H9000與水電廠綜合自動化回顧論文
摘要：本文首先回顧水電廠綜合自動化的在科研試點、實用推廣和“無人值班”(少人值守)三個歷史階段的工作歷程，然後重點介紹近年來H9000系統結合水電廠“無人值班”(少人值守)工作進行的改進工作，在水電廠創一流和實現AGC方面的經驗，H9000V3.0系統的新功能和相容性方面的進步。
關鍵詞：H9000水電廠綜合自動化
引言
在國家電力公司(包括原水利電力部、原能源部、原電力部)的大力倡導下，我國的水電自動化工作自二十世紀80年代的科研試點逐步進入了90年代的“無人值班”(少人值守)試點和推廣的階段，建設並完成了一大批水電綜合自動化系統，有力地推動了水電行業的技術進步。目前，已有29個水電廠實現了“無人值班”(少人值守)，20個水電廠通過了國家電力公司的一流水電廠驗收，還有相當已批水電廠已經具備了驗收的條件，取得了巨大的成功。
水科院自動化所作為行業的自動化專業科研單位，自始至終地參加了與水電廠綜合自動化有關的科研、推廣及“無人值班”(少人值守)和創一流水電廠的工作，完成了包括東北白山梯級在內的一百多個大中小型水利水電自動化工程，出口衣索比亞TisAbay二級電站的系統已投入了商業化執行，完成了隔河巖電站引進計算機監控系統的改造工程，實現了湖南鎮100MW機組擴建電站的“關門執行”，為白山等六大水電廠實現創“一流水電廠”創造了必要條件，2001年聯合中標三峽梯級排程中心及左岸電站計算機監控系統工程，2002年連續在洪江、碗米坡、株州航電等國際招標工程中標，取得了令人矚目的成果，回顧過去，展望未來，意義非同一般。
本文首先回顧水電廠綜合自動化的在科研試點、實用推廣和“無人值班”(少人值守)三個歷史階段的工作歷程，然後重點介紹近年來H9000系統結合水電廠“無人值班”(少人值守)工作進行的改進工作，在水電廠創一流和實現AGC方面的經驗，H9000V3.0系統的新功能和相容性方面的進步。
水電站綜合自動化技術的發展過程
科研試點階段：我國水電站綜合自動化技術的應用起步於20世紀80年代初。當時，水電部的水科院和南自所及機械部的天傳所分別在富春江、葛洲壩二江和永定河梯級進行試點研究，研製成功的富春江水電廠多微機分佈控制系統於1984年11月正式投入執行，1986年獲國家科技進步三等獎。透過試點，嘗試了計算機技術應用於水電廠監控系統的可行性，培養和鍛鍊了一批從事水電廠計算機監控系統的科研、設計、安裝和執行維護的工程技術人員隊伍，積累了寶貴的經驗。但由於經驗不足，研製週期過長，資金缺乏，使基礎自動化配套改造不夠，影響計算機監控系統的正常使用，另外，在系統的規模、功能、結構、工藝、可靠性以及軟體的水平等方面與國外差距較大。
實用推廣階段：原水電部於1987年和1993年先後制定了“七五期間水電廠自動化計算機應用規劃”和“八五期間以及2000年水電廠計算機監控系統推廣應用規劃”，兩批共規劃了67個大中型水電廠。根據“七五”規劃，到1993年，先後又有27座水電站採用了不同形式的計算機監控系統，如葛洲壩二江、魯布革、富春江、丹江口、新安江、銅街子、安康、石泉、龍羊峽、東江、白山等。軟體和硬體裝置的標準化工作取得了初步成效，初步形成了工業化生產，達到了實用化水平，形成了幾種成熟的推薦模式。同時，科技水平有了很大的提高，有關科研院所已經能夠獨立承擔各類工程的計算機監控系統裝置的開發研製生產任務，一大批科技人才茁壯成長。
