安徽省石臺抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘要：為保證抽水蓄能電站安全穩(wěn)定運行，同時考慮計算機監(jiān)控設備國產(chǎn)化需求，以安徽省石臺抽水蓄能電站為例，進行計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計，對系統(tǒng)結構、系統(tǒng)配置、電力安全防護方案、緊急停機接線、UPS電源設置等設計進行介紹，所設計的計算機監(jiān)控系統(tǒng)兼顧可靠性、安全性、經(jīng)濟性與可持續(xù)性。研究成果可為類似電站監(jiān)控系統(tǒng)設計提供參考。

關鍵詞：計算機監(jiān)控系統(tǒng)； 電氣二次； 石臺抽水蓄能電站

中圖法分類號：TV743

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.12.008

文章編號：1006-0081（2024）12-0038-05

0 引 言

抽水蓄能電站承擔調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等任務，在電網(wǎng)中發(fā)揮重要作用［1-2］。與常規(guī)水電機組相比，大型抽水蓄能機組具有運行工況多、控制邏輯復雜、操作頻繁等特點，對計算機監(jiān)控系統(tǒng)提出了較高的要求［3-4］。計算機監(jiān)控設備國產(chǎn)化是必然趨勢，國產(chǎn)化設備的日趨成熟為后續(xù)抽水蓄能電站建設奠定了良好的基礎［5-6］。隨著國家對信息安全的重視，電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護方面要求在前期設計中考慮到各個系統(tǒng)的控制要求，同時需要兼顧可靠性、安全性、經(jīng)濟性與可持續(xù)性等方面。

1 石臺電站介紹

石臺抽水蓄能電站位于安徽省池州市石臺縣，距離合肥市直線距離185 km。工程開發(fā)任務為承擔電力系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用。電站裝機容量1 200 MW，屬日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，連續(xù)滿發(fā)小時數(shù)8 h。裝設4臺單機容量300 MW立軸單級混流可逆式水泵水輪發(fā)電機組，設計年發(fā)電量14.71億kW·h，設計年抽水耗電量19.61億kW·h，綜合效率約為75%。初擬以500 kV電壓等級接入涓橋變電站，出線2回。電站屬Ⅰ等大（1）型工程，樞紐工程由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開關站等建筑物組成。

2 設計原則

電站按“無人值班，少人值守”方式設計，并為電廠將來實現(xiàn)無人值班做好必要的考慮和設置，以減輕值班人員的勞動強度，提高電站的運行質(zhì)量和科學管理水平。

2.1 電站控制方式

電站機組可由3個層面進行控制：① 由調(diào)度下達控制命令，通過站內(nèi)計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)自動運行；② 由運行人員在中控室下達控制命令，通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)自動運行；③ 在現(xiàn)地控制盤LCU上控制機組運行。

在電站投產(chǎn)初期，控制方式以②③為主；在電站全部建成并穩(wěn)定運行后，可由調(diào)度控制或按給定的負荷曲線自動運行。監(jiān)控系統(tǒng)的控制權管理采取現(xiàn)地優(yōu)先的原則。優(yōu)先設置權依次為單元現(xiàn)地控制級、電站控制級和上級調(diào)度中心調(diào)度控制室。當控制權在調(diào)度中心時，電站運行人員可隨時將控制權切至電站現(xiàn)地；當系統(tǒng)控制權在電站現(xiàn)地時，上級調(diào)度中心系統(tǒng)僅具有監(jiān)視權。

為了確保機組和地下廠房的安全，電站在地面中控室和監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地LCU屏上設有緊急停機的常規(guī)手動操作按鈕，同時在中控室設置緊急關閉事故閘門按鈕，在發(fā)電機層沿安全疏散方向設有水淹廠房緊急操作按鈕箱。

