天荒坪電站監控系統LCU的升級改造

范建強

（國網新源華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江 安吉 313302）

0 引言

天荒坪抽水蓄能電站共裝設6臺單機容量為300 MW的可逆式水泵水輪機組，承擔著華東電網調峰、調頻、填谷及事故備用任務，有效緩解了華東電網各省市用電緊張局面，機組具有容量大、起停快的特點，在華東電網中發揮著重要作用[1-2]。

電站計算機監控系統采用ABB Bailey INFI-90 DCS（集散控制系統）[3]。系統分為兩部分，一部分是由商用微機和網絡組成的操作監視系統，用于面向生產過程的數據集中監視，已于2004年進行了改造。另一部分是由MFP（多功能處理器）構成的LCU（現地控制單元），主要功能是過程數據采集處理、邏輯處理、順序控制等。

由于LCU已運行了近15年，機組和公用系統現地控制單元以及UCB（現地控制屏）中的電子模件、器件及連接件逐漸暴露出隨機故障增多、運行不穩定和備品備件缺失等諸多問題，面臨著升級改造。

升級改造以提高機組安全穩定運行水平、確保電站在改造期間的正常經營為目標，按計劃逐臺進行。在保留系統原有控制策略的基礎上，借鑒其他新建抽水蓄能電站的先進控制理念，對技術落后、存在重大缺陷的設備和回路進行升級改造，優化調整各LCU配置、完善硬件布置和分配，以及與現場設備接口的設計。

1 改造原則與范圍

1.1 監控系統升級改造原則

為了順利完成改造項目，必須研究在原系統的基礎上進行改造設計，包括各LCU硬接線回路的改造設計、LCU的I/O設計、組態修改的要求等，改造原則按以下要求進行：

（1）UCB和LCU盤柜的數量和安裝位置保持不變，仍然使用原來的盤柜，整體布置方式不變。

（2）保留原系統的可取之處，新老兼顧，在盡可能利用原有資源的基礎上，通過改造彌補原系統的不足。

（3）外部供電電源及供電方式保持不變。

（4）機組LCU的核心流程、控制組態沿用改造前功能，只對新增功能增補組態。

（5）改造后機組LCU能與原監控系統網絡完全融合，滿足原監控系統上位機的數據通信要求，實現與原有監控系統的無縫連接。改造后機組LCU接入原有計算機監控系統，整個監控系統的安全性、可靠性、實時性不受影響。

1.2 監控系統升級改造的范圍

監控系統升級改造的主要項目有：

（1）INFI-90系統LCU設備模件和TU端子板全部更換。

（2）事件記錄單元SOE系統改造，取消原獨立于INFI-90網路的Harris SOE系統。

（3）機組現地控制柜UCB設備改造主要是常規控制部分，如：機組電量變送器、溫度智能巡檢裝置、機械跳閘矩陣。

（4）LCU組態優化設計。

（5）INFI-90控制環網與相鄰機組通信部分由光纖通信改為同軸電纜通信。

2 監控系統改造難點

2.1 改造難點

由于改造時間緊，只能在設備停電檢修時進行，要求前期工作準備充分。本次計算機監控系統改造最大的難點是：

（1）機械跳閘矩陣改為軟件實施。

（2）取消溫度智能卡，改為直接由監控系統監視。

（3）取消大量電氣量變送器，改為微機型多功能電氣量采集裝置。

（4）LCU組態優化設計涉及大量的組態調整，如跳閘矩陣邏輯軟件化組態設計、冗余信號組態優化、SOE組態。

2.2 前期準備

改造期間其他機組能否安全運行關系到改造工作能否正常實施，而充分的前期準備工作是機組改造成功的重要保證。

（1）從安全運行的角度考慮，在機組改造實施前，將改造機組LCU網絡從主網獨立出來，形成能保持電站正常運行的INFI-90環網和改造機組的小環網兩部分，安全隔離電站改造設備和運行設備，待改造部分調試基本完成后再納入主網，以保證機組改造的安全環境和條件。

（2）前瞻性的方案設計。本次改造涉及范圍廣，調整的設備多，修改的監控組態量大，機組需核對的信號點達3 000個，由于準備充分、設計合理，在實際施工中十分順利。

（3）在項目實施前制定周密可行的改造方案，包括項目實施的詳細技術措施、組織措施、安全措施、實施作業指導書和周密的進度計劃。

3 監控系統改造后的效果

3.1 現地LCU設備優化改造

通過改造，將機組LCU柜共12塊監控盤柜（UL01—UL12）中的控制器模件，包括控制器供電電源裝置、控制器模塊、電源模塊、網絡模塊、通信模塊、I/O模塊、網絡設備等，以及I/O信號TU端子板全部進行更換。

將原機組LCU盤柜內的控制器供電電源裝置由Ⅰ型電源裝置改為Ⅲ型電源裝置，該裝置具有電源質量監視和自動無擾切換功能，確保控制器供電電源的連續性和可靠性。

新增1組控制器用于微機型多功能電氣量采集裝置與監控的通信處理，新增2組控制器用于機械跳閘軟件化組態控制。

改造機組與相鄰機組的INFI-90網絡以同軸電纜直接連接方式代替原有的光電轉換裝置連接，提高了INFI-90環網的安全可靠性和維護便利性，同時解決了因原廠光電轉換裝置停產帶來的備品備件缺乏問題。

