先進(jìn)穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)在華東桐柏抽水蓄能電廠的應(yīng)用及其特色

陳 勤

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江省天臺縣 317200）

先進(jìn)穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)在華東桐柏抽水蓄能電廠的應(yīng)用及其特色

陳 勤

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江省天臺縣 317200）

本文全面地闡述了華東桐柏抽水蓄能電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成、功能和應(yīng)用，并對其特點(diǎn)做了詳細(xì)的介紹。

計(jì)算機(jī)；LCU；網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)控；應(yīng)用；特點(diǎn)

0 引言

華東桐柏抽水蓄能電廠位于浙江省天臺縣棲霞鄉(xiāng)百丈村，距天臺縣城7km ，與杭州、寧波直線距離分別為150km、 94km 。電廠內(nèi)安裝4臺立軸單級混流可逆式水泵水輪機(jī)—發(fā)電電動機(jī)組，單機(jī)容量300MW ，總裝機(jī)容量1200MW，是華東電網(wǎng)裝機(jī)容量第二大的日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電廠。電廠以兩回500kV線路接入華東電網(wǎng)，承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故緊急備用等任務(wù)。電廠首臺機(jī)組于2005年12月中旬并網(wǎng)發(fā)電，最后一臺機(jī)組于2006年12月底并網(wǎng)發(fā)電。

鑒于電廠在華東電網(wǎng)的重要地位和功能，同時(shí)考慮到抽水蓄能機(jī)組比常規(guī)水電機(jī)組復(fù)雜得多的運(yùn)行工況（主要包括停機(jī)、發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相、黑啟動、水泵拖動等）以及較常規(guī)水電機(jī)組更為龐大的測控對象（主要增加了SFC、背靠背啟動、換相隔離開關(guān)等系統(tǒng)），這就對承擔(dān)所有運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換和所有運(yùn)行設(shè)備測控調(diào)節(jié)的二次系統(tǒng)提出了很高的要求，特別是對作為整個(gè)電廠的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在可靠性、穩(wěn)定性、安全性、先進(jìn)性、實(shí)時(shí)性、靈活性等方面更是提出了更高的要求，因此，選擇并應(yīng)用好一套先進(jìn)、可靠、穩(wěn)定、安全、高效的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是極其重要的。通過參建各方的協(xié)同努力，從歐、美、日等眾多國際著名公司參與競標(biāo)的系統(tǒng)中選擇了總體最優(yōu)、性價(jià)比最高的奧地利VATECH公司的NEPTUNE計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)在不侵權(quán)的前提下，博采眾長，取長補(bǔ)短，成功地建設(shè)了一套先進(jìn)、可靠、穩(wěn)定、安全、高效的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、配置及功能

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)按功能可分為現(xiàn)地控制級和電廠控制級（電廠控制級按地理位置又分為電廠控制中心和杭州遠(yuǎn)方控制中心兩級）。

對于抽水蓄能電站，由于泵模式下的SFC啟動和背靠背啟動需要各機(jī)組LCU之間、機(jī)組LCU與公用LCU之間等大量交換數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求非常高，一旦各LCU之間通信故障時(shí)，機(jī)組將無法進(jìn)行抽水啟動操作，故現(xiàn)地控制級和電廠控制中心的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架采用了100M的冗余光纖雙環(huán)交換式工業(yè)以太網(wǎng)。其中現(xiàn)地控制級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用了德國Hirschman公司的RS2系列工業(yè)交換機(jī)，以適應(yīng)地下廠房沒有空調(diào)、通風(fēng)等設(shè)施，運(yùn)行環(huán)境比較惡劣的情況。所有現(xiàn)地控制設(shè)備（LCU）和相關(guān)的保護(hù)、勵磁、電調(diào)等均通過冗余的雙以太網(wǎng)卡分別接入冗余的以太網(wǎng)光纖雙環(huán)；電廠控制中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備則采用了德國Hirschman公司的Mice系列交換機(jī)，該系列交換機(jī)具有通過一根聯(lián)絡(luò)線可實(shí)現(xiàn)雙環(huán)檢測和無損切換的功能，所有電廠控制中心的設(shè)備都通過冗余的雙以太網(wǎng)卡，以星形方式分別接入兩臺Mice交換機(jī)。本系統(tǒng)由13臺RS2工業(yè)交換機(jī)和3臺Mice交換機(jī)通過雙路光纖構(gòu)成了一個(gè)雙環(huán)冗余結(jié)構(gòu)的交換式工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，且環(huán)間設(shè)置有冗余連接。當(dāng)環(huán)路上任意兩點(diǎn)故障時(shí)，本網(wǎng)絡(luò)均可自動重新配置，在500ms內(nèi)重新建立通信。在調(diào)試時(shí)分別做了環(huán)內(nèi)切換和環(huán)間切換試驗(yàn)，其切換時(shí)間均小于10ms。

