溪洛渡右岸孤島試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉曉彤，楊春霞，文正國，李天毅，高 偉

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038）

0 引言

孤島運(yùn)行方式是在直流系統(tǒng)送端與若干電廠形成相對(duì)獨(dú)立的“孤島”系統(tǒng)，即與大電網(wǎng)交流系統(tǒng)不聯(lián)網(wǎng)、直接通過直流系統(tǒng)將電力送往受端。溪洛渡右岸電站接入南方電網(wǎng)，在南方電網(wǎng)中，大容量、遠(yuǎn)距離輸電的直流系統(tǒng)以孤島方式運(yùn)行可避免直流系統(tǒng)故障后大規(guī)模電量轉(zhuǎn)移到交流輸電通道，從而提高整個(gè)交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定水平和輸電能力。孤島運(yùn)行是溪洛渡電廠接入南方電網(wǎng)的正常運(yùn)行方式。

南方電網(wǎng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大規(guī)模RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，搭建了含溪洛渡直流實(shí)際控制保護(hù)系統(tǒng)，溪洛渡電廠部分機(jī)組的實(shí)際調(diào)速器、勵(lì)磁控制器、右岸電站監(jiān)控系統(tǒng)、RTDS仿真試驗(yàn)平臺(tái)。監(jiān)控系統(tǒng)作為直流孤島RTDS仿真試驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)的重要組成部分，可以協(xié)助仿真分析直流孤島系統(tǒng)穩(wěn)定特性，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能和響應(yīng)特性，可以為電廠機(jī)組調(diào)速器和勵(lì)磁控制系統(tǒng)的改造、建模以及運(yùn)行提供試驗(yàn)依據(jù)，提出電站控制系統(tǒng)邏輯與參數(shù)優(yōu)化的方案。

1 溪洛渡直流孤島RTDS仿真試驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

溪洛渡直流孤島運(yùn)行特性研究的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，將發(fā)電側(cè)機(jī)組的控制系統(tǒng)接入仿真平臺(tái)并與溪洛渡直流控制保護(hù)系統(tǒng)等形成閉環(huán)仿真平臺(tái)。溪洛渡直流孤島RTDS仿真試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 溪洛渡直流孤島RTDS仿真試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

南方電網(wǎng)主網(wǎng)架（主要包括溪洛渡直流、溪洛渡電廠及其交流線路等）采用RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器進(jìn)行模擬，溪洛渡電廠機(jī)組調(diào)速器、勵(lì)磁控制及監(jiān)控二次系統(tǒng)均采用與現(xiàn)場(chǎng)相同的裝置。RTDS仿真系統(tǒng)經(jīng)過功率放大器向調(diào)速器、勵(lì)磁控制系統(tǒng)及監(jiān)控二次系統(tǒng)提供必要的模擬電壓電流信號(hào)。

溪洛渡直流孤島試驗(yàn)平臺(tái)主要由溪洛渡電廠兩臺(tái)機(jī)組的調(diào)速控制裝置（1面組屏）、兩臺(tái)機(jī)組的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和PSS裝置（1面組屏）、右岸電廠監(jiān)控系統(tǒng)（2面組屏和1臺(tái)上位機(jī)服務(wù)器）、5組功率放大器單元，以及模擬溪洛渡直流系統(tǒng)及其他電力元件的RTDS仿真器構(gòu)成。勵(lì)磁控制柜和調(diào)速電氣控制柜模擬溪洛渡右岸10號(hào)、11號(hào)機(jī)組的勵(lì)磁和調(diào)速控制，電廠的其他機(jī)組采用RTDS仿真平臺(tái)純數(shù)字勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速器模型數(shù)字模擬12～18號(hào)機(jī)組的勵(lì)磁和調(diào)速控制，并與電廠監(jiān)控系統(tǒng)通信。

電廠勵(lì)磁控制、調(diào)速器通過采集發(fā)電機(jī)定子電壓電流、機(jī)端電壓電流信號(hào)、機(jī)組斷路器開合狀態(tài)，經(jīng)計(jì)算處理向RTDS機(jī)組提供勵(lì)磁電壓和導(dǎo)葉開度量，從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。

RTDS仿真平臺(tái)模擬溪洛渡右岸電站9臺(tái)發(fā)變組、自并勵(lì)靜止勵(lì)磁器功率單元等一次系統(tǒng)，勵(lì)磁控制柜、調(diào)速電氣控制柜、電廠監(jiān)控系統(tǒng)所需要的機(jī)端電壓、定子電流、同步電壓、系統(tǒng)側(cè)母線電壓等均由RTDS專用模擬量輸出卡GTAO提供，所需的開關(guān)量如機(jī)端斷路器合閘等信號(hào)經(jīng)GTDO卡提供。勵(lì)磁調(diào)速控制器輸入到RTDS仿真平臺(tái)的模擬量為±10 V的信號(hào)，監(jiān)控系統(tǒng)輸入到RTDS仿真平臺(tái)的模擬量。為4～20 mA的信號(hào)，輸入到RTDS仿真平臺(tái)的開關(guān)量均為+24 V信號(hào)。

