海南瓊中抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)

高 雄，陳 偉，周浩琪

(海南蓄能發(fā)電有限公司，海南海口570100)

0 概 述

海南瓊中抽水蓄能電站(以下簡稱“海蓄電站”)位于海南省瓊中縣境內(nèi)，電站距海南省海口市、三亞市直線距離分別為106、110 km，距海南昌江核電站直線距離98 km。海蓄電站上、下水庫均在南渡江腰仔河的支流黎田河上游河段，電站安裝3臺單機容量為200 MW的混流可逆式水泵水輪發(fā)電機組，總?cè)萘繛?00 MW，按日調(diào)節(jié)運行。

海蓄電站建成于2018年7月實現(xiàn)全面投資后在系統(tǒng)中的主要任務(wù)是調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等。計算機監(jiān)控系統(tǒng)是電站的運行控制核心。為此，本文主要介紹海蓄電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、配置、功能和技術(shù)特點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置

海蓄電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)負責電站運行的實時監(jiān)控，采用分層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)(CSCS)，分為現(xiàn)地控制層、中控層和調(diào)度層。按“無人值班，少人值守”原則進行總體設(shè)計。電站由海南省中調(diào)進行調(diào)度，計算機監(jiān)控系統(tǒng)負責實現(xiàn)與其接口，傳送信息和接收調(diào)度指令。監(jiān)控系統(tǒng)采用1 000 Mbps光纖雙環(huán)冗余以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線作為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。其基本的結(jié)構(gòu)配置如圖1所示。

圖1 海蓄電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

調(diào)度層設(shè)2套互為熱備用的調(diào)度通信工作站、通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和2M專線連接海南中調(diào)和備調(diào)。

(1)中控層采用多微機結(jié)構(gòu)。地面中控樓的計算機監(jiān)控系統(tǒng)機房和中控室設(shè)2套互為熱備用的應(yīng)用服務(wù)器、2套互為熱備用的歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器集群、一套磁盤陣列存貯器、2套相互獨立的操作員工作站、1套工程師工作站、1套培訓仿真工作站、1套語音報警工作站、1套廠內(nèi)通信工作站、1套電站電能管理系統(tǒng)、2套1 000 MB核心交換機、1套冗余配置的UPS電源設(shè)備、1套雙衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)設(shè)備等。考慮到電站調(diào)試和運行人員巡視方便，地下廠房調(diào)試監(jiān)控室內(nèi)另配1套操作員工作站。其中服務(wù)器采用AIX7.1系統(tǒng)，工作站采用Redhat 6.5系統(tǒng)，監(jiān)控軟件采用南瑞NC2000，歷史數(shù)據(jù)庫軟件采用Mysql。

(2)現(xiàn)地控制層設(shè)備包括3套機組LCU、1套廠用電及公用設(shè)備LCU、1套抽水啟動LCU、1套開關(guān)站LCU，1套中控室LCU、1套上庫LCU和1套下庫LCU。LCU以西門子PLC控制器為核心。布置于地下廠房內(nèi)的機組LCU、抽水啟動LCU、廠用電及公用設(shè)備LCU與布置在開關(guān)站二次設(shè)備室的開關(guān)站LCU及布置在計算機監(jiān)控系統(tǒng)機房的兩臺核心交換機組成雙光纖環(huán)網(wǎng)；上庫LCU和下庫LCU接入兩臺核心交換機形成雙光纖星網(wǎng)。各LCU以西門子S7- 400型CPU為核心，采用雙CPU雙通信模塊冗余結(jié)構(gòu)。配一體化工控機或15吋彩色液晶觸摸按鍵屏方便現(xiàn)地操作。

2 系統(tǒng)主用功能

2.1 調(diào)度層功能

海蓄電站接受海南省中調(diào)調(diào)度。監(jiān)控系統(tǒng)通過調(diào)度通信工作站向海南中調(diào)實時上傳遙測、遙信量。如各斷路器位置信號、機組有功、無功出力值、母線電壓等，接收調(diào)度層下行的遙調(diào)量，直接實現(xiàn)對機組的控制和調(diào)節(jié)。

2.2 中控層功能

為操作員提供操作方便、適應(yīng)性強的人機交互界面，對機組和其他設(shè)備進行監(jiān)視、控制。實時生成事件簡報，對異常情況光字報警，語音報警。采集運行人員需要的數(shù)據(jù)，自動生成報表。

