蒲石河抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭 陽，杜丹晨，王少華，任 偉，李承龍，張 楠

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

1 工程概況

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內(nèi)，電站樞紐工程由上水庫面板堆石壩、地下廠房及輸水系統(tǒng)、下水庫混凝土重力壩組成，總裝機(jī)容量1 200 MW （4×300 MW），設(shè)計(jì)年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)1 550 h，年抽水利用小時(shí)數(shù)2 008 h。電站主接線采用發(fā)變組單元接線，在發(fā)電電動(dòng)機(jī)和主變壓器之間接有換相開關(guān)和發(fā)電機(jī)斷路器。發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)工況轉(zhuǎn)換時(shí)的換相和機(jī)組并入系統(tǒng)的同期均在主變18 kV側(cè)進(jìn)行，每2組發(fā)變組單元在主變500 kV側(cè)聯(lián)合后采用二進(jìn)一出三角形接線接至500 kV丹東北變電所。

蒲石河抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用南瑞集團(tuán)自行開發(fā)、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SSJ-3000計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，其上位機(jī)采用南瑞集團(tuán)的NC2000監(jiān)控系統(tǒng)，下位機(jī)采用南瑞集團(tuán)的MB80智能PLC。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

蒲石河抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是雙環(huán)網(wǎng)、分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，由現(xiàn)地控制層、電站控制層和調(diào)度控制層3部分組成，控制權(quán)限依次遞減。電站控制層與現(xiàn)地控制單元 （LCU）之間采用100Mb/交換式冗余以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通訊，通訊協(xié)議為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?，F(xiàn)地控制單元之間通過冗余以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息自動(dòng)交換，這樣在電站控制層退出運(yùn)行后仍能實(shí)現(xiàn)機(jī)組抽水啟動(dòng)?，F(xiàn)地控制單元與其他計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)之間通過現(xiàn)場總線進(jìn)行信息交換，對(duì)于無法采用現(xiàn)場總線進(jìn)行通信的設(shè)備采用硬布線I/O進(jìn)行連接，另外，對(duì)于重要的安全運(yùn)行信息、控制命令和事故信號(hào)除采用現(xiàn)場總線通信外，還通過I/O點(diǎn)直接連接，以實(shí)現(xiàn)雙路通道通信，確保通信安全[1]。蒲石河抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1所示。

圖1 蒲石河抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.1 現(xiàn)地控制層

現(xiàn)地控制層設(shè)有12套現(xiàn)地控制單元，包括4套機(jī)組LCU、1套機(jī)組公用LCU、1套廠內(nèi)公用LCU、1套500 kV開關(guān)站LCU、1套下水庫進(jìn)出水口LCU、1套66 kV變電所LCU、1套上水庫進(jìn)出水口LCU、1套下庫壩LCU和1套中控樓LCU。

機(jī)組現(xiàn)地控制單元采用南瑞集團(tuán)的SJ-600現(xiàn)地單元監(jiān)控裝置，由冗余的可編程邏輯控制器、SOE輸入模件、開入模件、模入模件，溫度量輸入模件、開出模件、模出模件，通訊管理模件和15TFT彩色液晶觸摸屏構(gòu)成。另外，機(jī)組現(xiàn)地控制單元還配置有自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置、手動(dòng)準(zhǔn)同期裝置、溫度數(shù)顯儀、涵普變送器和手動(dòng)緊急停機(jī)裝置。其他現(xiàn)地控制單元的結(jié)構(gòu)與機(jī)組現(xiàn)地控制單元類似。

現(xiàn)地控制層完成對(duì)相應(yīng)被控對(duì)象的監(jiān)視和控制，主要功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集和處理。采集機(jī)組、SFC、全廠公用的油/氣/水系統(tǒng)、廠用電、550 kV GIS及出線、上下庫等的電氣量、非電氣量和繼電保護(hù)信息，作相應(yīng)處理存入數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)需要上送電站控制層。

