【精品】抽水蓄能电站计算机监控系统概要

抽水蓄能电站计算机监控系统概要
蒲石河抽水蓄能电站计算机监控系统设计
姜海军,靳祥林,汪军,何云,王惠民
(国网电力科学研究院/南瑞集团公司
【摘要】文中介绍蒲石河抽水蓄能电站计算机监控系统的设计、监控系统设计原则、结构、设备配置和功能,并简要分析该系统的特点。

【关键词】蒲石河抽水蓄能电站监控系统国产设计
1 概述
抽水蓄能电站在电力系统中主要承担着“削峰填谷”作用,随着我国大型火电厂,特别是核电站在电网中所占的比重越来越大,兴建大规模抽水蓄能电站是现代电网的必然产物[1]。

我国最近几十年兴建了一批大型抽水蓄能电站,但是,这些电站的计算机监控系统基本上都是从国外进口。

为了打破国外的技术壁垒,降低抽水蓄能电站的建设投资,提高抽水蓄能电站运行维护和服务水平,充分发挥抽水蓄能电站对电网安全运行的全面作用,使我国的抽水蓄能事业健康发展,必须实现大型抽水蓄能电站计算机监控系统的国产化[2]、[3]。

2006年华北电网公司、国网电力科学研究院(南瑞集团和北京十三陵蓄能电厂共同完成了国家电网公司科技项目“大型抽水蓄能电站计算机监控系统国产化研究”,首次将采用南瑞集团MB80系列智能PLC构成的具有完全自主知识产权的大型抽水蓄能电厂计算机监控系统成功投入北京十三陵蓄能电厂,该系统自投入运行以来,运行稳定可靠,圆满完成了各种运行工况下的任务要求,能适应大型抽水蓄能电站启停机频繁、工况复杂的特点[4]、[5],开创了大型抽水蓄能电站计算机监控系统自主创新的新局面,标志着南瑞集团具备了大型抽水蓄能电站计算机监控系统的研发和生产能力。

2008年2月,南瑞集团再接再厉,与国外著名公司一起参与辽宁蒲石河抽水蓄能电站计算机监控系统的国际招标,并中标,承接了蒲石河抽水蓄能电站计算机监控系统的研制工作。

蒲石河抽水蓄能电站总装机容量1200MW,为日调节纯抽水蓄能电站,建成后并入东北电网,担任调峰、填谷、调频、调相和事故备用任务。

电站工程由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及地面开关站等组成,安装4台300MW 可逆式水泵水轮机—发电电动机组。

年发电利用小时数1550h,年抽水利用小时数2008h。

电站主接线采用发变组单元接线,在发电电动机和主变压器之间接有换相开关和发电机断路器。

发电机/电动机工况转换时的换相和机组并入系统的同期均在主变18kV侧进行。

每两组发变组单元在主变500kV侧联合,500kV侧采用二进一出三角形接线,以一回出线接至500kV 五龙背变电所。

2 机组运行方式
蒲石河抽水蓄能电站运行方式较复杂,机组日平均起停10次(开、停一循环为1次,运行工况为:发电、发电调相、抽水、抽水调相、旋转备用、静止6种基本运行工况,同时具备黑起动带线路零起升压的能力。

机组运行的工况转换主要有:⑴静止→发电空载;⑵发电空载→静止;⑶静止→抽水;
⑷抽水→静止;⑸静止→旋转备用;⑹旋转备用→静止;⑺静止→发电调相;⑻发电调相→静止;⑼静止→抽水调相;⑽抽水调相→静止;⑾发电调相→发电空载;⑿发电空载→发电调相;⒀抽水调相→抽水;⒁抽水→抽水调相;⒂旋转备用→发电空载;⒃发电空载→旋转备用;⒄抽水→发电(紧急转换;⒅发电空载→发电;⒆发电→发电空载。

