广蓄电厂监控系统上位机自动控制功能开发及应用

陈 满，巩 宇

（广州蓄能水电厂,广东 广州 510950）

广蓄电厂监控系统上位机自动控制功能开发及应用

陈 满，巩 宇

（广州蓄能水电厂,广东 广州 510950）

广州蓄能水电A厂于2008年重新设计开发了计算机监控系统上位机，重新设计优化了其中的电厂自动控制程序，其核心功能自动发电控制功能和自动电压控制功能根据先进的控制理念，设计优化了算法，提高了电厂自动控制水平；同时本项目只针对监控系统上位机，下位机维持不变，大大缩短了全厂机组退备时间，创造了极大的经济和社会效益。详细介绍了广州蓄能水电A厂上位机设计开发过程，为今后电厂自动控制程序设计提供参考。

计算机监控系统;S C A D A;自动发电控制;自动电压控制;最优控制 P I调节

0 概述

广蓄A厂上位机系统从1992年投入运行至2007年，运行时间已达15年。随着时间的推移，曾经领先的系统逐渐落后，系统的缺陷不足逐渐暴露。主要表现在三个方面：

一是限于当时的计算机发展水平，所设计的软、硬件已经不能满足现今电厂运行、维护的需要。比如数据库生成站CCCD，其系统软件是用Fox Base开发的，界面较差、功能单一，且运行在DOS平台，操作非常不方便；系统维修站采用的是SUN 3/80计算机，该计算机是上位机的核心工作站，其停产年代是1987年，即使是最新的计算机也有19年的历史。

二是上位机系统作为电厂自动控制的核心部分，其使用的核心程序电厂自动控制程序是基于20世纪70年代的控制理念设计，经过数十年的发展，控制程序已经不能满足21世纪电网、机组的运行的要求，且由于当初设计技术相对落后的制约，程序存在许多逻辑上的漏洞，导致电厂运行一直存在一些控制上的操作限制，大大影响电厂自动化程度，降低电厂的运行效率，可靠性及响应速度，增加机组的调节损耗。

三是系统日渐老化，故障率有所上升，且由于部分备品难以采购，造成维护日益困难。如负责与下位机进行通讯的前置机UGG1/UGG2经常故障死机，严重影响了上位机系统的安全稳定运行。

广蓄电厂经过详细的调研和评估，决定对A厂计算机监控系统进行重新设计开发。并决定采用当前世界先进的蓄能电厂控制理念，结合先进的控制理论及多年的运行实践经验，设计开发电厂自动控制程序，满足当前电网的需要，并结合电力系统的发展趋势，增加新的控制功能，满足未来电网，机组控制的运行需要。

1 设计开发广蓄A厂上位机自动控制程序

广蓄A厂对运行于成组控制模式的机组的所有控制功能均由后台运行的过程控制程序完成，此程序由30个功能独立的程序模块组成，每个模块实现不同的控制功能，例如成组开机发电，抽水，有功的分配，500kV频率调节，自动发电控制（AGC），自动电压控制（AVC）等。该程序在上位机系统初始化后自动运行，每个模块根据各自的运行周期运行，主要模块功能如下：

1.1 有功控制

有功控制功能负责控制全厂机组的启停及机组功率调节，其计算框图如图1：

其主要计算模块分述如下：

（1）500kV网络结构状态监视模块

此模块首先运行，且运行周期为1s，实时采集A厂两条出线及500kV环网上所有断路器，隔离刀闸和接地刀闸的状态，根据各开关，刀闸的状态进行计算，得出电厂出线的网络结构模型，并针对当前的网络结构模型进行相关的安全性计算，限制或开放机组的相关功能。例如，正常运行时，广蓄A厂由两条出线与500kV系统相连，此时4台机组可以全部启动，当一条出线退出运行时，只能启动3台机组发电或2台机组抽水。

（2）机组状态监视模块

此模块运行周期为5s，根据实时采集的各台机组的相关信息，经过一系列缜密的安全性计算和机组的性能曲线分析，得出各台机组当前的运行状态，所能承受的负荷量及最佳的运行方式等数据。该功能经运行检测达到设计标准，准确计算各台机组的负荷能力，使机组运行在最佳状态。

（3）设定值处理模块

此模块运行周期为5s，对全厂容量/负荷的设定值进行处理，由2个子模块组成：负荷曲线模块和操作员设定值模块，由操作员选择其中一个子模块运行。

（4）负荷曲线模块：选择此模块后，自动控制程序将会从预先设定好的当日负荷曲线上读取当前时间的容量/负荷设定值，对机组进行启停和负荷分配，由于目前广蓄电厂的调峰任务繁重，机组启停基本没有规律可言，很难根据预先设定的负荷曲线运行，所以此模块基本没有运行。

（5）操作员设定值模块：选择此模式后，自动控制程序将会接收调度或电厂值班员的全厂容量/负荷设定值，根据前面计算的全厂最大最小有功/无功出力值和机组状态等对设定值进行处理计算，若设定值不符合要求，则会根据预先设定好的取值模式计算出可执行的设定值发送给后续模块。