（2）安全運(yùn)行監(jiān)視。與電站控制層、監(jiān)控對(duì)象的保護(hù)系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)裝置等相結(jié)合，完成狀變監(jiān)視、越復(fù)限檢查、過程監(jiān)視和LCU異常監(jiān)視。

（3）控制和調(diào)節(jié)。接受電站控制層命令，在沒有電站控制層命令或脫離控制層的情況下，獨(dú)立完成對(duì)所控設(shè)備的閉環(huán)控制，如開停機(jī)、工況轉(zhuǎn)換，保證機(jī)組安全運(yùn)行，同時(shí)相互協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)組水泵工況起動(dòng)。在機(jī)組LCU柜內(nèi)另設(shè)一小型PLC作為機(jī)組事故停機(jī)的后備手段，該P(yáng)LC的緊急停機(jī)信號(hào)為獨(dú)立的機(jī)組過速、事故低油壓、LCU死機(jī)和緊急停機(jī)按鈕等信號(hào)，小型PLC緊急停機(jī)的主要操作過程與LCU相同，由專用交直流復(fù)合電源模塊供電。

（4）事件檢測和發(fā)送。自動(dòng)檢測本單元所屬的設(shè)備、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的動(dòng)作情況，發(fā)生事件時(shí)，依次檢測事件的性質(zhì)，并上送電站控制層。

（5）數(shù)據(jù)通信。通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與控制層及其他LCU之間通信。接收電站的同步時(shí)鐘信號(hào)，以保持與電站控制層時(shí)鐘同步。通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)與電廠其他相關(guān)設(shè)備通信，另外，對(duì)于安全運(yùn)行的重要信息、控制命令和事故信號(hào)除采用現(xiàn)場總線通信外，還通過硬布線I/O直接接入LCU，實(shí)現(xiàn)雙路通道通信，以保證安全。

（6）自診斷功能。在線或離線自診斷硬件故障并定位到模塊；自動(dòng)判斷出軟件的故障性質(zhì)及部位，并提供相應(yīng)的軟件診斷工具；在線診斷出故障，能自動(dòng)閉鎖控制出口或切換到備用系統(tǒng)，并將故障信息上送至電站控制層顯示、打印和報(bào)警。

（7）輸出保護(hù)。通過采用南瑞公司的DOP-1輸出保護(hù)技術(shù)和PLC控制程序的軟閉鎖功能，雙重保護(hù)閉鎖，防止開出模件或繼電器誤輸出，保證了輸出的正確性，提高了現(xiàn)地控制單元的可靠性。

2.2 電站控制層

電站控制層由2套冗余數(shù)據(jù)服務(wù)器、3套操作員工作站、2套調(diào)度通信工作站、1套工程師/培訓(xùn)工作站、1套On-call/打印服務(wù)器、1套廠內(nèi)通信工作站、1套冗余GPS時(shí)鐘同步裝置及外圍設(shè)備等組成。

