陽江抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)標準化設計

趙勇飛，白劍飛，張 彬，梁 彥，張 勰，汪德勤，張 茜，魯培權

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；2.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510635； 3.四川洪雅百花灘水力發(fā)電有限公司，四川 洪雅 620360）

1 概述

陽江抽水蓄能電站作為國家“十三五”水電發(fā)展規(guī)劃中，40萬kW級設備自主化依托項目，是目前國內(nèi)已投運單機容量最大的抽水蓄能電站，并建成世界首條800 m水頭級鋼筋混凝土襯砌水道，電站已于2022年5月28日全面投產(chǎn)，在電網(wǎng)中承擔調(diào)峰、填谷、緊急事故備用，兼有調(diào)頻、調(diào)相和黑啟動任務。

在國家“以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設”大發(fā)展戰(zhàn)略下，抽水蓄能是大規(guī)模風光發(fā)電上網(wǎng)的核心關鍵環(huán)節(jié)。預計至2030年我國將新增15億kW的新能源裝機規(guī)模，為了應對新能源大規(guī)模上網(wǎng)，需要配套5億kW的調(diào)節(jié)電源。其中，煤電靈活性改造可提供2.5億kW，抽水蓄能提供1.2億kW，新型儲能提供1.8億kW，用戶側(cè)提供0.5億kW。面對大規(guī)模的抽水蓄能電站建設需求，作為控制中樞的監(jiān)控系統(tǒng)要求穩(wěn)定可靠并能夠快速部署，為此在陽江抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)實施過程中，充分考慮了圖紙資料、人機界面、控制流程、系統(tǒng)功能的標準化設計。

2 系統(tǒng)結構

陽江抽水蓄能電站由監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)視與控制，系統(tǒng)采用分層分布式結構，現(xiàn)地控制層由布置在地下廠房、開關站和上、下庫等的多個LCU構成，LCU可對相關監(jiān)控對象設備進行就地控制；中控層當前布置于地下廠房，未來遷移至地面中控室，主要設置有采集、監(jiān)視、通信、存儲、自動控制等相關服務器及網(wǎng)絡、安防、對時設備等；電站由南網(wǎng)總調(diào)進行調(diào)度。

圖1 陽江抽蓄電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

3 系統(tǒng)設計

陽蓄電站機組容量大、水頭高，技術難度高，針對機組監(jiān)控對象和工況較多、工況轉(zhuǎn)換流程復雜，以及抽蓄電站在電網(wǎng)中與上級調(diào)度的關系比常規(guī)電站更為密切等特點，監(jiān)控系統(tǒng)對圖紙、人機界面、控制流程、系統(tǒng)功能等進行了標準化設計與實現(xiàn)，達到了快速部署與安全投運效果。

3.1 圖紙設計

陽蓄監(jiān)控系統(tǒng)圖紙設計在監(jiān)控系統(tǒng)原有標準化圖紙模板的基礎上，充分吸收和借鑒已投運電站在圖紙設計、更新和維護階段的經(jīng)驗，本著制圖風格統(tǒng)一、圖紙繪制清晰、接線圖紙繪制詳實、便于閱讀和檢索等原則，對圖框、圖頁內(nèi)容、圖紙布局進行了詳細規(guī)劃。

按照設備功能單元進行分頁，并根據(jù)項目規(guī)模為各類圖頁進行了頁面預留，避免后期插入新圖頁影響圖紙原有檢索標注。根據(jù)實際設備屬性規(guī)劃設備符號繪制，繪制設備符號說明圖頁，便于圖紙閱讀。對屏柜內(nèi)各設備接線圖以及屏柜對外接線圖進行了布局規(guī)劃和詳細標注，使圖紙更易于進行更新和維護。

3.2 界面設計

為提升抽水蓄能電廠的人機交互功能和界面設計的技術水平，規(guī)范計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機監(jiān)控畫面設計工作，降低值班干擾，提高監(jiān)盤效率，規(guī)避誤操作風險。系統(tǒng)對畫面設置、畫面內(nèi)容、畫面風格等要求進行標準化設計。

監(jiān)控系統(tǒng)畫面包含電廠綜合畫面、機組各系統(tǒng)畫面、公共系統(tǒng)畫面。畫面按一致的風格和背景底色，遵循統(tǒng)一的顏色管理要求，由規(guī)范化的圖元、線條、設備圖案繪制形成，遵循最多雙擊兩次即可定位所需監(jiān)控要素的便捷性要求，信號樹最多設置三級，畫面跳轉(zhuǎn)最多只允許設置兩層，畫面各圖元關聯(lián)測點均可通過右鍵快捷便捷獲取測點相關信息、曲線等。

