三峽工程電站計算機監控系統設計

宋遠超，吳 剛，朱冠廷

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北省武漢市 430010）

1 概述

長江三峽水利樞紐工程是具有防洪、發電、航運等綜合效益的特大型水利工程。三峽樞紐綜合自動化系統龐大，牽涉面廣，為世界水電站自動化系統所鮮見。根據電站廠房布置，三峽樞紐設置有左岸電站計算機監控系統、右岸與地下電站計算機監控系統，及三峽梯級電調計算機監控系統。

三峽左岸電站是國內首個安裝700MW水冷式水輪發電機組的電站，總裝機容量達9800MW，電站計算機監控系統的監控對象眾多且分布廣泛，包括：14臺套700MW水輪發電機組及輔助設備，500kV開關站設備，10、0.4kV廠用電系統及左岸35kV永久變電站，9套直流電源系統、高/低壓空氣壓縮機系統和微正壓空氣壓縮機系統、廠內及大壩檢修/滲漏排水及抽排水系統、電站暖通空調設備、電站火災報警系統等公用系統，以及大壩泄洪閘門設備包括22個底孔泄洪閘門、23個深孔泄洪閘門、2個排漂孔、2個排沙孔等，I/O總點數多達39000點。

根據三峽工程建設進度安排，右岸與地下電站計算機監控系統采用統一設計、分步實施方案，即右岸電站與地下電站采用一套監控系統，監控系統主要廠站層設備及右岸電站現地控制層設備在右岸電站實施時采購并投運。三峽右岸與地下電站計算機監控系統是繼三峽左岸電站計算機監控系統之后的又一特大型水電站計算機監控系統。與左岸電站相比，右岸及地下電站規模更大，需監測與控制的設備更多，監測點更多，控制更復雜。

三峽電站計算機監控系統作為三峽樞紐大壩和電站運行的神經中樞，是否穩定可靠運行，將直接影響到三峽工程防洪功能的實現和電力的安全生產，對國民經濟的發展具有舉足輕重的作用。因此，在計算機監控系統的設計過程中，對三峽電站計算機監控系統總體結構、網絡結構、系統冗余配置方案、巨量實時數據采集、AGC算法等關鍵技術進行了深入研究，以提高監控系統的性能和運行可靠性。

2 總體結構設計

三峽電站計算機監控系統需要傳輸的信息量之大，在已建的大型/特大型水電站中未曾有過，尤其是溫度量信號每臺機組就多達約600點，監控系統的I/O點（總量多達39000點）和數字通信信息總量多到50000點。為了保證電站計算機監控系統的可靠性和實時性，其系統結構的設計和選擇顯得尤為重要。水電站計算機監控系統主要有有主結構和無主結構兩種結構形式。采用有主結構的監控系統，由主機/數據庫服務器采集所有現地控制單元數據并向操作員工作站等其他廠站層設備轉發，廠站層控制命令的下發也需通過主機/數據庫服務器，當其發生故障時，整個廠站層就會失去對電站設備進行監視和控制的能力。無主結構的特點是數據庫服務器中的相關實時信息及操作員工作站中與監視和控制有關的實時信息均直接由LCU分別上送，操作員工作站的命令直接下發到LCU，不需要經過主機/數據庫服務器，因此，即使主機/數據庫服務器發生故障，也不影響操作員工作站的運行和對電站設備的實時監視和控制，從而更大程度地保證電站的安全生產。

基于上述分析和研究，同時考慮到三峽電站對電力系統和國民經濟的重大影響，左岸電站計算機監控系統率先在國內外在單機容量為700MW的大型水電工程自動化系統中采用全分布無主結構技術，解決了系統信息量大和實時性問題，實現了系統功能的分布和系統風險的分散，保證了系統的實時性、電站設備的可控性及安全穩定運行。三峽左岸電站計算機監控系統總體結構如圖1所示。

圖1 三峽左岸電站監控系統總體結構示意圖Fig.1 General structure of computer supervisory and control system for TGP leftbank powerstation

為了確保監控系統的安全性、可靠性及實時性，考慮系統地負荷均衡，三峽左岸電站監控系統、三峽右岸與地下電站計算機監控系統均采用分層分布式系統結構。三峽右岸與地下電站在國際上首次采用三網四層的全冗余分層分布的監控系統總體結構，如圖2所示。

