张家口发电厂水源地井群无线集中监控系统

摘要
　　本文以张家口电厂的水源地两次远控改造为例，阐述SCADA在此领域的应用和发展状况。
　　Based on the twice ?waterhead reconstruct of Zhangjiakou power plant ,this paper introduces the application and development? of SCADA in this area.

关键词
　　SCADA APN RTU DTU

一、概述
　　张家口发电厂为北京最主力供电厂，全厂8台300MW机组。其水源地一、二期工程共26口井，分别于1989年、2000年投入运行，提供8台机组发电用水及消防、生产和全厂职工生活等用水。水源地供水系统设备能否正常运转是直接关系到全厂安全发供电以及全厂职工生活保障的大问题。能够进行可靠的启停控制及各种参数的及时准确反馈是确保供水设备安全稳定运行的重要保证。水源地井位启停控制及电流反馈设备均是80年代初技术及产品，部分为电缆控制，系统结构很多环节都存在着很多问题。再加上设备本身质量差、绝缘强度低，所以导致多次发生电气事故，存在的主要问题如下：

1. 水源地各井位具有地理上分散、空间远距离，现有20口井位控制系统采用长距离架空电缆远方控制，最长的控制电缆约5.05公里，由于电缆距离长加上风吹日晒，控制电缆的老化状况极为严重。由于电缆绝缘老化，以至于启一台泵，多台水泵联启，停一台泵多台水泵联掉。由于二次电缆线路沿途经过的地面情况复杂，经常遭受雷击损坏，导致深井泵控制失灵。
2. 目前由于控制电缆绝缘损坏严重，已经没有备用通道，重新敷设控制电缆费用较高。而且现还有6口井不能实现远方控制，需运行人员到就地进行启停操作，故障时经常造成越级跳闸，严重影响机组安全运行。
3. 掉泵及泵电机运行出故障不知道，改造后提高了对此的响应速度。
4. 现对井位的各种运行参数除电流外其他都无法监视，设备改造后，将对井位电机电流、电压、温度、压力以及流量等运行情况进行监视。
5. 中心泵房处机电设备（10KV段，380V段，各升压泵出口电动阀）尚无监控，改造后此部分一起并入总的监控系统。
6. 厂区对水源地处设备运行状况了解方式传统落后（通过电话询问方式），改造后厂区联网计算机均可查询水源地处设备运行状况。

二、改造方案

　　（１）简介

　　水源地井群监控系统采用北京大唐兴业国际控制技术有限公司的DT-MCS远程测控系统，该系统为集传感技术、自动化控制技术、无线通信技术、网络技术为一体的高科技远程测控系统。该系统能够成功的解决人工远程启动停止水源井水泵的不便与危险，同时大大地提高了测量精度，使运行人员在中心泵房通过计算机可随时直观地监视和控制水源地各井位泵运行状况。从根本上解决了运行人员工作多年的问题——掉泵不知道，变压器被盗无报警；另外，通过水源地到生产厂区的光纤电缆的铺设，可将水源地各井位运行参数传输到厂区网控中心，网控人员视情况，通过权限的设置，可对水源地各井位进行控制，提高水源井整个系统的自动化运行管理水平。

　　（２）系统结构、工作原理及实现功能

　　　1.系统结构

　　水源地中心泵房为本系统的控制中心，由工控机、系统监控软件、网络接入设备共同构成中心主站，水源地各井位泵房为分站，中心泵房统领各分站，通过中国移动的无线数据传输设备，实现点到多点的通讯，从而最终实现对各井位泵的远程集中监视和控制。

结构示意图：
　　　　　　　

　　　2.系统工作原理

　　　在水源地各个井位安装一台远方遥控箱，控制箱内核心设备为RTU(Remote Terminal Unit)、DTU(Data Transmit Unit),RTU采集现场设备信息， DTU将此信息从控制箱经移动公网及互联网，最终传至泵房监控服务器，服务器将获得的信息进行存储，分析，转发，输出等动作。正常的系统操作在泵房的客户端和网控的客户端。
　　　

