白山電站快速閘門LCU升級改造

陶海濤，滕　巍，鄧小剛，張　健

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038；2.白山發(fā)電廠，吉林白山132000）

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白山電站快速閘門LCU升級改造

陶海濤1，滕巍2，鄧小剛1，張健1

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038；2.白山發(fā)電廠，吉林白山132000）

摘要：升級改造前，白山左、右電站快速閘門監(jiān)控是公用單元一個(gè)子站的部分，改造后，將白山左、右電站快速閘門監(jiān)控改造為獨(dú)立的快速閘門LCU。本文介紹了本次升級改造前存在的問題、升級改造的必要性、升級改造原則及升級改造特點(diǎn)，可供其他水電廠借鑒。

關(guān)鍵詞：水電廠；LCU；快速閘門；升級改造

0　引言

白山發(fā)電廠位于吉林省東南部，松花江上游，是一廠兩壩三站的特大型梯級水力發(fā)電廠，由白山左岸電站、白山右岸電站、白山抽水蓄能電站、紅石電站組成，總裝機(jī)容量為2000 MW，在東北電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用。白山右岸電站裝機(jī)3臺300MW常規(guī)機(jī)組，白山左岸電站裝機(jī)2臺300 MW常規(guī)機(jī)組，白山抽水蓄能電站裝機(jī)2臺150 MW可逆式機(jī)組，紅石電站裝機(jī)4臺50 MW常規(guī)機(jī)組。

白山發(fā)電廠于1996年、2005年兩次對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，限于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，采用如下結(jié)構(gòu)：白山右岸3臺機(jī)組進(jìn)水口閘門的監(jiān)控接入右岸公用系統(tǒng)，白山左岸2臺機(jī)組進(jìn)水口閘門及2臺抽水蓄能機(jī)組上庫閘門的監(jiān)控接入左岸公用單元。隨著自動化技術(shù)及水平的快速發(fā)展和對電站穩(wěn)定運(yùn)行要求的提高，白山快速閘門作為機(jī)組最后一道保護(hù)關(guān)口，在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行中也越來越受到重視，迫切需要對白山電站左、右閘門控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。

1　改造前系統(tǒng)問題分析

白山發(fā)電廠快速閘門LCU改造前雖然有獨(dú)立CPU，但與中控室上位機(jī)沒有形成直接通訊鏈路，而是先通過廠站公用LCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而將數(shù)據(jù)上送至上位機(jī)；在系統(tǒng)架構(gòu)上采用GE Genius網(wǎng)總線連接方式，屬于公用系統(tǒng)的一個(gè)從站，公用系統(tǒng)的維護(hù)檢修，影響機(jī)組進(jìn)水門的工作。

改造前，閘門控制系統(tǒng)采用單CPU、單電源、單通訊鏈路，3套快速閘門共用1套LCU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，這樣系統(tǒng)設(shè)備一旦出現(xiàn)異常狀況，3套快速閘門將會同時(shí)失去與上位機(jī)的聯(lián)系，對整個(gè)電站系統(tǒng)運(yùn)行存在著很大的安全隱患。

早期PLC硬件配置不支持以太網(wǎng)接口，并且只能在現(xiàn)地使用專用編程電纜調(diào)試；編程軟件功能性和可操作性很低，界面也不夠友好；而且由于結(jié)構(gòu)上是公用系統(tǒng)的從站，維護(hù)時(shí)很容易對公用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)造成影響，這樣不利于電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上所述，改造前的白山快速閘門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、硬件、可維護(hù)性都需要升級改造，再加上系統(tǒng)設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行，硬件設(shè)備逐年老化等因素使整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定性、可靠性降低，原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　原白山快速閘門系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2　監(jiān)控系統(tǒng)升級改造

2.1系統(tǒng)升級改造必要性分析

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上快速閘門LCU與上位機(jī)系統(tǒng)雙向數(shù)據(jù)交換多了一個(gè)中間環(huán)節(jié)-公用LCU，而公用LCU已經(jīng)配置了多個(gè)從站，CPU處理數(shù)據(jù)量大，同時(shí)還兼有與其他輔機(jī)系統(tǒng)的通訊功能，這樣相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)很大程度上影響了快速閘門LCU與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換速率。其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)故障，通訊很可能會中斷，進(jìn)而導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)的整體可靠性降低，設(shè)備的維護(hù)難度增加，給機(jī)組安全運(yùn)行留下了隱患，這與“無人值班”（少人值守）對監(jiān)控系統(tǒng)的要求相背離。因此，將快速閘門改造成獨(dú)立的LCU，可靠性、靈活性將得到很大提高。

2.2系統(tǒng)架構(gòu)的升級

改造后的白山快速閘門LCU，監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。每套閘門LCU分別采用光纖以太網(wǎng)與上位機(jī)直接通訊，分配了獨(dú)立IP地址和LUC ID，CPU、以太網(wǎng)模塊進(jìn)行了雙機(jī)雙網(wǎng)冗余配置，使快速閘門LCU在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中與機(jī)組LCU等并列運(yùn)行，每套閘門的數(shù)據(jù)采集和命令控制完全獨(dú)立，與改造前3套快速閘門共用1套LCU并從屬于公用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相比更穩(wěn)定、可靠。

改造后白山1～3號LCU快速閘門監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖見圖2。

圖2　新白山快速閘門系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.3硬件配置升級

從PLC硬件配置上可以看出，白山快速閘門LCU結(jié)構(gòu)改造后與改造前發(fā)生了巨大變化：

CPU升級：改造后的快速閘門LCU從原有的VersaMax系列單CPU升級為由兩套配置完全相同的PAC RX3I CPU構(gòu)成的雙機(jī)冗余系統(tǒng)，每個(gè)CPU采用獨(dú)立機(jī)架分別供電、通訊，在系統(tǒng)功能上完全實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行和無擾切換。