2套數(shù)據(jù)服務(wù)器采用SUN公司Sun Fire V445服務(wù)器，安裝Solaris操作系統(tǒng)，互為熱備用。主用數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)時(shí)采集、監(jiān)視LCU1-LCU12的PLC數(shù)據(jù)，經(jīng)分析、運(yùn)算后發(fā)送給控制層的各個(gè)工作站，同時(shí)接收操作員指令并發(fā)送至相應(yīng)LCU；備用數(shù)據(jù)服務(wù)器處于熱備狀態(tài)，實(shí)時(shí)接收主用服務(wù)器的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)判斷主用服務(wù)器狀態(tài)，當(dāng)主用服務(wù)器故障時(shí)，自動(dòng)切換為備用數(shù)據(jù)服務(wù)器，實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控LCU1-LCU12的PLC數(shù)據(jù)，經(jīng)分析、運(yùn)算后發(fā)送給控制層的各個(gè)工作站，同時(shí)接收操作員指令并發(fā)送至相應(yīng)LCU。這種設(shè)計(jì)不僅保證了電站控制層的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，還方便了日常維護(hù)和檢修工作。2套數(shù)據(jù)服務(wù)器同時(shí)兼有數(shù)據(jù)庫配置和歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，為日常運(yùn)行和故障分析提供相應(yīng)數(shù)據(jù)源。操作員工作站采用SUN公司Sun Ultra45 Workatation工作站，安裝Solaris操作系統(tǒng)，1套操作員工作站安裝于地下廠房監(jiān)控室，另外2套操作員工作站安裝于洞口中控樓。這3套操作員工作站控制權(quán)限相同，既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)4臺(tái)機(jī)組的各個(gè)流程的監(jiān)控，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全廠各個(gè)設(shè)備的監(jiān)控。工程師/培訓(xùn)工作站采用SUN公司Sun Ultra45 Workatation工作站，安裝Solaris操作系統(tǒng)，用于系統(tǒng)軟件維護(hù)，不僅可以修改定值和順控流程，還可以修改監(jiān)控畫面和報(bào)表，同時(shí)兼有培訓(xùn)功能。On-call/打印服務(wù)器采用HP公司的XW4600 Workstation工作站，安裝Windows操作系統(tǒng)，用于語音報(bào)警、On-call報(bào)警和打印服務(wù)管理。廠內(nèi)通信工作站采用HP公司的XW4600 Workstation工作站，安裝Linux操作系統(tǒng)，用于電站控制層與外部設(shè)備通訊；同時(shí)接收GPS時(shí)鐘信號(hào)，并發(fā)送給控制層的各個(gè)工作站。GPS時(shí)鐘同步裝置采用英奧公司的SZ型時(shí)鐘同步裝置，由2臺(tái)SZ型時(shí)鐘同步裝置組成，互為熱備用。1臺(tái)時(shí)鐘同步裝置安裝于地面開關(guān)站，另外1臺(tái)時(shí)鐘同步裝置安裝于洞口中控樓。這種分散布置設(shè)計(jì)，充分保證了GPS時(shí)鐘同步裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用Hirschmann公司生產(chǎn)的Mach4002系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和MS20系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。

Analysis of Spatial Agglomeration Degree of Tourism Industry based on Location Entropy——A Case Study of Xinjiang________________________________JIANG Tong,LI Xiaodong,XIE Xia 13

電站控制層完成對(duì)電站所有被控對(duì)象的監(jiān)視和控制，主要功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集與處理。實(shí)時(shí)采集來自電站控制層的所有主要運(yùn)行設(shè)備的模擬量、開關(guān)量、脈沖量等信息和電站其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息以及來自調(diào)度控制層的控制命令和交換數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，用于歷史數(shù)據(jù)記錄、顯示畫面的更新、控制調(diào)節(jié)、操作指導(dǎo)、事故記錄及分析，并進(jìn)行越限報(bào)警、SOE量記錄和重要參數(shù)的運(yùn)行變化趨勢分析等。

（2）實(shí)時(shí)控制與調(diào)節(jié)。完成機(jī)組的工況轉(zhuǎn)換、負(fù)荷調(diào)節(jié)、開關(guān)的合/分控制和自動(dòng)發(fā)電控制AGC和自動(dòng)電壓控制AVC。

（3）參數(shù)設(shè)定。根據(jù)電站運(yùn)行需要，運(yùn)行人員可通過人機(jī)對(duì)話方式對(duì)AGC、AVC等參與調(diào)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

（4）監(jiān)視、記錄和報(bào)表。監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行情況和工況轉(zhuǎn)換過程，發(fā)生過程阻滯時(shí)能夠給出原因，并可由操作人員改變運(yùn)行工況，直至停機(jī)；越復(fù)限、故障、事故的顯示，報(bào)警并自動(dòng)顯示有關(guān)參數(shù)，同時(shí)推出相關(guān)畫面；監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件故障報(bào)警。記錄全廠監(jiān)控對(duì)象的操作事件、報(bào)警事件，各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表，重要監(jiān)視量的運(yùn)行變化趨勢，SOE量，事故追憶和設(shè)備的運(yùn)行記錄等，并能以中文格式顯示并打印。