机组运行工况及工况转换方式如图1所示。

图1 机组运行工况及工况转换方式
3 电站计算机监控系统监控对象
蒲石河抽水蓄能电站监控系统的监控对象包括安装在地下厂房、地面500kV 开关站、上水库、下水库、施工变电所、下库坝和洞口中控楼等区域的所有设备,主要设备如下:
⑴ 4台水泵水轮机/发电电动机及辅助设备;
⑵ 4台500kV主变压器及其附属和辅助设备;
⑶ 1套静止式变频起动装置(SFC;
⑷ 4套进水阀设备及其附属设备;
⑸ 4套尾水事故闸门及液压启闭机设备;
⑹ 500kV电压设备;
⑺ 18kV电压设备;
⑻厂用电18kV、10kV、0.4kV配电系统以及站内紧急自备电源配电系统;
⑼ 66kV施工变电所电压设备;
⑽柴油发电机紧急自备电源等机电设备;
⑾下库坝启闭机、变电所等设备;
⑿公用设备:上、下水库进水口拦污栅、闸门等设备;上、下水库水位和水温测量系统;下调压井水位测量系统;火灾报警和消防联动系统;主变冷却供水系统;高、低压压缩空气系统、供排水系统;通风空调系统;直流电源系统;厂内水力测量系统等。

4 电站计算机监控系统设计原则
蒲石河抽水蓄能电站的主要作用是为东北电网承担调峰、填谷、调频、调相和事故备用任务,所以其监控系统设计首先应围绕这一主题进行,其次应考虑系统的性能价格比,亦即既要追求技术先进,又要遵循简单实用的原则。

根据电站的运行特点和计算机控制技术的发展状况,监控系统在方案设计时应充分考虑以下原则[3]、[6]、[7] :
(1在满足可靠性和实用性的前提下,尽量按国际先进水平进行设计,采用“无人值班”(少人值守的运行值班方式,监控系统采用全计算机监控的模式,设置统一的全厂计算机监控系统,不再设置独立的常规集中监控设备。

但出于电站安全可靠性考虑,另外设置简单的紧急停机、安全闭锁和事故动作的硬布线回路,满足对电站重要设备进行紧急处理的可靠性要求。

(2计算机监控系统采用开放性的分层分布式系统结构,当系统中任何一部分设备发生故障时,系统整体以及系统内的其他部分仍能继续正常工作且功能不会减少,且各现地控制单元(LCU能脱离主控级独立运行。

(3系统高度可靠、冗余,上位机应采用双机冗余热备结构,监控网络采用双光纤冗余环网配置,LCU采用双网双CPU热备冗余配置,其系统本身的局部故障不影响
现场设备的正常运行,系统的MTBF、MTTR及各项可用性指标均满足部颁《水电站计算机监控系统基本技术条件》及《水力发电厂计算机监控系统设计技术规定》的要求。

(4实现电站计算机监控系统与省调和网调监控系统、电站MIS系统(信息管理系统、
电站设备状态监测与分析系统、全厂火灾自动报警系统、全厂通风空调系统、厂用电系统电能计量系统等的通信。

计算机监控系统的通信满足国家经贸委最新颁布的《电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定》、国家电力监管委员会颁布的《电力系统安全防护规定》及电力系统有关“发电厂二次系统安全防护指南”和“电力二次系统安全防护总体方案”的最新文件和规定的要求进行软、硬件隔离。

(5系统采用成熟的、可靠的、标准化的硬件、软件、网络结构,且有长期的备品和技术服务支持。

(6软件采用模块化、结构化设计,保证系统的可扩性,满足功能增加及规模扩充的需要。

(7系统高度可靠,实时性好,抗干扰能力强,适应现场环境。

选用开放式、全分布的系统结构,系统配置和设备选型适应计算机发展迅速的特点,具有先进性和向后兼容性,能充分保护用户的投资。

(8人机接口功能强大,界面友好,人机联系操作方法简便、灵活、可靠,适应电站运行操作习惯。

5 电站计算机监控系统结构
该电站计算机监控系统采用开放式分层分布系统,全分布数据库。

全厂数据库和历史数据库分布在各计算机中,各单元数据库分布在各个LCU中,系统各功能分布
在系统的各个节点上,每个节点严格执行指定的任务和通过系统网络与其它节点进行通信。

