抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用

趙勇飛，白劍飛，彭煜民，劉曉波，谷東永

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038，2.清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠511853）

1 概述

抽水蓄能電站負責(zé)電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用、黑啟動等重要任務(wù)；減輕火電機組調(diào)峰負擔(dān)，使火電機組、核電機組盡量擔(dān)負基荷和腰荷，保障機組穩(wěn)定經(jīng)濟運行，保證電網(wǎng)穩(wěn)定、安全，具有顯著的節(jié)能降耗和環(huán)保效益。因此，抽水蓄能電站在電網(wǎng)中具有不可替代的作用。隨著電網(wǎng)的日趨復(fù)雜多變，抽水蓄能電站作為調(diào)峰調(diào)頻電廠，對其監(jiān)控系統(tǒng)的要求也越來越高。采用先進的自動控制技術(shù)是保障抽水蓄能電站安全、可靠運行的重要手段。

清遠抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象包括4臺發(fā)變組、500 kV開關(guān)站、上水庫、下水庫、技術(shù)供水、氣系統(tǒng)、壓油系統(tǒng)等。針對電站的安全、可靠、智能運行需求，采用了一系列的技術(shù)應(yīng)用。

2 抽水蓄能監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

2.1 安全可靠的抽水蓄能機組控制流程

借鑒國內(nèi)已建蓄能電站控制流程的設(shè)計和運行經(jīng)驗，開發(fā)出一套安全可靠的抽水蓄能機組控制流程。機組工況設(shè)置了靜止（S）、旋轉(zhuǎn)備用（SR）、發(fā)電（G）、發(fā)電調(diào)相（GC）、抽水（P）、抽水調(diào)相（PC）、背靠背拖動（L）7種常用工況以及黑啟動（BS）、線路充電（LC）兩種不常用工況。根據(jù)工況轉(zhuǎn)換需求，設(shè)計了18個工況間轉(zhuǎn)換流程（圖1）。

圖1 清蓄機組工況轉(zhuǎn)換流程圖

控制流程采用順序功能圖編程實現(xiàn)，轉(zhuǎn)換流程的每一步都設(shè)置有監(jiān)控時間，如果超過監(jiān)控時間步與步之間的跨步條件仍不滿足，則發(fā)出故障信號并停止本流程的所有操作跳轉(zhuǎn)執(zhí)行跳閘流程。

轉(zhuǎn)換流程的每一步根據(jù)機組生產(chǎn)工藝按要求控制機組設(shè)備，發(fā)出設(shè)備操作指令。轉(zhuǎn)換流程發(fā)出的設(shè)備操作指令要經(jīng)設(shè)備控制邏輯判斷后再出口控制現(xiàn)場相關(guān)設(shè)備，以保證機組流程的安全、可靠執(zhí)行。

2.2 全工況自動仿真測試

采用純軟件的機組程序全工況自動仿真平臺，控制流程采用蓄能機組控制程序嵌入式仿真測試軟件進行自動仿真測試。無需借助外部硬件設(shè)備，直接嵌入LCU控制器，完成全部的跨步條件組合測試、開出測試，做到全工況全條件的機組控制流程自動仿真（圖 2）。

圖2 清蓄機組控制流程自動仿真

控制程序測試提供了接近真實的仿真環(huán)境，通過測試，機組程序的各種設(shè)計功能得到了充分的驗證，各種存在的缺陷也得到了及時發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化完善，有效保證了機組控制程序的正確性、安全性及設(shè)計的合理性，為監(jiān)控設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試安全順利進行打下了堅實的基礎(chǔ)。

2.3 KKS標準變量編碼

監(jiān)控系統(tǒng)變量采用了KKS碼標準進行編制（圖3），其是一種根據(jù)功能、型號和安裝位置來明確標識發(fā)電廠中的系統(tǒng)、設(shè)備、組件和建構(gòu)筑物的編碼體系。系統(tǒng)可定位每一個變量的來源，歸屬的系統(tǒng)，位置信息；控制流程可解讀每一個條件、開出信息，可維護性強。信息分類與編碼為“數(shù)字化、智能化電廠”建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