2.2 中控室的布置方式

中控室布置在業(yè)主營地，附近無高壓設備，不受電磁干擾及噪聲影響，對外交通及通信環(huán)境良好，值班環(huán)境優(yōu)良。同時，電站工作人員基本在營地辦公，中控室設在營地有利于電站的生產(chǎn)組織和統(tǒng)一管理，事故情況下便于統(tǒng)一協(xié)調(diào)、安全、高效組織應急事件處理，對于電站的運行維護更加安全便捷。在電站投產(chǎn)初期，為了便于值班人員對主廠房設備進行監(jiān)視和輔助操作，在地下副廠房內(nèi)設有地下值班室，設置計算機監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視終端（地下操作員工作站）。在中控室設置大屏幕，用于顯示電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)和工業(yè)電視的畫面。

3 監(jiān)控對象

監(jiān)控對象如下：① 4臺水泵水輪機組及其附屬設備；② 4臺發(fā)電電動機及其附屬設備和配套設備； ③ 4臺主變壓器及冷卻系統(tǒng)；④ 500 kV GIS設備；⑤ 2回500 kV出線；⑥ 1套SFC變頻起動裝置；⑦ 廠用配電系統(tǒng)（含18，10，0.4 kV配電裝置）；⑧ 電站公用設備：上水庫進/出水口事故閘門及啟閉設備；尾水事故閘門及啟閉設備；下水庫進/出水口事故閘門及啟閉設備；下庫導流泄放洞閘門啟閉；上、下水庫水位和水溫測量系統(tǒng)；全廠技術供水系統(tǒng)；中、低壓氣系統(tǒng)；直流電源系統(tǒng)；水淹廠房監(jiān)測系統(tǒng)；水力監(jiān)視和測量系統(tǒng)；柴油發(fā)電機系統(tǒng)；通風系統(tǒng)；圖像監(jiān)控系統(tǒng)火災自動報警系統(tǒng)；通信系統(tǒng)；其他公用設備。

4 系統(tǒng)結構和網(wǎng)絡配置

本電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用開放的分層分布式結構，分電站控制級和現(xiàn)地控制級，二者之間通過星環(huán)形混合式冗余光纖網(wǎng)絡連接。在地下值班室和地面中控室分別設置2套星型匯聚以太網(wǎng)交換機，各現(xiàn)地控制級設備和主控級設備就近以星型方式接入?yún)R聚以太網(wǎng)交換機；兩處匯聚交換機之間形成雙環(huán)形網(wǎng)絡?，F(xiàn)地控制級設備與匯聚交換機之間傳輸速率不低于100 Mbps，主控級設備與匯聚交換機之間、兩處匯聚交換機之間傳輸速率不低于1 000 Mbps。

系統(tǒng)高度冗余，由包括互為熱備用的主控級設備和現(xiàn)地控制級設備組成。每一現(xiàn)地控制單元均設有冗余的微處理器，所有的監(jiān)控系統(tǒng)設備由冗余的交換式以太網(wǎng)連接。

現(xiàn)地級網(wǎng)絡拓撲結構采用100 Mbps光纖雙星型快速交換式工業(yè)以太網(wǎng)，每個現(xiàn)地控制單元LCU配置2臺工業(yè)以太網(wǎng)絡交換機，各LCU通過每臺工業(yè)以太網(wǎng)絡交換機提供的2個標準接口連接至主交換機?，F(xiàn)地級網(wǎng)絡通過冗余交換機與中控室的冗余網(wǎng)絡交換機相連，實現(xiàn)現(xiàn)地級與廠控級的網(wǎng)絡通信。在每個LCU網(wǎng)絡節(jié)點提供的通信有：與主控級的通信、與現(xiàn)地控制單元智能處理器通信、與彩色觸摸屏的通信、與網(wǎng)絡時鐘服務器通信等。每個機組LCU還通過通信接口與勵磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器等控制系統(tǒng)通信。