（5）運(yùn)行參數(shù)計(jì)算。包括運(yùn)行工況計(jì)算，AGC、AVC計(jì)算等。

（6）通信功能。通過雙以太環(huán)網(wǎng)與各LCU通信；通過現(xiàn)場總線方式與電站其他系統(tǒng)通信；通過On-call系統(tǒng)，根據(jù)報(bào)警種類和等級(jí)來啟動(dòng)不同的短消息報(bào)警發(fā)送到相關(guān)人員的手機(jī)，通知有關(guān)人員處理故障。

（7）系統(tǒng)診斷。離線或在線進(jìn)行軟、硬件和通信故障診斷，在線診斷時(shí)不影響對(duì)電站的監(jiān)控功能。

（9）系統(tǒng)擴(kuò)充。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的開放功能，通過簡單連接便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)充，且保留有擴(kuò)充現(xiàn)地控制單元、外圍設(shè)備等的接口。

（10）培訓(xùn)仿真。在工程師/培訓(xùn)工作站上可對(duì)運(yùn)行人員進(jìn)行操作、維護(hù)及事故處理等培訓(xùn)，并不影響電站的監(jiān)控功能。

2.3 調(diào)度控制層

調(diào)度控制層由2套調(diào)度通信工作站及外圍設(shè)備等組成。調(diào)度通信工作站采用南瑞公司SJ30-645無盤工作站，安裝Linux操作系統(tǒng)，用于與調(diào)度系統(tǒng)通訊。監(jiān)控軟件與電站控制層的工作站一樣，與電站控制層的數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，共同配合實(shí)現(xiàn)電站的自動(dòng)發(fā)電控制AGC和自動(dòng)電壓控制AVC，保證電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行最優(yōu)化。

調(diào)度控制層通過2路IEC870-5-104規(guī)約與東北電網(wǎng)調(diào)度中心的能量管理系統(tǒng) （EMS）交換信息，EMS通過調(diào)度控制層接收電站控制層上送的遙測量和遙調(diào)量，并下到電站控制層，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站的監(jiān)視和控制，從而實(shí)現(xiàn)與東北網(wǎng)調(diào)的遙測、遙信、遙控、遙調(diào) “四遙”功能。調(diào)度控制層控制權(quán)限最低，與電站控制層控制權(quán)限互相閉鎖。同時(shí)，調(diào)度控制層通過4路IEC870-5-104規(guī)約與遼寧省電網(wǎng)調(diào)度中心的主調(diào)EMS系統(tǒng)和備調(diào)EMS系統(tǒng)交換信息，省調(diào)通過調(diào)度控制層接收電站控制層發(fā)送的遙測量和遙調(diào)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電站的遠(yuǎn)程監(jiān)視。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)[1-4]

（1）控制系統(tǒng)和控制策略完全適應(yīng)我國電網(wǎng)的運(yùn)行，運(yùn)行方式既考慮機(jī)組的安全，又充分考慮電網(wǎng)安全的需要。

（2）采用全分布開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。主機(jī)、操作員工作站、工程師/培訓(xùn)工作站等使用符合IEEE和ISO開放系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)的Unix/Linux/Windows操作系統(tǒng)。按照開放的接口、服務(wù)和支持格式規(guī)范而實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，使應(yīng)用系統(tǒng)能以最少修改，實(shí)現(xiàn)在不同系統(tǒng)中的移植，并能同本地或遠(yuǎn)程系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)互操作。人機(jī)界面友好，全中文組態(tài)、顯示，操作使用符合中國人習(xí)慣。

（3）系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)以雙以太環(huán)網(wǎng)為核心，實(shí)現(xiàn)各服務(wù)器、工作站功能分擔(dān)，數(shù)據(jù)分散處理，既有效地減少了主服務(wù)器的負(fù)載，又降低了各個(gè)工作站故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，從而使整個(gè)系統(tǒng)的配置更加合理、可靠。

