大型火力发电厂监控系统的研发与应用

孟涛，岳恒，柴天佑（东北大学自动化研究中心，110004）

摘 要：介绍了采用FIX组态软件平台而研发的火力发电厂计算机监控系统。所研发的监控软件，不仅实现了发电生产过程信息的采集、处理和监控，而且提供了故障诊断与报警，自动生成生产报表，实现了监控和数据采集（SCADA）系统与发电厂管理系统的集成。此外，研究开发的事件顺序记录（SOE）系统能快速准确地判断跳合闸顺序，分析出事故发生的原因。该监控系统在清河发电厂的成功应用表明系统结构设计合理，功能完善，可靠性高。

关键词：火力发电厂监控系统；故障诊断专家系统；事件顺序记录（SOE）

一、引言

随着基于Windows操作系统监控软件的流行，计算机监控系统也真正为我们提供了一个“Windows on Plants”，使我们可能了解整个生产过程所发生的一切。火力发电厂监控系统提供了机组运行状态的显示画面，各种报警处理，以及自动生成报表等多项功能，是发电厂安全、可靠运行的重要保证。研发具有快速、准确地处理发电过程的信息以及事件顺序记录（SOE）系统，能够实现SCADA系统与发电厂管理信息系统集成的监控软件，对实现发电厂综合自动化具有重要的实际价值。

本文研发了基于FIX组态软件平台的火力发电厂计算机监控系统，并成功地应用于清河发电厂。

二、火力发电厂监控系统

本文研发的发电厂计算机监控软件具有发电过程信息采集、处理，过程状态显示，故障诊断与报警，自动生成各种生产报表，提供SCADA系统与发电厂管理信息系统的集成，以及SOE系统。

该监控系统是以FIX监控组态软件为平台，结合发电过程开发了下列功能模块，如图1所示。

图1 监控系统软件功能模块框图

1、数据采集与实时数据库

利用FIX监控平台下高性能的驱动程序，可以实现上位机与下位机PLC、ADAM数据采集模块的通信，完成了数据采集任务，并建立了实时数据库。

FIX系统任务SAC（The Scan，Alarm，and Control Program）负责实时数据库的刷新。SAC有两种处理方式：

（1）基于时间的处理方式

基于时间的处理方式需要为实时数据库中的数据项规定一个扫描时间。扫描时间决定SAC多长时间刷新读一次 数据。对于ADAM模块采集的模拟量和PLC中的开关位置信号我们采用了这种方式，并且增加了相位扫描功能，如图2所示，从中可以看出相位扫描有效地使用了CPU时间。

图2 多标签的相位扫描

（2）基于事件的处理方式

基于事件的处理方式容许事件触发SAC以更新数据。数据的变化和PLC主动提供的消息都可以作为触发事件。下位机中的大量保护信号（一般都很多）只在故障情况下发生变化，而故障发生的几率是很小的。采用基于事件的方法处理它们可以减少CPU的使用时间，明显改善了系统的性能，因为SAC不必按规定的时间间隔扫描标签。

相位扫描以及基于事件处理方式的使用保证了信息处理的快速、准确。

2、机组运行状态显示

清晰、美观的画面为操作人员监视生产设备的运转状态提供了生动简洁的人机交互能力。本文介绍的上位机监控系统的画面由静态和动态画面两部分组成。静态画面一般反映系统中主要设备的配置情况。动态画面则反映设备和系统的实时运行情况，例如文字图形的可见与不可见，数值的变化以及符号、颜色的改变等。通过它们及其各种组合可以清楚直观的反映发电机组，母线，变压器，开关等设备的运行情况。

发电机的有功功率和无功功率是衡量发电机运行状况的两个关键的参数，对发电机组的有功、无功信号的实时检测画出其趋势图，对运行人员来说是非常重要的。监控系统中的模拟量除了以动态数字显示以外，还设计了连续曲线的形式，即趋势图，来显示各模拟量值的变化趋势。操作者不仅可以看到过去的趋势而且可以看到当前的趋势。通过趋势图操作员可以看出有功功率和无功功率的变化情况，从而预测发电机组的运行效率。