2 孤島運(yùn)行監(jiān)控裝置研究與實(shí)現(xiàn)

2.1 孤島運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)概況

監(jiān)控系統(tǒng)LCU采集自RTDS仿真系統(tǒng)、調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)的信號(hào)，模擬多臺(tái)機(jī)組PID功能（有功功率調(diào)節(jié)、無功功率調(diào)節(jié)），上位機(jī)服務(wù)器模擬電站監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)，兼具數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器的功能，采集監(jiān)控系統(tǒng)LCU的數(shù)據(jù)，執(zhí)行AGC、AVC功能，把運(yùn)算確定的每臺(tái)機(jī)組的有、無功目標(biāo)值下發(fā)至對(duì)應(yīng)機(jī)組PID功能塊，LCU通過開出繼電器發(fā)出脈沖信號(hào)給相應(yīng)機(jī)組的調(diào)速器和勵(lì)磁系統(tǒng)。通過監(jiān)控系統(tǒng)可以研究在普橋直流孤島方式下，直流自動(dòng)功率調(diào)整功能、頻率限制控制FLC與電廠AGC功能的協(xié)調(diào)控制能力。監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速、勵(lì)磁、RTDS仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互情況見圖2。

孤島運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)LCU控制單元作為整個(gè)RTDS仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、處理中心，采集處理自RTDS仿真平臺(tái)、調(diào)速控制裝置、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)，并下發(fā)有功調(diào)節(jié)、無功調(diào)節(jié)命令給調(diào)速勵(lì)磁控制系統(tǒng)單元，是上位機(jī)系統(tǒng)和現(xiàn)地調(diào)速勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備、RTDS試驗(yàn)的重要紐帶。

2.2 孤島運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)LCU配置

根據(jù)RTDS仿真系統(tǒng)架構(gòu)，監(jiān)控現(xiàn)地LCU控制單元PC1柜中采用昆騰系列140 CPU65150，內(nèi)部為Intel Pentium 586芯片，工作主頻為266 M，自帶4 M用戶邏輯存儲(chǔ)卡，1個(gè)Modbus Plus（MB+）接口，1個(gè)Modbus接口，在實(shí)際配置中增配了3 MB的存儲(chǔ)擴(kuò)展卡，總存儲(chǔ)容量擴(kuò)增至7 MB。其PLC具體配置如下：1塊CPU模塊140 CPU65150，2塊以太網(wǎng)模塊，3塊DI量模塊、4塊AI量模塊、4塊AO量模塊、6塊電源模塊、以及相應(yīng)的S908總線等系統(tǒng)配件。在監(jiān)控系統(tǒng)PC2柜配置9臺(tái)機(jī)組的機(jī)端電壓、機(jī)端頻率、有功/無功功率變送器，采集機(jī)組出口側(cè)數(shù)據(jù)。具體見圖3。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速、勵(lì)磁、RTDS仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互情況

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)LCU配置

其LCU系統(tǒng)功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集

1）采集 DI、DO、AI、AO 等模塊類型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2）采集PC2信號(hào)采集柜中的機(jī)組、線路各種非電氣量、電氣量，經(jīng)處理后上送全廠控制層（主控級(jí)）及現(xiàn)地顯示。

（2）模擬9套PLC系統(tǒng)

采集處理調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)、RTDS仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)，并在PLC內(nèi)編寫了9套機(jī)組的開機(jī)、停機(jī)、緊急停機(jī)流程、以及每臺(tái)機(jī)組的功率負(fù)荷調(diào)節(jié)相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)RTDS仿真系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況模擬。

（3）安全運(yùn)行監(jiān)視

與主控級(jí)配合，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)視，主要包括實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視及過程監(jiān)視等。

（4）與廠站層通信

通過施耐德NOE以太網(wǎng)模塊光纖接入到電站冗余控制網(wǎng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地控制單元與廠站層通信，進(jìn)行下位機(jī)與上位機(jī)數(shù)據(jù)交換。

2.3 孤島運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)軟件優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

孤島運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)數(shù)據(jù)交換方式與H9000監(jiān)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)版不同，溪洛渡電站H9000監(jiān)控系統(tǒng)的每臺(tái)機(jī)組配置有獨(dú)立的PLC系統(tǒng)，而孤島運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)裝置只需要采集與電網(wǎng)相關(guān)的最重要的部分?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量規(guī)模比較小，只需要1套簡(jiǎn)單的PLC系統(tǒng)即可滿足要求，因此需要把9套PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和流程整理到一套PLC中完成。