杭州遠(yuǎn)方控制中心的設(shè)備則以冗余的雙以太網(wǎng)卡分別接入兩臺冗余的CISCO交換機(jī)，并通過兩臺冗余的CISCO路由器以兩條獨(dú)立冗余的E1通道接入天臺本地的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

1.2 系統(tǒng)配置及功能

由上可知，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)按功能可分為電廠控制級和現(xiàn)地控制級。

1.2.1 電廠控制級

電廠控制級的核心功能是實(shí)現(xiàn)操作員的人機(jī)接口、AGC/AVC計(jì)算控制、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)計(jì)算、表格生成、打印和診斷等功能，其并不參與現(xiàn)地級的邏輯控制。

電廠控制級按地理位置又分為：電廠控制中心和杭州遠(yuǎn)方控制中心兩級。

電廠控制中心的設(shè)備主要有：2臺SCALA服務(wù)器，2臺操作員工作站，1臺工程師工作站，2臺通信工作站,1臺SQL服務(wù)器。

杭州遠(yuǎn)方控制中心的設(shè)備主要有：2臺操作員工作站，1臺工程師工作站和1套4x50＂的大屏幕投影儀。

(1) SCALA服務(wù)器。

SCALA服務(wù)器由2臺冗余的SUN Blade2500服務(wù)器組成,操作系統(tǒng)為UNIX。SCALA服務(wù)器的功能是作為現(xiàn)地控制級和電廠控制級的數(shù)據(jù)交換通道，即現(xiàn)地控制級的所有信號均以路由方式送往SCALA服務(wù)器，由其向廠級各工作站提供數(shù)據(jù)服務(wù)；另外，廠級各工作站向現(xiàn)地控制級發(fā)送的各種命令和信號，包括操作指令、運(yùn)行設(shè)定值等，也由SCALA服務(wù)器收集存檔，并發(fā)送至相關(guān)的LCU去執(zhí)行。

2臺SCALA服務(wù)器分別運(yùn)行在主/備狀態(tài)，同時(shí)接收來自廠級和現(xiàn)地級的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，但只有主用機(jī)對外發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)主用機(jī)的健康指標(biāo)低于備用機(jī)時(shí)，則主/備用機(jī)自動進(jìn)行無擾動的狀態(tài)切換，并發(fā)出報(bào)警提示。

(2) 操作員工作站。

操作員工作站由一臺HP工作站和2臺SAMSUNG 21＂LCD顯示器組成，操作系統(tǒng)為Windows XP。其主要功能為：實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面監(jiān)視、操作指令輸入等人機(jī)接口任務(wù)。

為了保證整個(gè)系統(tǒng)的快速響應(yīng)和減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，靜態(tài)畫面及動態(tài)聯(lián)接參數(shù)均存儲在各個(gè)操作員工作站，操作員站與SCALA服務(wù)器之間傳送的只是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。另外，操作員工作站的Scala界面軟件運(yùn)行在Windows XP操作系統(tǒng)下，其畫面和報(bào)表制作分別基于大家所熟悉的Windows和Excel，因此，使用和維護(hù)均極為方便、簡單。

(3) 工程師工作站。

操作員工作站由一臺HP工作站和1臺SAMSUNG 21＂LCD顯示器組成，操作系統(tǒng)為Windows XP。其主要功能為：對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)和維護(hù)軟件，包括人機(jī)界面的開發(fā)、SCALA服務(wù)器的管理、系統(tǒng)配置和控制邏輯編程、系統(tǒng)診斷和維護(hù)等。

