基于Citect的水电站综合自动化计算机监控系统设计

摘要：根据云南某电站改造要求，水电站计算机监控系统采用分层分布开放式结构，重点介绍了基于Citect的水电站综合自动化计算机控制系统的设计开发内容，该系统可在提高设备自动化运行水平的基础上，实现减员增效，使电站发挥更大的经济效益，确保电站的安全运行。

关键词：计算机监控系统;Citect;水电站

1 概述

云南某电站内安装了两台500 kW的水轮发电机组及一台550 kW的水轮发电机组，发电机额定电压为6.3 kV。电站总装机容量为1 550 kW，相对容量较小，故电站发电机电压侧接线仍选择单母线方式，发电机电压母线上接3台发电机进线、1台主变出线及1台近区变出线。

该电站投产距今已近30年，没有现代化的综合自动化计算机监控系统，不能实现水轮发电机组的一键开停机控制，中控室监控信息残缺不全，不能实时反映现场情况。

本次实施的技术改造工程，利用现代化水电站技术和设备，实现电站综合自动化目标，使电站安全可靠运行，实现水电站“无人值班”（少人值守）的目标，在提高设备自动化运行水平的基础上，实现减员增效，提升运行管理条件和水平，使电站发挥更大经济效益，确保电站的安全运行。

2 工艺及设计要求

水电站主要工艺设备有：压力钢管、进水阀、水轮机、发电机、调速器、励磁系统、机组冷却水系统、主变压器、10 kV断路器等。由压力钢管而来的水经过进水阀，再经过调速器控制的水轮机导水机构进入到水轮机中。水流经过水轮机时，将水能转换成机械能，水轮机的转轴又带动发电机的转子在励磁系统提供的磁场中转动，将机械能转换成电能输出。最后电能经过主变压器升压后，通过断路器输送给电网。水轮发电机的转速将决定发出的交流电的频率，为保证这个频率的稳定且与电网一致，就必须控制转子的转速。为了控制转速，调速器采用闭环控制的方式对水轮机转速进行控制，即采样发出的交流电的频率信号，并将其反馈到控制水轮机导叶开合角度的控制系统中，控制水轮机的输出功率。机组冷却水系统为机组的轴承和轴承瓦提供冷却水，控制温度在允许范围内。

3 系统设计

3.1    设计原则

计算机监控系统采用分层分布开放式结构，遵循先进性、实用性、安全可靠性、经济性、开放性原则，满足电站生产管理和水力发电工艺对自动化控制的要求，保证电站运行管理达到“无人值班，少人值守”目标。计算机监控系统实现“集中监控和管理、分散控制、数据共享”，以保证整个水电站的运行协调、一致。

3.2    系统架构

电站计算机监控系统采用开放式分层分布结构，系统控制层分为站控层及现地单元控制层两级，上下层级间采用星型以太网进行数据交换，如图1所示。

站控层设置2台工程师兼操作员工作站，承担上位机系统的开发、全站的运行管理、数据采集和处理、与现地单元控制级的通信、电站AGC、AVC等任务;1台通信服务器，完成与电力调度系统的数据交换;此外还将设置1套GPS时钟、1台网络打印机及相关网络设备等。

现地单元控制级按每台机组、开关站及全厂公用设备等分别设置2套机组LCU、1套开关站/公用LCU。现地控制单元负责所辖设备的监视、控制以及接受上位机控制命令，并将各单元设备运行状态、运行参数、相关故障及事故信号上送电站级。在与上位机脱离的情况下，各现地控制单元能够保证独立完成各辖区设备的监视与控制。

3.3    Citect介绍

Citect是一种管理控制和数据采集（SCADA）解决方案，用于管理和监视制造、主要生产、工具传递和设备管理中的流程。其所有开发功能都集成于Citect工程管理器、Citect工程编辑器、Citect图形编辑器三大软件之中，比其他模块化的组态软件更易于组态。

Citect包含以下組件：I/O服务器、报警服务器、趋势服务器、报表服务器、控制客户端。采用开放式架构，丰富的第三方驱动可以与各种PLC互连，具有高度可扩展性，从几百个点到几十万个点的信息监控都可以灵活使用。多种冗余支持，包含I/O服务器冗余、数据链路冗余、网络冗余以及报警、趋势和报表服务器冗余。特殊的负载分担系统，不同计算机和CPU承担Citect组件任意组合，从而更好地利用可用的基础设施。Citect软件独特的冗余机制和集群功能，突破了多层级集中监控系统难以统一管理的技术瓶颈，提高了设备的利用率并同时降低了维护费用。网络中的授权客户端能够通过跨集群对全局数据库实现访问，实现了维护数据信息的全网一致性。

3.4    监控系统设计

3.4.1    安全性开发

设计了管理员和操作员两个安全登录级别。不同的管理员、操作员分别有独立的登陆账号与登陆密码，并由系统记录各登陆人员的账号、级别、登陆时间、退出时间以及进行的相关操作。

