抽水蓄能電站計算機監控系統的實現與應用

楊 武

（中電建海外投資（昆明）有限公司，云南 昆明 650000）

1 概述

電站計算機監控系統具有數據自動采集與處理，運行監視，操作控制和負荷調節，事件順序記錄，事故、故障報警及記錄，自動發電控制（AGC），自動電壓控制（AVC），統計報表，操作培訓等功能。電站計算監控系統是電站自動控制、監視和管理的核心，直接決定著電站的安全生產和高效運行，計算機監控系統建設規劃好壞對抽水蓄能電站安全高效運行意義重大。

抽水蓄能電站在電力系統中承擔著調峰填谷、調頻調相、黑啟動、儲能、緊急事故備用等功能，機組工況復雜，啟停頻繁，操作控制要求比常規水電更高。弄清抽水蓄能電站的運行方式，控制要求，有利于規劃設計抽水蓄能電站計算機監控系統控制流程。分析抽水蓄能電站與常規水電站的不同，有利于進一步完善抽水蓄能電站計算機監控系統功能。

2 抽水蓄能電站運行方式

抽水蓄能電站啟停頻繁，工況復雜。一座4 臺機組的抽水蓄能電站，日啟停可達10 多次，機組有發電、發電調相、抽水、抽水調相、停機5 種基本穩態工況，另有靜止、空轉、空載3 種過渡穩態，同時具備黑啟動、線路充電的能力。機組主要運行工況轉換有13 種（包含：停機→發電，發電→停機，停機→抽水，停機→發電調相，等），具體運行工況及工況轉換關系如圖1 所示。其中抽水方向啟動有SFC、背靠背兩種啟動方式；抽水至發電轉換流程分為正常轉換和緊急轉換方式；各運行穩態至停機包括正常停機、機械事故停機、電氣事故停機。

圖1 機組運行工況及工況轉換方式

3 對計算機監控系統的特殊要求

抽水蓄能電站運行方式多、工況轉換復雜，監控系統的測點將顯著增加；同時電力系統對抽水蓄能電站及時響應性和可用性要求高，要求能夠隨調隨啟，即啟即用，對電站計算機監控系統的可靠性和操作成功率要求更高。

水泵工況的啟動方式一般采用SFC 變頻啟動方式或背靠背拖動方式，SFC 變頻啟動方式是使用電站靜止變頻啟動裝置，實現機組由停機態到水泵工況的啟動；背靠背拖動方式啟動是使用電站其中一臺機組發電工況開機啟動，拖動另外一臺機組由停機態到水泵工況的啟動方式。兩種啟動方式都要涉及電站2 臺設備同時啟動，計算機監控系統需監控的實時狀態、參數量成倍增長，設備動作邏輯繁復，增加了控制復雜性。在背靠背啟動方式時，要協調、控制拖動機組導葉開度、啟動機組勵磁電流，以及兩機組間的轉速差等參數；當SFC 變頻裝置、拖動機組、啟動機任一設備故障時，需要將故障信號作用于另一臺設備，同時停機，其中SFC 必須要求先封脈沖，后跳閘輸入斷路器，GCB 低頻階段（一般25 Hz 以下）不允許跳閘，需在機組滅磁完成后方可分閘。同期并網時不僅需要監控被啟動機組的電壓、頻率、勵磁電流和導葉開度，還需同時調節控制拖動機組的轉速或SFC 頻率等，使得被啟動機組機端電壓、相序、相位、頻率滿足同期并網條件。水泵工況SFC 方式啟動并網和背靠背方式啟動并網不同于發電并網，并網電壓相序需要切換，同期裝置需設置多種同期模式；各機組在水泵工況啟動時需要同SFC 建立協調控制聯系，機組與機組互為拖動機，相互之間也需要建立協調控制關系。

為減少抽水工況啟動過程中的功耗,水泵方向啟動要對轉輪室進行充氣壓水，計算機監控系統需完成壓水、回水、轉輪造壓等流程轉換控制，重點關注主壓水閥、補氣閥、蝸殼循環閥、蝸殼排氣閥、尾水管充水閥、頂蓋排氣充水閥、止漏環冷卻水閥，這7個閥門開啟、關閉的條件要可靠并冗余，必須設計可靠的參數作為轉換條件，提高轉換可靠性。

