态处于采集列表内,勾选后即可抽取有价值数据整合。

3.2.3权限管理

集成系统设置人员权限,部分重要参数禁止一般操作人员修改或查看,仅专业工程师方能设置系统参数,提高系统保密性;并对不同权限用户设置密码,以此保护账号安全性。

3.2.4二次回路可视化

电气二次设备运行中,根据传输数据利用PI系统实现虚拟二次回路可视化,通过通信报文,确定二次回路变化,展示实时状态,输出电气波形、矢量图、频率等参数,支撑水电厂运行维护、检修等作业。

4结束语

本文通过深入研究基于DCS的水电厂电气二次控制设备集成系统,探讨现场控制级、网络通信级、监控管理级设计措施,对电气二次设备数据传输、通信、存储等提出解决方案。基于DCS与水电厂二次控制设备结合,确定了集成系统方案,能够有效传输电气二次设备数据,具备信号变送、数据采集、权限管理、二次回路可视化等功能,满足在线监控要求,为水电厂安全稳定生产提供了支持,有利于推动水电行业可持续发展。

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2024年第20期第17篇