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(kāi)發(fā)有限公司，北京100038，2.清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠(yuǎn)511853）

1 概述

抽水蓄能電站負(fù)責(zé)電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用、黑啟動(dòng)等重要任務(wù)；減輕火電機(jī)組調(diào)峰負(fù)擔(dān)，使火電機(jī)組、核電機(jī)組盡量擔(dān)負(fù)基荷和腰荷，保障機(jī)組穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(duì)其監(jiān)控系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。采用先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)是保障抽水蓄能電站安全、可靠運(yùn)行的重要手段。

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象包括4臺(tái)發(fā)變組、500 kV開(kāi)關(guān)站、上水庫(kù)、下水庫(kù)、技術(shù)供水、氣系統(tǒng)、壓油系統(tǒng)等。針對(duì)電站的安全、可靠、智能運(yùn)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(jī)組控制流程

借鑒國(guó)內(nèi)已建蓄能電站控制流程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出一套安全可靠的抽水蓄能機(jī)組控制流程。機(jī)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(dòng)（L）7種常用工況以及黑啟動(dòng)（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(jì)了18個(gè)工況間轉(zhuǎn)換流程（圖1）。

圖1 清蓄機(jī)組工況轉(zhuǎn)換流程圖

控制流程采用順序功能圖編程實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換流程的每一步都設(shè)置有監(jiān)控時(shí)間，如果超過(guò)監(jiān)控時(shí)間步與步之間的跨步條件仍不滿足，則發(fā)出故障信號(hào)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(jī)組生產(chǎn)工藝按要求控制機(jī)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(chǎng)相關(guān)設(shè)備，以保證機(jī)組流程的安全、可靠執(zhí)行。

2.2 全工況自動(dòng)仿真測(cè)試

采用純軟件的機(jī)組程序全工況自動(dòng)仿真平臺(tái)，控制流程采用蓄能機(jī)組控制程序嵌入式仿真測(cè)試軟件進(jìn)行自動(dòng)仿真測(cè)試。無(wú)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(cè)試、開(kāi)出測(cè)試，做到全工況全條件的機(jī)組控制流程自動(dòng)仿真（圖 2）。

圖2 清蓄機(jī)組控制流程自動(dòng)仿真

控制程序測(cè)試提供了接近真實(shí)的仿真環(huán)境，通過(guò)測(cè)試，機(jī)組程序的各種設(shè)計(jì)功能得到了充分的驗(yàn)證，各種存在的缺陷也得到了及時(shí)發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化完善，有效保證了機(jī)組控制程序的正確性、安全性及設(shè)計(jì)的合理性，為監(jiān)控設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試安全順利進(jìn)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.3 KKS標(biāo)準(zhǔn)變量編碼

監(jiān)控系統(tǒng)變量采用了KKS碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編制（圖3），其是一種根據(jù)功能、型號(hào)和安裝位置來(lái)明確標(biāo)識(shí)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(gè)變量的來(lái)源，歸屬的系統(tǒng)，位置信息；控制流程可解讀每一個(gè)條件、開(kāi)出信息，可維護(hù)性強(qiáng)。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(kāi)關(guān)量變位事件順序記錄

現(xiàn)地控制單元通過(guò)采用支持時(shí)間標(biāo)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(shí)現(xiàn)事件順序記錄功能，以硬件中斷的方式記錄開(kāi)入量的狀態(tài)和狀態(tài)變化時(shí)間，分辨率可達(dá)到1 ms。常規(guī)的開(kāi)入量信號(hào)采集，由PLC系統(tǒng)程序在每個(gè)掃描周期從模塊刷新到映射區(qū)，其信號(hào)狀態(tài)的事件分辨率由PLC的掃描周期和廠站級(jí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間決定，一般為0.5～1 s。

在某設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，一方面較短的時(shí)間會(huì)產(chǎn)生大量狀態(tài)信息量，由于狀態(tài)和報(bào)警點(diǎn)信息的事件分辨率較低，無(wú)法分辨出同一采集周期內(nèi)信號(hào)點(diǎn)的先后動(dòng)作順序。另一方面某些信號(hào)短時(shí)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(wú)從判斷事故發(fā)生的原因和全過(guò)程。

系統(tǒng)對(duì)非SOE開(kāi)關(guān)量采用高分辨率變位報(bào)警技術(shù)，在PLC的每個(gè)循環(huán)周期利用沿觸發(fā)器檢測(cè)所有狀態(tài)量信號(hào)上升沿跳變或下降沿跳變，記錄并生成變位信息記錄報(bào)文，包括發(fā)生變位的信號(hào)點(diǎn)的位置信息、信號(hào)點(diǎn)變位狀態(tài)、變位發(fā)生的時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)非SOE開(kāi)關(guān)量事件順序記錄功能，是系統(tǒng)以SOE模件對(duì)重要事件點(diǎn)做事件順序記錄的重要補(bǔ)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(chǔ)，又避免全部采用SOE模件帶來(lái)的成本增加。

