仙居抽水蓄能電站計算機監控系統結構與功能

操俊磊，陳 龍，姜海軍

（南京南瑞集團公司水利水電技術分公司，江蘇省南京市 211106）

仙居抽水蓄能電站計算機監控系統結構與功能

操俊磊，陳 龍，姜海軍

（南京南瑞集團公司水利水電技術分公司，江蘇省南京市 211106）

本文簡述了浙江仙居抽水蓄能電站概況及其機組運行方式，闡述了計算機監控系統的設計原則、系統配置及網絡結構，并詳細介紹了監控系統的主要功能以及上位機NC3.0軟件的特色和優勢。

抽水蓄能；監控系統；結構；功能；NC3.0

0 引言

仙居抽水蓄能電站位于浙江省仙居縣湫山鄉境內的永安溪上，地處浙東南用電負荷中心，是國家“十一五”規劃重點建設工程，屬于一等大（1）型工程，由國網新源控股有限公司、浙江省電力公司、華東電網有限公司、上海市電力公司和仙居縣資產經營公司共同投資建設。電站總投資58.51億元，安裝4臺37.5萬kW大型抽水蓄能機組，是國內單機容量最大的抽水蓄能電站。

1 背景

2016年4月12日，我國單機容量最大（375MW）的抽水蓄能電站——浙江仙居抽水蓄能電站首臺機組成功并網發電，這標志著我國完全掌握了抽水蓄能的核心技術，為今后大規模建設抽水蓄能電站提供了技術支撐。電站最核心的監控部件采用南京南瑞集團公司SSJ-3000計算機監控系統，開創了大型抽水蓄能電站計算機監控系統自主創新的新局面。

通過自主創新，南京南瑞集團公司攻克抽水蓄能機組多工況轉換、啟動運行及控制保護策略等技術難題，成功研制出具有完全自主知識產權的大型抽水蓄能電站計算機監控系統，其功能、性能都達到或超過國際先進水平，打破了國外的技術壟斷，掌握了核心技術，實現了抽水蓄能電站控制設備自主化，很大程度上促進了我國電力裝備制造業的科技進步。

2 機組運行方式

仙居抽水蓄能電站機組運行方式較為復雜，工況包括：停機、靜止、空載、發電、發電調相、抽水、抽水調相等7種穩定工況，同時具備黑啟動功能。

機組運行的工況轉換主要有：停機→靜止；停機→空轉；空轉→空載；空載→發電；發電→發電調相；發電調相→發電；發電→空載；空載→空轉； 空轉→旋轉；發電調相→旋轉；靜止→抽水調相（SFC拖動）；靜止→抽水調相（BTB拖動）；停機→旋轉（BTB作為拖動機）；抽水調相→抽水；抽水→抽水調相；抽水→旋轉；抽水調相→旋轉；抽水→發電（緊急）；抽水→發電（正常）；停機→黑啟動。

仙居機組工況轉換如圖1所示。

3 監控系統設計原則

本文介紹的計算機監控系統，充分考慮了網絡技術的迅速發展和計算機軟、硬件快速更新的特點。對于監控系統的網絡結構、相應的功能及系統配置，總的設計原則如下：

圖1 仙居抽水蓄能電站機組工況轉換圖Fig. 1 Conversion diagram of Xianju unit working condition

（1）在滿足可靠性和實用性的前提下，盡量按國際先進水平進行設計，采用“無人值班”（少人值守）的運行值班方式，監控系統采用全計算機監控的模式，設置統一的全廠計算機監控系統，不再設置獨立的常規集中監控設備。但出于電站安全可靠性考慮，另外設置簡單的緊急停機、安全閉鎖和事故動作的硬布線回路，滿足對電站重要設備進行緊急處理的可靠性要求。

（2）計算機監控系統采用開放性的分層分布式系統結構，當系統中任何一部分設備發生故障時，系統整體以及系統內的其他部分仍能繼續正常工作且功能不會減少，且各現地控制單元（LCU）能脫離主控級獨立運行。

（3）系統高度可靠、冗余，上位機采用雙機冗余熱備結構，監控網絡采用雙光纖冗余環網配置，LCU 采用雙網雙CPU 熱備冗余配置，其系統本身的局部故障不影響現場設備的正常運行。

（4）實現電站計算機監控系統與省調和網調監控系統、電站MIS 系統（信息管理系統）、電站設備狀態監測與分析系統、全廠火災自動報警系統、全廠通風空調系統、廠用電系統電能計量等的通信。