3 網絡結構設計

監控系統控制網連接現地控制層和廠站層設備，是實時信息傳輸的平臺，在監控系統中地位特別重要。左岸電站計算機監控系統控制網采用冗余光纖以太網環形結構，率先在國內外單機容量為700MW的特大型水電站自動化系統中采用該技術。左岸電站建設時，以太網已成為最常用的局域網標準，在拓撲結構上，主要可分為光纖以太環網和總線式以太網兩種。光纖以太環網具有自愈功能，當環網中某一個設備故障或光纜斷開時，也不會影響整個網絡的正常工作。相較于總線式以太網，以太環網大幅提高了監控系統系統網絡的可靠性，保證了三峽左岸電站計算機系統、防洪設施及電力生產的安全穩定運行。

圖2 三峽右岸與地下電站監控系統總體結構示意圖Fig.2 General Structure of computer supervisory and control system for TGP righttbank and underground powerstation

雖然以太環網在可靠性上具有突出的優勢，但在監控系統現場施工過程中，當有新機組投運時，必須先斷開原環網，重新敷設光纜已將新機組LCU接入并成環，在施工過程中有可能監控系統的安全運行造成不利影響。左岸電站的實際經驗表明，當電站機組臺數多，施工周期長，光纖環網敷設將成為施工過程中必須仔細考慮的問題。由于機組LCU并非按照機組號順序投入，施工完成后，各機組LCU之間的光纜連接路徑復雜交錯，對運行維護造成不便。基于上述原因，并考慮到右岸電站與地下電站布置位置及監控系統分步實施的影響，右岸與地下電站計算機監控系統控制網采用了星—環結合的拓撲結構。控制網采用星型拓撲和交換技術，各LCU直接連至交換機，連接簡單，新LCU投入時對系統網絡結構不產生影響。同時，交換式以太網可實現不同節點間信息的同時傳輸，相比以太環網，可大幅提高網絡性能，有利于海量數據的實時采集。采用冗余配置的交換機，同樣可以保證網絡的可靠性。右岸電站與地下電站分別設置了兩套以太網交換機，通過光纜形成環形結構，右岸與地下電站各現地控制單元也采用星形拓撲結構接入各自的控制網交換機。控制網采用這樣的星—環結合的網絡結構，即保證了系統的可靠性，同時在右岸電站現地控制單元設備和地下電站現地控制單元設備間形成清晰的分界面，方便以后地下電站各現地控制單元的接入，并可盡量避免影響已投運設備的運行。

4 關鍵技術方案設計

4.1 現場總線和遠程I/O技術

三峽電站計算機監控系統規模巨大，為世界水電站計算機監控系統所鮮見，監控系統需要監控的對象眾多且分布廣泛，單個LCU的I/O信號均很大（左岸每臺機組LCU所需監視的溫度量信號就多達600點左右），受控對象距離LCU的距離最遠的達3000m。如果LCU采用常用的集中式布置方式，除需要增加大量的信號/控制電纜、電纜橋架設備投資及電纜敷設和電纜橋架安裝工程量，影響單元控制室的布置，甚至需要改變廠房的局部結構，而且還很難解決弱電信號遠距離傳輸的問題。在前期研究和設計工作的基礎上，左岸電站監控系統在國內外率先在單機容量為700MW的特大型水電工程自動化系統中采用了現場總線和遠程I/O技術。各LCU根據被控對象的布置位置就近設置遠程I/O柜，遠程I/O柜與LCU本地控制柜之間通過冗余光纖現場總線進行連接，使得部分電纜通道的控制電纜數量由上百根減少到2根光纜及少數幾根電纜，既很好地解決了前面所述的問題，也為工程節省了大量投資，并縮短了機電設備安裝時間為電站提前發電奠定了基礎。

4.2 LCU局部冗余配置設計

左岸電站監控系統LCU采用雙CPU、雙電源模塊、雙以太網通信模塊、雙現場總線模塊結構。主控制器與所轄的RIO之間通過冗余光纖現場總線（AF100）連接。主控制器中的雙CPU以主/熱備用方式運行，主CPU故障時，熱備用CPU自動承接主CPU的任務，保證任務不中斷且無擾動。主控制器與LCU所轄的其他智能設備之間也通過工業標準總線（包括PROFIBUS-DP、SPABUS等）連接。

