溪洛渡右岸孤島試驗監控系統的設計與實現

劉曉彤，楊春霞，文正國，李天毅，高 偉

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京100038）

0 引言

孤島運行方式是在直流系統送端與若干電廠形成相對獨立的“孤島”系統，即與大電網交流系統不聯網、直接通過直流系統將電力送往受端。溪洛渡右岸電站接入南方電網，在南方電網中，大容量、遠距離輸電的直流系統以孤島方式運行可避免直流系統故障后大規模電量轉移到交流輸電通道，從而提高整個交直流系統的穩定水平和輸電能力。孤島運行是溪洛渡電廠接入南方電網的正常運行方式。

南方電網仿真重點實驗室大規模RTDS實時仿真系統，搭建了含溪洛渡直流實際控制保護系統，溪洛渡電廠部分機組的實際調速器、勵磁控制器、右岸電站監控系統、RTDS仿真試驗平臺。監控系統作為直流孤島RTDS仿真試驗系統架構的重要組成部分，可以協助仿真分析直流孤島系統穩定特性，控制系統的調節性能和響應特性，可以為電廠機組調速器和勵磁控制系統的改造、建模以及運行提供試驗依據，提出電站控制系統邏輯與參數優化的方案。

1 溪洛渡直流孤島RTDS仿真試驗系統架構

溪洛渡直流孤島運行特性研究的實時仿真平臺，將發電側機組的控制系統接入仿真平臺并與溪洛渡直流控制保護系統等形成閉環仿真平臺。溪洛渡直流孤島RTDS仿真試驗系統結構見圖1。

圖1 溪洛渡直流孤島RTDS仿真試驗系統結構

南方電網主網架（主要包括溪洛渡直流、溪洛渡電廠及其交流線路等）采用RTDS實時數字仿真器進行模擬，溪洛渡電廠機組調速器、勵磁控制及監控二次系統均采用與現場相同的裝置。RTDS仿真系統經過功率放大器向調速器、勵磁控制系統及監控二次系統提供必要的模擬電壓電流信號。

溪洛渡直流孤島試驗平臺主要由溪洛渡電廠兩臺機組的調速控制裝置（1面組屏）、兩臺機組的勵磁調節器和PSS裝置（1面組屏）、右岸電廠監控系統（2面組屏和1臺上位機服務器）、5組功率放大器單元，以及模擬溪洛渡直流系統及其他電力元件的RTDS仿真器構成。勵磁控制柜和調速電氣控制柜模擬溪洛渡右岸10號、11號機組的勵磁和調速控制，電廠的其他機組采用RTDS仿真平臺純數字勵磁系統和調速器模型數字模擬12～18號機組的勵磁和調速控制，并與電廠監控系統通信。

電廠勵磁控制、調速器通過采集發電機定子電壓電流、機端電壓電流信號、機組斷路器開合狀態，經計算處理向RTDS機組提供勵磁電壓和導葉開度量，從而構成一個閉環測試系統。

RTDS仿真平臺模擬溪洛渡右岸電站9臺發變組、自并勵靜止勵磁器功率單元等一次系統，勵磁控制柜、調速電氣控制柜、電廠監控系統所需要的機端電壓、定子電流、同步電壓、系統側母線電壓等均由RTDS專用模擬量輸出卡GTAO提供，所需的開關量如機端斷路器合閘等信號經GTDO卡提供。勵磁調速控制器輸入到RTDS仿真平臺的模擬量為±10 V的信號，監控系統輸入到RTDS仿真平臺的模擬量。為4～20 mA的信號，輸入到RTDS仿真平臺的開關量均為+24 V信號。

2 孤島運行監控裝置研究與實現

2.1 孤島運行監控系統概況

監控系統LCU采集自RTDS仿真系統、調速器、勵磁系統的信號，模擬多臺機組PID功能（有功功率調節、無功功率調節），上位機服務器模擬電站監控系統上位機，兼具數據采集服務器和應用服務器的功能，采集監控系統LCU的數據，執行AGC、AVC功能，把運算確定的每臺機組的有、無功目標值下發至對應機組PID功能塊，LCU通過開出繼電器發出脈沖信號給相應機組的調速器和勵磁系統。通過監控系統可以研究在普橋直流孤島方式下，直流自動功率調整功能、頻率限制控制FLC與電廠AGC功能的協調控制能力。監控系統與調速、勵磁、RTDS仿真系統的數據交互情況見圖2。

孤島運行監控系統LCU控制單元作為整個RTDS仿真系統的數據傳輸、處理中心，采集處理自RTDS仿真平臺、調速控制裝置、勵磁調節器的數據，監控系統功率調節，并下發有功調節、無功調節命令給調速勵磁控制系統單元，是上位機系統和現地調速勵磁系統設備、RTDS試驗的重要紐帶。