（5）系統采用成熟、可靠、標準化的硬件、軟件和網絡結構，且有長期的備品和技術服務支持。

（6）軟件采用模塊化、結構化設計，保證系統的可擴展性，滿足功能增加及規模擴充的需要。

（7）系統高度可靠，實時性好，抗干擾能力強，適應現場環境。選用開放式、全分布的系統結構，系統配置和設備選型適應計算機發展迅速的特點，具有先進行和向后兼容性，能充分保護用戶的投資。

4 系統配置及網絡結構

仙居抽水蓄能電站計算機監控系統采用開放式分層分布系統。系統各功能分布在系統的各個節點上，每個節點嚴格執行指定的任務，并通過系統網絡與其他節點進行通信。仙居抽水蓄能電站整個監控系統由電站主控級和單元控制級等設備組成。主控級包括2 套冗余數據服務器、3套冗余操作員工作站、1套工程師站、2 套調度通信工作站、1 套廠內通信工作站、1套語音報警服務器、2套GPS 時鐘同步裝置及外圍設備等。單元控制級設有10 套現地控制單元，包括4 套機組LCU、1 套廠房公用LCU、1 套主變壓器洞LCU、1套500kV 開關站LCU、1 套開關站公用LCU、1 套中控樓LCU和1 套上水庫LCU。

主控級與LCU之間采用100Mbps交換式冗余以太環網進行通信，通信協議為TCP/IP 網絡協議。LCU與其他計算機控制子系統之間通過現場總線進行信息交換，對于無法采用現場總線進行通信的設備采用硬布線I/O 進行連接。另外，對于重要的安全運行信息、控制命令和事故信號除采用現場總線通信外，還通過I/O 點直接連接，實現雙路通道通信，確保通信安全可靠。

監控系統結構圖如圖2所示。

5 監控系統功能

本計算機監控系統應具有對監控對象進行監控、數據采集與處理、運行計算和數據交換、操作培訓等多方面功能，同時能夠接收調度指令，并將所需數據傳送到調度，以便對整個系統進行有效的監控。

5.1 調度級功能

本電站受華東網調和浙江省調調度。電站監控系統通過遠動工作站向華東網調和浙江省調EMS系統發送上行遙測、遙信量，接收華東網調和浙江省調EMS系統下行的遙控、遙調量，直接控制機組或經電站計算機監控系統電站控制級控制和調節整個電廠；另外，通過遠動工作站與調度中心的數據通信網進行批量數據信息交換，原則上電站控制級的數據全部都能上送調度中心。

圖2 仙居計算機監控系統網絡結構圖Fig. 2 Network structure diagram of Xianju computer monitoring system

5.2 電站控制級功能

電站計算機監控系統應迅速、準確、有效地完成對本電站被控對象的安全監控。電站控制級應具有數據采集與處理、實時控制和調節、參數設定、監視、記錄、報表、運行參數計算、通信控制、系統診斷、系統仿真、軟件開發和畫面生成、系統擴充（包括硬件、軟件）、運行管理和操作指導等功能。

5.3 現地控制級功能

（1）機組現地控制單元（LCU1～4）監控范圍包括水泵水輪機、發電電動機、主變壓器、機組進水閥、尾水事故閘門、機組附屬及輔助設備、離相封閉母線及附屬設備等。機組現地控制單元設備布置于主廠房發電機層機旁；設置發電/電動機遠程I/O，布置在主廠房中間層機旁，監控范圍包括發電/電動機及其附屬設備等；設置水泵/水輪機遠程I/O，布置在主廠房水輪機層機旁，監控范圍包括水泵/水輪機及其附屬設備等。

（2）廠房公用設備現地控制單元（LCU5）布置在副廠房LCU室。設置公用設備遠程I/O，布置在各主要設備控制屏處。本單元監控范圍包括主、副廠房內公共輔助設備，廠房220V直流電源系統等。

（3）主變洞現地控制單元（LCU6）布置在主變壓器洞LCU室。設置10kV廠用電設備遠程I/O，布置在10kV高壓開關柜室。本單元監控范圍包括SFC及其輔助設備、主變壓器洞18kV電壓等級的配電裝置、18/10kV廠用變壓器、廠房10/0.4kV廠用變壓器，廠房10kV和0.4kV電壓等級的廠用電配電裝置等。