3、故障诊断与报警

根据火力发电厂以往现场运行经验，建立了故障诊断专家系统的知识库和推理规则，其表示方法如下：

rule：if 故障现象1 and 故障现象2 and ....then 故障原因1

当保护信号发生变化时，根据上面规则由上位机显示故障原因。尽管规则较为简单，但在实际运行中故障诊断结果基本正确，使监控系统具备了初级的智能化水平。

上位机监控软件从报警的类型、产生、状态记录各方面作了十分细致的设计，能及时反映生产过程运转状态，快速处理各种故障、事故和排除隐患，保护设备和保证生产正常运作。

4、自动生成生产报表

上位机监控系统中的报表记录为系统运行状况的分析提供了重要依据。FIX软件支持DDE客户和服务器的两种模 式，结合报表生成器选项使用预先定义的宏，可以方便地创建定制报表的自动生成。

报表记录可提供发电机组电气系统全部模拟量的历史数据，即可以文件形式保存在上位机中，也可以输出至打印机。自动生成报表的功能省却了人工读表记录带来的不便。

5、监控系统与管理系统的集成

发电生产过程的实时数据作为发电厂管理信息系统的重要组成部分，它的接入及保存方式直接影响着管理信息系统完备性及可靠性。FIX为了保护自身的实时数据库并没有给其他用户应用程序提供直接读写数据库SQL语言，但是FIX组态软件为我们提供了应用ODBC的解决方案。

FIX组态软件提供的Real-Time ODBC SQL接口允许向Access、MS SQL Server、Oracle等多种DBMS写入实时过程数据。在实际应用中，考虑到我们的数据库规模不大，所以选择了Microsoft的Access数据库，通过网络可以方便地 在整个发电厂共享现场的实时数据。采用FIX软件平台的上位机作为SCADA节点与发电厂MIS系统的联接过程如图3所示。

图3 FIX ODBC接口与Access数据库的联接

三、火力发电厂SOE系统

事件顺序记录SOE（Sequence of Events）功能是发电厂电网事故的重要诊断手段，它是指发电厂在厂用电系统发生事故而导致保护装置动作、开关连跳的情况下，上位机应能判别出开关的跳合闸先后动作顺序并记录相应的结果。根据此结果便可以及时判定事故原因，查出故障点。

虽然SOE功能是发电厂计算机监控系统的一项重要功能，它是发电厂的一种特殊需求，目前应用于发电过程的大型DCS系统具有专门的SOE模块，但还没有一种适用于一般控制系统的具有SOE单一功能、价格低廉的产品。因此，我 们自行研发了火力发电厂SOE系统。

1、SOE系统的硬件结构

上位机监控系统运行在FIX软件平台下，FIX本身就是一个庞大的软件，各种监控功能的实现已经占用了上位机 相当多的资源，如果还用上位机实现SOE的全部功能，势必增加了上位机的负担，而且SOE记录时间的分辨率是否能达到1ms也值得怀疑。

集散控制的主要思想就是分散控制，集中管理。为了实现SOE功能，本文提出了上位机、单片机双机解决方案，把SOE功能从上位机中分离出来，用自行研制开发的SOE功能单片机电路板实现开关状态查询、记录故障时间、分辨开关跳合闸先后顺序等主体功能，然后利用中断方式的串口通信将结果发送给上位机，由上位机负责完成显示、存档以及日后的查询、打印等管理工作。其信号流图如图4所示。

图4 SOE功能信号流图

由于单片机的运行与上位机相对独立，上位机能否准确、及时地显示事故情况下开关跳合闸顺序很大程度上依赖于单片机传送上来的数据，因此通信的可靠性是SOE软件设计中的关键问题。

本系统中上位机与单片机之间利用RS232接口进行串行数据通信。在通信方式的选择上做了如下考虑：

查询方式需要上位机CPU不断的检测SOE功能电路板的状态，虽然效率较高，但是占用了上位机大量CPU时间，与我们当初将SOE功能从上位机中分离出来的想法向背；而中断方式由于单片机的输出缓冲有限，每次SOE的结果需要多次中断上位机才能将全部数据传送给它，降低了通信效率。