實(shí)現(xiàn)這一過程，有兩個(gè)方案可以選擇：

（1）按照H9000規(guī)約的標(biāo)準(zhǔn)處理方式，即將所有的測(cè)點(diǎn)線性排列，重新編寫PLC程序，這樣的話，孤島運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)與電站監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)不一致，所有配置文件、畫面、計(jì)算庫、閉鎖庫、AGC和AVC的相關(guān)配置等隨之也需要修改，相當(dāng)于重新集成一套監(jiān)控系統(tǒng)，工作量大且不便于使用。

（2）盡量維持?jǐn)?shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)不變，可以使孤島運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)與電站監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)保持一致，配置文件、畫面、計(jì)算文件、閉鎖庫、計(jì)算庫、AGC和AVC的相關(guān)配置等基本不需要改變。

溪洛渡電廠的H9000監(jiān)控系統(tǒng)采用多通道并行的通信模式來完成數(shù)據(jù)采集和命令下行，為了保證各PLC數(shù)據(jù)采集時(shí)的獨(dú)立性，數(shù)據(jù)采集程序?yàn)槊恳粋€(gè)LCU建立單獨(dú)的子進(jìn)程，每個(gè)LCU采集子進(jìn)程采用多線程技術(shù)，按數(shù)據(jù)類型與PLC建立多路TCP/IP連接，實(shí)現(xiàn)每個(gè)PLC數(shù)據(jù)掃描周期的多重?cái)?shù)據(jù)并行傳送請(qǐng)求與處理，使數(shù)據(jù)采集與處理能力提高6～8倍，實(shí)現(xiàn)了特大型電站海量數(shù)據(jù)的高可靠性與高實(shí)時(shí)性采集。但多線程模式并不適合孤島運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，QUANTUM PLC最多支持64個(gè)socket請(qǐng)求，但一個(gè)PLC掃描周期所能并發(fā)處理的最大socket請(qǐng)求數(shù)為8個(gè)。溪洛渡右岸電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)共有9套LCU，每套LCU建立了7個(gè)線程。如果采用多線程方式，PLC建立的連接多達(dá)63個(gè)，雖然低于QUANTUM PLC支持的最大socket請(qǐng)求數(shù)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一個(gè)PLC掃描周期所能并發(fā)處理的最大socket請(qǐng)求數(shù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集響應(yīng)速度降低，長時(shí)間運(yùn)行還導(dǎo)致PLC無法響應(yīng)，數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此多線程方式適合海量數(shù)據(jù)的高可靠與高實(shí)時(shí)性采集，孤島運(yùn)行試驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)量小，單線程方式即可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有數(shù)據(jù)類型的及時(shí)響應(yīng)，同時(shí)保證高可靠性[1-3]。

孤島運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)最終采用第2個(gè)方案，即保持?jǐn)?shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和配置文件等盡量與現(xiàn)場(chǎng)一致，在數(shù)據(jù)采集和下令方面對(duì)H9000監(jiān)控系統(tǒng)通信規(guī)約做了修訂，在上位機(jī)采用單線程模式，實(shí)現(xiàn)了孤島運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)基本維持水電站監(jiān)控系統(tǒng)的基本架構(gòu)，最大程度的減小了工程集成的工作量，也減少了試驗(yàn)工作量,提高了工作效率和正確性。

3 結(jié)束語

溪洛渡右岸電站直流孤島試驗(yàn)平臺(tái)包含了溪洛渡電廠實(shí)際的勵(lì)磁調(diào)速系統(tǒng)、電站監(jiān)控系統(tǒng)、溪洛渡直流控制保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)機(jī)組的勵(lì)磁調(diào)速控制系統(tǒng)的接入，其他7臺(tái)機(jī)組采用RTDS純數(shù)字模型進(jìn)行控制，監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全站AVC、AGC控制。采用RTDS模擬溪洛渡直流運(yùn)行的各種工況，可以研究溪洛渡直流孤島運(yùn)行方式下機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)的控制特性，對(duì)溪洛渡直流孤島方式下的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。監(jiān)控系統(tǒng)作為平臺(tái)的樞紐，負(fù)責(zé)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和控制調(diào)節(jié)，除與調(diào)速、勵(lì)磁以及直流系統(tǒng)協(xié)作，還可進(jìn)行溪洛渡直流孤島方式下AGC和AVC的仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證孤島運(yùn)行方式下AGC和AVC運(yùn)行策略和安全措施，優(yōu)化調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。