3.4.2    I/O服务器与现场设备的通信设置

本电站设计两台服务器兼做操作员站，布置成冗余I/O服务器、报警服务器、趋势服务器、报表服务器、控制客户端。I/O服务器等通常只在主服务器上运行，仅在主服务器发生故障时切换到备用服务器继续运行，相对其他组态软件通信开销减半。当主服务器恢复时，备用服务器与数据库实现同步，确保所有数据与报警服务不会丢失，保证了数据的可靠性和完整性。

驱动程序使Citect能够与系统中的设备通信。Citect中的每项通信设置都需要驱动程序才能实施协议和传输。这往往意味着两个不同的驱动程序，但是在某些情况下，它们会被结合为一个驱动程序——“板”驱动程序。Citect拥有超过180个可用设备驱动程序，可通过几个通信类型实现与大批产品设备的通信，包括支持工业标准协议的通用驱动程序，例如OPC和Modbus。本项目选用标准的Modbus TCP协议与各LCU进行通信。

I/O设备可以通过通信快速向导进行配置，主要包含配置I/O服務器、I/O板卡、I/O端口以及通信地址等参数，如图2所示。

3.4.3    工艺流程

为了方便电站所有设备的监视与控制，开发了主接线图、网络状态图、直流系统图、保护测量图、计量系统图、机组状态图、机组流程图、LCU输入输出图、公用及辅助设备图等相关工艺图，如图3所示。主接线图实现电气一次设备的状态显示与分合闸操作，网络状态图显示各网络通信设备的通信状态，机组流程图实现水轮发电机组的一键开停机操作。

图3右边部分是各类页面菜单，如各种工艺流程画面、当前报警页面、历史报警页面、变量标签页面、数据分析的趋势页面、各种服务器运行状态页面、历史数据库配置和报表页面。

3.4.4    变量标签

Citect所有的设备变量标签都存储在Variable.DBF文件中，可以采用Microsoft Office Excel对其进行编辑保存，大大提高了变量创建的效率，节约了开发时间。另外，Citect支持数组，如果采用数组变量，将大大减少对工程项目的变量数量。

3.4.5    报警设置

Citect软件支持255种报警分类，可以将不同种类的报警进行个性化区分，比如显示字体、颜色、保存到不同文件等;在报警筛选上也提供了筛选条件，可以按照报警分类号码进行报警的筛选，从而显示客户想要查看的某一类报警。报警分为数字量报警、模拟量报警、高级报警、带时间标签数字量报警、带时间标签模拟量报警等多种报警方式。

本项目所有报警分成事故报警、一般故障报警、操作报警、硬件设备报警等四类，为事故报警和一般故障报警设置了报警声音以提醒运行操作人员。

首先将wav声音文件存放在本工程目录下的Sounds文件夹下，再在Citect工程管理器的工具菜单中打开计算机设置编辑器，在报警参数里添加参数[Alarm]Sound1=[RUN]：Sounds＼Alarm.wav;[Alarm]Sound2=[RUN]：Sounds＼skAlarm.wav。Sound1表示1类报警动作时播放的声音文件，Sound2表示2类报警动作时播放的声音文件。

3.4.6    趋势

Citect的趋势系统可以帮助我们更好了解设备的性能。趋势化可以用来进行可视性动态分析（趋势以及SPC图线）、生产记录，或者为了提高效率以及预防性维护而定期记录设备状态。

为每个需要做数据分析的变量创建趋势标签。它会按一定周期连续从I/O设备变量收集数据，每次对数据进行采样时，趋势系统将获得一个数据点并把数据保存在硬盘中。

根据系统的趋势模板创建趋势画面，在画面中要查看某个数据的趋势，只需要在趋势画面中添加本数据的趋势标签即可。

3.4.7    报表

Citect自带的报表功能太过简单，无法满足水电站计算机监控系统的需求，所以我们通过Citect的API接口把实时数据存储到MYSQL数据库中，再通过自己开发的报表显示软件把数据展示出来。因此，需要在Citect工程管理器的工具菜单中打开计算机设置编辑器，添加确定采用CtAPI接口的远程计算机是否可以对本机进行访问的参数[CtAPI]Remote值设为1。

4 结语

Citect作为水电站计算机监控系统开发环境，充分体现了简单易用、组态性能强、稳定性强、可靠性高、响应速度快、画面直观生动、能降低单机数据处理负荷等优点，但也存在一些缺点，比如报警声音无法做到直接读出报警内容，报表功能过于简单等。

收稿日期：2020-01-09

作者简介：余兴林（1981—），男，四川武胜人，工程师，云南能投威士科技股份有限公司副总工程师，主要从事新技术和智能监控系统的研发等工作。