抽水蓄能電站計算機監控系統自主化歷程與成就

姜海軍，王惠民，單鵬珠，杜晨輝，喻洋洋

（國網電力科學研究院/南瑞集團公司，江蘇省南京市 211006）

抽水蓄能電站計算機監控系統自主化歷程與成就

姜海軍，王惠民，單鵬珠，杜晨輝，喻洋洋

（國網電力科學研究院/南瑞集團公司，江蘇省南京市 211006）

文中介紹了我國抽水蓄能電站計算機監控系統的自主化歷程，總結了抽水蓄能電站計算機監控系統自主化取得的成就，在此基礎上分析了抽水蓄能電站自主化計算機監控系統技術特點。

抽水蓄能電站；監控系統；自主化；歷程；成就

0 引言

抽水蓄能電站在電力系統中主要承擔著“削峰填谷” “調頻調相”和“事故備用”等作用，是大電網安全穩定運行、新能源和可再生能源大規模接入電網的重要保障，是堅強智能電網不可或缺的組成部分。隨著我國電網容量的不斷擴大以及新能源和可再生能源大規模建設，急需建設一批大型抽水蓄能電站[1]。

我國抽水蓄能電站建設起步比較晚，20世紀80年代中期以后，我國加快了抽水蓄能電站建設步伐，興建了一批大型抽水蓄能電站，如廣州廣蓄(8×300MW)、北京十三陵(4×200MW)、浙江天荒坪(6×300MW)、山東泰山(4×250MW)、浙江桐柏(4×300MW)、江蘇宜興(4×250MW)、安徽瑯琊山(4×150MW)、河北張河灣(4×250MW)、山西西龍池(4×300MW)、河南寶泉(4×300MW)、湖北白蓮河(4×300MW)、廣東惠州(8×300MW)、湖南黑麋峰(4×300MW)、遼寧蒲石河(4×300MW)和安徽響水澗(4×250 MW)等大型抽水蓄能電站。2000年上半年，廣蓄電站二期工程發電，標志著我國已建成了世界上最大的抽水蓄能電站。據《國家發展改革委關于促進抽水蓄能電站健康有序發展有關問題的意見》統計，“截至2013年底，我國已建成抽水蓄能電站2151萬kW，到2025年，全國抽水蓄能電站總裝機容量達到約1億kW，占全國電力總裝機的比重達到4%左右”。

國家有關部門對抽水蓄能電站機電設備的自主化高度重視，國家電網公司通過科技立項積極推進大型抽水蓄能電站計算機監控系統自主化工作。通過自主創新，南瑞集團公司成功研制出具有完全自主知識產權的大型抽水蓄能電站計算機監控系統，打破了國外的技術壟斷，掌握了核心技術，實現了抽水蓄能電站計算機監控系統自主化。

本文文中介紹了我國抽水蓄能電站計算機監控系統的自主化歷程，總結了抽水蓄能電站計算機監控系統自主化取得的成就，在此基礎上分析了抽水蓄能電站自主化計算機監控系統技術特點。

1 抽水蓄能電站計算機監控系統自主化歷程

1.1 中小型抽水蓄能電站計算機監控系統研究

改革開放以來，我國水電事業發展迅速，常規水電站的自動化技術和控制技術也隨之迅速發展。從20世紀80年代開始，逐漸形成工業化生產的規模，達到實用化水平，并形成了幾種成熟的模式，目前技術已位于世界先進行列[2]。

20世紀90年代開始，我國也開始了抽水蓄能電站計算機監控系統的研制工作，南瑞集團公司在河北崗南抽水蓄能電站(1×11MW)投運了自己研制的抽水蓄能電站監控系統，在密云(2×11MW)投運了自己研制的抽水蓄能電站監控系統設備[3]。

1999年，安徽響洪甸抽水蓄能電站(2×50MW)首次采用了國產的機組和設備，同時也采用了南瑞集團公司生產的抽水蓄能電站監控系統，取得了圓滿成功。隨后其監控系統技術又成功地應用于江蘇沙河抽水蓄能電站(2×50MW)[3]。2001年，南瑞集團公司和華北電網公司合作，對全國首座全套引進國外設備的潘家口抽水蓄能電站(3×90MW)監控系統進行了全面改造，并取得了成功。潘家口蓄能電站計算機監控系統的改造成功，說明國產計算機監控系統已能滿足中小型抽水蓄能電站控制的要求，并具有更合理的系統配置[4]。