通過(guò)開(kāi)關(guān)量高分辨率變位報(bào)警技術(shù)，機(jī)組LCU非SOE開(kāi)關(guān)量（包括DI/DO/內(nèi)部/通信）共5 280點(diǎn)，信號(hào)點(diǎn)事件分辨周期≤30 ms；公用、開(kāi)關(guān)站等LCU信號(hào)點(diǎn)事件分辨周期≤10 ms。

2.5 控制流程實(shí)時(shí)診斷

抽水蓄能機(jī)組LCU多采用順序控制圖的方式進(jìn)行流程編制和控制，相應(yīng)的跨步條件滿足時(shí)流程繼續(xù)執(zhí)行，跨步條件由多設(shè)備狀態(tài)信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯組合獲得。跨步條件某信號(hào)不滿足觸發(fā)流程執(zhí)行超時(shí)故障。目前國(guó)內(nèi)蓄能機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)均能實(shí)時(shí)反饋機(jī)組流程執(zhí)行過(guò)程中跨步條件狀態(tài)信息，但跨步條件信號(hào)狀態(tài)會(huì)隨著跳閘流程執(zhí)行而變化，故難以保持流程故障時(shí)刻的跨步條件信號(hào)狀態(tài)，無(wú)法第一時(shí)間定位故障的直接原因，只能通過(guò)分析生產(chǎn)信息去判斷故障。

系統(tǒng)采用機(jī)組控制流程實(shí)時(shí)診斷技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)視流程執(zhí)行情況，診斷故障信息；標(biāo)識(shí)故障步。確定故障的跨步條件，顯示當(dāng)前各跨步條件實(shí)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)保持故障時(shí)刻的各跨步條件狀態(tài)。自動(dòng)記錄流程故障時(shí)刻跨步條件的信號(hào)狀態(tài)，在機(jī)組啟停失敗后迅速定位故障，縮短故障查找時(shí)間，使得機(jī)組能更快的恢復(fù)備用，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)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(chǎng)總線相結(jié)合方式，搭建面向監(jiān)控對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)交互通信。包括LCU各單元間、LCU與勵(lì)磁、調(diào)速器及油壓裝置、繼電保護(hù)裝置、電量變送器、電度表、振擺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、主變、進(jìn)水閥、尾閘等子系統(tǒng)均采用現(xiàn)場(chǎng)總線通信形式進(jìn)行連接，除了關(guān)鍵的命令、狀態(tài)和報(bào)警跳閘信號(hào)仍保留硬布線信號(hào)外，其他信息均通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線通信交互傳送，從而進(jìn)一步減少電纜敷設(shè)與連接。

通過(guò)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(jí)診斷功能。

2.7 聯(lián)合控制

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

2.7.1 AGC、PJC功能

根據(jù)電站實(shí)際情況考慮約束條件，以迅速、經(jīng)濟(jì)的方式控制整個(gè)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(duì)處于成組控制的機(jī)組自動(dòng)開(kāi)停機(jī)，從而滿足電力系統(tǒng)的需求。

自動(dòng)開(kāi)停機(jī)過(guò)程中，采用P/G方向控制、通過(guò)命令監(jiān)視、狀態(tài)監(jiān)視、超時(shí)監(jiān)視等多種技術(shù)進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控，避免容量設(shè)定錯(cuò)誤、狀態(tài)突變、機(jī)組LCU異常等導(dǎo)致的異常開(kāi)停機(jī)。同時(shí)開(kāi)停機(jī)失敗情況下由其他機(jī)組執(zhí)行。

系統(tǒng)采用分區(qū)間負(fù)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(shí)，由1臺(tái)或2臺(tái)機(jī)組進(jìn)行有功調(diào)節(jié)，可以防止機(jī)組過(guò)于頻繁調(diào)節(jié)。

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

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

2.7.2 AVC功能

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

以運(yùn)行人員或調(diào)度遠(yuǎn)方設(shè)置電壓目標(biāo)值、或當(dāng)前時(shí)段電壓曲線值作為當(dāng)前目標(biāo)電壓值，與實(shí)發(fā)電壓值比較，如果差值超過(guò)死區(qū)，則通過(guò)電壓調(diào)差系數(shù)計(jì)算需要調(diào)節(jié)的無(wú)功值，通過(guò)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(jī)組間進(jìn)行分配，維持母線電壓在死區(qū)限值范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

抽水蓄能電站在電網(wǎng)中主要擔(dān)負(fù)調(diào)峰填谷和事故備用作用，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行比常規(guī)電站更為重要。電力系統(tǒng)對(duì)抽水蓄能電站控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和高級(jí)應(yīng)用功能要求更高。清遠(yuǎn)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(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，增強(qiáng)了抽水蓄能電站對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的保障能力。

H9000計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)在國(guó)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(yàn)與借鑒。