廣蓄電廠監控系統上位機自動控制功能開發及應用

陳 滿，鞏 宇

（廣州蓄能水電廠,廣東 廣州 510950）

廣蓄電廠監控系統上位機自動控制功能開發及應用

陳 滿，鞏 宇

（廣州蓄能水電廠,廣東 廣州 510950）

廣州蓄能水電A廠于2008年重新設計開發了計算機監控系統上位機，重新設計優化了其中的電廠自動控制程序，其核心功能自動發電控制功能和自動電壓控制功能根據先進的控制理念，設計優化了算法，提高了電廠自動控制水平；同時本項目只針對監控系統上位機，下位機維持不變，大大縮短了全廠機組退備時間，創造了極大的經濟和社會效益。詳細介紹了廣州蓄能水電A廠上位機設計開發過程，為今后電廠自動控制程序設計提供參考。

計算機監控系統;S C A D A;自動發電控制;自動電壓控制;最優控制 P I調節

0 概述

廣蓄A廠上位機系統從1992年投入運行至2007年，運行時間已達15年。隨著時間的推移，曾經領先的系統逐漸落后，系統的缺陷不足逐漸暴露。主要表現在三個方面：

一是限于當時的計算機發展水平，所設計的軟、硬件已經不能滿足現今電廠運行、維護的需要。比如數據庫生成站CCCD，其系統軟件是用Fox Base開發的，界面較差、功能單一，且運行在DOS平臺，操作非常不方便；系統維修站采用的是SUN 3/80計算機，該計算機是上位機的核心工作站，其停產年代是1987年，即使是最新的計算機也有19年的歷史。

二是上位機系統作為電廠自動控制的核心部分，其使用的核心程序電廠自動控制程序是基于20世紀70年代的控制理念設計，經過數十年的發展，控制程序已經不能滿足21世紀電網、機組的運行的要求，且由于當初設計技術相對落后的制約，程序存在許多邏輯上的漏洞，導致電廠運行一直存在一些控制上的操作限制，大大影響電廠自動化程度，降低電廠的運行效率，可靠性及響應速度，增加機組的調節損耗。

三是系統日漸老化，故障率有所上升，且由于部分備品難以采購，造成維護日益困難。如負責與下位機進行通訊的前置機UGG1/UGG2經常故障死機，嚴重影響了上位機系統的安全穩定運行。

廣蓄電廠經過詳細的調研和評估，決定對A廠計算機監控系統進行重新設計開發。并決定采用當前世界先進的蓄能電廠控制理念，結合先進的控制理論及多年的運行實踐經驗，設計開發電廠自動控制程序，滿足當前電網的需要，并結合電力系統的發展趨勢，增加新的控制功能，滿足未來電網，機組控制的運行需要。

1 設計開發廣蓄A廠上位機自動控制程序

廣蓄A廠對運行于成組控制模式的機組的所有控制功能均由后臺運行的過程控制程序完成，此程序由30個功能獨立的程序模塊組成，每個模塊實現不同的控制功能，例如成組開機發電，抽水，有功的分配，500kV頻率調節，自動發電控制（AGC），自動電壓控制（AVC）等。該程序在上位機系統初始化后自動運行，每個模塊根據各自的運行周期運行，主要模塊功能如下：

1.1 有功控制

有功控制功能負責控制全廠機組的啟停及機組功率調節，其計算框圖如圖1：

其主要計算模塊分述如下：

（1）500kV網絡結構狀態監視模塊

此模塊首先運行，且運行周期為1s，實時采集A廠兩條出線及500kV環網上所有斷路器，隔離刀閘和接地刀閘的狀態，根據各開關，刀閘的狀態進行計算，得出電廠出線的網絡結構模型，并針對當前的網絡結構模型進行相關的安全性計算，限制或開放機組的相關功能。例如，正常運行時，廣蓄A廠由兩條出線與500kV系統相連，此時4臺機組可以全部啟動，當一條出線退出運行時，只能啟動3臺機組發電或2臺機組抽水。