（4）各服務(wù)器/工作站在系統(tǒng)中處于平等地位，系統(tǒng)以后擴(kuò)充時(shí)不會(huì)引起原系統(tǒng)大的變化，并為整個(gè)系統(tǒng)不斷完善創(chuàng)造條件。

（5）系統(tǒng)主網(wǎng)絡(luò)采用100 Mb/s交換式冗余雙光纖以太環(huán)網(wǎng)，既保證了較高的通信速率，又保證了很高的可靠性，系統(tǒng)上任一節(jié)點(diǎn)故障或任一段光纜中斷均不影響系統(tǒng)其他部分的正常運(yùn)行。

（6）與東北網(wǎng)調(diào)和遼寧省調(diào)的通信采用了無風(fēng)扇、無硬盤、雙電源、多CPU的南瑞公司的SJ30-645無盤工作站，大大提高通信的可靠性和安全性。

（7）使用了功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的行業(yè)軟件標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)升級(jí)方便靈活，兼容性強(qiáng)。MB80型PLC提供四路100 M/1 000 M以太網(wǎng)口，支持標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP Modbus協(xié)議?？梢耘c現(xiàn)場支持TCP/IP Modbus協(xié)議智能化設(shè)備實(shí)現(xiàn)直接通訊，無需增加中間規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置。CPM618通訊模件，通過內(nèi)部現(xiàn)場總線與PLC通訊，每個(gè)CPM618通訊模件提供8路串口通訊接口，并可擴(kuò)展，通過軟件組態(tài)可實(shí)現(xiàn)其他通訊規(guī)約的支持，如：Modbus、IEC870-5-101、IEC870-5-103等。

（8）重要設(shè)備熱備冗余化。使用了高性能、高質(zhì)量的設(shè)備，降低了設(shè)備故障率，同時(shí)系統(tǒng)中的重要設(shè)備采用熱備冗余配置，如電站控制層的服務(wù)器、現(xiàn)地控制層的PLC以及雙以太環(huán)網(wǎng)等，有效降低了重要設(shè)備故障時(shí)的影響，提高了電站的安全穩(wěn)定性。

（9）測控單元智能化。MB80型PLC的I/O模件設(shè)計(jì)全部智能化，因此使I/O模件具有更強(qiáng)的處理能力；同時(shí)，MB80型PLC開發(fā)了可視化順控流程圖語言，使順序控制過程的實(shí)現(xiàn)簡單、調(diào)試直觀；并增加了SOE功能塊、脈沖型開出等獨(dú)具特色的功能塊，使用方便，維護(hù)容易。

（10）LCU采用了南瑞公司的DOP-1輸出保護(hù)技術(shù)和PLC控制程序的軟閉鎖功能，雙重保護(hù)閉鎖，防止開出模件或繼電器誤輸出，保證了輸出的正確性，提高了現(xiàn)地控制單元的可靠性。

4 結(jié)語

蒲石河抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)從2008年2月開始招標(biāo)采購、合同簽訂、訂貨、安裝調(diào)試到2012年1月首臺(tái)機(jī)組投入正式運(yùn)行。該系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，完成了各種運(yùn)行工況的任務(wù)要求，能適應(yīng)大型抽水蓄能機(jī)組啟停頻繁、工況復(fù)雜的特點(diǎn)，功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足電站的監(jiān)控要求，說明在大、中型抽水蓄能電站采用國產(chǎn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是完全可行的。

［1］ 周慶忠，汪軍，王善永，等.國產(chǎn)化大型抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng).電力系統(tǒng)自動(dòng)化［J］.2007， 31（17）:87-89.

［2］ 汪軍，方輝欽，鐘敦美，等.抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)特殊性與設(shè)計(jì)要求.電力系統(tǒng)自動(dòng)化［J］.2000， 24（22）:49-51.

［3］ 汪軍，方輝欽，張紅芳，等.抽水蓄能電站控制與保護(hù)設(shè)備的國產(chǎn)化.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測［J］.2004， 28（3）:l-3.

［4］ 龔世龍，方輝欽.試析抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化的可行性.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測［J］.2003， 27（3）:1-6.