除此之外，工程師工作站還具備操作員工作站的所有功能，可以作為操作員工作站的事故備用。

(4) 通信工作站。

通信工作站由兩臺冗余的AK1703和兩臺冗余的HP工作站組成。其中兩臺冗余的AK1703分別通過兩臺冗余的路由器以IEC870-5-104規(guī)約實(shí)現(xiàn)與華東網(wǎng)調(diào)和浙江省調(diào)SCADA系統(tǒng)的通信；而兩臺冗余的HP工作站則分別通過兩臺冗余的路由器以Tase2規(guī)約實(shí)現(xiàn)與華東網(wǎng)調(diào)的通信，并完成AGC/AVC控制功能。

(5) SQL服務(wù)器。

SQL服務(wù)器由1臺HP工作站組成，其主要功能為：實(shí)時(shí)地將SCALA服務(wù)器中的相關(guān)實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成SQL格式的數(shù)據(jù)并傳送給電廠的SIS系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

(6) 杭州遠(yuǎn)方控制中心。

杭州遠(yuǎn)方控制中心和電廠控制中心通過冗余的CISCO路由器和E1通道實(shí)現(xiàn)互連，其在配置上是相似的，而在功能上則是完全一樣的。電廠根據(jù)實(shí)際需要，可通過軟切換開關(guān)對它們的控制權(quán)限進(jìn)行相互切換。

1.2.2 現(xiàn)地控制級

現(xiàn)地控制級設(shè)備主要有：4個(gè)機(jī)組LCU(LCU1-4)、 地下公用設(shè)備 LCU(LCU5)、開關(guān)站LCU(LCU6)、地面公用設(shè)備LCU(LCU7)、上庫LCU(LCU8)。各個(gè)LCU均采用AK1703設(shè)備，且均以雙以太網(wǎng)卡分別連接至冗余的雙環(huán)以太網(wǎng)上。在與電廠控制級通信中斷時(shí)，各LCU均可獨(dú)立自治運(yùn)行。為便于現(xiàn)地操作，各LCU均配置了一臺15＂彩色觸摸屏，具有自動或分步的各種控制方式，可完成操作員工作站站的基本功能。

(1) LCU的配置。

現(xiàn)地LCU的配置充分遵循和體現(xiàn)了分層分布和冗余控制的原則和思想，而其中尤以機(jī)組LCU的配置最為典型。

根據(jù)機(jī)組設(shè)備的實(shí)際布置位置，將機(jī)組LCU布置在發(fā)電機(jī)層，并與在同一層的保護(hù)、勵磁、調(diào)速器等設(shè)備通過兩臺RS2工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。另外，在中間層和水機(jī)層則分別設(shè)置了發(fā)電/電動機(jī)遠(yuǎn)程I/O和水泵/水輪機(jī)遠(yuǎn)程I/O設(shè)備，以靠近現(xiàn)場設(shè)備，最大程度地減少電纜布線。

(2) 機(jī)組LCU的配置。

機(jī)組LCU配置了冗余的CPU：兩塊CP2002模塊以主/備方式完成通信和邏輯控制任務(wù)，每塊CP2002上均配有2個(gè)以太網(wǎng)口和4個(gè)RS-485串行通信口，分別以IEC870-5-104和IEC870-5-101規(guī)約完成跟保護(hù)、勵磁、電調(diào)的以太網(wǎng)通信和跟球閥控制系統(tǒng)、調(diào)速器油系統(tǒng)控制、機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)、空壓機(jī)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等機(jī)組輔助控制系統(tǒng)的通信。主/備兩塊CP2002模塊的冗余管理則由一塊CP2000模塊負(fù)責(zé)：當(dāng)主用CP2002健康指標(biāo)低于備用CP2002模塊時(shí)，則由CP2000將備用CP2002模塊自動升級為主用。當(dāng)CP2000模塊故障時(shí)，則系統(tǒng)維持原有運(yùn)行狀態(tài)，但無法再進(jìn)行冗余切換。另外，發(fā)電機(jī)層的機(jī)組LCU還配置了I/O模塊，完成就近采集保護(hù)、勵磁、調(diào)速器、主變等設(shè)備的重要信號的任務(wù)。