整个监控系统由丹东集控中心、电站主控级和现地控制单元三部分组成。

丹东集控中心与电站主控级之间采用1000M以太网进行通讯。

主控级与现地控制单元之间采用100Mb/s 交换式冗余以太环网进行通讯,通讯协议为TCP/IP网络协议。

现地控制单元之间通过冗余以太网络进行信息自动交换,这样既能通过以太网络互换信息实现机组抽水起动,在主控级退出运行后仍能实现机组抽水起动。

现地控制单元与其它计算机控制子系统之间通过现场总线进行信息交换,对于无法采用现场总线进行通信的设备采用硬布线I/O进行连接,另外,对于重要的安全运行信息、控制命令和事故信号除采用现场总线通信外,还通过I/O点直接连接,以实现双路通道通信,确保通信安全。

6 电站计算机监控系统设备配置
蒲石河抽水蓄能电站是一个具有重要地位的大型抽水蓄能电站,对监控系统的安全可靠性和实时性要求很高,因此需选择性能高、运行速度快、安全可靠性高的计算机作为监控系统的上位机设备。

数据服务器、操作员工作站、工程师/培训工作站、通讯服务器等采用高性能、多任务型的计算机。

可编程控制器(PLC需选择高性能可编程控制器,采用双CPU 冗余配置。

6.1 丹东集控中心设备配置
2套数据服务器采用SUN公司Sun Fire V445服务器;2套操作员工作站和1套工程师/培训工作站采用SUN公司Sun Ultra45 Workatation工作站;2套调度通信工作站、1套WEB 服务器、1套总工工作站、1套厂长工作站、1套打印服务器和1套大屏幕驱动工作站采用美国HP公司的XW4600 Workstation工作站;2套网络设备采用德国HIRSCHMANN公司生产的MACH4002系列工业以太网交换机;2套路由器采用美国CISCO公司生产的CISCO2811路由器;3套打印机采用1套美国HP LJ9050N黑白激光网络打印机,1套美国HP LJ5550彩色激光打印机和1套美国HP LJ4700N彩色激光打印机;1套单向安全隔离装置采用南瑞公司Syskeeper2000正向
安全隔离装置;1套纵向认证加密装置采用南瑞公司Netkeeper2000纵向认证加密装置;1套GPS时钟同步装置采用SZ-2时钟同步装置。

6.2 电站主控级设备配置
2套数据服务器采用SUN公司Sun Fire V445服务器;2套操作员工作站和1套工程师/培训工作站采用SUN公司Sun Ultra45 Workatation工作站;2套调度通信工作站、1套打印服务器和1套综合管理工作站采用美国HP公司的XW4600 Workstation工作站;2套网络
设备采用德国HIRSCHMANN公司生产的MACH4002系列工业以太网交换机;28套环网交换机采用德国HIRSCHMANN公司生产的MS20系列工业以太网交换机;3套打印机采用1套美国HP LJ9050N黑白激光网络打印机,1套美国HP
LJ5550彩色激光打印机和1套美国HP LJ4700N 彩色激光打印机;1套纵向认证加密装置采用南瑞公司Netkeeper2000纵向认证加密装置; 1套GPS时钟同步装置采用SZ-2时钟同步装置。

6.3 现地控制单元设备配置
现地控制单元(LCU采用南瑞公司SJ-500系列单元监控装置,共11套,包括4套机组LCU、1套机组公用LCU、1套全厂公用LCU、1套500kV开关站LCU、1套下水库进出水口LCU、1套66KV变电所LCU、1套上水库进出水口LCU、1套上水库进出水口LCU和1套下库坝LCU。