2.2 孤島運行監控系統LCU配置

根據RTDS仿真系統架構，監控現地LCU控制單元PC1柜中采用昆騰系列140 CPU65150，內部為Intel Pentium 586芯片，工作主頻為266 M，自帶4 M用戶邏輯存儲卡，1個Modbus Plus（MB+）接口，1個Modbus接口，在實際配置中增配了3 MB的存儲擴展卡，總存儲容量擴增至7 MB。其PLC具體配置如下：1塊CPU模塊140 CPU65150，2塊以太網模塊，3塊DI量模塊、4塊AI量模塊、4塊AO量模塊、6塊電源模塊、以及相應的S908總線等系統配件。在監控系統PC2柜配置9臺機組的機端電壓、機端頻率、有功/無功功率變送器，采集機組出口側數據。具體見圖3。

圖2 監控系統與調速、勵磁、RTDS仿真系統數據交互情況

圖3 監控系統LCU配置

其LCU系統功能如下：

（1）數據采集

1）采集 DI、DO、AI、AO 等模塊類型的實時數據。

2）采集PC2信號采集柜中的機組、線路各種非電氣量、電氣量，經處理后上送全廠控制層（主控級）及現地顯示。

（2）模擬9套PLC系統

采集處理調速器、勵磁系統、RTDS仿真系統數據信號，并在PLC內編寫了9套機組的開機、停機、緊急停機流程、以及每臺機組的功率負荷調節相關程序，實現RTDS仿真系統的現場實際情況模擬。

（3）安全運行監視

與主控級配合，實現安全監視，主要包括實時狀態監視及過程監視等。

（4）與廠站層通信

通過施耐德NOE以太網模塊光纖接入到電站冗余控制網實現現地控制單元與廠站層通信，進行下位機與上位機數據交換。

2.3 孤島運行監控系統軟件優化實現

孤島運行監控系統上位機與下位機數據交換方式與H9000監控系統標準版不同，溪洛渡電站H9000監控系統的每臺機組配置有獨立的PLC系統，而孤島運行監控系統試驗裝置只需要采集與電網相關的最重要的部分數據，數據量規模比較小，只需要1套簡單的PLC系統即可滿足要求，因此需要把9套PLC系統的數據和流程整理到一套PLC中完成。

實現這一過程，有兩個方案可以選擇：

（1）按照H9000規約的標準處理方式，即將所有的測點線性排列，重新編寫PLC程序，這樣的話，孤島運行監控系統的數據庫結構與電站監控系統就會不一致，所有配置文件、畫面、計算庫、閉鎖庫、AGC和AVC的相關配置等隨之也需要修改，相當于重新集成一套監控系統，工作量大且不便于使用。

（2）盡量維持數據庫結構不變，可以使孤島運行監控系統與電站監控系統的數據庫結構保持一致，配置文件、畫面、計算文件、閉鎖庫、計算庫、AGC和AVC的相關配置等基本不需要改變。

溪洛渡電廠的H9000監控系統采用多通道并行的通信模式來完成數據采集和命令下行，為了保證各PLC數據采集時的獨立性，數據采集程序為每一個LCU建立單獨的子進程，每個LCU采集子進程采用多線程技術，按數據類型與PLC建立多路TCP/IP連接，實現每個PLC數據掃描周期的多重數據并行傳送請求與處理，使數據采集與處理能力提高6～8倍，實現了特大型電站海量數據的高可靠性與高實時性采集。但多線程模式并不適合孤島運行監控系統，QUANTUM PLC最多支持64個socket請求，但一個PLC掃描周期所能并發處理的最大socket請求數為8個。溪洛渡右岸電站計算機監控系統共有9套LCU，每套LCU建立了7個線程。如果采用多線程方式，PLC建立的連接多達63個，雖然低于QUANTUM PLC支持的最大socket請求數，但遠遠大于一個PLC掃描周期所能并發處理的最大socket請求數，導致數據采集響應速度降低，長時間運行還導致PLC無法響應，數據采集出現錯誤。因此多線程方式適合海量數據的高可靠與高實時性采集，孤島運行試驗平臺監控系統總體數據量小，單線程方式即可實現對所有數據類型的及時響應，同時保證高可靠性[1-3]。

孤島運行監控系統最終采用第2個方案，即保持數據庫結構和配置文件等盡量與現場一致，在數據采集和下令方面對H9000監控系統通信規約做了修訂，在上位機采用單線程模式，實現了孤島運行監控系統基本維持水電站監控系統的基本架構，最大程度的減小了工程集成的工作量，也減少了試驗工作量,提高了工作效率和正確性。

3 結束語

溪洛渡右岸電站直流孤島試驗平臺包含了溪洛渡電廠實際的勵磁調速系統、電站監控系統、溪洛渡直流控制保護系統，實現了兩臺機組的勵磁調速控制系統的接入，其他7臺機組采用RTDS純數字模型進行控制，監控系統實現全站AVC、AGC控制。采用RTDS模擬溪洛渡直流運行的各種工況，可以研究溪洛渡直流孤島運行方式下機網協調的控制特性，對溪洛渡直流孤島方式下的安全穩定運行具有重要意義。監控系統作為平臺的樞紐，負責平臺的數據采集和控制調節，除與調速、勵磁以及直流系統協作，還可進行溪洛渡直流孤島方式下AGC和AVC的仿真試驗，驗證孤島運行方式下AGC和AVC運行策略和安全措施，優化調整運行參數。