　　　3.系统的数据中心网络接入方式

　　数据中心部分的网络接入方式的选取在整个无线超远程测控系统的实施过程中占尤为重要的一环，选好则将事半功倍。

　　　1).一期的网络接入方式（一期仅上了3个泵站）

　　针对一期无光缆接入计划，而泵房又无直拨外线（接入直拨外线要由网通拉几公里的电话线），经协商我们采用了中国移动 GPRS APN 业务。如下图

　　实际的物理链路简化为下图

　　APN(Access Point Name)，即“接入点名称”，是用来标识GPRS的业务种类。本系统中每个无线设备均内插一张APN无线上网卡，这样每套含卡的设备在移动公网内均有一固定IP地址。因具有相同接入点名称的卡其IP在同一网段下，由此，数据中心对各下位站点便可实现点到多点的串口透明访问了。
　　采用此方式后系统解决了数据中心有线网络接不入的问题，使水源地系统在中国移动公网内自成一个小型局域网，内网自身出不去，外网进不来，保证了系统的内外隔绝，保证了数据的安全与系统的稳定。

　　2).二期网络接入方式

　　我厂水源地二期改造网络接入方式为光缆接入。

　　光缆加固定IP保证了数据中心的带宽，因加了硬件防火墙且屏蔽了无用端口，同样保证了系统数据的安全与稳定。

　　4.现场硬件部分

　　本系统现场分为两类：远方各井位和中心泵房处

　　1).远方各井位

　　远方每口井位都放一远程控制箱,结合系统功能，其内核心设备为RTU和DTU.
　　现场控制器RTU
　　现场控制器RTU是系统最核心的硬件，它的优劣直接决定着系统品质的高低。本系统所采用的RTU北京大唐控制产的DT-M104，它是一微机监控、保护单元，是针对高低压电力监控保护、配网监控保护、用电监控保护；化工、油田集转油站、水源井、扬水泵站远程控制等存在众多三相用电的场合而专门开发的一种专门适用于三相交流电监控、保护的测控、保护单元。
　　DT-M104功能特点

　＊三表法测量准确测量三相交流电压、电流、有功、无功、频率、功率因数、零序电流、零序电压等电参量，快速数据刷新速度100次/S。测量数据刷新25次/S,也可以接成两表法使用，两表法下无法进行负序保护 。

　＊具有4路独立的开关量输出，可以作为遥控、跳闸或者告警。

　＊6路开关量输入，也可以作为脉冲量输入。

　＊4路隔离直流采样,可以接各种变送器；

　＊2路RS232/RS485通信接口，支持MODBUS规约。

　＊FFT算法，可计算1－7次谐波。

　＊三相异步电动机的过电流保护、不平衡（负序过流）保护、接地（零序过流）保护、启动时间过长保护、堵转保护、反时限过负荷（热过载）保护、欠电压保护、过电压保护、故障范围判别等。

　＊线路三段过流速断保护，反时限速断保护，自动重合闸可以通过正序和负序电流的计算，了解当前电动机是正转还是反转，防止电网事故导致相序错误而导致的电动机烧毁。


2).数据通信设备GPRS DTU

　　系统DTU选择为北京计算中心的MD600G,它是一款超高性能、超稳定、适用于在气候条件恶劣的地区使用、配备完善本地和远程调试功能的GPRS DTU产品。提供单独的RS232配置/本地调试串口及标准RS232/485数据接口，与用户设备即插即用；硬件设计符合电工电子产品低温GB/T2423.1、高温GB/T2423.2的要求，MD600G可以快速连接RTU、PLC、工控机等设备，实现串口到Internet远程数据透明传输。

DTU具体的配置工作如下：
　　a.配置接入点名称(APN方式)
　　b.配置数据中心
　　c.配置数据中心端口
　　d.配置传输协议
　　e.配置串口相关信息（波特率，起始停止位数，校验位，流控等）
　　3）井位硬件回路配合

　　泵主回路示意图

2)泵控制回路

　　现场控制器RTU数字输出端子接井位就地控制柜内控制回路（继电器常开点并联在就地控制柜内启动按钮上，继电器常闭点串联在就地控制柜内停止按钮上——保证原系统功能不受影响），控制器模拟输入接三相电压、三相电流，泵温度、等相关信号参量，由无线收发设备通过中国移动无线公网将采集井位信息传至中心泵房控制中心主站。

　　5.中心泵房处机电设备监控
　　中心泵房处有10KV段，380V段，蓄水池2个，升压泵6台，电动门，联络门若干，监控参量包括电压，电流，流量，压力，液位，设备的启停，故障等。

　　设备选型
　　结合本部分的功能需求，系统最终选择了北京易控微网的不同侧重的RTU(均有232口和485口),具体如下：
　　STC101：8DI,8DO,8AI
　　STC101：16DI
　　STC102：16DO
　　STC103：16AI
　　STC201：3U,3AI,3DO,6DI