5 系統(tǒng)配置

5.1 監(jiān)控系統(tǒng)設備

5.1.1 電站監(jiān)控系統(tǒng)設備

電站監(jiān)控系統(tǒng)設備分主控級及現(xiàn)地控制級設備，計算機監(jiān)控系統(tǒng)見圖1。電站控制級配置有以下主要設備。

（1） 2套實時數(shù)據(jù)庫服務器：冗余配置，完成電站設備運行的管理、數(shù)據(jù)處理和存儲。

（2） 2套歷史數(shù)據(jù)服務器：冗余配置，完成歷史數(shù)據(jù)的存儲和查詢。

（3） 2 套地面操作人員工作站：冗余配置，進行多畫面、實時運行監(jiān)視和控制。

（4） 1 套地下廠房操作員工作站：在地下廠房進行多畫面、實時運行監(jiān)視和控制。

（5） 1套工程師工作站：用于系統(tǒng)在線和離線測試，過程數(shù)據(jù)設置、整定和軟件更改。

（6） 1套培訓工作站：用于對電站人員進行仿真培訓與軟件練習。

（7） 2套電力調(diào)度通信工作站：完成與網(wǎng)調(diào)、省調(diào)間的通信、數(shù)據(jù)交互。

（8） 2套集控調(diào)度通信工作站：完成與區(qū)域集控中心的通信、數(shù)據(jù)交互。

（9） 1套廠內(nèi)通信工作站：含交換機和防火墻設備，用于與電站生產(chǎn)實時信息系統(tǒng)、電站管理信息系統(tǒng)、水情自動測報系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)通信。

（10） 1套語音報警工作站：完成電站內(nèi)信號的語音自動報警。

（11） 1套報表工作站：完成電站運行、監(jiān)視相關報表的生成。

（12） 1套大屏幕設備：顯示電氣接線、設備參數(shù)、運行參數(shù)和全電站的概貌等。

（13） 1套衛(wèi)星時間同步系統(tǒng)：對所有監(jiān)控系統(tǒng)上位機設備，廠內(nèi)各現(xiàn)地控制單元設備以及各繼電保護裝置等進行時鐘同步。時間同步系統(tǒng)可同時接受BDS和GPS兩個不同衛(wèi)星系統(tǒng)的授時信號。應采取防欺騙、抗干擾安全防護與隔離措施，具備常規(guī)電磁干擾信號入侵監(jiān)測和實時告警能力、衛(wèi)星信號拒止條件下高精度時間同步保持和干擾信號安全隔離能力，應具備使用北斗信號原位加固授時防護與GPS信號安全隔離的能力。

（14） 1套電力二次系統(tǒng)安全防護設備。

（15） 2套網(wǎng)絡交換設備：冗余配置，用于網(wǎng)絡通信。

（16） 2套不間斷電源（UPS）：完成電站主控級設備的冗余供電。

（17） 3臺網(wǎng)絡打印機。

5.1.2 現(xiàn)地控制單元

現(xiàn)地控制單元接受電站控制級命令，直接面向控制對象，運行人員也可通過現(xiàn)地控制盤對設備進行控制和調(diào)節(jié)?，F(xiàn)地控制單元（LCU）由冗余交換機、高性能可編程控制器（PLC）以及人機交互式觸摸屏等主要設備組成，其中PLC采用雙CPU模塊、雙電源模塊和雙通信模塊冗余配置。

全站共設10個現(xiàn)地控制單元，分別為：4套機組現(xiàn)地控制單元（LCU1～4）；1套公用設備現(xiàn)地控制單元（LCU5）；1套廠用電設備現(xiàn)地控制單元（LCU6）；1套主變洞現(xiàn)地控制單元（LCU7）；1套開關站現(xiàn)地控制單元（LCU8）；1套上水庫現(xiàn)地控制單元（LCU9）；1套下水庫現(xiàn)地控制單元（LCU10）；1套中控樓現(xiàn)地控制單元（LCU11）。

各現(xiàn)地控制單元能脫離電站控制級，獨立運行完成其現(xiàn)地監(jiān)控功能（包括機組發(fā)電方向起動和水泵方向起動，如機組SFC變頻起動等），機組手動分步操作可通過機組現(xiàn)地控制單元來實現(xiàn)。