“無人值班”(少人值守)階段：透過技術改造與技術進步，實現減人增效，創國際一流企業，是國家電力公司的長遠發展戰略。為了實現這一目標，根據1994年原電力部在東北太平灣水電廠會議提出的建議，由安生司主持、水科院自動化所等單位參加，討論制定了《水電廠“無人值班”(少人值守)的若干規定(試行)》並由電力部於1996年頒佈執行。與此同時，電力部頒佈試行了《一流水電廠的考核標準》。1994年太平灣會議還確定了葛洲壩二江、太平灣等5個水電廠為“無人值班”(少人值守)第一批試點單位，水電廠“無人值班”(少人值守)試點工作由此拉開帷幕。1996年又擴大白山、緊水灘、龔嘴等9個水電廠為第二批試點單位。兩批試點帶動了水電行業的自動化技術進步，據不完全統計，自1980年以來截止到目前為止，全國安裝水電廠計算機監控系統總數約300套，而在這一階段內，國內總共新安裝投運的監控系統約250套，其中水科院自動化所新投系統100套，電自院新投運約120套，其餘系統由國外公司或國內其他廠家提供。
與1994年以前比較，“無人值班”(少人值守)階段的工作特點是：(1)各水電廠自動化改造的積極性空前高漲，積極要求上計算機監控系統，並把監控系統當作全廠“創一流”工作的重點，以監控系統帶動全廠的自動化改造，為監控系統工作的順利展開創造了良好的局面。(2)監控系統的功能齊全，軟體和硬體標準化程度高，開發週期短，效能指標先進，普遍達到了國際同期先進水平，實用性強，可靠性好，成功率高，滿足了水電廠“無人值班”(少人值守)的要求。(3)國家級科研開發骨幹隊伍逐漸形成，形成了自主品牌的監控系統，在國際上具有相當的知名度，如水科院的H9000系列分佈開放系統和電自院的SSJ系列計算機監控系統，基本佔領了國內水電市場。(4)系統的實用化程度高，推動了行業的技術進步，促進了管理的現代化，為減人增效奠定了技術基礎，取得了實效。
H9000系統與水電廠“無人值班”(少人值守)技術
H9000系統是水科院自動化所於二十世紀90年代初期設計開發的面向水電應用的分佈開放系統，我國水電廠綜合自動化的重要科研成果。該系統的設計不僅吸收了國外公司產品的先進技術路線，使H9000系統的總體設計接近國際先進水平，而且根據我們多年的工程經驗和對水電自動化理解，結合1994年國電公司頒佈的水電廠“無人值班”(少人值守)導則，在系統的結構設計、功能設計方面，充分考慮水電廠有人和“無人”對監控系統在可靠性、冗餘措施、功能要求等方面的差異，系統功能齊全，軟體和硬體標準化程度高，組態能力強，開發週期短，符合中國國情，實用性強，可靠性好，系統投運成功率高，滿足了水電廠“無人值班”(少人值守)的要求。為此，H9000系統不僅具有常規電站監控系統的功能，而且進一步開發完善了下列功能：
完善的硬體與軟體冗餘體系
水電廠實現“無人值班”(少人值守)後，由於現場值班人員減少，每值往往只有兩人，當現場裝置出現故障時，消缺人員一般要等較長時間才能抵達現場，因此對於監控系統的可靠性要求更高，要求有較高的冗餘度，在系統降階執行時不影響電站的安全。
為了滿足要求，H9000系統的硬體可採用多層次的冗餘措施，如資料庫管理站、操作員站、通訊伺服器、網路交換機、網路通道、主控級UPS、LCU的資料採集與控制器、CPU模組、通訊模組、I/O通道、現地匯流排、機箱電源、機櫃電源等，全部可以實現冗餘配置，由軟體實現冗餘裝置的檢測與故障診斷，實現冗餘部件的無擾動切換，確保系統中某一部件的故障不影響系統的正常執行。故障部件由消缺人員及時處理。
另外，H9000系統的軟體總體設計技術採用了無主設計的概念，即系統中任何一個計算機節點的應用軟體配置是完全相同的，如資料庫管理站、操作員站或工程師站，相同的軟體配置根據不同的功能授權實現不同的功能。當任何一個計算機節點出現故障時，可透過功能授權調整實現功能的重新分配。如正常執行時，工程師站不具備現場裝置的操作控制權，但經過許可權的調整，可以進行控制操作。因此，當一個系統具有多臺計算機節點時，計算機出現全部除錯故障的機率可以認為是零，H9000系統永遠是可控的。目前由於計算機的硬體資源相對豐富，很多原先需要很高配置的裝置完成的工作一般計算機均能完成，因此，H9000系統將現地人機聯絡計算機節點的功能也充分提升，基本上可以完成主控級的人機聯絡任務，使H9000系統的控制可靠性得到進一步加強。