（2）機組狀態監視模塊

此模塊運行周期為5s，根據實時采集的各臺機組的相關信息，經過一系列縝密的安全性計算和機組的性能曲線分析，得出各臺機組當前的運行狀態，所能承受的負荷量及最佳的運行方式等數據。該功能經運行檢測達到設計標準，準確計算各臺機組的負荷能力，使機組運行在最佳狀態。

（3）設定值處理模塊

此模塊運行周期為5s，對全廠容量/負荷的設定值進行處理，由2個子模塊組成：負荷曲線模塊和操作員設定值模塊，由操作員選擇其中一個子模塊運行。

（4）負荷曲線模塊：選擇此模塊后，自動控制程序將會從預先設定好的當日負荷曲線上讀取當前時間的容量/負荷設定值，對機組進行啟停和負荷分配，由于目前廣蓄電廠的調峰任務繁重，機組啟停基本沒有規律可言，很難根據預先設定的負荷曲線運行，所以此模塊基本沒有運行。

（5）操作員設定值模塊：選擇此模式后，自動控制程序將會接收調度或電廠值班員的全廠容量/負荷設定值，根據前面計算的全廠最大最小有功/無功出力值和機組狀態等對設定值進行處理計算，若設定值不符合要求，則會根據預先設定好的取值模式計算出可執行的設定值發送給后續模塊。

（6）自動發電控制模塊（AGC）

此模塊運行周期為5s，根據容量設定值控制機組的啟停，根據全廠負荷設定值對各正在運行的機組進行負荷分配。

1）機組啟停：根據可執行的容量設定值計算當前需要啟停機組的臺數并根據操作員設定的機組優先級啟停相應的機組，啟動臺數由下表列出：

表1 容量設定值與機組啟動臺數

例：若某時容量設定值為600MW，機組優先權為1324，則自動控制程序將會同時對1，3號機組發開機發電命令。

2）負荷分配：根據調度或電廠操作員設定的全廠有功負荷設定值對正在運行的機組進行負荷分配，分配模式分為經濟分配和平局分配，由操作員選擇其中一執行。選擇經濟分配時，自動控制程序將會根據各臺機組當前已帶負荷進行評估，按照各臺機組調節幅度最小的方案進行新的負荷分配；選擇平均分配模式時，自動控制程序將會把負荷設定平均分配給各臺運行的機組。由于廣蓄機組調節頻繁，按照經濟分配方案時雖然減少了耗水量和機組調節損耗，但可能會使個別機組長期處于高負荷運行狀態，所以廣蓄并未采用經濟分配模式而采用負荷平均分配模式。

電網頻率調節模式

此功能由操作員手動啟動和停止，不會自動運行，當啟動此模塊后，自動控制程序將不會接收電廠有功負荷設定值，而會根據500kV電網頻率測量值與50Hz的偏差計算出當前全廠應承擔的有功出力。計算出有功目標值后，根據操作員選擇的負荷分配模式進行負荷分配。頻率調節計算程序經過多次調試，各項參數符合電網要求，采取PI計算方式，能在保證消除穩態誤差的基礎上縮短響應時間，確保響應時間，超調量，穩態誤差等性能指標均達到運行要求，大大提高電廠穩定電網頻率的能力。在緊急情況下失去調度控制指令時，電廠能夠緊急響應，自動調節機組出力，穩定電網的頻率。