機組部分機械事故保護需要根據機組不同工況進行自動投入或退出；水機后備保護投退條件需要獨立采集；機組電氣保護部分閉鎖條件需要由計算機監控系統開出。

4 某抽蓄電站的計算機監控系統結構

某抽水蓄能電站共安裝4 臺單機容量300 MW混流可逆式抽水蓄能機組，其計算機監控系統采用現地控制器使用Control Builder 系統組態軟件的ABB Industrial IT。采用“雙星形”冗余網絡，系統軟硬件按分層、分布式結構配置，由現地控制單元、廠站控制層設備兩部分組成。各控制層之間采用OPC Server 網絡通信協議構建的自適應千兆交換式冗余以太環網進行通信。

廠站控制層設備包含：主數據服務器、工作站、通信服務器、UPS 電源及模擬屏等設備。

現地控制單元設有8 套LCU，配置DI、DO、SOE、AI、AO、TI 等IO 模件，采集設備狀態、事故告警、溫度、壓力、電流、電壓等模擬量信號，開出操作控制命令等；有關機組間控制協調變量，視對信號實時響應要求不同，重要性不同，或采用跳閘矩陣I/O點連接交換信息或利用總線通信在LCU 間交換信息；與勵磁、調速器等重要控制子系統采用I/O 點連接和通信冗余方式交換信息。

圖2 某抽蓄電站的計算機監控系統結構圖

5 某抽蓄電站計算機監控系統的配置與功能

5.1 主數據服務器

主數據服務器為2 套，布置在計算機室，服務器型號為HP 580G7，配置主頻為2.0 GHz Intel Xeon E5620 CPU，32 GB RAM內存，300 GB SAS硬盤2個，雙以太網自適應千兆接口卡2 個。

2 臺主數據服務器工作以互為熱備方式進行，共同完成對整個電站設備的運行監視控制任務，管理各類運行、控制、歷史數據等數據庫，計算和處理AGC/AVC 實時信息，生成各類圖表曲線以及分析處理事故、故障信號等。

5.2 工作站

工作站總計6 套，其中操作員工作站2 套，布置在中控室；值守工作站1 套，布置在地面值守室；遠方工作站1 套，布置于市區辦公區；工程師工作站1套，布置于計算機室；培訓工作站1 套，布置于培訓室。以上6 套工作站型號相同，均為HP Z820 工作站，CPU 為四核至強E5-2609，主頻為2.4 GHz，每套配置內存為4.0 GB、硬盤為300 GB SAS 硬盤、雙以太網自適應千兆接口卡。

2 套操作員工作站以雙機冗余互為熱備方式進行工作，實現對電站各設備系統的遠方監控，調度管理及各數據的計算和處理等功能。2 套操作員工作站可同時工作和更新處理各類數據，1 臺為主工作站完成監控任務，另1 臺正常監視，當其中1 臺故障時，另外1 臺立即切換至主工作站。

值守工作站、遠方工作站作為遠期規劃以實現“無人值班”（少人值守），實現對電站各設備系統的監控功能。工程師工作站主要用于系統開發、建立并完善數據庫、系統故障維護、歷史檢索等工作需求。培訓工作站用于對有關人員提供與電站完全相同的設備操作、運行環境的培訓、練習和講解等工作。

5.3 通信工作站

廠內通信工作站共計1 套，對外通信工作站共計2 套，各通信工作站配置相同。均采用英特爾至強E5-2609 四核CPU 處理器，配置4.0 GB 內存，2塊300 GB SAS 硬盤，雙以太網自適應千兆接口卡。

廠內通信工作站，用于實現與廠內各有關子系統的通信。另外兩套對外通信工作站互為熱備用，實現電站系統與中調、網調間的網絡通信主信道搭建，配置1 套電力MODEM，用于與網調的備用信道。

5.4 歷史數據服務器

歷史數據服務器1 套，型號為HP 388G7，配置同通信管理機，另配有1 套磁盤陣列，采用HP StorageWorks P2000 G3 模塊化存儲陣列控制器，配置有300 GB SAS 硬盤4 塊，加上服務器自帶的兩塊300 GB SAS 硬盤，大致可以滿足電站計算機監控系統4～5 年歷史數據的保存。