（4）500kV開關站現地控制單元（LCU7）布置在繼保樓繼保室。本單元監控范圍包括500kV開關設備、500kV母線、500kV電纜、500kV系統繼電保護裝置等。設置地下廠房主變洞遠程I/O，布置在地下廠房主變洞LCU室，用于對地下500kV設備的監視和控制。

（5）開關站公用設備現地控制單元（LCU8）布置在繼保樓繼保室。本單元監控范圍包括開關站繼保樓的輔助設備，主要有繼保樓220V直流電源系統、開關站繼保樓廠用電配電裝置、消防及生活水泵系統等；設置柴油發電機系統遠程I/O，布置在柴油機房，主要監控柴油發電機等；下水庫進出水口遠程I/O，布置在下水庫啟閉機樓，主要監視下水庫進出水口攔污柵、水位測量設備及廠用電配電裝置等；設置下水庫溢洪道遠程I/O，布置在下水庫溢洪道閘門啟閉機室，主要監控下水庫溢洪道閘門及其附屬設備、下庫放空管錐形閥及蝶閥、廠用電配電裝置等；設置下水庫放水系統遠程I/O，布置在下水庫泄放洞工作閘門啟閉機室，主要監控下庫泄放洞工作閘門及其附屬設備、下庫泄放洞進口事故閘門及其附屬設備、廠用電配電裝置等。

（6）中控樓現地控制單元（LCU9）布置在中控樓控制設備室。本單元監控范圍包括：中控樓區域公共輔助設備、業主營地區域公共輔助設備、10kV電站施工配電站等。

（7）上水庫公共設備現地控制單元（LCU10）布置在上水庫啟閉機樓控制設備室。本單元監控范圍包括上水庫進出水口事故閘門及其附屬設備、上水庫水位測量設備、上水庫220V直流電源系統、廠用電配電裝置等。

6 獨立光纖硬布線緊急操作系統

光纖硬布線緊急操作系統獨立于電站監控網絡之外，在發生水淹廠房等事故時，能夠實現緊急停機和快速落上、下水庫閘門的功能，事故信號同時也送至計算機監控系統現地控制單元，通過電站計算機監控系統雙環網實現冗余的緊急控制，有效防止事故的進一步擴大，很大程度上提高了電站的安全等級。

光纖硬布線系統連接示意圖如圖3所示。

圖3 光纖硬布線系統連接示意圖Fig. 3 Connection diagram of optical fiber hard wired system

（1）中控室LCU部分。中控室緊急控制箱中信號為緊急停機的按鈕信號、緊急關閉機組尾水閘門的按鈕信號、緊急關閉上庫1～3 號進水口閘門的按鈕信號，實現方式為：這些按鈕信號以無源接點的方式通過光端機傳輸至廠房公用LCU，由廠房公用LCU 中的獨立水機PLC 對各控制對象進行控制。

（2）廠房公用LCU部分。兩只水淹廠房緊急按鈕控制箱布置于地下廠房發電機層主要疏散通道上，廠房公用 LCU 接收來自地下廠房的緊急停機按鈕控制箱和水淹廠房裝置的無源接點信號，當接收到上述信號后，通過獨立于監控系統的水機PLC 輸出無源接點信號去各機組的水機停機回路和尾水閘門關閉回路，由于和上庫距離遠，通過光端機將關閉上庫進出水口閘門信號送至上庫。

（3）上庫LCU部分。上水庫現地控制單元內設置獨立光纖硬布線緊急操作系統點對點光端機及光端機信號擴展回路，將地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纖硬布線緊急操作系統PLC傳來的關閉閘門命令輸出至相應的上水庫進出水口事故閘門控制柜。

7 監控軟件NC3.0的應用

NC2000計算機監控系統軟件是面向水利水電行業研制的大型計算機監控系統軟件。該軟件是具有跨平臺能力、全面支持異構平臺的多層分布式面向對象的計算機監控系統軟件，已在200余家大中型項目中獲得廣泛應用。

隨著水電廠智能化改造的逐步深入，南京南瑞集團公司結合成熟產品和先進技術，推出了新一代的NC2000 V3.0計算機監控平臺（簡稱NC3.0），以滿足水電站生產過程控制智能化、運行調度決策智能化、數據信息一體化的要求。

新接入的NC3.0計算機監控系統較原先NC2000 V2.0版本有了長足的進步。

7.1 統一標準的數據存儲

NC3.0作為統一的數據信息平臺，可以實現生產I區各自動化系統之間的資源整合，通過通用標準的數據接口方式，對各子系統數據進行抽取、傳輸、加工、統計、存儲，形成廠級數據中心，從而為生產管理和決策分析提供數據基礎。此過程需要滿足數據集成的完整性、一致性、準實時性、接口規范性、訪問安全性等要求，數據交換技術和數據存儲技術是構建數據分析處理平臺的關鍵技術。

