永泰抽水蓄能電站計算機監控系統設計與應用

張中弛

（福建永泰閩投抽水蓄能有限公司，福建 福州 350700）

永泰抽水蓄能電站位于福州市下轄的永泰縣白云鄉，與福州市、莆田市、泉州市和廈門市的直線距離分別為37 km、60 km、120 km和192 km，距莆田500 kV變電站約89 km，靠近負荷中心，上網條件較好。電站為日調節純抽水蓄能電站，裝機容量1 200 MW（4×300 MW），工程開發任務為承擔福建電網調峰、填谷、調頻、調相及緊急事故備用等。電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及開關站等建筑物組成[1]。

電站按照“無人值班”（少人值守）的要求設計，設置計算機監控系統對全廠進行集中控制，采用南瑞集團有限公司生產的SJ-600型計算機監控系統，系統結構為分層分布式，分為電站控制級（上位機系統）和現地控制級（下位機系統），兩層之間通過冗余光纖快速交換式以太環網進行通信?，F地控制級設有9套現地控制單元（LCU1～LCU9），分別對廠房機組、廠房公用設備、主變洞設備、中控樓、上水庫、下水庫設備實現控制。在電站監控系統外，另設有開關站控制系統，均采用基于LINUX操作系統跨平臺的全分布開放系統結構的NC3.0監控系統軟件。

1 硬件配置和網絡結構

1.1 電站控制級設備

電站控制級設備主要包括：2套實時數據服務器、2套歷史數據服務器、3套操作員工作站、1套工程師工作站、1套培訓工作站、1套廠內通信工作站、2套通信接口工作站、1套語音電話自動告警工作站、1套大屏幕顯示設備、1套衛星同步時鐘系統、UPS電源、打印機等設備。各實時數據服務器、歷史數據服務器、工作站都與2套網絡交換機相連接，形成冗余的電站控制級網絡，電站監控系統結構如圖1所示。

電站控制級具有數據采集和處理、監視、控制和調節、自動發電控制、自動電壓控制、記錄與報警、人機接口、運行管理與指導、通信等功能[2]。

圖1 電站監控系統結構

1.2 現地控制級設備

現地控制級由以計算機為基礎的現地控制單元（LCU）組成，每個現地控制單元由CPU、內存、智能I/O接口及相應硬軟件組成，并包括人機交互接口設備，可編程邏輯控制器（PLC）采用南瑞MB80系列PLC?，F地控制單元能很好地監控其管轄范圍內的生產過程，通過網絡總線與電站控制級通信，且具有可編程能力，可實現手動分步操作和自動操作。

現地控制單元能脫離電站控制級，獨立完成實時數據采集及預處理，對單元設備狀態進行監控、調整和控制[2]。各現地控制單元與保護裝置、勵磁系統、調速系統、同步裝置以及廠用電、輔機和公用設備控制裝置、直流系統等監控對象以數字通信為主，結合遠程I/O設備和部分硬布線連接，數字通信采用以太網和現場總線技術。

現地控制級還設有獨立于監控系統用于機組事故停機和緊急事故停機的硬布線回路，包括：事故停機按鈕、緊急事故停機按鈕和復位鑰匙等。硬布線回路采用獨立可編程控制器（PLC），電源獨立。當機組背靠背啟動時，事故停機（或緊急事故停機）分別通過硬布線回路同時作用于另一臺機組的事故停機回路（或緊急事故停機回路）；當機組由SFC拖動時，事故停機（或緊急事故停機）同樣分別通過硬布線回路同時作用于SFC緊急停止回路。

1.3 開關站控制系統

開關站控制系統由站控層和測控單元組成。站控層主要設備包括：2套主計算機服務器、2套操作員工作站、1套防誤工作站、2套通信接口工作站、2套遠動工作站、打印機等設備。各主計算機服務器、工作站都與2套網絡交換機相連接，形成冗余的站控層網絡。

每個測控單元由測控裝置及相應硬軟件組成，經過I/O接口與生產設備相連，通過通信接口接到網絡交換機上，與站控層交換信息，可實現手動操作和自動操作。測控單元可以脫離站控層，直接完成實時數據采集及預處理、狀態監視和同步控制。開關站控制系統結構如圖2所示。