監(jiān)控系統(tǒng)畫面設置防誤操作設計，電廠各畫面、各二次確認窗口均設置有底紋，用于提醒值班員。監(jiān)控系統(tǒng)涉及電氣設備操作的畫面均根據(jù)電氣五防要求，配置操作閉鎖邏輯，完成隔離操作后可在畫面上裝設標識牌，拆除標識牌方可執(zhí)行恢復操作。

3.3 流程設計

機組設置發(fā)電、旋轉(zhuǎn)備用、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相、靜止和黑啟動運行等7種運行工況。控制流程上設計時充分考慮抽水蓄能電站工況和控制特點，采用流程模塊化分解和組合原則、運用模塊化思想實現(xiàn)流程組合的靈活性，并且結合面向設備對象的編程思想，設備操作的模塊化和接口化，滿足各種生產(chǎn)場景下各控制對象的控制需求，異常響應模式，運行過程中的配合需求等，充分考慮靈活性、獨立性、可擴性以及安全可靠性，同時方便流程在不同電站的復用。

控制程序設計除了要滿足機組正常生產(chǎn)工藝流程的要求，充分考慮各種特殊及緊急情況下設備的控制響應，以及設備與設備之間的安全閉鎖關系與時序要求，流程轉(zhuǎn)換的優(yōu)先性，在安全可靠的基礎上構建機組控制程序設計模型。

機組工況轉(zhuǎn)換流程按照既定邏輯自動執(zhí)行，同時具備單步執(zhí)行功能，單步執(zhí)行時不設置流程步執(zhí)行超時跳閘功能；當流程跨步條件滿足時，操作人員點擊單步執(zhí)行按鈕執(zhí)行下一步操作，若跨步條件不滿足，單步執(zhí)行按鈕點擊無效；流程單步執(zhí)行和自動執(zhí)行模式可隨時切換，且不能影響流程的正常執(zhí)行。

3.4 功能設計

監(jiān)控系統(tǒng)滿足電站常規(guī)監(jiān)視與操作、數(shù)據(jù)采集與處理、運行計算和數(shù)據(jù)交換、調(diào)度通信以外，針對抽水蓄能機組的高度自動化和高級應用要求需求，設置自動發(fā)電/抽水控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）功能、抽水發(fā)電能力計算等。

（1）AGC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)預先設定規(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。原始輸入數(shù)據(jù)包括負荷給定值、容量給定值、負荷曲線、水位、負荷實時值等，上述原始輸入數(shù)據(jù)可通過不同方式進入監(jiān)控系統(tǒng)，如人機聯(lián)系、數(shù)據(jù)采集等。根據(jù)相關邏輯進行自動開停機、自動啟停泵，自動負荷調(diào)節(jié)。為確保安全，系統(tǒng)對AGC功能所需的各有關參數(shù)進行合理性檢測或相關數(shù)據(jù)檢測。當檢測到異常數(shù)據(jù)、突變數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)可進行合理性判斷，并自動閉鎖AGC功能，防止發(fā)生誤動。

（2）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，完成量測采集、策略計算、控制調(diào)節(jié)、異常響應、安全約束限制等，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)。在受控母線電壓、機組無功、機組有功、機端電壓、機端電流、勵磁電流、廠用電電壓等重要電氣量出現(xiàn)擾動大于閾值時，閉鎖全廠AVC控制，擾動消失后延時 10 s恢復。相關電氣量越限時AVC暫停控制并閉鎖上/下調(diào)節(jié)，擾動消失后，恢復AVC正常控制。

（3）抽水發(fā)電能力計算

通過上下庫自動采集水位信號，實時進行上、下庫當前庫容、死水位庫容計算，并根據(jù)機組運行情況，進行可發(fā)電、抽水時間，可溢流發(fā)電、抽水時間，上、下庫一級高可發(fā)電、抽水時間計算，建議發(fā)電、抽水方案等抽水發(fā)電能力計算，并具備警戒報警功能。

4 結束語

陽江抽水蓄能電站的順利投產(chǎn)，監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，運行期間零跳機。為國內(nèi)后續(xù)大規(guī)模建設同類電站奠定了堅實技術基礎，面對大規(guī)模的抽水蓄能電站建設需求，作為控制中樞的監(jiān)控系統(tǒng)標準化設計、快速部署與投運極為重要。