5.5 網絡設備

電站計算機監控系統主控層配置2 套德國赫斯曼Mice3000 交換機系統，現地控制層各LCU 均配置2 套德國赫斯曼RS2-FX/FX 工業以太網交換機。主交換機、各LCU 交換機通過光纖構成雙星形全分布交換式自適應千兆冗余以太網。2 套系統互為熱備用，同時收發傳輸信號，1 套故障不影響整個系統運行。

5.6 現地控制單元

現地控制單元共設8 套LCU。1～4 號LCU 分別用于4 臺機組監視控制，包括相應機組單元的勵磁、調速、發變組保護、進水閥、主變及冷卻系統等；5 號LCU 用于變頻啟動裝置（SFC）、500 kV GIS 和500 kV 線路以及水泵工況背靠背啟動、SFC 啟動跳閘矩陣功能，6 號LCU 用于全站公用設備，含油、氣、水系統，400 V，10 kV，事故照明，直流電源等設備；7 號LCU 用于上水庫，含相關閘門及其啟閉設備、水位測量、電源系統；8 號LCU 用于下水庫，含尾水事故閘門及其啟閉設備、水位水溫測量、地面通風空調等相關設備。

電站現地控制器采用型號為PM866A 的ABB AC800M 控制器，133 MHz 主頻，64 M RAM，每套實現雙控制器、雙以太網接口冗余配置，配置了冗余的Modular 接口模件，與ABB S800 I/O 模塊配套通過本地Module 總線連接實現所有I/O 點信號采集與輸出，計算與處理。

機組LCU、開關站LCU 采用兩個雙CPU 的PM866A 冗余配置，機組LCU 另配備一個PM851A作為水機后背保護小PLC；其他LCU 采用一個雙CPU 的PM866A 冗余配置，各LCU 所配I/O 模件如表1 所示。

表1 各LCU I/O 模件的配置表

6 抽蓄電站的計算機監控系統主要特點

某抽水蓄能電站計算機監控系統全面應用冗余配置，監控系統網絡配置采用自適應千兆雙星型冗余光纖網，系統設備均連接到兩個冗余網絡上，整個網絡配置結構清晰，方便檢修維護，集安全性、靈活性、可靠性為一體。機組、開關站現地控制單元采用兩個雙CPU 控制器冗余，其他現地控制單元采用單個雙CPU 控制器自冗余，其供電電源采用雙電源結構。同期裝置在機組不同工況并網時采用自動準同期方式為主，手動同期方式備用。電站主控級、現地級各節點主設備采用雙機熱備冗余配置，如主數據服務器、機組LCU、開關站LCU、操作員及通信工作站、通信服務器等雙機熱備系統，實現設備運行熱備份。

同時，該抽水蓄能電站的計算監控系統在設計選型時，充分考慮電站設備種類繁多，運行環境復雜，系統控制可靠性要求高的特點。采用了技術成熟度高，具有優異性能和可靠性的ABB AC800M 控制器作為現地控制器，系統軟件采用ABB800xAPGP及ControlBuild，規避了一些易出故障環節，使得整個系統運行速度快，功耗低，可擴展性好，運行維護方便。由于大量采用冗余配置，當主設備故障時，可自行診斷并發出故障報文，同時無擾動切至備用設備，使系統繼續生產運行。極大地縮短了故障檢修時間，進一步提高了系統設備運行可用率，滿足了電力系統對抽水蓄能電站各功能隨調隨啟，即啟即用的苛刻的可靠性需求。

7 結語

抽水蓄能電站由于其在電力系統中具有調頻調相、調峰填谷、黑啟動、儲能，降低風電、光伏等新能源消納對電力系統運行沖擊等一系列的特殊作用，電力系統對抽水蓄能電站運行提出了更高的要求。該抽水蓄能電站計算機監控系統充分采用了現代計算機控制各種先進技術，如開放性和可擴展性好、分層分布結構、多重冗余技術和現場總線技術等，能實現容錯功能和系統冗余功能，最大程度地保證了電廠的安全、高效運行。該電站自全面投產以來，已連續運行6 年有余，電站計算機監控系統從未發生過引起非停的故障，設備缺陷也很少，系統運行安全、穩定可靠，有力地保障了電站安全穩定運行，有效促進了電站綜合自動化水平，也為電站的計算機監控規劃設計及設備選型配置提供了參考。