(3) 機(jī)組遠(yuǎn)程I/O的配置。

在中間層和水輪機(jī)層分別設(shè)置了發(fā)電/電動機(jī)遠(yuǎn)程I/O和水泵/水輪機(jī)遠(yuǎn)程I/O設(shè)備AMC1703，用于就近完成對發(fā)電/電動機(jī)和水泵/水輪機(jī)的相關(guān)電氣量（電流、電壓、有功、無功等）和非電氣量（溫度、壓力、流量、位置、狀態(tài)等）的采集和相關(guān)控制。遠(yuǎn)程I/O設(shè)備AMC1703自帶CPU，其通過AK1703系統(tǒng)專用的Ax總線（速率為16Mbps）以光纖方式與發(fā)電機(jī)層機(jī)組LCU進(jìn)行通信。

所有I/O模塊均為自帶CPU的智能I/O，可在I/O板上直接完成開關(guān)量信號的防抖動、雙點(diǎn)單點(diǎn)處理，模擬量信號的防干擾濾波、工程量轉(zhuǎn)換、越限檢查、信號時(shí)標(biāo)乃至輸入數(shù)據(jù)報(bào)文的形成等。I/O板與CPU之間的通信采用自發(fā)上送方式，這樣大大減小了CPU的負(fù)擔(dān)和對通信帶寬的占用。

2 桐柏計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的特色

2.1 通信功能強(qiáng)大而開放的一體化系統(tǒng)

該系統(tǒng)以冗余光纖雙環(huán)交換式工業(yè)以太網(wǎng)為主要平臺，輔以AX總線、RS-485串行通信，以IEC870-5-104、IEC870-5-101和 IEC870-5-103等標(biāo)準(zhǔn)而廣泛應(yīng)用的規(guī)約為依托，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元之間、現(xiàn)地控制級與電廠控制級之間、保護(hù)、勵磁、調(diào)速器、機(jī)組在線監(jiān)測、SIS等與監(jiān)控系統(tǒng)之間的以太網(wǎng)冗余通信以及監(jiān)控系統(tǒng)與所有輔助控制系統(tǒng)之間的串行冗余通信，是真正意義上的互連互通、分層分布的一體化的二次系統(tǒng)。通用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、主流的通信規(guī)約，使得系統(tǒng)具有良好的開放性，任何支持IEC-60870-5-104、IEC870-5-101和 IEC870-5-103的第三方設(shè)備都可直接接入系統(tǒng)，這為以后的系統(tǒng)擴(kuò)展提供了良好的基礎(chǔ)；分層、分布理念的運(yùn)用，既提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，也大大節(jié)約了控制電纜：與同樣類型的天荒坪水電站相比，在信號數(shù)量大大增加的情況下，控制電纜卻節(jié)約了近50%！全程通信的體系結(jié)構(gòu)，也為整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程智能化管理和維護(hù)到點(diǎn)提供了極大的便利。

2.2 全智能I/O的應(yīng)用

該系統(tǒng)中所有I/O模板都是自帶CPU的智能模塊，可在I/O模塊上直接完成開關(guān)量信號的防抖動、雙點(diǎn)單點(diǎn)處理，模擬量信號的防干擾濾波、工程量轉(zhuǎn)換、越限檢查、信號時(shí)標(biāo)乃至輸入數(shù)據(jù)報(bào)文的形成等工作，在真正意義上實(shí)現(xiàn)了全分布、智能分散、功能分散、危險(xiǎn)分散的功能。全智能I/O與前述先進(jìn)的遠(yuǎn)程智能化維護(hù)功能相結(jié)合，可以迅速，精確地定位監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)部故障源，確保系統(tǒng)平均故障排除時(shí)間MTTR降至最短，從而大大提高系統(tǒng)的可靠性和可用性。

