洪屏抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 卉，徐利君

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)

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洪屏抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 卉，徐利君

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)

洪屏抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用南京南瑞集團(tuán)公司自行開發(fā)、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的SSJ- 3000計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。從使用者的角度出發(fā)，從設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)等幾個(gè)方面，對該監(jiān)控系統(tǒng)與引進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了對比，分析了監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化的優(yōu)勢，并指出了目前存在的問題，使其進(jìn)一步成熟、完善。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；國產(chǎn)化；設(shè)計(jì)；洪屏抽水蓄能電站

0 引 言

洪屏抽水蓄能電站(以下簡稱“洪屏電站”)位于江西省宜春市靖安縣境內(nèi)，總裝機(jī)容量1 200 MW(4×300 MW)，以500 KV一級電壓等級經(jīng)夢山變電站接入江西電網(wǎng)，受華中網(wǎng)調(diào)、江西省調(diào)調(diào)度，承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等任務(wù)。依靠全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對全廠各類主輔設(shè)備的監(jiān)視控制，以實(shí)現(xiàn)“無人值班，少人值守”的生產(chǎn)模式。

洪屏電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用南京南瑞集團(tuán)公司(以下簡稱“南瑞集團(tuán)”)自行開發(fā)、具有完全自主知識產(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 V3.0監(jiān)控系統(tǒng)，下位機(jī)采用以Schneider Electric的Quantum 140系列PLC為核心的SJ- 500現(xiàn)地單元監(jiān)控裝置。

1 抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)的國產(chǎn)化歷程

由于機(jī)組運(yùn)行工況復(fù)雜，啟、停頻繁，監(jiān)視控制信號量大，抽水蓄能電站采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)勢在必行，也是保障其安全可靠運(yùn)行的重要手段。隨著電網(wǎng)的日趨復(fù)雜多變，抽水蓄能電站作為調(diào)峰調(diào)頻電廠，對其監(jiān)控系統(tǒng)的要求也越來越高。一套適合大型抽水蓄能電站控制的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對充分發(fā)揮電站在電網(wǎng)中的作用，保障電網(wǎng)的安全具有重要意義。

早期，由于大型抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化能力不足，監(jiān)控系統(tǒng)均采用國外進(jìn)口的監(jiān)控系統(tǒng)。引進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)雖然總體都能保證電站安全穩(wěn)定運(yùn)行，但也暴露出一些問題[1]：

(1)價(jià)格昂貴，影響了抽水蓄能電站的快速發(fā)展。

(2)系統(tǒng)長期運(yùn)行后，售后技術(shù)服務(wù)和備品、備件得不到保證。

(3)產(chǎn)品設(shè)計(jì)沒有考慮電網(wǎng)系統(tǒng)的安全，系統(tǒng)功能和運(yùn)行方式都不能完全滿足我國電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的要求。

以上這些問題，決定了大型抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)的國產(chǎn)化有其經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的可行性和必然性。南瑞集團(tuán)自主研制開發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的大型抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)便是其中的代表[2]。

南瑞集團(tuán)于2006年2月采用以MB80型智能PLC為核心的控制平臺SJ- 600型LCU，對北京十三陵抽水蓄能電廠4號機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了改造；接著，在全面總結(jié)十三陵項(xiàng)目改造成果基礎(chǔ)上，南瑞集團(tuán)自主設(shè)計(jì)、制造出擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的SST- 3000L抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并通過自主調(diào)試，成功應(yīng)用于遼寧蒲石河抽水蓄能電站(4×300 MW)[3]、安徽響水澗抽水蓄能電站(4×250 MW)中，進(jìn)一步提高了大型抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化研制和生產(chǎn)能力。之后，南瑞集團(tuán)又相繼中標(biāo)了江蘇溧陽(6×250 MW)、浙江仙居(4×375 MW)、江西洪屏(4×300 MW)等大型抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工程。目前，這些項(xiàng)目均處于安裝調(diào)試階段。通過這3個(gè)電站的工程經(jīng)驗(yàn)的積累，國產(chǎn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)將得到進(jìn)一步的完善，并得到了業(yè)界的認(rèn)可和肯定。

2 洪屏電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

洪屏電站監(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100 Mb/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[4]。