可编程控制器(PLC采用法国Schneider公司高性能的Quantumn系列可编程控制器,彩色液晶触摸显示屏采用法国Schneider公司15”TFT彩色液晶触摸屏,同期装置采用南瑞公司SJ-12C双微机自动准同期装置,交流量采集装置采用美国PAAC公司ACUVIM(0.2级交流量采集装置,变送器采用苏州手普生产的变送器。

为防止开出模件或继电器误输出,特别增加采用南瑞公司生产的DOP-1型输出保护装置。

7 电站计算机监控系统功能
7.1 监控系统运行控制方式
蒲石河抽水蓄能电站计算机监控系统设4种控制方式,以满足电站的运行需要,即:网调远方控制、丹东集控中心远方控制、电站控制室控制和电站现地控制,其中电站现地控制权限最高,电站控制室控制权其次,接着为丹东集控中心远方控制,网调远方控制权限最低。

网调/集控中心控制权在集控中心操作员工作站选择;网调/电站控制室或集控中心/电站控制室的控制权在电站控制室操作员工作站选择;远方/现地控制权在LCU现地选择。

并且为了保证控制和调节的正确、可靠,所有操作均按“选择-确认-执行”方式进行,并且每一步骤都有严格的软件校核、检错和安全闭锁,同时硬件方面也有防误闭锁措施。

7.1.1 网调远方控制方式
沈阳电网调度中心通过能量管理系统(EMS既可以控制单台机组,也可以向丹东集控中心主控级计算机(或电站主控级计算机设定全厂有功功率和无功功率或电压给定值,由集控中心主控级计算机(或电站主控级计算机完成最优发电/抽水计算,根据机组状态和优先权,确定电站发电机组台数、机组组合及机组间的负荷分配,或确定抽水机组台数及机组的组合。

同时,集控中心主控级计算机(或电站主控级计算机通过通信通道将电站运行状态及运行参数上送网调、辽宁省调。

从而实现与调度的遥测、遥信、遥控、遥调“四遥”功能。

7.1.2 集控中心远方控制方式
丹东集控中心通过1000M以太网与电站主控级进行通讯,实现对电站设备监视控制,其控制方式可分为:
(1自动控制:集控中心计算机监控系统接收并转发网调的调度指令,接收电站计算机监控系统的设备运行信息,监视电站设备运行。

(2操作员工作站控制:集控中心操作员根据网调的调度指令,参照计算机监控系统的“运行指导”,通过控制室的操作员工作站键盘和鼠标对电站设备进行监视控制。

7.1.3 电站控制室控制方式
电站控制中心通过操作员工作站采用人机对话形式对电站设备进行监视控制,其控制方式可分为:
(1电站自动控制:主控级计算机按预先给定的负荷曲线或系统实时给定的负荷或预先给定频率(高、低频限制条件或其他准则,完成对全厂各机组的控制和最优负荷分配;运行人员可以选择开环或闭环控制方式,开环方式时,参数给定值和启停操作仅作为运行指导,由运行人员响应后进行下一步控制;闭环方式时,则直接作用到现地控制单元,进行调节和机组启停控制。

(2操作员工作站控制:操作员通过中控室的键盘和鼠标对电站设备进行监视控制。

对于功率控制,分为单机控制和成组控制两种,前者的控制命令直接作用到机组的现地控制单元,后者则由人工设定全厂的总有功功率或无功功率,通过计算机系统完成机组的最优负荷分配,再作用到机组的现地控制单元。