　　380V段电压电流及开关状态的接入： STC201， STC102， STC103
　　10KV电压及开关量的接入： STC201(3U,3I,3DO,6DI)
　　电动门，联络门： STC101， STC102
　　压力流量液位等4——20mA接入： STC-1

现场每个RTU通过485总线设备相连，共同经过485/232转换器A53连至监控服务器串口。

　　6.系统软件：

　　本系统软件分为两部分：数据接口软件和组态软件。

　　数据接口软件
　　数据接口软件名称为Mserver（厂家提供）,其功能为一软协议转换器。通过对其的配置，使它映射出对应下位子站的虚拟串口。它接收有线网络或无线网络传来的网络协议信息，将其转换为远控箱内RTU发出的原本格式及信息。这样组态软件通过其虚拟的这些串口，经由物理介质可透明和远方各泵站控制箱相连接。

　　组态软件
　　本系统选用工业监控组态软件——力控V6.0
　　力控6.0产品在数据处理性能、容错能力、界面容器、报表等方面，具有方便、灵活的开发环境。它提供的各种工程、画面模板、可嵌入各种格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等）的图片，方便了画面制作，大大降低了组态开发的工作量。另外，高性能实时、历史数据库，强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能，全新的、灵活的报表设计工具，丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，支持通过移动GPRS、CDMA网络与控制设备或其它远程节点通讯，支持控制设备冗余、控制网络冗余、监控服务器冗余、监控网络冗余、监控客户端冗余等功能，使得系统整合起来尤为轻松自如。

　　三．系统实现功能

　　1).电气参数实时监视

　　实时显示系统的各个井位的状态及具体参数，包括：泵的状态启停、运行、故障、3相电流、3相电压、3相功率、总功率、功率因数、频率。

　　2).泵实际运行效果监视

　　实时监视泵的出口压力，母管流量，以及深井泵电机的实际温度。

　　3).井位地理信息功能

　　系统总界面按每个泵站实际方位成比例显示，使操作者对系统结构及当前运行状况一目了然。

　　4).调配控制功能

　　在中心泵房通过系统应用界面远程控制泵电机的工作状态（启、停）。泵的保护功能，三相异步电动机的反时限过负荷（热过载）保护、不平衡（负序过流）保护、启动时间过长保护、堵转保护、接地（零序过流）保护、欠电压保护、过电压保护。

　　5).历史纪录功能

　 　a.将系统的必要状态（启、停、故障报警等）进行记录，运行人员可查询历史数据。
　　b.对电机实时监控，出现线路故障（超载、堵转、缺相、欠载等）或泵温度等参数超标报警并显示、记录到位,可设置、更改运行参数功能，可输出声光报警。

　　6).报表功能

　　按水源地的运行需求，系统自动生成管理所需要的各种报表，可将报表进行打印并具有报表转发功能。

　　7).软件的用户管理

　　a.添加删除用户
　　b.修改注册用户的信息和权限。

　　8)冬季配电箱具有空调自动加热功能

　　本功能确保了现场控制箱电子元器件在严冬的稳定运行（-10℃加热，-5℃停止加热）从而保证了整个系统在恶劣条件下的稳定运行。

　　9）井位供电系统异常报警

　　 井位变压器被盗属于供电系统异常范畴，由此当井位变压器被盗时，系统可输出声光报警。

　　10）其它功能

　　本系统软件具备多种标准接口协议，通过光纤电缆可将监视及控制功能传输到厂区计算机网络内，实现厂区监视及控制功能。

四、移动通信网络费用

　　目前通讯车间与张家口移动通信了解网络使用费用，由于系统通信链路使用GPRS移动通信网络的信令通道，不占用系统话路资源，系统运行的收费标准较为低廉，其标准费用为：
　　水源地各井位（26口井）采用50M/20元， 水源地各井位（26口井）全部实现集中控制后，每月支付中国移动公司720元，全年共需要支付8640元网络费用。

结语

　　本水源地SCADA系统自投运以来（一期：2007年1月，二期：2007年10月）,运行状况一直稳定良好，控制功能很好的满足了实际生产生活的需要，降低了原有的操作难度和成本，提高了本部门的劳动生产率，减少了劳动力数量和运营费用，为我厂外围附控的自动化和信息化建设开了先河。