2.1 現(xiàn)地控制層

現(xiàn)地控制層設(shè)備主要包括現(xiàn)地控制單元9套。其中，4套機(jī)組現(xiàn)地控制單元(LCU1～4)、1套廠房公用設(shè)備現(xiàn)地控制單元(LCU5)、1套主變洞現(xiàn)地控制單元(LCU6)、1套500kV開關(guān)站現(xiàn)地控制單元(LCU7)、1套中控樓現(xiàn)地控制單元(LCU8)、1套上庫進(jìn)出水口現(xiàn)地控制單元(LCU9)?，F(xiàn)地控制單元采用Schneider Electric的Quantum 140系列PLC，主要由CPU模塊、I/O模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、遠(yuǎn)程I/O(RIO)模塊、電源模塊、底板和底板擴(kuò)展模塊組成。CPU采用冗余設(shè)計(jì)，每個(gè)CPU均分別通過交換機(jī)接入冗余環(huán)網(wǎng)。正常情況1臺CPU工作，1臺CPU熱備用，工作CPU故障，則由備用CPU接替，自動完成雙機(jī)無擾動切換。通訊方面采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)?，F(xiàn)地控制層完成對相應(yīng)被控對象的監(jiān)視和控制，主要功能如下：

(1)數(shù)據(jù)采集和處理。

(2)安全運(yùn)行監(jiān)視。

(3)控制和調(diào)節(jié)。

(4)事件檢測和發(fā)送。

(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之間的通信；接收電站的同步時(shí)鐘信號，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；對于安全運(yùn)行的重要信息、控制命令和事故信號除采用現(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；自動判斷軟件的故障性質(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。

2.2 電站控制層

包括2臺主計(jì)算機(jī)服務(wù)器、3個(gè)操作員工作站(2個(gè)在中控室內(nèi)，1個(gè)在地下副廠房內(nèi))、1個(gè)工程師工作站、1個(gè)培訓(xùn)工作站、2套調(diào)度通信工作站、1個(gè)廠內(nèi)通信工作站、1個(gè)語音電話自動告警工作站、1套電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)設(shè)備、1套衛(wèi)星同步時(shí)鐘系統(tǒng)、1套UPS電源等設(shè)備。

2套數(shù)據(jù)服務(wù)器采用SunT4- 2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～LCU9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)的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)器的狀態(tài)，當(dāng)主用服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，自動切換為備用數(shù)據(jù)服務(wù)器。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)存儲功能，為日常運(yùn)行和故障分析提供相應(yīng)數(shù)據(jù)源。電站控制層完成對電站所有被控對象的監(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)采集來自現(xiàn)地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/分控制和自動發(fā)電控制AGC和自動電壓控制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)對話方式，對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)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)不影響其監(jiān)控功能。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的特殊技術(shù)要求

對比常規(guī)水電站，抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)具有以下特殊技術(shù)要求[5]：

(1)除具有常規(guī)水電站的發(fā)電、調(diào)相等工況外，抽水蓄能電站還有水泵、水泵調(diào)相等工況。由于運(yùn)行方式多，監(jiān)控系統(tǒng)的測點(diǎn)數(shù)也明顯增加。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，模擬量AI測點(diǎn)約要增加50%，而開關(guān)量DI測點(diǎn)則要增加1倍多。

(2)抽水蓄能電站“調(diào)峰調(diào)頻”的角色定位決定機(jī)組啟停頻繁，對監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和操作成功率提出了更高的要求。

(3)水泵工況的啟動更加復(fù)雜。洪屏電站機(jī)組采用了同步背靠背拖動和變頻啟動(Static Frequency Converter，SFC)2種方式。2種啟動方式均要涉及電廠2臺設(shè)備(如2臺機(jī)組或1臺機(jī)組與1個(gè)SFC)的同時(shí)協(xié)調(diào)控制問題，大大增加了相應(yīng)流程控制的復(fù)雜性。

(4)為減少水泵啟動過程中的功耗，需采用壓水啟動方式，這就要求監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確控制充氣壓水和排氣回水過程。

(5)SFC抽水并網(wǎng)和背靠背抽水并網(wǎng)不同于發(fā)電并網(wǎng)，同期裝置需能針對性地設(shè)置多種同期模式。

總之，水泵工況是抽水蓄能電站的最大特色，對監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了一系列需要重點(diǎn)攻克的技術(shù)難點(diǎn)。同時(shí)，更高的可靠性也是在其功能設(shè)計(jì)中必須考慮的重要因素。

4 國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢

對比引進(jìn)系統(tǒng)，南瑞集團(tuán)監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢[6]：

(1)價(jià)格相對較低，性價(jià)比高。

(2)售后技術(shù)服務(wù)和備品、備件得到保證。

(3)控制系統(tǒng)和控制策略完全適應(yīng)我國電網(wǎng)的運(yùn)行要求，運(yùn)行方式既考慮了機(jī)組的安全，又充分考慮了電網(wǎng)安全的需要。

(4)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。

(5)系統(tǒng)主網(wǎng)絡(luò)采用100Mb/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影響系統(tǒng)其他部分的正常運(yùn)行。