On-call技術
H9000系統可對系統資料庫進行設定定義，當發生事故時，監控系統可根據定義聲光訊號，進行語音報警、電話自動報警、傳呼報警或手機簡訊息報警，實現On-call。系統還可根據需要將幾個電話或傳呼機號碼按一定的優先順序順序排列，系統可根據定義的順序依次進行呼叫。系統還提供電話查詢功能，任何人只要撥查詢電話，即可查詢電站當前裝置執行情況，如有無故障及故障報警資訊，重要執行引數等。On-call技術已成為水電廠實現“無人值班”(少人值守)的重要裝置。H9000/On-call也已被三峽梯級排程中心自動化系統採用。
電腦值班員技術
在隔河巖電站監控系統設計與實施過程中，在國內首次提出了“電腦值班員”的概念，並且被採納實施。這是無人值班、關門電站最具有特色的功能之一。
透過考察和調研，結合我國水電廠的執行方式與當前電網結構，我們初步提出了安全穩定智慧控制和智慧電腦值班的概念、功能要求和實現方法，使水電廠在沒有現地值班人員的`情況下，從保證主、輔裝置安全形度出發，由計算機監控系統自動處理各類隨機異常情況和隱患，經嚴格的條件判別和閉鎖，進行控制和調節。本功能好比一位經驗豐富、責任感強而又不知疲憊的老值長時刻值守在現場，保證水電廠主、輔裝置的安全，並儘可能執行在最佳工況。
自診斷與遠端維護技術
系統自診斷與自恢復功能是提高系統可靠性的重要措施。
H9000系統為分散式網路控制系統，具備完善的自診斷與自恢復功能，系統各裝置不僅自檢，還可透過網路進行互檢，形成系統檢測報告。診斷分硬體檢測和軟體檢測。硬體檢測包括CPU、記憶體、I/0通道、電源、網路、通訊介面等。軟體檢測包括軟體異常中斷、通訊鏈路故障等。系統可將異常情況及時報警，並可對冗餘的異常部件進行自動切換。
監控系統具有遠方診斷及遠方維護功能。透過遠方診斷及維護系統，可以實現遠方故障診斷及遠方系統維護。
H9000與創“一流水電廠”
透過與使用者的通力配合，目前採用H9000系統已經很多，並且已許多投入AGC功能，特別是龍羊峽、東風、東江等幾個大型或特大型水電廠實現了AGC自動控制，白山、烏溪江和緊水灘先後實現梯級電站AGC，最佳化執行，並已有白山、龍羊峽、緊水灘、烏溪江、東風以及東江等6個水電廠先後順利通過了國電公司“無人值班”(少人值守)和“一流水電廠”驗收。
東北白山梯級電站的“無人值班”(少人值守)計算機監控系統工程規模宏大，效能指標卓越，在國內首次實現了大型梯級水電站巨型機組的現地“無人值班”(少人值守)和遠方集中實時監控執行，首次成功地採用了110公里超長距離的高速乙太網通訊，標誌著我國水電站計算機監控技術進入高速網路時代。監控系統不僅實現了廠內AGC、梯級電站本地調頻，而且實現了梯級排程全廠負荷自動分配，實現了與東北電網排程自動化系統的通訊，實現電網的統一排程、負荷的合理分配，使白山梯級電站監控系統根據電網遠方負荷給定，由AGC實現了梯級電站的最佳化控制。該專案於1999年3月透過國電公司組織的技術鑑定，受到東北電管局及國家電力公司鑑定小組有關專家、領導及白山電廠工程技術人員的高度評價，一致認為該系統在“遠方集中監控總體技術方面居國內領先水平，國際先進水平”，獲國電公司2000年度科技進步二等獎，於2000年透過國電公司“一流水電廠”驗收。
貴州東風水電廠AGC先後完成了與省調之間雙微波通道的SC1801規約通訊、廠內及遠方AGC負荷分配功能、遠方負荷調節、遠方開停機、遠方給定全廠總負荷、遠方給定負荷曲線等功能，由電廠AGC完成機組的合和經濟負荷的分配。2001年11月，貴州省調進一步修改了排程規程，較好地解決了無人值班條件下AGC對接地中性點問題的處理及機組的自動開、停問題，既保證了電網的安全性，又滿足了“無人值班”（少人值守）的要求，成為國內第一個自動按排程負荷曲線執行、實現遠方自動開停機的電廠。由於有省調的大力支援和配合，東風電廠的AGC功能國內最先進完善，得到國電公司領導的充分肯定和好評。