(1)對本電站所有被控對象進行監(jiān)控。加載工程配置，建立數(shù)據(jù)交換緩沖區(qū)，實時數(shù)據(jù)處理，提供實時數(shù)據(jù)服務(wù)。

(2)歷史數(shù)據(jù)存儲，同步，備份，支持以集群方式對其他節(jié)點提供歷史數(shù)據(jù)的服務(wù)。支持一覽表查詢和歷史曲線功能。

(3)自動發(fā)電控制(AGC)功能、自動電壓控制(AVC)功能。

(4)負責主機和現(xiàn)地控制層、外部設(shè)備等各個通訊進程的管理。

(5)監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點管理和配置。節(jié)點間數(shù)據(jù)交互，節(jié)點的狀態(tài)監(jiān)視，雙機熱備管理。

(6)用戶管理和配置。為不同用戶設(shè)置不同的權(quán)限。

(7)全面的控制流程閉鎖及報警，每一步控制均有詳細的控制閉鎖判斷，所有的控制過程均有詳細的信息記錄。

圖2 1號機組LCU硬件故障定位

2.3 現(xiàn)地控制層功能

機組LCU監(jiān)控范圍包括水泵水輪機、發(fā)電電動機、機組斷路器、主變壓器、機組進水閥、尾水閘門、機組附屬及輔助設(shè)備等。

抽水啟動LCU監(jiān)控范圍主要為SFC及其輔助設(shè)備

(1)廠用電及公用設(shè)備LCU監(jiān)控廠用13.8 kV斷路器、廠用高壓變壓器、廠內(nèi)各10 kV配電系統(tǒng)、各400 V主配電盤、各400 V分配電盤、地下廠房220 V交、直流控制電源系統(tǒng)和中壓氣系統(tǒng)等。

(2)開關(guān)站LCU監(jiān)控范圍包括地面220 kV開關(guān)設(shè)備、開關(guān)站220 V交、直流電源系統(tǒng)和220 kV保護系統(tǒng)等設(shè)備。

(3)上庫LCU監(jiān)控范圍包括上水庫區(qū)域內(nèi)的水力測量、公用設(shè)備及配電系統(tǒng)設(shè)備、上庫220 V直流電源以及進出水口閘門等。

(4)下庫LCU監(jiān)控范圍包括下水庫區(qū)域內(nèi)的水力測量、公用設(shè)備及配電系統(tǒng)、下庫220 V直流電源以及進出水口閘門、錐形閥等。

各LCU根據(jù)需要完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，存入數(shù)據(jù)庫；與電站中控層進行數(shù)據(jù)交換，實時上送電站中控層所需的過程信息，接收電站中控層的命令；對監(jiān)控對象進行控制、調(diào)節(jié)，與相關(guān)區(qū)域的設(shè)備通信；在沒有電站中控層命令或脫離電站中控層的情況下，各LCU也能獨立完成對所控設(shè)備的閉環(huán)或開環(huán)控制，保證機組安全運行和開停機操作。

3 系統(tǒng)技術(shù)特點

3.1 安全設(shè)計

(1)計算機監(jiān)控系統(tǒng)控制分為調(diào)度層控制、電站中控層控制、現(xiàn)地控制單元層LCU控制和監(jiān)控對象設(shè)備的就地控制。其中，對象設(shè)備的就地控制權(quán)限最高，LCU層控制權(quán)其次，再后為中控層，調(diào)度層的控制權(quán)限最低。

(2)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備采用冗余配置，如實時服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、主交換機、各LUC的CPU和通信模塊。通信網(wǎng)絡(luò)也構(gòu)成雙環(huán)網(wǎng)和雙現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)。配置多個操作員站。監(jiān)控系統(tǒng)的供電均采用不間斷電源(UPS)供電。

(3)對于重要的信號加設(shè)硬布線回路，和PLC的布線構(gòu)成雙回路；以保證PLC故障時，相關(guān)邏輯也能正常執(zhí)行，加強機組的安全性。