对于机组的工况转换,既可以采用全自动转换方式,也可以采用分步自动转换方式。

7.1.4 电站现地控制方式
LCU的操作内容和操作方式根据功能设计的要求而定。

运行人员可以通过现地控制单元命令或软按钮实现对电站主设备的控制和调节,它既可以实现机组工况的全自动转换,也可以分步自动转换。

7.2 监控系统功能
该电站计算机监控系统能实时、准确、有效地完成对电站被控对象的安全监控,同时能够通过通信通道与调度实现遥测、遥信、遥控、遥调“四遥”功能。

其主要功能如下:
(1 数据采集和处理
(2 安全运行监视
(3 事件顺序记录
(4 事故、故障报警及记录
(5 事故追忆和相关量记录
(6 控制操作和负荷调节
(7 操作指导
(8 自动发电控制(AGC
(9 自动电压控制(AVC
(10 经济运行(EDC
(11 统计记录与生产管理
(12 人机接口
(13 ONCALL功能
(14 数据通信
(15 历史数据库
(16 系统自诊断与冗余切换
(17 软件开发与维护
(18 操作培训
7.2.1 集控中心功能
丹东集控中心计算机监控系统集控层功能除具有向下转发电网调度命令、向上转发电网调度所需信息外,与电站中控层功能基本相同,是电站中控层监控硬件系统、软件系统的冗余。

7.2.2 电站中控层功能
监控系统中控层完成对电站所有被控对象的安全监控。

电站中控层主要有数据采集与处理、实时控制和调节、参数设定、监视、记录、报表、运行参数计算、通信控制、系统诊断、软件开发和画面生成、系统扩充(包括硬件、软件、培训仿真、运行管理和操作指导等功能。

⑴数据采集与处理。

实时采集来自LCU层的所有主要运行设备的模拟量、开关量、脉冲量等信息和电站其它系统(如电站管理信息系统、电站消防控制系统、电站通风空调控制系统、电站状态监测系统等的数据信息以及来自调度层的控制命令和交换数据,对其进行实时分析和处理,用于历史数据记录、显示画面的更新、控制调节、操作指导、事故记录及分析,并进行越限报警、SOE量记录和重要参数的运行变化趋势分析。

⑵实时控制与调节。

可完成机组的工况转换、负荷调节、运行控制方式选择以及断路器(包括换相开关、隔离开关等的投/退控制,并可完成AGC、AVC和经济运行(EDC功能。

⑶参数设定。

根据电站运行需要,运行人员可通过人机对话方式对AGC、AVC 和EDC等参与调节的参数进行设定。

⑷监视、记录和报表。

监视设备运行情况和工况转换过程,发生过程阻滞时能够给出原因,并可由操作员改变运行工况,直至停机;越复限、故障、事故的显示,报警并自动显示有关参数,同时推出相关画面;监控系统的软、硬件故障报警。

记录全厂监控对象的操作事件、报警事件,各种统计报表,重要监视量的运行变化趋势,SOE 量,事故追忆和设备的
运行档案等，并能以中文格式显示并打印。

打印方式分为定时打印、事故故障打印、操作打印及召唤打印等。

⑸运行参数计算。

包括运行工况计算，AGC、AVC和EDC计算，机组效率计算等。

⑹通信功能。

通过双以太环网与各LCU通信；通过1000M以太网实现集控中心与电站中控室通信；通过专用的两台通信工作站实现与网调的远程通信；通过现场总线方式与电站其它系统通信；通过ONCALL系统，根据报警种类和等级来启动不同的电话或发至不同的寻呼机，通知有关人员处理故障。

⑺系统诊断。

离线或在线进行软、硬件和通信故障诊断，在线诊断时不影响对电站的监控功能。

⑻软件开发和画面生成。

工程师可以方便地通过工程师工作站输入密码登陆系统，进行系统应用软件、画面和报表的编辑、调试和修改等，且不影响主机系统的在线运行。

⑼系统扩充。

系统具有很强的开放功能，通过简单连接便可实现系统扩充，且留有扩充现地控制装置、外围设备等的接口。

⑽运行管理及操作指导。

正常操作时，提示操作顺序，编辑、显示、打印操作票，显示、打印运行报表；出现故障征兆或发生事故时，提出事故处理和恢复运行的指导性意见。

⑾培训仿真。

在工程师／培训工作站上可对运行人员进行操作、维护及事故处理等培训，并不影响电站的监控功能。

7.2.3 电站现地控制功能⑴数据采集和处理。

采集机组、SFC、全厂公用的油／气／水系统、厂用电、220 kV GIS 及出线、上下库等的电量、非电量和继电保护信息，作相应处理存人数据库，并根据需要上送电站控制中心。