系統(tǒng)總線配置升級：改造后的LCU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從GE Genius網(wǎng)總線通訊升級為雙機(jī)冗余系統(tǒng)的CMX超高速光纖I/O總線架構(gòu)，穩(wěn)定高效。

I/O模塊升級：改造后的3套快速閘門均配置獨(dú)立I/O模塊，系統(tǒng)數(shù)據(jù)獨(dú)立采集，互不干擾，而對于公用的軟啟和油泵信號，3套LCU均有接入，同步采集。

升級改造后LCU硬件配置如圖3所示。

圖3　白山快速閘門LCU改造后系統(tǒng)架構(gòu)圖

除了PLC模塊的升級之外，整個(gè)快速閘門控制柜的配置也有了很大的優(yōu)化，3套閘門LCU設(shè)備布局在兩面控制柜中，每套快速閘門系統(tǒng)均配備POWER ONE系列冗余開關(guān)電源，從3套系統(tǒng)共用一路開關(guān)電源，升級為每一套閘門采用兩套冗余電源供電，設(shè)備電源與I/O電源分別供電，這樣的配備無論是設(shè)備回路還是信號回路出現(xiàn)故障，都不會影響另一方的正常運(yùn)行；控制上不僅實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作，現(xiàn)地也配備了3套操作按鈕及把手，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地手動、自動以及輪換控制等功能。

3　系統(tǒng)改造后的特點(diǎn)

3.1雙機(jī)雙冗余系統(tǒng)配置

從改造后的系統(tǒng)整體架構(gòu)看，每套快速閘門LUC與上位機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)連接，主備CPU的無擾動切換，以及主站與從站之間的數(shù)據(jù)通訊都采用的是雙機(jī)雙網(wǎng)雙冗余的配置，這樣的高冗余配置無論發(fā)生線路損壞還是模塊故障等各種突發(fā)狀況都可以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，可靠性和可維護(hù)性都得到很大提高。

3.2冗余高速光纖I/O總線

改造后的白山快速閘門LCU系統(tǒng)架構(gòu)采用的是冗余CMX高速光纖I/O總線架構(gòu)，這樣的光纖總線架構(gòu)在水電廠中是首次應(yīng)用。主從站之間通過CMX 128光纖通訊模塊以及GE定制的CMX HUB光纖總線交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速度理論上可以達(dá)2.12 GB，速率是非常高的。

3.3系統(tǒng)完全獨(dú)立互不干擾

改造后的3套快速閘門LCU，從架構(gòu)上數(shù)據(jù)采集和命令控制已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了完全獨(dú)立運(yùn)行，每套快速閘門系統(tǒng)的檢修及維護(hù)都不會影響其以外的任何系統(tǒng)正常運(yùn)行。采用光纖以太網(wǎng)與上位機(jī)建立連接后，程序的修改和備份都可以遠(yuǎn)程處理。

3.4系統(tǒng)維護(hù)高效便捷

新的硬件配置在系統(tǒng)維護(hù)上有獨(dú)特的性能優(yōu)勢，底板電源模塊配獨(dú)立開關(guān)，I/O模塊均支持熱拔插，PLC模塊的更換更加簡便。冗余雙機(jī)熱備模塊和冗余CMX光纖總線I/O模塊均保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)在出現(xiàn)故障時(shí)還可以同步瞬時(shí)切換至備用系統(tǒng)并及時(shí)報(bào)警給維護(hù)人員，大大減少了運(yùn)行和維護(hù)的工作量，提高維護(hù)的工作效率。

4　結(jié)語

白山發(fā)電廠快速閘門一期計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)升級改造于2013年5月開始，至2014年4月已經(jīng)完成了白山一期及二期快速閘門LCU各項(xiàng)硬件升級、軟件編程和測試工作，經(jīng)過試運(yùn)行和修改階段，已正式投入運(yùn)行。整個(gè)控制系統(tǒng)采用冗余技術(shù)，大量采用高速光纖總線I/O結(jié)構(gòu)節(jié)省了現(xiàn)場接線，減少了大量維護(hù)工作量。試運(yùn)行情況表明，軟硬件平臺運(yùn)行穩(wěn)定，在系統(tǒng)可用率、系統(tǒng)精度、顯示正確性、響應(yīng)速度以及抗干擾能力等方面完全實(shí)現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性與高可靠性，確保整個(gè)快速閘門系統(tǒng)乃至整個(gè)電站監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、功能齊備，受到了檢修運(yùn)行人員的好評。相信隨著白山發(fā)電廠一期、二期快速閘門以及輔機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)升級改造的全面完成，白山發(fā)電廠綜合自動化將躍上一個(gè)新的水平，它對白山發(fā)電廠實(shí)現(xiàn)“無人值班”（少人值守）有著非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉曉波.水電廠LCU若干設(shè)計(jì)原則及其發(fā)展趨勢探討[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2004(3):18-21.

[2]王德寬，劉曉波，袁宏.H9000 3.0水電站綜合自動化系統(tǒng)[M]//中國水力發(fā)電年鑒(2001-2002).北京：中國電力出版社，2003：454-454.

作者簡介：陶海濤（1984-），男，工程師，從事水電廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)安裝與調(diào)試工作。

收稿日期：2015-08-07

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.009

中圖分類號：TV736

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）04-0028-03