(4)機組LUC另外配置事故后備PLC，構(gòu)成事故動作的邏輯回路，保證在主PLC故障時也能完成緊急停機，防止事故擴大。

(5)下位機程序設(shè)計中。通過對順序控制流程的分析，整理出機組啟動前需要滿足的預(yù)啟動條件，對預(yù)啟動條件進行監(jiān)視報警，保證機組處于備用狀態(tài)。操作設(shè)備前對設(shè)備的可用性進行判斷，防止在異常情況下啟動設(shè)備。

(6)上位機對操作員的操作進行可用性檢查和二次確認，防止誤操作。

3.2 自診斷和故障智能定位功能

(1)硬件故障診斷，可在線或離線自檢設(shè)備的故障。它能定位到模塊并顯示在上位機畫面上。在現(xiàn)場更換故障部件后即恢復(fù)正常工作。1號機組LCU的硬件故障定位如圖2所示。

(2)軟件故障診斷。應(yīng)用軟件運行時，若遇故障能自動給出故障性質(zhì)及部位。

(3)故障智能定位。機組啟停或運行中發(fā)生故障，能定位到故障設(shè)備和相應(yīng)子流程，并在上位機畫面報警。故障智能定位縮小故障排除范圍，縮短維護人員緊急缺陷處理時間，加快機組恢復(fù)備用速度。1號機組流程故障定位見圖3。

圖3 1號機組流程故障定位

3.3 遠程I/O

機組LCU在發(fā)電機層、中間層、水輪機層、400 V配電盤各布置遠程I/O柜。相關(guān)設(shè)備可以就近接入各遠程I/O柜，簡化布線，減少前期電纜敷設(shè)工作，降低成本，方便后期維護。機組LCU遠程I/O結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.4 自主設(shè)計的“智能+直觀化”人機界面

海蓄電站所有人機界面均由電站自動化人員獨立設(shè)計及維護，經(jīng)歷工廠聯(lián)合開發(fā)、現(xiàn)場靜態(tài)調(diào)試、動態(tài)調(diào)試、中控室值班員合理化建議、1號機組試運行及商業(yè)運行，人機界面升級100余次，歷時300多天。充分吸收惠州抽水蓄能電站(ALSTOM監(jiān)控系統(tǒng))、清遠抽水蓄能電站(中水科監(jiān)控系統(tǒng))、紅屏抽水蓄能電站(南瑞監(jiān)控系統(tǒng))人機界面優(yōu)點，并結(jié)合南瑞監(jiān)控自身特點，以“中控室值班員”視角，形成了以“智能+直觀化”為主要特點的人機界面；從而起到了引導(dǎo)值班員全面精準監(jiān)盤的作用，提高了運行人員操作能力和效率和維修人員檢修效率。

3.5 復(fù)雜的工況轉(zhuǎn)換

海蓄電站的機組工況包括：停機、空轉(zhuǎn)、空載、發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相、抽水、黑起動8種穩(wěn)態(tài)；停機熱備、旋轉(zhuǎn)停機、背靠背(BTB)拖動、靜止變頻啟動(SFC)抽水調(diào)相、背靠背啟動抽水調(diào)相5種暫態(tài)。共有23個主要流程，14個子流程。通過全面研究各種工況的條件及相互間關(guān)系，并在詳細的測試中不斷調(diào)整，形成了可靠的控制程序。正常開停機工況轉(zhuǎn)換流程結(jié)構(gòu)如圖5所示，事故停機工況轉(zhuǎn)換流程結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖4 機組LCU遠程I/O結(jié)構(gòu)

圖5 正常開停機工況轉(zhuǎn)換流程結(jié)構(gòu)

圖6 事故停機工況轉(zhuǎn)換流程結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 語

海蓄電站的第1臺機組于2017年12月投入商業(yè)運行，全部機組于2018年8月投入商業(yè)運行。截至目前，3臺機組共發(fā)電245次，成功244次；抽水169次，成功166次；抽水調(diào)相193次，成功189次，滿足調(diào)度的各項運行指標。系統(tǒng)由海南蓄能發(fā)電有限公司運維人員和廠家聯(lián)合開發(fā)，開發(fā)過程中參考了中國南方電網(wǎng)其他抽水蓄能電站的設(shè)計經(jīng)驗。對安全設(shè)計的重視，調(diào)試和運行過程中對系統(tǒng)的合理優(yōu)化，使得海蓄電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)擁有良好的安全品質(zhì)，運行穩(wěn)定可靠，保障機組順利完成了調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相的任務(wù)。