在2002年1月貴州東風水電廠“無人值班”(少人值守)驗收會上，國電公司有關領導和專家對該廠的自動化工作給予了極高的評價，認為該廠在AGC方面僅次於廣蓄，在沒有人工干預的情況下，實現了監控系統按省調負荷曲線自動開停機和負荷調整，實時性好，對保證貴州系統“西電東送”電能質量起到了非常積極的作用，受到了電網排程人員的歡迎和好評。
龍羊峽水電廠是西北電網第一調頻廠，裝機容量為4臺320MW機組，2001年3月在西北網調的大力支援和配合下，採用DNP3.0網路通訊，實現網調遠方AGC。龍羊峽AGC由網調給出遠方開停機命令和實時功率設定值，遠方開停機命令和實時功率設定值透過數字通道傳送，成功地解決了大機組遠方平穩開停機。
特別值得一提的是，浙江烏溪江水電廠自動化改造工作由於領導重視，電廠先後安排40餘人參加了監控系統培訓，較好地掌握了技術，成為技術骨幹，承擔了大部分系統的功能開發、裝置現場安裝除錯工作，在不到6個月的時間內完成了全廠11臺機組共16套LCU的安裝除錯工作，整個工程自1998年5月啟動到1999年5月省公司驗收，只經歷了短短的一年的時間，創造了“烏溪江速度”。另外，1996年烏溪江擴建電站按“無人值班”(少人值守)設計，採用H9000系列計算機監控系統，實現了遠方監控系統與機組發電同步投運，實現了遠方實時監控和現地“無人值班”(少人值守)，1998年進一步取消了夜間巡視，成為國內第一個真正的關門電站，引起國家電力公司安運部有關領導的高度重視。
目前，仍有一批採用H9000系統的水電廠正在積極進行準備工作，我們將一如既往地秉承“服務和合作”的精神，做好支援配合工作，爭取使H9000的每一個使用者都能順利跨入“一流水電廠”的行列。
H9000系統的新進展與相容性考慮
為了滿足使用者不斷增長的需求，滿足電力生產對控制系統的要求，我們在全面繼承H9000系統的開放性、友善性、標準化、通用化及面向物件等優點的基礎上，於2001年研製開發了H9000V3.0系統，進一步吸收了國內外系統的先進經驗和技術，在系統結構、WEB瀏覽、最新國際標準通訊規約庫及軟體包、整合開發工具軟體及高階應用軟體等方面有較大改進，進一步提高了系統的可靠性和可維護性，在湖北隔河巖、福建高砂、天津大張莊、重慶江口等一系列工程中得到成功應用。下面簡要介紹H9000V3.0系統的技術特色。
新型的系統結構
由於工業控制微機(簡稱IPC)結構複雜，有機械旋轉部件如硬碟、風扇等，是LCU乃至監控系統的可靠性瓶頸。H9000V3.0在系統結構有較大改進，LCU採用了可程式設計控制器直接上乙太網的方式，在控制主迴路中取消了IPC，IPC僅作為現地的輔助控制人機聯絡裝置，系統正常執行時，IPC可以退出執行。由於控制主迴路取消IPC，使LCU的可靠性大幅度提高，可以很好地滿足下一階段水電廠無人值班執行的要求。IPC也可由智慧化液晶操作面板代替，可靠性可進一步提高。
在進行H9000V3.0系統設計時，充分考慮了與H9000老系統的相容性，可確保H9000的老系統平穩升級到V3.0，並且新老系統可全相容混合執行，因此老系統的升級改造提供了非常便利的途徑。
WEB瀏覽
由於因特網普遍採用瀏覽器等瘦客戶端軟體，系統的使用及維護十分方便，受到廣大使用者的歡迎。H9000V3.0增加了WEB瀏覽功能，系統僅需增加配置WEB伺服器，安裝woixWEB伺服器端軟體。為了確保系統的安全性，可設硬體或軟體防火牆。同樣，WEB瀏覽功能充分考慮了與H9000系統原有圖形介面的相容性，woix軟體可完全識別原H9000系統的*.dbin圖形檔案，並且外觀效果與oix完全一致，實現了百分之百相容。
H9000/Toolkit系統整合工具軟體