7.2 完備的統計分析

NC3.0監控平臺提供了完備的生產過程數據記錄和統計功能，增加新的數據記錄類型，如新增模擬量越復限時間點與持續時間段查詢、開關量點動作持續時間段最值查詢等功能，提高了數據記錄信息的準確性和完整性，滿足電站各種運行參數的統計分析報表的制作要求；改進了人機接口環境，提高軟件使用的易用性和綜合展示效果。

簡報窗口也有很大改善，用戶可自定義報警信息的顯示特性（顏色、字體和條目等）、報警窗口類型和多窗口簡報信息，支持列表顯示當前事故/故障信息，并且報警信息可按對象進行過濾、屏蔽、確認等操作，也支持動作次數、越復限次數、梯度變化等綜合報警。

7.3 自動化部署與集中管理

7.3.1 資源配置智能化

監控系統包含大量的應用功能，如AGC/AVC、LCU數據采集、IEC104/101調度通信、直采直送功能等，每個應用的部署均須維護配置信息，手動配置經常會導致錯誤和不一致性的發生。NC3.0提供了智能的資源配置界面，根據應用要求、協議標準、閉鎖原則，自動生成必要的配置信息，對標準的通信程序還提供了通信監視界面，簡化上述應用功能的調試和維護。

7.3.2 配置管理自動化

每個應用程序維護其自身的配置信息，監控平臺為每一個/類配置創建相應的管理，將應用程序檔案文件連同其配置信息自動傳送到需要的不同環境中去。這樣，整個系統的就會更加易于維護和管理。

7.3.3 系統進程集中管理

提供直觀圖形化的操作界面，展示操作系統資源信息、應用進程信息并可進行可視化操作，使系統維護更加簡便和通用；實現了NC3.0系統進程的狀態診斷，提供可靠的進程守護功能；實現系統進程日志登載，提供在異常情況下自動生成系統的異常自診斷報告功能，以便于系統問題的離線分析；在不重啟操作系統條件下，實現了NC3.0系統的安全可靠重載和進程啟停。

7.3.4 完備的權限管理

NC3.0對用戶的應用權限進行了更細粒度的設計，系統可通過對用戶在系統功能、用戶級別、目標對象和操作節點等方面的允許范圍進行定義，規范用戶權限。權限管理支持組群功能，同一群組下可以建多個用戶，各用戶不用單獨進行權限定義，統一使用群組權限。

8 結束語

仙居抽水蓄能電站計算機監控系統在設計方面充分考慮和采用了現代計算機控制的各種先進技術，如開放性和可擴展性好、分層分布結構、多重冗余技術和現場總線技術等，能實現容錯功能和系統冗余功能，最大程度地保證了電廠的安全、高效運行，完全能夠滿足抽水蓄能電站對生產設備監視和控制的要求，是一種先進的抽水蓄能電站計算機監控系統。電站建成后，將承擔華東電網的調峰、調頻、調相和事故備用等任務，可有效緩解電網的調峰矛盾，優化浙江能源結構，提高系統的運行質量，為電網安全運行提供可靠保證。

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2017-04-10

2017-05-23

操俊磊（1992—），男，助理工程師，主要研究方向：水電廠計算機監控系統工程實施。

E-mail：caojunlei@sgepri.sgcc.com.cn

陳 龍（1982—），男，工程師，主要研究方向：水電廠計算機監控系統工程管理及現場實施。

E-mail：chenlong@sgepri.sgcc.com.cn

姜海軍（1980—），男，高級工程師，主要研究方向：水電廠計算機監控系統工程管理及現場實施。

E-mail：jianghaijun@sgepri.sgcc.com.cn

Structure and Function of Computer Monitoring System for Xianju Pumped Storage Power Station

CAO Junlei，CHEN Long，JIANG Haijun
（Water Resources and Hydropower Company，NARI Group Corporation，Nanjing 211106，China）

This paper briefly describes the general situation and operation mode of pumped storage power station in Zhejiang Xianju pumping unit，elaborates the computer monitoring system design principles，system configuration and network structure，and introduces the main functions of the monitoring system and the PC NC3.0 software features and advantages.

pumped storage； monitoring system； structure；function； NC3.0

TP27

A學科代碼：570.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.008