3.2 SOE系統改造

SOE系統改造后，原信息點全部通過I/O直接接至機組監控系統LCU中的SOE輸入模塊，取消原SOE采集裝置。

本次改造在機組現地LCU上共添加了18塊監控SOE模件，在數據庫中新增288個SOE點，將組態中各SOE信號對應連接到數據庫中，將會引起機組機械跳閘的信號、重要告警和狀態信號直接送入SOE模塊，由SOE模塊和控制器直接進行時標處理和事件排序，與改造機組相關的SOE信息直接通過機組LCU進入INFI-90系統，由INFI-90系統的SOE處理控制器單元來完成改造機組的SOE事件分析和處理，簡化了監控系統的結構，降低了后期運行維護工作量。

3.3 以微機型多功能電參數采樣裝置替代電氣量變送器

機組電氣量一直采用分布式電量變送器和指針式盤表來測量，單臺機組使用6只電流變送器、2只電壓變送器、5只有功變送器、2只無功變送器。改造后，機組現地常規控制柜UCB采用微機型多功能電參數采樣裝置ION7550來替換原有的電氣量表計和變送器。

ION7550的現場接線如圖1所示。TA和TV二次回路直接接入ION7550。在工作電源（48VDC）正常供電時，裝置對采集的電壓、電流信號進行運算分析，輸出有功模擬量信號至電調控制，輸出有功、無功模擬量信號至DCS，用于監測控制邏輯判斷。另外，裝置通過RS-232接口輸出數字信息，應用Modbus通信規約在采樣裝置和DCS系統間傳遞數據和信息。經過數據處理后，各電氣參數實時顯示在畫面上，方便自動化監視。

圖1 ION7550現場應用

3.4 取消溫度智能巡檢裝置

改造后取消UCB盤柜30塊溫度智能卡，將溫度RTD信號直接接入監控系統RTD輸入模塊，改造后推力瓦、上導瓦、下導瓦、定子繞組、主軸密封、推力油封、水導瓦、上/下迷宮等溫度信號通過監控組態軟件設置報警和跳閘溫度閥值，當溫度過高時，采用N選3或N選2方式保護動作。同時每個溫度測點還附設有梯度閉鎖和質量好壞判斷閉鎖，防止因溫度采集回路故障引起測量值突變而造成溫度保護誤動，從而提高了溫度保護的安全性和可靠性。

3.5 機械跳閘矩陣改為軟件實施

機組現地控制柜UCB中原含有2組冗余的機械跳閘矩陣硬接線回路，每組矩陣輸入128點，通過矩陣二極管選擇后輸出動作信號至出口繼電器回路。

改造后取消了這2組跳閘矩陣，在機組監控系統LCU的2組獨立模件柜中各增加1對獨立的控制器及其開關量輸入/輸出模件，通過監控軟件組態編程分別實現2組跳閘矩陣的功能，跳閘矩陣原有的輸入信號通過轉接端子直接接至相應的新增獨立控制器輸入模塊，通過獨立控制器輸出模塊驅動新增跳閘矩陣的出口繼電器回路，矩陣原有的出口繼電器回路保持不變，各信號的跳閘邏輯也保持不變。實現了用2對獨立的控制器及其輸入/輸出模塊來代替原有的2組機械跳閘矩陣硬接線回路，同時設立1個獨立且簡化的常規緊急停機硬接線回路，當控制器故障（包括冗余系統全部故障、工作電源全部失去等）或發生重要的水機事故時（過速、軸承瓦溫過高、事故低油壓時按下緊急落尾水閘門按鈕、按下事故停機按鈕等），啟動機組安全裝置。

3.6 有效改善系統負載

改造前，電站DCS控制器CPU負荷率始終高達80%～90%，未滿足設計指標。經過改造后，系統負載得到有效改善，CPU負荷率降低至約30%，達到了控制器在滿足控制對象要求的運算處理周期條件下，負荷率最高不超過60%、平均不超過40%的技術要求。

4 結語

首臺機組監控自動控制系統自2011年11月完成改造以來，系統運行穩定可靠，未發生危及機組安全運行的故障、缺陷，較好地解決了原監控自動控制系統存在的不足，降低了系統負荷率，提高了機組安全運行能力，也極大方便了運維人員的操作維護。整個改造過程設備結構設計合理，施工組織得當，改造達到了預期的效果。

[1]徐得潛，韓志剛，瞿國壽，等.抽水蓄能電站與火電站配合運行優化模型研究[J].水利發電學報，1996（4）:11-20.

[2]羅予如，袁麗麗.抽水蓄能電站參與的電網短期經濟運行探討[J].水力發電，2007，33（7）:80-81.

[3]王常力，羅安.分布式控制系統（DCS）設計與應用實例[M].北京：電子工業出版社，2010.