本文采用了折中的办法，单片机与上位机的通信方式采用中断和查询交替进行的方式。当单片机判断SOE已经结束后向上位机发送通信握手信号，上位机接收通信握手中断信号后激活运行在上位机的SOE功能应用程序，该程序再通过查询方式读取全部数据。这种通信方式集中断方式和查询方式二者之长，使得数据交换既简单、高效又最大限度地节约了上位机系统的CPU时间。

SOE功能电路板主体为89C51单片机，同时包括单片机系统监控电路、串行通信接口以及二级输入光电隔离保护，保证了SOE系统能够在发电厂这样的工业环境中长期稳定运行。

2、SOE系统的软件结构与功能

SOE功能电路板的软件功能主要完成对各通道的扫描，判断事故的起止时间，处理数据结果以及发送数据给上位机等。单片机程序包括下面三个模块。

（1）主程序模块

主程序模块负责单片机的初始化，在记录跳合闸事故数据后调用数据处理和通信子模块。

（2）数据处理子模块

数据处理子模块确定开关跳变时间，并按时间对发生跳变的开关进行排序。

（3）通信子模块

通信子模块按照预先制定的通信规则将SOE的结果发送给上位机。

上位机的SOE功能应用程序采用了标准Windows32程序的运行模式。其消息模型如图5所示。由于事故发生的几率相对很小，SOE功能应用程序大多数时间处于空闲状态，这样大大节省了上位机的系统资源。

图5 上位机SOE应用程序的消息模型

上位机SOE功能应用程序利用VC⁺⁺6.0提供的基于COM技术的ActiveX控件Microsoft Communication Control实现了上位机与单片机的串口通信；利用VC⁺⁺6.0的Document/View（文档/视图）框架结构实现了SOE结果的显示、存档 及打印。

将SOE系统分成两部分，由单片机和上位机分工合作共同实现不仅改善了其性能，而且节省了上位机的系统资源，使整个监控系统的运行得到了优化。SOE系统的设计方案已通过实验测试，成功地应用在清河发电厂。

四、监控系统在清河发电厂的应用

本文研发的监控系统现已应用在清河发电厂4台100000kw机组中。整个系统采用了集散控制思想，由上位机完成数据管理、机组状态显示、故障诊断报警以及记录报表等功能。对于开关逻辑控制，数据采集和事件顺序记录SOE这些任务分别由OMRON C2000H PLC，ADAM4017数据采集器和SOE功能电路板完成。其中，ADAM40174模拟量采集器将采集的数据经RS485总线传递至ADAM4520，由它转换为RS232通过COM1串口进入上位机。4台PLC除了进行4台机组的逻辑控制外，通过LINK适配器连接形成了网络，并将保护信号和开关位置信号经COM2串口送入上位机，由上位机负责监 控。SOE功能电路板同样通过RS232与上位机通信，由于工控机的两个串口都被占用，所以实际应用中使用了多串口卡。清河发电厂计算机监控系统的硬件结构框图如图6所示。

图6 清河发电厂计算机监控系统的硬件结构图

上位机通过串口通信只接受来自这些设备的数据信号，而不对它们发送控制命令，这样不但减轻了上位机的负担，而且从根本上杜绝了由于上位机通信时信号受干扰所带来的误动作现象。即使当上位机因故障而停机时，也不影响PLC的正常工作，这样可大大提高系统运行的可靠性。

监控系统在清河发电厂投入运行以来，一直安全可靠的运行，完全满足了日常生产的要求。现在已经离不开这套计算机监控系统，监控系统产生的报警信息、记录报表，已成为生产管理、机组维护、故障分析的重要依据。

监控系统以其良好的安全措施、丰富完善的监控功能和友好的图形界面，大大方便了运行维护人员的工作；不但提高了机组运行的自动化水平和电厂的现代化管理水平，而且降低了生产成本，使清河发电厂在竞价上网中提高了竞争力。

五、结束语

我们结合发电生产过程而研发的监控系统，对于充分利用发电过程的实时数据进行发电过程的在线管理、提高发电过程中的运行效率具有稳定的推动作用。本文提出的监控系统在清河发电厂的实际运行表明：该系统具有完善的监控功能，友好的人机界面，不仅运行安全可靠，而且为运行人员提供操作指导，使发电机组高效运行。