1.4 監控系統網絡結構特點

永泰抽水蓄能電站分別設有電站監控系統和開關站控制系統，兩套系統通過各自的通信接口工作站實現信息交互。電站監控系統采用雙環形網絡結構，設置完全獨立的2套單環形網絡，所有終端設備均同時連接至對應的2臺環形網絡交換機上，從而提高了網絡的冗余容錯能力，可允許同時出現3處故障，不影響網絡通信功能。開關站控制系統采用雙星形網絡結構，設置完全獨立2套的單星形網絡，所有終端設備均以星形方式同時連接至2臺交換機上，實現冗余功能。

圖2 開關站控制系統結構

兩套系統針對各自控制對象的分布情況，采用不同的網絡結構。開關站測控裝置屏柜集中安裝在開關站繼保樓內，開關站控制系統采用的雙星形網絡結構具有結構簡單、可靠性和傳輸效率高的優勢，而且故障診斷和隔離更容易。

電站監控系統的控制對象分散在上水庫、下水庫、地下廠房、主變洞和中控樓內，各控制對象的距離較遠，采用雙環形網絡結構可以減少敷設電纜長度，節約成本，同時又具備較好的設備和鏈路冗余，可靠性也較高。但是在組網施工過程中，由于各現地控制單元施工有先后順序，要形成完整的環形網絡比較困難，需要采取臨時跳線措施。另外，在多臺機組同時檢修的情況下，如1號機組現地控制單元和3號機組現地控制單元同時檢修，可能造成中間的2號機組現地控制單元網絡中斷，也需要在檢修前采取臨時跳線措施，搭建環網。

2 抽水蓄能機組工況轉換控制流程設計

大型抽水蓄能電站與常規水電站相比，在運行方式和控制過程上有很大區別。常規水輪發電機組的基本運行工況僅有停機、發電和發電調相3種，工況變換不過6種，如圖3(a)所示；而抽水蓄能機組的基本工況除了與常規機組相同的3種外，還有抽水和抽水調相2種工況，同時還具備黑啟動和帶線路零起升壓的能力，如圖3(b)所示[3]。

2.1 “停機至發電”工況轉換流程

機組處于停機狀態，當監控系統收到發電命令后，分四段完成命令，依次執行“停機至停機熱備”、“停機熱備至空轉”、“空轉至空載”、“空載至發電”的工況轉換，最終實現“停機至發電”的整個工況轉換過程。

圖3 常規機組和抽水蓄能機組的基本運行工況及工況轉換

收到命令后，首先判斷“停機至停機熱備”的轉換條件是否滿足，條件滿足后，退出蠕動檢測裝置、啟動技術供水系統、啟動高壓油頂起裝置油泵以及其他輔助設備，機組進入“停機熱備態”。

然后判斷“停機熱備至空轉”的轉換條件是否滿足，條件滿足后，依次執行將換相刀閘合于發電方向、退出機械制動、退出導葉鎖定、開啟進水球閥、向調速器發水輪機開機命令。導葉逐步開啟，機組轉速開始上升，上升至大于90%額定轉速后，停止高壓油頂起裝置油泵，機組進入“空轉態”。

隨后判斷“空轉至空載”的轉換條件是否滿足，條件滿足后，設置勵磁系統為發電模式，并發勵磁建壓命令。機端電壓開始上升，當機端電壓大于90%額定電壓后，機組進入“空載態”。

最后判斷“空載至發電”的轉換條件是否滿足，條件滿足后，啟動機組同期裝置，待機組出口斷路器合閘后，設定機組初始功率。待機組功率大于設定的初始功率后，機組進入“發電態”。

2.2 “停機至抽水（SFC啟動）”工況轉換流程

機組處于停機狀態，當監控系統收到抽水命令后，分三段完成命令，依次執行“停機至停機熱備”、“停機熱備至抽水調相”、“抽水調相至抽水”的工況轉換，最終實現“停機至抽水”的整個工況轉換過程。

“停機至停機熱備”的轉換過程與前述“停機至發電”工況轉換流程中的第一段相同，機組進入“停機熱備態”?！巴C熱備至抽水調相”的轉換條件滿足后，將換相刀閘合于抽水方向、合機組被拖動刀閘和啟動母線刀閘，向勵磁發電動機模式令（SFC啟動）。待充氣壓水成功和機械制動退出后，啟動SFC，SFC拖動機組旋轉。待機組轉速大于90%額定轉速后，停止高壓油頂起裝置油泵，設置勵磁為AVR自動控制方式，啟動機組同期裝置，待機組出口斷路器合閘、SFC輸出開關分閘后，停止SFC，分機組被拖動刀閘和啟動母線刀閘，機組進入“抽水調相態”。