5.2 系統(tǒng)安全防護

電站監(jiān)控系統(tǒng)按三級安全保護等級進行安全防護配置。電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護的總體原則為“安全分區(qū)、網(wǎng)絡專用、橫向隔離、縱向認證”，以保證電力監(jiān)控系統(tǒng)的安全。電站監(jiān)控系統(tǒng)分為生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)，生產(chǎn)控制大區(qū)又分為控制區(qū)（安全區(qū)Ⅰ）和非控制區(qū)（安全區(qū)Ⅱ）。

（1） 控制區(qū)：由具有實時監(jiān)控功能、縱向聯(lián)接使用電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的實時子網(wǎng)或?qū)Ｓ猛ǖ赖母鳂I(yè)務系統(tǒng)構成的安全區(qū)域，主要包括電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護及安全自動裝置、同步相量測量裝置、機組輔助控制、勵磁調(diào)速控制系統(tǒng)、火災報警控制系統(tǒng)等。

（2） 非控制區(qū)：由在生產(chǎn)控制范圍內(nèi)在線運行但不直接參與控制、縱向聯(lián)接使用電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)非實時子網(wǎng)各業(yè)務系統(tǒng)構成的安全區(qū)域，是電力生產(chǎn)過程的必要環(huán)節(jié)。主要包括故障錄波裝置、電能計量系統(tǒng)和保護及故障信息管理系統(tǒng)等。

（3） 管理信息大區(qū)：生產(chǎn)控制大區(qū)之外，主要由企業(yè)管理、辦公自動化系統(tǒng)及信息網(wǎng)絡構成的安全區(qū)域，主要包括：視頻監(jiān)控系統(tǒng)、主設備在線監(jiān)測系統(tǒng)、生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)）等。

電站配置一套電力系統(tǒng)專用的安全防護設備，在電站安全區(qū)Ⅰ（即控制區(qū)）和電站安全區(qū)Ⅱ（即非控制區(qū)）的縱向出口部署縱向加密認證裝置，在安全區(qū)Ⅲ（即管理信息大區(qū)）的縱向出口處部署硬件防火墻，生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)之間設置電力專用橫向安全隔離裝置，生產(chǎn)控制大區(qū)內(nèi)不同系統(tǒng)間采用邏輯隔離措施。另外，在電站關鍵應用系統(tǒng)的主服務器，以及網(wǎng)絡邊界處的通信網(wǎng)關機等處使用經(jīng)國家制定部門認證的安全加固操作系統(tǒng)。生產(chǎn)控制大區(qū)邊界部署入侵檢測系統(tǒng)，內(nèi)部操作系統(tǒng)安裝防惡意代碼程序。

電站配置1套網(wǎng)絡安全監(jiān)測裝置，用于滿足國家電網(wǎng)調(diào)［2017］1084號《國家電網(wǎng)公司關于加快推進電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡安全管理平臺建設的通知》的功能要求。網(wǎng)絡安全監(jiān)測裝置實現(xiàn)對部署于廠內(nèi)的所有監(jiān)控主機、工作站、網(wǎng)關機及服務器等主機設備、網(wǎng)絡設備和防火墻、縱向加密及橫向隔離等安全防護設備網(wǎng)絡行為安全風險的實時監(jiān)視，并將站端信息通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳至內(nèi)網(wǎng)安全監(jiān)管平臺主站，為電力二次系統(tǒng)安全審計評估提供可靠的信息來源和有效的分析手段。

5.3 系統(tǒng)配套設施

5.3.1 光纖硬布線緊急操作布線回路

電站設置1套獨立的、用于機組緊急停機和緊急落門的光纖硬布線回路。 在地面中控室及地下值班室各設置1面緊急按鈕控制箱，每面控制箱均配置11個按鈕，分別是1～4號機組緊急停機按鈕、1～2號上庫事故閘門緊急落門按鈕、1～4號尾水事故閘門緊急落門按鈕和1個防水淹廠房緊急按鈕。地面中控室的緊急按鈕控制箱通過光纜與地下值班室的緊急按鈕控制箱連接。地下值班室的緊急按鈕控制箱中，緊急停機按鈕動作信號輸出至各自機組緊急停機回路，緊急落門按鈕動作信號通過光纖輸出至現(xiàn)地設備的控制箱；機組緊急停機控制命令與緊急落門控制命令具有最高的優(yōu)先權；緊急停機或緊急落門后，機組將被閉鎖在停機狀態(tài)，直至值守人員現(xiàn)場消除故障復位信號后，方可重新啟動機組；進水閥與尾水閘門之間的閉鎖回路通過電氣回路硬布線實現(xiàn)，只有當進水球閥全關后，尾水閘門才能操作（下落），當尾水閘門全開后，進水閥才能操作（開啟）。