2.3 智能而優(yōu)越的數(shù)據(jù)傳送和處理機(jī)制

基于全智能I/O模塊的應(yīng)用，該系統(tǒng)采用了原始數(shù)據(jù)自發(fā)上送這一智能而優(yōu)越的數(shù)據(jù)傳送和處理機(jī)制：即通信剛建立時(shí)，所有數(shù)據(jù)經(jīng)總召喚上送。其后，對開關(guān)量信號，只有信號狀態(tài)位或信號品質(zhì)位變化時(shí)才上送；對模擬量信號，只有當(dāng)信號變化越過設(shè)定的門檻值或小的變動累積到一定限值后，才上送。這種方式與某些控制系統(tǒng)使用的周期掃描上送方式相比較，既可大大降低系統(tǒng)的通信負(fù)荷，又可大大減輕LCU和SCALA服務(wù)器CPU的負(fù)荷，從而切實(shí)地提高了系統(tǒng)的可靠性和可用率。調(diào)試時(shí)，在其他設(shè)備均正常運(yùn)行時(shí)，對1號機(jī)LCU重啟數(shù)據(jù)總召喚,測出的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率和SCALA服務(wù)器CPU負(fù)荷率分別只有0.09%和20%。

2.4 安全可靠的冗余機(jī)制

在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)中，以安全可靠為原則，幾乎在各個(gè)層面均考慮和應(yīng)用了冗余概念：從系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信接口、SCALA服務(wù)器、操作員工作站、GPS到LCU中負(fù)責(zé)通信和邏輯控制的CPU、LCU中的現(xiàn)場總線等核心部件，均采用了冗余配置，從而極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2.5 分層分部的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

該系統(tǒng)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用，均全面遵循和貫徹了分層分部這一理念：從I/O模板直至電廠控制級，各層完成各自不同的任務(wù)；且在每一層的各部分之間，則盡量相互獨(dú)立。

自帶CPU的智能I/O模塊是系統(tǒng)的最底層，它直接完成對原始數(shù)據(jù)的部分處理工作：如信號的時(shí)標(biāo)、開關(guān)量輸入的防抖、模擬量輸入的門檻值設(shè)置及數(shù)據(jù)有效性判斷等。

I/O模塊這些基礎(chǔ)工作的完成，使得上一層的LCU的CPU只要處理相對高層的功能即可：如通信管理，數(shù)據(jù)收發(fā)過濾,邏輯控制處理等。同時(shí)，不同LCU之間必要的數(shù)據(jù)交換只要通過以太網(wǎng)直接傳送即可，其完全獨(dú)立于電廠控制級。

作為最高層的電廠級并不關(guān)心監(jiān)控系統(tǒng)與被監(jiān)控設(shè)備的連接，也不關(guān)心邏輯閉鎖的實(shí)現(xiàn)，這些都已在現(xiàn)地級完成。其SCALA服務(wù)器只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)歸檔及數(shù)據(jù)服務(wù)，并不關(guān)心作為其數(shù)據(jù)用戶的其他工作站是如何使用這些數(shù)據(jù)構(gòu)成人機(jī)界面的；同時(shí)，它的存在也使得其他工作站不必關(guān)心現(xiàn)地級的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信情況，而只需考慮與SCALA服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互即可。

由此可見，系統(tǒng)中每層都完成其相應(yīng)的功能，使得整個(gè)系統(tǒng)均衡地實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷均擔(dān)，從而大大提高了系統(tǒng)的有效性、可靠性和開發(fā)維護(hù)的便利性。

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)于2005年12月正式投入運(yùn)行，至今已運(yùn)行近10年。在這10年當(dāng)中，除根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，對相關(guān)個(gè)別控制邏輯進(jìn)行了一些小修改外，整個(gè)系統(tǒng)一直運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、安全、高效，發(fā)電/抽水的開停機(jī)和負(fù)荷調(diào)節(jié)控制等成功率一直保持在99.9%以上。因此，可以說：該系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用應(yīng)是成功的。

陳 勤(1974—)，男，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站運(yùn)維管理。E-mail:chqzhyc@sina.com

Stable and Reliable Control System Application in the Hua-dong Tongbai Pumped Storage Plant and Its Characteristics

CHEN Qin
(Hua-dong Tongbai pumped storage Co. LTD, Tiantai 317200,China)

This paper expounds the storage form,function and application of computer supervisory control system in power plant in East China Tongbai pumping,and its characteristic is introduced in detail.

computer;LCU;network;control;application; point