1.2 無功控制——自動電壓控制模塊（AVC）

此模塊運行時間為5s，根據調度或電廠操作員設定的500kV電壓設定值進行計算，對機組進行無功功率的閉環控制。計算框圖如圖2：

整個無功閉環控制分為5步：

（1）首先自動控制程序接收500kV電壓目標值，并與母線電壓實際測量值相比較得到差值△。

（2）經過自動控制程序的PI計算算出全廠無功目標值。

（3）將全廠無功目標值按照最優原則分配給成組運行的機組。

（4）結合機組PQ曲線轉換計算算出每臺機組的AVR電壓給定值。

（5）由AVR調節勵磁電流達到調節機端電壓從而調節500kV母線電壓。

在程序運行的下個周期，自動控制程序再次測量當前電壓測量值后重復上述計算，直到電壓偏差在允許范圍內，達到電壓的自動閉環控制。

2 設計人機操作界面

設計制作全新的人機操作界面，新界面繼承了原界面的風格，使值班員能夠更快的適應，新人機界面操作簡單，安全可靠，計算機程序后臺增加了大量的安全計算程序，對值班員的所有操作進行監測，確保操作的正確性，大大降低誤操作的風險。

3 設計開發上下位機通訊前置機

由于廣蓄A廠本次改造僅針對上位機部分進行，下位機系統維持不變，下位機部分維持不變，要使現代上位機系統與20世紀80年代的下位機系統進行可靠的數據通訊，必須設計開發通訊前置機系統，前置機系統由運行通訊程序的PC電腦及6臺通訊網關機組成，接收下位機的串口通訊數據轉變成上位機系統使用的以太網通訊數據供給上位機系統使用，經過測試，前置機系統運行穩定，可靠，滿足無人值班電廠數據通訊的要求。

4 運行概況

作為南方電網重要的調峰調頻電源，廣蓄必須能安全穩定高效運行。廣蓄A廠新上位機系統于2008年1月投入運行，經過2年多的運行，各項控制功能運行良好，均達到了設計要求，電廠自動控制水平有了很大提高。多種控制功能的完善令廣蓄A廠能更好地適應電網日益嚴格的調峰調頻要求。電廠自動發電控制程序根據廣蓄十多年的運行經驗設計開發，通過2年多的投產運行檢驗，各項參數的整定及控制性能指標已經能完全滿足電網的要求，新控制程序的應用，徹底解決了廣蓄多項長期存在但無法完全解決的重大缺陷，如程序計算漏洞導致的機組啟動失敗，停機失??；計算存在死區導致機組不按設定值啟/停導致啟動或停機失??；機組負荷控制調節性能不佳，向電網多送或少送負荷；機組并網大量吸收無功功率等。該程序可讀性及，可編譯性強，在今后的運行中，可以隨時根據運行需要進行修改，更好的履行廣蓄在電網中調峰填谷，快速響應的職責，為電網建設提供有力支持。

5 結束語

抽水蓄能機組特點是起停速度快、工況轉換靈活，在電力系統調節和事故備用方面發揮極其重要的作用。通過削峰填谷，平滑了系統負荷曲線；通過調頻調相有效提高電網頻率和電壓穩定性，保證電能品質；在電網發生異常情況時緊急響應，保證電網的安全，對電力系統的安全經濟運行和事故備用都起到保障作用，提高了電網的可靠性，是電網管理的工具。隨著新能源的開發和智能電網的建設，電網對抽水蓄能電站的需求將進一步加強。

廣蓄A廠不但為南方電網服務，同時也為香港電網輸電。由于電網遭遇南方冰雪災害本項目提前竣工，此后，歷經奧運保供電、60周年國慶保供電、香港東亞運動會保供電、系統多次緊急調度的考驗。在這些重要的時刻，穩定、可靠、功能完備的監控系統為電網靈活調度廣蓄A廠機組、為廣蓄電廠保一方平安做出了應有的貢獻。

上位機系統投產產以來，各項控制功能運行良好，零誤動率，穩定可靠，大大提高了電廠自動化程度，完全滿足無人值班電廠的需要。其控制程序的設計理念，所運用的數學計算模型，控制律等均能為今后蓄能電廠的自動控制程序設計提供借鑒。

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TV736

B

1672-5387（2011）03-0016-03

2011-04-11

陳滿（1973-），男，高級工程師，從事水電站檢修試驗管理工作。