（6）自动发电控制模块（AGC）

此模块运行周期为5s，根据容量设定值控制机组的启停，根据全厂负荷设定值对各正在运行的机组进行负荷分配。

1）机组启停：根据可执行的容量设定值计算当前需要启停机组的台数并根据操作员设定的机组优先级启停相应的机组，启动台数由下表列出：

表1 容量设定值与机组启动台数

例：若某时容量设定值为600MW，机组优先权为1324，则自动控制程序将会同时对1，3号机组发开机发电命令。

2）负荷分配：根据调度或电厂操作员设定的全厂有功负荷设定值对正在运行的机组进行负荷分配，分配模式分为经济分配和平局分配，由操作员选择其中一执行。选择经济分配时，自动控制程序将会根据各台机组当前已带负荷进行评估，按照各台机组调节幅度最小的方案进行新的负荷分配；选择平均分配模式时，自动控制程序将会把负荷设定平均分配给各台运行的机组。由于广蓄机组调节频繁，按照经济分配方案时虽然减少了耗水量和机组调节损耗，但可能会使个别机组长期处于高负荷运行状态，所以广蓄并未采用经济分配模式而采用负荷平均分配模式。

电网频率调节模式

此功能由操作员手动启动和停止，不会自动运行，当启动此模块后，自动控制程序将不会接收电厂有功负荷设定值，而会根据500kV电网频率测量值与50Hz的偏差计算出当前全厂应承担的有功出力。计算出有功目标值后，根据操作员选择的负荷分配模式进行负荷分配。频率调节计算程序经过多次调试，各项参数符合电网要求，采取PI计算方式，能在保证消除稳态误差的基础上缩短响应时间，确保响应时间，超调量，稳态误差等性能指标均达到运行要求，大大提高电厂稳定电网频率的能力。在紧急情况下失去调度控制指令时，电厂能够紧急响应，自动调节机组出力，稳定电网的频率。

1.2 无功控制——自动电压控制模块（AVC）

此模块运行时间为5s，根据调度或电厂操作员设定的500kV电压设定值进行计算，对机组进行无功功率的闭环控制。计算框图如图2：

整个无功闭环控制分为5步：

（1）首先自动控制程序接收500kV电压目标值，并与母线电压实际测量值相比较得到差值△。

（2）经过自动控制程序的PI计算算出全厂无功目标值。

（3）将全厂无功目标值按照最优原则分配给成组运行的机组。

（4）结合机组PQ曲线转换计算算出每台机组的AVR电压给定值。

（5）由AVR调节励磁电流达到调节机端电压从而调节500kV母线电压。

在程序运行的下个周期，自动控制程序再次测量当前电压测量值后重复上述计算，直到电压偏差在允许范围内，达到电压的自动闭环控制。

2 设计人机操作界面

设计制作全新的人机操作界面，新界面继承了原界面的风格，使值班员能够更快的适应，新人机界面操作简单，安全可靠，计算机程序后台增加了大量的安全计算程序，对值班员的所有操作进行监测，确保操作的正确性，大大降低误操作的风险。

3 设计开发上下位机通讯前置机

由于广蓄A厂本次改造仅针对上位机部分进行，下位机系统维持不变，下位机部分维持不变，要使现代上位机系统与20世纪80年代的下位机系统进行可靠的数据通讯，必须设计开发通讯前置机系统，前置机系统由运行通讯程序的PC电脑及6台通讯网关机组成，接收下位机的串口通讯数据转变成上位机系统使用的以太网通讯数据供给上位机系统使用，经过测试，前置机系统运行稳定，可靠，满足无人值班电厂数据通讯的要求。

4 运行概况

作为南方电网重要的调峰调频电源，广蓄必须能安全稳定高效运行。广蓄A厂新上位机系统于2008年1月投入运行，经过2年多的运行，各项控制功能运行良好，均达到了设计要求，电厂自动控制水平有了很大提高。多种控制功能的完善令广蓄A厂能更好地适应电网日益严格的调峰调频要求。电厂自动发电控制程序根据广蓄十多年的运行经验设计开发，通过2年多的投产运行检验，各项参数的整定及控制性能指标已经能完全满足电网的要求，新控制程序的应用，彻底解决了广蓄多项长期存在但无法完全解决的重大缺陷，如程序计算漏洞导致的机组启动失败，停机失败；计算存在死区导致机组不按设定值启/停导致启动或停机失败；机组负荷控制调节性能不佳，向电网多送或少送负荷；机组并网大量吸收无功功率等。该程序可读性及，可编译性强，在今后的运行中，可以随时根据运行需要进行修改，更好的履行广蓄在电网中调峰填谷，快速响应的职责，为电网建设提供有力支持。

5 结束语

抽水蓄能机组特点是起停速度快、工况转换灵活，在电力系统调节和事故备用方面发挥极其重要的作用。通过削峰填谷，平滑了系统负荷曲线；通过调频调相有效提高电网频率和电压稳定性，保证电能品质；在电网发生异常情况时紧急响应，保证电网的安全，对电力系统的安全经济运行和事故备用都起到保障作用，提高了电网的可靠性，是电网管理的工具。随着新能源的开发和智能电网的建设，电网对抽水蓄能电站的需求将进一步加强。

广蓄A厂不但为南方电网服务，同时也为香港电网输电。由于电网遭遇南方冰雪灾害本项目提前竣工，此后，历经奥运保供电、60周年国庆保供电、香港东亚运动会保供电、系统多次紧急调度的考验。在这些重要的时刻，稳定、可靠、功能完备的监控系统为电网灵活调度广蓄A厂机组、为广蓄电厂保一方平安做出了应有的贡献。

上位机系统投产产以来，各项控制功能运行良好，零误动率，稳定可靠，大大提高了电厂自动化程度，完全满足无人值班电厂的需要。其控制程序的设计理念，所运用的数学计算模型，控制律等均能为今后蓄能电厂的自动控制程序设计提供借鉴。

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TV736

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1672-5387（2011）03-0016-03

2011-04-11

陈满（1973-），男，高级工程师，从事水电站检修试验管理工作。