經過研究和實踐，我國研究單位已積累了一定的經驗，逐漸掌握了中小型抽水蓄能電站監控系統的技術特點，為大型抽水蓄能電站計算機監控系統自主化奠定了良好的基礎[5]。

1.2 大型抽水蓄能電站計算機監控系統研究

大型抽水蓄能電站監控系統自主化能力的不足，加大了電站的投資，影響了抽水蓄能電站的發展。國外進口監控系統價格昂貴，系統長期運行后的售后服務和備品、備件得不到保證，產品設計上沒有考慮電網系統的安全，系統功能和運行方式都不能完全滿足我國電力系統安全運行的要求，是我國電網安全運行的隱患[5]。

為了降低抽水蓄能電站的建設投資，打破國外的技術壁壘，提高抽水蓄能電站運行維護和服務水平，充分發揮抽水蓄能電站對電網安全運行的全面作用，使我國的抽水蓄能事業健康發展，必須實現大型抽水蓄能電站計算機監控系統自主化[2-5]。

國家有關部門對抽水蓄能電站機電設備的自主化高度重視，國家電網公司積極采取措施推進抽水蓄能電站計算機監控系統自主化的進程，國家電網公司“十一五”科技發展規劃對“抽水蓄能電站控制和運行技術”明確指出要“重點開展抽水蓄能電站機組控制系統設備的國產化研究與開發”，早日實現大型抽水蓄能電站控制系統設備自主化，并于2004年8月立項委托華北電網有限公司、南瑞集團公司和北京十三陵抽水蓄能電廠共同完成大型抽水蓄能電站計算機監控系統自主化研究，正式啟動了大型抽水蓄能電站計算機監控系統自主開發工作。

通過對北京十三陵抽水蓄能電廠原進口監控系統的體系結構、功能設置、控制策略、現場應用、運行維護、售后服務、經濟性分析等方面進行深入的專項研究，并充分考慮和采用現代計算機控制的各種先進技術，如開放性和可擴展性、分層分布結構、熱備冗余技術、測控單元智能化和現場總線技術等，南瑞集團公司于2006年2月自主研制開發出具有完全自主知識產權的大型抽水蓄能電站監控系統，首次將采用以南瑞集團公司MB80型智能PLC為核心控制平臺的SJ600型LCU對北京十三陵蓄能電廠4號機組監控系統進行了改造，完成了發電、發電調相、抽水、抽水調相、背靠背運行等所有控制過程，并能與老系統無縫連接，完成對自動發電控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）等高級應用，開創了大型抽水蓄能電站計算機監控系統自主創新的新局面，標志著我國已具備了大型抽水蓄能電站計算機監控系統的研發和生產能力，打破了國外的技術壟斷[6]。該系統榮獲國家電網公司2007年度科技進步一等獎。

1.3 大型抽水蓄能電站計算機監控系統應用

2008年2月，遼寧蒲石河抽水蓄能電站(4×300 MW)經過調查研究，總結了抽水蓄能電站采用國外計算機監測系統的經驗和教訓，結合蒲石河抽水蓄能電站機電設備分散招標采購的特點，提出監控系統單獨招標，最終選用了南瑞集團公司研制的抽水蓄能電站計算機監控系統。

南瑞集團公司在全面總結十三陵抽水蓄能電站計算機監控系統改造成果基礎上，進一步對抽水蓄能電站運行特性和工況轉換方式、關鍵控制流程和信息交換技術、機組控制技術、機組聯合控制、運行特性與電網安全穩定運行的關系等方面進行有針對性的、深入的研究，并結合國際上計算機科學領域的最新技術，以降低抽水蓄能電站建設成本、減少運行維護費用、保障電網的安全穩定運行為設計目標，自主設計、制造出擁有完全自主知識產權的SST-3000L抽水蓄能電站計算機監控系統[7]，并通過自主調試，成功應用于遼寧蒲石河抽水蓄能電站。

蒲石河抽水蓄能電站計算機監控系統上位機采用南瑞集團公司的NC2000監控系統，下位機采用基于南瑞集團公司MB80E智能PLC為核心控制器的SJ600現地控制裝置，開創了大型抽水蓄能電站采用自主化監控設備的先河。該系統自2011年11月投入運行以來，運行穩定可靠，性能優越，圓滿完成了各種運行工況下的任務要求，可靠地保障了電廠安全穩定運行，獲得了用戶的好評。蒲石河抽水蓄能電站計算機監控系統成功投入運行，標志著我國已全面掌握抽水蓄能電站計算機監控技術，徹底打破了國外技術壟斷局面。

隨后，南瑞集團公司又于2011年12月將自主化計算機監控系統成功地應用于安徽響水澗抽水蓄能電站(4×250MW)，進一步提高了大型抽水蓄能電站計算機監控系統研制和生產能力。