右岸與地下電站監控系統LCU的所有主要硬件模塊均采用雙冗余配置，如CPU模塊、電源模塊（包括遠程I/O）、網絡模板、現場總線，冗余部件按熱備用方式運行，切換無擾動。PLC控制器通過雙冗余總線、光纖環網連接各遠程I/O站。每個I/O機箱配置有雙電源模塊，由相互獨立的兩路電源供電。重要的I/O點也采用雙I/O的方式。SOE模塊有獨立的CPU，可接入DCF77編碼脈沖的時鐘信號，事件分辨率達1ms。所有I/O模塊支持帶電插拔，方便檢修維護。

對于機組LCU，為了確保機組事故時能夠自動、安全、可靠停機，在設計時對一些重要的操作（如緊急停機、關進水口閘門、投高壓油、投機械制動、跳滅磁開關、跳廠用開關等）采取雙輸出通道，而且將2個輸出通道分布在2個不同的模塊上，以免單個模塊或通道故障影響機組緊急停機。機組LCU還保留了采用常規繼電器搭建的簡化水機后備保護邏輯回路，用于實現計算機設備故障時機組緊急事故后備停機。此外，在中控室模擬屏上及單元控制室LCU本地控制盤上分別設置了緊急停機/關進水口閘門按鈕，當出現緊急事故時，運行人員還可進行人工干預緊急停機，以確保電廠的安全運行。

對于左岸電站開關站LCU，由于其監控對象特別重要，不允許退出運行，基于LCU控制器采用的單主板雙CPU模塊結構，為進一步提高可靠性，開關站LCU配置2套控制器，以主用/冷備用方式工作，當主用控制器故障或需檢修時，冷備用控制器將由切換回路自動投入，仍然能夠實現對開關站設備的監視和控制。

4.3 700MW巨型水輪發電機組順控流程設計

三峽左岸電站裝設14臺700MW定子水內冷水輪發電機組，在國內為首次應用。由于機組容量巨大且采用了定子水內冷冷卻方式，使得機組溫度監測點數量龐大，ALSTOM機組RTD測點約為590點，而VGS機組約為540點，加上AI測點，每臺機組模擬量輸入點即達到近700點，這是以往的水電機組從未有過的。數量龐大的模擬量輸入點不僅使得LCU數據庫規模龐大，而且對LCU的I/O掃描時間、程序執行周期以及CPU負荷率都造成極其不利的影響。另外，左岸電站水輪發電機組的推力、水導采用了油外循環冷卻方式，并且設置了純水系統，需參與機組流程控制的輔助設備較國內以往的常規水輪發電機組大為增加。以上特點使得三峽左岸電站計算機監控系統LCU控制程序復雜程度超過國內已建的任何一個常規水電機組。三峽左岸電站機組單機容量為700MW，在電力系統中的地位十分重要，機組控制流程的設計即要保證當出現事故時能可靠停機，同時也要盡可能地減少由于信號誤動造成誤停機。因此，在軟件容錯及信號防誤技術等方面結合工程實際特點進行了深入研究，對機組控制流程進行了，并在國內首次編制了700MW水內冷水輪發電機組的控制程序。

4.4 超大型水電廠巨型機組自動發電控制技術

針對三峽電站500kV電氣主接線運行方式復雜，機組容量大、機組臺數多，水頭變幅大，電站出力波動對電網影響大等特點。左岸電站監控系統、右岸與地下電站在AGC/AVC功能設計和程序編制過程中，采取了設置多種聯控模式、多種機組參數配置、修正等功率分配法等措施，取得了良好的運行效果。

5 結束語

三峽工程電站計算機監控系統從設計之初就注重采用國際先進技術，并結合工程實際特點加以應用。同時，三峽工程電站計算機監控系統的設計也是一個不斷總結提高的過程，左岸電站計算機監控系統的成功經驗和實施過程中發現的問題，在右岸及地下電站設計中得到了改進、完善和提高。三峽左岸電站計算機監控系統已建成運行超過15年，右岸及地下電站計算機監控系統投運也已超過了10年，兩系統極大地保障了三峽電廠的安全穩定運行，也為龍灘、溪洛渡、向家壩、烏東德、白鶴灘等后續一系列巨型水電站監控系統的設計提供了有益的借鑒。