“抽水調相至抽水”的轉換條件滿足后，將機組無功功率降至0 MW。執行回水排氣子程序后，確認蝸殼平壓閥和蝸殼排氣液壓閥已關閉。開啟球閥，向調速器發抽水命令，待球閥全開、導葉開度大于水泵運行最小開度后，機組進入“抽水態”。

在流程執行過程中，如遇單步程序執行不成功，則發出報警；如是影響流程執行的重要單步程序不能完成，則退出流程；對影響機組安全運行的故障，還需執行正常停機或事故停機。

2.3 抽水蓄能機組和常規機組的工況轉換流程區別

從上述兩項工況轉換流程可以看出抽水蓄能機組的“停機至發電”工況轉換流程與常規機組基本無差別，同樣，“發電至停機”工況轉換流程也基本一致。大部分常規機組雖然有發電調相工況，但極少運行在該工況下。抽水蓄能機組的抽水、抽水調相工況是常規機組沒有的，而且“停機至抽水”工況轉換流程中的程序步驟明顯多于“停機至發電”工況轉換流程，另外還需具備線路充電、黑啟動功能。運行工況更多，轉換流程更復雜，都是抽水蓄能電站工況轉換流程設計過程中面臨的困難。

3 模塊化工況轉換控制流程

3.1 工況轉換控制流程的模塊化設計

永泰抽水蓄能電站將機組運行工況劃分為穩態運行工況和暫態運行工況，穩態運行工況能夠作為操作員選擇目標，暫態運行工況則不能作為操作員選擇目標[4]，穩態運行工況共9種，分別是：停機、空轉、空載、發電、發電調相、抽水、抽水調相、黑啟動、線路充電；暫態運行工況有5種，分別是：停機熱備、旋轉停機、BTB拖動、BTB抽水、SFC抽水。對整個機組控制流程進行梳理，將可直接實現工況轉換的流程定義為子流程，共定義23項子流程，流程結構如圖4所示。

整個機組控制流程可全部模塊化，每種可實現的穩態運行工況間的轉換流程都由若干個子流程模塊組合而成，例如“停機至發電”可由“1+2+3+4”四個子程序組成。在模塊化基礎上，還設置有優先級，停機命令優先于發電、發電調相和抽水、抽水調相命令，一旦停機命令被選中，其它控制命令均被禁止。在操作過程中，若運行狀態發生變化，或機組設備發生故障，不允許操作繼續時，自動中斷操作過程使程序退出，并進入事故停機控制流程，使機組停機。

圖4 機組工況轉換控制流程結構

3.2 模塊化流程設計特點

抽水蓄能機組運行工況數量遠超常規機組，如果對每個工況轉換控制流程編寫單獨的控制程序，以永泰抽水蓄能電站為例，就達到了三十余項。每項轉換流程中的執行指令、條件判別、故障報警數量多，程序冗長復雜，且后期再增加新的工況間的轉換程序又產生很大的工作量，復雜的程序增加了設計過程中出現錯誤的可能性，對電站安全穩定運行造成隱患。

模塊化程序設計極大地方便了程序的編寫，提高了程序的復用率，三十余項工況轉換流程均可以由23項子流程組合而成，未來再新增轉換流程也只需選擇對應的子流程進行組合，而無需新增子流程，減少了后期維護和技改難度。同時，子流程的程序步驟更少，進行檢查、校核均比較方便，提高了程序的可靠性。因此，在大型抽水蓄能機組工況轉換控制流程設計時采取模塊化設計有明顯優勢，可較好地實現流程編寫和修改方便，且節省內存。

4 結語

永泰抽水蓄能電站監控系統采用分層分布式系統結構、更適合控制對象的網絡結構和模塊化工況轉換控制流程，有效保證了系統的穩定性和可靠性，增強了系統的冗余能力和可擴展能力，提升了電站機組自動化水平，同時能進一步降低運維人員的勞動強度，契合抽水蓄能電站“無人值班”（少人值守）的發展方向，也為后續電站智能化發展奠定良好基礎。