截至2014年底，南瑞集團公司又相繼中標了江蘇溧陽(6×250MW)、浙江仙居(4×375MW)、江西洪屏(4×300MW)、廣東深圳（4×300MW）等大型抽水蓄能電站計算機監控系統，自主化計算機監控系統已逐步得到了業界的認可和肯定。

2 抽水蓄能電站計算機監控系統自主化成就

在國家有關部門的大力支持下，經過10多年的努力，通過深入研究抽水蓄能電站監控系統關鍵技術，南瑞集團公司已全面掌握抽水蓄能電站計算機監控技術，具備大型抽水蓄能電站計算機監控系統的研制和生產能力，取得了豐碩的成果，主要表現在如下幾個方面：

（1）全面掌握抽水蓄能電站計算機監控技術，研制出具有完全自主知識產權的大型抽水蓄能電站計算機監控系統，打破了國外的技術壟斷。

（2）研制出智能化可編程控制器。MB80E型智能PLC的I/O模件設計全部智能化，因此使I/O模件具有更強的處理能力；同時，開發了可視化順控流程圖語言，使順序控制過程的實現簡單、調試直觀；并增加了SOE功能塊、脈沖型開出等獨具特色的功能塊，使用戶編程更加方便。MB80E智能可編程控制器已于2011年12月首次成功應用于單機容量為300MW的遼寧蒲石河抽水蓄能電站，運行穩定可靠、性能優越，滿足大型抽水蓄能電站的控制要求，保障了抽水蓄能電站安全穩定運行，打破了國外PLC產品對單機容量300MW級大型抽水蓄能電站計算機監控系統可編程控制器的壟斷。

（3）開發出安全、可靠的抽水蓄能電站機組控制流程。綜合國內已建抽水蓄能電站機組控制流程的優點以及抽水蓄能電站的自身特點，充分考慮和采用了模塊化原則、靈活性原則、容錯性原則、優先性原則、獨立性原則、可擴性原則和安全可靠性原則，提出了抽水蓄能機組工況轉換模塊化控制方法，能實現容錯功能和控制冗余功能，最大程度地保證了電廠的安全、高效運行，完全能夠滿足抽水蓄能電站對生產設備全面監視和控制的要求，是一種安全、可靠的抽水蓄能電站機組控制流程。

（4）研制出多套參數同期裝置。抽水蓄能電站存在多種同期并網運行工況，不同并網工況的同期并網條件并不相同，為此，南瑞集團公司研制出了多套參數同期裝置SJ-12D自動準同期裝置，對于發電、SFC抽水、BTB抽水等不同同期方式選擇不同的同期參數，優化機組同期并網條件，從而減小機組并網時的電氣沖擊。

（5）開發出上位機可視化機組流程實時顯示技術。應用最新的計算機技術，開發出上位機可視化機組流程實時顯示畫面，方便運行人員在上位機可以實時監視機組控制流程執行情況（流程執行步數、時間、條件等實時信息）。

（6）開發出雙重化輸出保護技術。LCU采用了南瑞集團公司的DPS-1輸出保護技術和PLC控制程序的軟閉鎖功能，雙重保護閉鎖，使得一切非正常的誤輸出都無法啟動中間繼電器，真正提高了現地控制單元的可靠性。

（7）編制了抽水蓄能電站機組控制設備行業標準。在對國內外抽水蓄能電站機組控制設備現狀充分調研的基礎上，以大型抽水蓄能電站計算機監控系統自主化研究的成果為主要內容，對抽水蓄能電站計算機監控系統技術規范進行了研究，編制了《抽水蓄能機組自動控制系統技術條件》行業標準。

（8）鍛煉和培養了一批抽水蓄能技術人員隊伍，對抽水蓄能電站的檢修維護和抽水蓄能技術的應用和發展將產生積極的影響。

3 大型抽水蓄能電站自主化計算機監控技術特點

通過對目前已投運的抽水蓄能電站計算機監控系統進行對比，可以看出，國內、外廠商提供的抽水蓄能電站計算機監控系統軟、硬件結構基本相同，在硬件可靠性方面沒有明顯差別，從軟件方面看，國內廠家還具有明顯的優勢。抽水蓄能電站自主化計算機監控系統是在我國先進的常規水電站計算機監控技術基礎上，對抽水蓄能電站運行特性和工況轉換方式、關鍵控制流程和信息交換技術、機組控制技術、機組聯合控制、運行特性與電網安全穩定運行的關系等方面進行深入的研究，并結合計算機科學領域的最新技術，如開放性和可擴展性好、分層分布結構、多重冗余技術及現場總線技術等，充分滿足了抽水蓄能電站對生產設備全面監視和控制的要求，能實現容錯功能和系統冗余功能，最大程度地保證電廠的安全、高效生產，全面實現“五遙”功能，具有人機界面完全漢化、符合國內運行習慣等特點。因此，不論是系統結構、軟件開發、硬件配置、新技術應用，還是聯合設計、售后服務、備品備件、升級更新等方面，自主化計算機監控系統都不同程度地顯示出其優勢，主要表現在如下幾個方面：