圖3 KKS編碼

2.4 高精度開關(guān)量變位事件順序記錄

現(xiàn)地控制單元通過采用支持時間標簽記錄功能的PLC接口模塊配合支持硬件中斷的快速數(shù)字量輸入模塊（SOE模塊）實現(xiàn)事件順序記錄功能，以硬件中斷的方式記錄開入量的狀態(tài)和狀態(tài)變化時間，分辨率可達到1 ms。常規(guī)的開入量信號采集，由PLC系統(tǒng)程序在每個掃描周期從模塊刷新到映射區(qū)，其信號狀態(tài)的事件分辨率由PLC的掃描周期和廠站級系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間決定，一般為0.5～1 s。

在某設(shè)備發(fā)生故障時，一方面較短的時間會產(chǎn)生大量狀態(tài)信息量，由于狀態(tài)和報警點信息的事件分辨率較低，無法分辨出同一采集周期內(nèi)信號點的先后動作順序。另一方面某些信號短時間出現(xiàn)并復(fù)歸（幾十毫秒），可能未能被采集到導(dǎo)致信息丟失，無從判斷事故發(fā)生的原因和全過程。

系統(tǒng)對非SOE開關(guān)量采用高分辨率變位報警技術(shù)，在PLC的每個循環(huán)周期利用沿觸發(fā)器檢測所有狀態(tài)量信號上升沿跳變或下降沿跳變，記錄并生成變位信息記錄報文，包括發(fā)生變位的信號點的位置信息、信號點變位狀態(tài)、變位發(fā)生的時間信息，實現(xiàn)非SOE開關(guān)量事件順序記錄功能，是系統(tǒng)以SOE模件對重要事件點做事件順序記錄的重要補充。既可為后續(xù)事件原因分析提供更全面、可靠的信息存儲，又避免全部采用SOE模件帶來的成本增加。

通過開關(guān)量高分辨率變位報警技術(shù)，機組LCU非SOE開關(guān)量（包括DI/DO/內(nèi)部/通信）共5 280點，信號點事件分辨周期≤30 ms；公用、開關(guān)站等LCU信號點事件分辨周期≤10 ms。

2.5 控制流程實時診斷

抽水蓄能機組LCU多采用順序控制圖的方式進行流程編制和控制，相應(yīng)的跨步條件滿足時流程繼續(xù)執(zhí)行，跨步條件由多設(shè)備狀態(tài)信號經(jīng)過邏輯組合獲得。跨步條件某信號不滿足觸發(fā)流程執(zhí)行超時故障。目前國內(nèi)蓄能機組監(jiān)控系統(tǒng)均能實時反饋機組流程執(zhí)行過程中跨步條件狀態(tài)信息，但跨步條件信號狀態(tài)會隨著跳閘流程執(zhí)行而變化，故難以保持流程故障時刻的跨步條件信號狀態(tài)，無法第一時間定位故障的直接原因，只能通過分析生產(chǎn)信息去判斷故障。

系統(tǒng)采用機組控制流程實時診斷技術(shù)，實時監(jiān)視流程執(zhí)行情況，診斷故障信息；標識故障步。確定故障的跨步條件，顯示當(dāng)前各跨步條件實時狀態(tài)，同時保持故障時刻的各跨步條件狀態(tài)。自動記錄流程故障時刻跨步條件的信號狀態(tài)，在機組啟停失敗后迅速定位故障，縮短故障查找時間，使得機組能更快的恢復(fù)備用，實現(xiàn)對機組流程故障的智能診斷功能。

2.6 智能設(shè)備交互

監(jiān)控系統(tǒng)與其他各系統(tǒng)之間采用I/O與Profibus-DP現(xiàn)場總線相結(jié)合方式，搭建面向監(jiān)控對象的現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)交互通信。包括LCU各單元間、LCU與勵磁、調(diào)速器及油壓裝置、繼電保護裝置、電量變送器、電度表、振擺監(jiān)測系統(tǒng)、主變、進水閥、尾閘等子系統(tǒng)均采用現(xiàn)場總線通信形式進行連接，除了關(guān)鍵的命令、狀態(tài)和報警跳閘信號仍保留硬布線信號外，其他信息均通過現(xiàn)場總線通信交互傳送，從而進一步減少電纜敷設(shè)與連接。