H9000V3.0系統在原開發工具軟體的基礎上，進一步充實完善，不僅提供IPM互動圖形開發系統、DBgen資料庫開發系統、PDC綜合計算工具軟體、ControlLock控制閉鎖工具軟體、API介面等，而且新開發研製了DEtool資料工程軟體。特別是DEtool，將系統整合開發工作於一體，成為包括資料庫、語音、控制閉鎖等功能於一體的整合開發工具軟體，強化了系統整合與資料工程的視覺化，並且具有學習指導性質，進一步提高了系統開發整合效率和質量，也為設計部門和終端使用者提供了有效的系統設計開發手段，受到廣大使用者的一致好評。
國際標準通訊規約
透過與ABB、Alstom等公司在三峽工程的合作，H9000V3.0系統在通訊規約方面獲得進一步充實，不僅支援DL476-92、m4f、SC1801、CDC8890TypeII、CDT及Polling等傳統遠動規約，而且研製開發了IEC870-5、DNP3.0、TASE-2規約通訊軟體，形成了較為完善的通訊軟體包。
高階應用軟體
H9000V3.0系統在AGC/AVC等高階應用軟體方面有較大進展，實現了白山、烏溪江等梯級水電廠的聯合AGC，在東江等水電廠實現了AGC/AVC，在龍羊峽、烏江渡、東風等水電廠實現了排程遠方AGC，其中貴州東風水電廠在沒有人工干預的情況下，實現了電站監控系統按省調負荷曲線自動開停機和負荷調整，實時性好，對保證貴州系統“西電東送”電能質量起到了重要作用。在更多的水電廠實現了電站AGC功能。
Simulog培訓模擬軟體
在操作員培訓模擬方面，分析研究了水電廠複雜的生產過程，完善和充實水電廠生產過程模擬的總體模型，增加了連續系統模擬、非線性系統模擬及處理等功能，建立和完善處理上述複雜系統的數學模型和Simulog語言，並開發了相關的編譯器和模擬器軟體，結合H9000系統原有功能，OTS2000培訓模擬系統已經可以初步應用於分解和描述比較複雜的連續非線性過程控制系統。
綜上所述，H9000V3.0在確保技術進步和功能擴充的同時，將新老系統的相容性放在一個十分重要的位置。新老系統相容，也就是說H9000系統的V3.0版可以與V2.0版本混合執行，確保老使用者系統升級的便利實施，簡化過渡期的施工方案，可以很好地避免由於產品升級而將系統硬體和軟體全部推倒重來的做法，保護使用者的投資。
結束語
過去的20年，我國的水電廠計算機監控技術從無到有、從“景上添花”的“花架子”到現代化生產執行管理和實現“無人值班”(少人值守)必不可少的重要裝備，無不凝聚了我國水電行業主管領導部門、科研、規劃設計、生產執行等部門幾代人的智慧、抱負和辛勤勞動。
過去的20年，也是H9000系統孕育、誕生、成長、逐步發展壯大取得了輝煌業績的20年，成為我國水電自動化領域一顆璀璨的明珠，為我國水電廠自動化技術的進步和創“一流水電廠”工作做出了應有的貢獻。在這裡，我們再次感謝有關領導、廣大使用者對我們的支援和信任。我們將戒驕戒躁，密切注意中國進入WTO後國外公司對我國水電自動化市場的衝擊和挑戰，嚴格執行ISO-9001質量保證體系，貫徹質量方針，永遠以使用者的需求作為我們的第一需要，不斷跟蹤國際技術的發展與進步，開發更多更好的產品，以更高的技術質量水準，為廣大的水利水電使用者服務，為水電廠真正實現無人值班、關門執行、創國際一流做出應有的貢獻。
[參考文獻]
王德寬：“從H9000談水電站計算機監控系統國產化問題”，《水電廠自動化》，1998年，第3期。
王德寬等：“H9000分佈開放式水電廠計算機監控系統”，《水利水電技術》，1996年，第5期。
王德寬等：“水電廠計算機培訓模擬技術的設想與初步研究”，《水電廠自動化》，2000年，第3期。
王德寬：“水電廠綜合自動化與“無人值班”(少人值守)”，《面向21世紀電力科學技術講座》，2000年10月，中國電力出版社。
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