（1）采用全分布開放系統結構。主機、操作員工作站、工程師/培訓工作站等使用符合IEEE和ISO開放系統國際標準的Unix/Linux操作系統。按照開放的接口、服務和支持格式規范而實現的系統，使應用系統能以最少修改，實現在不同系統中的移植，并能同本地或遠程系統中的應用實現互操作。

（2）系統采用分布式體系結構。系統以雙以太網為核心，實現各服務器、工作站功能分散，數據分散處理，既有效地減少了主服務器的負載，又降低了各個工作站故障對整個系統的影響，從而使整個系統的配置更加合理、可靠。且系統中各服務器/工作站處于平等地位，系統以后擴充時不會引起原系統大的變化，為整個系統不斷完善創造條件。

（3）人機界面友好，全中文組態、顯示，操作使用符合中國人習慣。

（4）使用了功能強大、應用廣泛的行業軟件標準，系統功能強大，升級方便靈活，兼容性強。

（5）控制系統和控制策略完全適應我國電網的運行，運行方式即考慮機組的安全，又充分考慮電網安全的需要。

（6）重要設備熱備冗余化。使用了高性能、高質量的設備，降低了設備故障率，同時系統中的重要設備采用熱備冗余配置，如電站控制層的服務器、現地控制層的PLC以及雙以太環網等，有效地降低了重要設備故障時的影響，提高了電站的安全穩定性。

（7）測控單元智能化。MB80E型PLC的I/O模件設計全部智能化，因此使I/O模件具有更強的處理能力；同時，開發了可視化順控流程圖語言，使順序控制過程的實現簡單、調試直觀；并增加了SOE功能塊、脈沖型開出等獨具特色的功能塊，使用方便，維護容易。

（8）LCU采用了南瑞公司的DPS-1輸出保護技術和PLC控制程序的軟閉鎖功能，雙重保護閉鎖，防止開出模件或繼電器誤輸出，保證了輸出的正確性，提高了現地控制單元的可靠性。

（9）運行維護方便，售后服務及時，備品備件便宜。

4 結束語

經過10多年的努力，在深入研究抽水蓄能電站計算機監控系統關鍵技術基礎上，我國已全面掌握抽水蓄能電站計算機監控技術，自主研制開發出擁有完全自主知識產權的抽水蓄能電站計算機監控系統，已成功應用于遼寧蒲石河和安徽響水澗等抽水蓄能電站，打破了國外的技術壟斷，掌握了核心技術，實現了抽水蓄能電站計算機監控系統自主化。

[1]陸佑楣，潘家錚.抽水蓄能電站.北京:水利電力出版社.1992.

[2]汪軍，方輝欽，等.抽水蓄能電站控制與保護設備的國產化.水電自動化與大壩監測，2004，28(3):1-3.

[3]汪軍，張紅芳，等.我國抽水蓄能電站計算機監控技術評析.水電自動化與大壩監測，2002，26(1)：22-24.

[4]龔世龍，方輝欽.試析抽水蓄能電站計算機監控系統國產化的可行性.水電自動化與大壩監測，2003，27(3):1-6.

[5]姜海軍，汪軍.大中型抽水蓄能電站監控系統的國產化研究.水電廠自動化，2005(1)：148-153.

[6]周慶忠，汪軍，等.國產化大型抽水蓄能電站計算機監控系統.電力系統自動化，2007，31(17):87-89.

[7]姜海軍，靳祥林，等.遼寧蒲石河抽水蓄能電站計算機監控系統設計.2008年抽水蓄能電站工程建設文集.北京:中國電力出版社.2008.

姜海軍(1980—)，男，工程師，主要從事水電廠計算機監控系統研究和工程管理工作。E-mail：jianghaijun@sgepri.sgcc.com.cn

The Domestic Process and Achievements of the Computer Control Technology of Pumped Storage Power Station

JIANG Haijun， WANG Huimin， SHAN Pengzhu， DU Chenhui，YU Yangyang
(State Grid Electric Power Research Institute， Nanjing 211006，China)

In this paper， The domestic process of computer control system of pumped storage power plants is introduced.The achievements of domestic computer control system of pumped storage power plants are summarized， and the characteristics of computer control system of pumped storage power plants are analysised.

pumped storage power station; computer control system; domestic; process; achievement