通過智能設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信交互，保證高速數(shù)據(jù)傳送功能，統(tǒng)一通信協(xié)議，支持不同廠商設(shè)備的互換性，直接互連性也改善了設(shè)備間的通信，提供了設(shè)備級診斷功能。

2.7 聯(lián)合控制

系統(tǒng)采用抽蓄機組自動控制AGC、PJC、AVC功能聯(lián)合控制技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動啟停、發(fā)電與抽水的轉(zhuǎn)換，負荷及電壓的調(diào)節(jié)，有效地優(yōu)化了全廠機組運行狀態(tài)，增強了抽水蓄能電站對電網(wǎng)安全運行的保障能力。

2.7.1 AGC、PJC功能

根據(jù)電站實際情況考慮約束條件，以迅速、經(jīng)濟的方式控制整個抽水蓄能電站有功功率的發(fā)出和吸收，根據(jù)預(yù)先設(shè)定規(guī)則對處于成組控制的機組自動開停機，從而滿足電力系統(tǒng)的需求。

自動開停機過程中，采用P/G方向控制、通過命令監(jiān)視、狀態(tài)監(jiān)視、超時監(jiān)視等多種技術(shù)進行過程監(jiān)控，避免容量設(shè)定錯誤、狀態(tài)突變、機組LCU異常等導(dǎo)致的異常開停機。同時開停機失敗情況下由其他機組執(zhí)行。

系統(tǒng)采用分區(qū)間負荷分配策略，設(shè)置有功設(shè)定變化區(qū)間，有功設(shè)定變幅在區(qū)間內(nèi)時，由1臺或2臺機組進行有功調(diào)節(jié)，可以防止機組過于頻繁調(diào)節(jié)。

（1）全廠有功設(shè)定在變幅區(qū)間內(nèi)時，全廠有功設(shè)定值增加時，實發(fā)有功占最大容量比例小的機組優(yōu)先增加負荷，當(dāng)增加負荷超出該機組可增加容量范圍時，該機組有功設(shè)定值為機組運行區(qū)間上限值，下一臺占最大容量比例小的機組優(yōu)先增加；全廠有功設(shè)定值減少時，機組實發(fā)有功占最大容量比例大的機組優(yōu)先減負荷，當(dāng)減少負荷超出該機組可減少容量范圍時，該機組有功設(shè)定值為機組運行區(qū)間下限值，下一臺占最大容量比例大的機組減少。

（2）全廠有功設(shè)定在變幅區(qū)間外時，采用各機組等比例負荷分配策略。

2.7.2 AVC功能

AVC功能根據(jù)上級調(diào)度、電站的要求及安全運行約束條件、P-Q曲線，考慮進相運行深度限制，機端電壓限制，定子、轉(zhuǎn)子電流的限制，合理分配機組間的無功功率，經(jīng)機組控制單元調(diào)節(jié)機組勵磁，維持母線電壓于給定的變化范圍內(nèi)。

以運行人員或調(diào)度遠方設(shè)置電壓目標值、或當(dāng)前時段電壓曲線值作為當(dāng)前目標電壓值，與實發(fā)電壓值比較，如果差值超過死區(qū)，則通過電壓調(diào)差系數(shù)計算需要調(diào)節(jié)的無功值，通過按容量比例分配原則在參加聯(lián)合調(diào)節(jié)的發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相機組間進行分配，維持母線電壓在死區(qū)限值范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

抽水蓄能電站在電網(wǎng)中主要擔(dān)負調(diào)峰填谷和事故備用作用，對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行比常規(guī)電站更為重要。電力系統(tǒng)對抽水蓄能電站控制系統(tǒng)的自動化程度和高級應(yīng)用功能要求更高。清遠抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)各技術(shù)的應(yīng)用，有效地優(yōu)化了全廠機組運行狀態(tài)，增強了抽水蓄能電站對電網(wǎng)安全運行的保障能力。

H9000計算機監(jiān)控系統(tǒng)各項技術(shù)在國內(nèi)大型抽水蓄能電站的應(yīng)用，可為其他抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)提供經(jīng)驗與借鑒。