設置獨立的防水淹廠房監(jiān)測保護系統(tǒng)，接收來自防水淹廠房水位計的信號以及發(fā)電機層逃生通道和中控室緊急起動按鈕信號，實現(xiàn)整個電站的聲光報警，并通過機組緊急停機回路實現(xiàn)緊急停機和關閉進水閥，同時通過緊急落門硬布線回路實現(xiàn)下落事故閘門。

上述緊急按鈕信號及廠房水位異常升高停機信號需同時送至相應的電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元，通過電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)雙網(wǎng)實現(xiàn)冗余的緊急控制。

5.3.2 UPS電源配置

在地下廠房設置1套5 kVA的UPS電源系統(tǒng)，給地下廠房監(jiān)控系統(tǒng)電站控制級設備提供電源，由AC220V和DC220V同時供電，交流電優(yōu)先。交流電源故障中斷時應無間斷切換到直流電源供電，直流電源由地下廠房直流系統(tǒng)提供，以確保交流輸出不間斷。

在中控樓設置1套2×40 kVA電力專用UPS電源系統(tǒng)，為計算機監(jiān)控系統(tǒng)電站控制級設備、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、安全防護設備等供電，供電時間按照1 h 考慮。正常情況下UPS電源系統(tǒng)由AC380V供電，交流電源故障中斷時無間斷切換到直流供電，直流電源由中控樓直流系統(tǒng)提供，以確保交流輸出不間斷。當整流-逆變單元故障，能自動切換至交流旁路電源。

在中控樓設1套2×20 kVA綜合UPS電源系統(tǒng)，為在線監(jiān)測服務器、保護及故障信息管理子站、電能采集裝置等設備供電。綜合UPS電源系統(tǒng)冗余配置，一組故障退出時，另一組能承擔全部負荷。正常情況下UPS電源系統(tǒng)由AC380V供電，交流電源故障中斷時無間斷切換到直流供電，直流電源由中控樓直流系統(tǒng)提供，以確保交流輸出不間斷。當整流-逆變單元故障，能自動切換至交流旁路電源。

6 結 語

本文研究的石臺抽蓄電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案滿足“無人值班，少人值守”的運行方式，設備布置充分考慮了運行人員操作便利性，監(jiān)控范圍包含了電站所有重要設備，系統(tǒng)配置在保證電站安全穩(wěn)定運行的前提下也充分考慮了國產(chǎn)化需求以及網(wǎng)絡安全需求。

石臺抽蓄電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)能承擔電力系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等功能，同時兼顧可靠性、安全性、經(jīng)濟性、可持續(xù)性等方面，系統(tǒng)開放性及可擴展性好，具有冗余容錯功能，能保證電站的穩(wěn)定、安全、高效運行。

針對網(wǎng)絡及硬件系統(tǒng)方案，未來計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件建設可結合大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術，建設更加智能、集成、安全的一體化系統(tǒng)。

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Design of computer monitoring system for Shitai Pumped Storage Power Station in Anhui Province

Abstract：

In order to ensure the safe and stable operation of the power station and consider the requirements of computer monitoring equipment localization，Shitai Pumped Storage Power Station in Anhui Province was taking as an example to design the computer monitoring system，and introduced the design of system structure，system configuration，electrical safety protection scheme，emergency shutdown wiring，UPS power supply Settings，etc.The designed computer monitoring system had taken into account the requirements of reliability，security，economy and sustainability.The research results can provide a reference for the design of similar power station monitoring system.

Key words：

computer monitoring and control system； electric secondary design； Shitai Pumped Storage Power Station