⑵安全运行监视。

与电站控制中心、监控对象的保护系统、微机保护装置等相结合，完成状变监视、越复限检查、过程监视和LCU异常监视。

⑶控制和调节。

接受控制中心命令，在没有控制中心命令或脱离控制中心的情况下，独立完成对所控设备的闭环控制，如开停机、工况转换，保证机组安全运行，同时相互协调工作，实现机组水泵工况起动。

在机组 LCU 柜内另设一个小型 PLC 作为机组事故停机的后备手段，该 PLC 的停机信号为独立的机组过速、事故低油压、轴瓦温度过高和紧急停机按钮等信号，小型 PLC 紧急停机的主要操作过程与 LCU 的操作过程相同，由一个专用交直流复合电源模块供电。

且小型 PLC 与双套大型 PLC 均设有看门狗，互相监视，当小型 PLC 死机时，大型 PLC 能够报警，当双套大型 PLC 死机时，小型 PLC 能够报警并紧急停机。

⑷事件检测和发送。

自动检测本单元所属的设备、继电保护
和自动装置的动作情况，发生事件时，依次检测事件的性质，并上送电站控制中心。

⑸数据通信。

通过以太网实现与控制中心及其他 LCU 之间通信。

接收电站的同步时钟信息，以保持与电站中控层同步。

通过现场总线实现与电厂其他相关设备通信，另外，对于安全运行的重要信息、控制命令和事故信号除采用现场总线通信外，还通过硬布线 I/O 直接接入 LCU，实现双路通道通信，以保证安全。

⑹自诊断功能。

在线或离线自诊断硬件故障并定位到模块；自动给出软件的故障性质及部位，并提供相应的软件诊断工具；在线诊断出故障，能自动闭锁控制出口或切换到备用系统，并将故障信息送控制中心显示、打印和报警。

⑺输出保护。

通过特别采用南瑞公司生产的 DOP-1 型输出保护装置，配合 PLC 的控制程序，防止开出模件或继电器误输出，以保证输出的正确性。

8 电站计算机监控系统特点 [3]、[7] ⑴采用全分布开放系统结构，主机、操作员工作站、工程师培训工作站、各通信工作站、综合管理工作站、WEB 服务器、大屏幕驱动工作站、厂长总工工作站等使用符合 IEEE 和 ISO 开放系统国际标准的 UNIX/Linux/Windows 操作系统。

按照开放的接口、服务和支持格式规范而实现的系统，使应用系统能以最少修改，实现在不同系统中的移植；能同本地的或远程系统中的应用实现互操作；能以方便用户迁移的方式实现用户的交互。

开放系统的采用将最大限度地保护用户的投资。

⑵系统采用分布式体系结构。

符合技术发展趋势，系统以双局域网为核心，实现各服务器、工作站功能分担，数据分散处理。

处理速度快、工作效率高。

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⑶各工作站/服务器在系统中处于平等地位，系统以后扩充时不引起原系统大的变化，并为整个系统不断完善创造条件。

⑷网络上接入的每一设备都具有自己特定的功能，实现功能的分布。

保证了网络上的节点设备中任一部分故障或不工作，均不影响系统其它功能部分的运行。

网络节点设备资源相对独立又可为其它节点共享，为今后功能扩充提供了较大的方便。

⑸系统先进、可靠。

冗余化的设计和开放式系统结构，使系统既可靠实用、又便于扩充，整个系统性能价格比高。

⑹系统主网络采用100 Mb／s交换式冗余双光纤以太环网，既有较高的通信速率，又保证了很高的可靠性，任一节点故障或任一段光缆中断均不影响系统其他部分的正常运行。

⑺ LCU采用了全智能I／O板，真正做到了智能分散、功能分散及危险分散的全分布系统。

⑻ LCU采用了南瑞公司的DOP-1输出保护技术和。