(6)使用了高性能、高質(zhì)量的設(shè)備，降低了設(shè)備的故障率。同時(shí)，系統(tǒng)中的重要設(shè)備均采用熱備冗余配置，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)備發(fā)生故障時(shí)對整個(gè)系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

(7)LCU采用了南瑞集團(tuán)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開出，保證了輸出的正確性，提高了現(xiàn)地控制單元的可靠性。

(8)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)。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。

(9)采用分布式體系結(jié)構(gòu)。以雙以太環(huán)網(wǎng)為核心，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)工作站故障對整個(gè)系統(tǒng)的影響，使整個(gè)系統(tǒng)的配置更加合理、可靠。

(10)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。

(11)各服務(wù)器/工作站在系統(tǒng)中處于平等地位。系統(tǒng)擴(kuò)充后，不會引起原系統(tǒng)大的變化，為整個(gè)系統(tǒng)不斷完善創(chuàng)造條件。

5 需要進(jìn)一步完善的問題

在聯(lián)合開發(fā)過程中，發(fā)現(xiàn)該監(jiān)控系統(tǒng)仍存在需要解決的問題：

(1)理論上，在脫離主服務(wù)器的情況下，現(xiàn)地控制單元應(yīng)能獨(dú)立完成對所控設(shè)備的閉環(huán)控制。而在當(dāng)前設(shè)計(jì)下，各現(xiàn)地控制單元的工控機(jī)的網(wǎng)絡(luò)位置等同于操作員站，既無法直接接受現(xiàn)地控制單元上傳信息，也無法直接下發(fā)指令給現(xiàn)地控制單元，信息必需經(jīng)過主服務(wù)器。因此，在脫離電站控制層的情況下，運(yùn)維人員無法在機(jī)組LCU上進(jìn)行開停機(jī)、工況轉(zhuǎn)換操作，更無法實(shí)現(xiàn)機(jī)組水泵工況啟動。

(2)與設(shè)備相配套的圖紙、資料不是很理想。電氣原理圖不能詳細(xì)、準(zhǔn)確反映內(nèi)部接線；流程圖不夠直觀，不便于理解。

(3)控制流程程序的可讀性有待改善。應(yīng)增加程序注釋，并規(guī)范編程人員的編寫習(xí)慣(中間變量的設(shè)定，函數(shù)的使用規(guī)范性)，便于后期調(diào)試和維護(hù)。

6 結(jié) 語

通過聯(lián)合開發(fā)和廠內(nèi)調(diào)試，洪屏電站采用的南瑞集團(tuán)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，解決了水泵工況這一技術(shù)難點(diǎn)，能夠滿足對生產(chǎn)設(shè)備全面監(jiān)視和控制的要求。相比于引進(jìn)系統(tǒng)，在一些重要方面有一定的優(yōu)勢。目前，該監(jiān)控系統(tǒng)正處于現(xiàn)場調(diào)試階段，還需要解決工程中存在的一些問題，使其進(jìn)一步成熟、完善。

[1]汪軍， 方輝欽. 抽水蓄能電站控制與保護(hù)設(shè)備的國產(chǎn)化[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測， 2000， 3(28)： 1- 3．

[2]姜海軍， 汪軍. 大中型抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)的國產(chǎn)化研究[J]. 水電廠自動化， 2005， 1(1)： 148- 153．

[3]郭陽， 杜丹晨. 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[J]. 水力發(fā)電， 2012， 38(5)： 88- 91．

[4]蔡振坤. 抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)需求分析[J]. 華電技術(shù)， 2009， 6(31)： 15- 17．

[5]汪軍， 方輝欽. 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[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2000， 22(24)： 49- 51．

[6]姜海軍， 吳正義. 抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)發(fā)展與展望[J]. 水電廠自動化， 2012， 38(3)： 6- 10．

(責(zé)任編輯 楊 健)

Design of Computer Supervisory Control System for Hongping Pumped-storage Power Station

HUANG Hui, XU Lijun

(Jiangxi Hongping Pumped Storage Co., Ltd., Jing’an 330603, Jiangxi, China)

The computer supervisory control system (CSCS) of SSJ- 3000 used in Hongping Pumped-storage Power Station is developed by Chinese NARI Group. From the point of view of user, the SSJ- 3000 CSCS is compared with imported system from the aspects of system design, operation and maintenance. The advantages of domestic CSCS are analyzed, and the existing issues are also presented for further improvement．

computer supervisory control system; localization; design; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 07

黃卉(1990—)，男，江西南昌人，助理工程師，主要從事水電站維護(hù)與技術(shù)管理工作．

TV736(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0095- 04