仙居抽水蓄能电站计算机监控系统结构与功能

操俊磊，陈 龙，姜海军

（南京南瑞集团公司水利水电技术分公司，江苏省南京市 211106）

仙居抽水蓄能电站计算机监控系统结构与功能

操俊磊，陈 龙，姜海军

（南京南瑞集团公司水利水电技术分公司，江苏省南京市 211106）

本文简述了浙江仙居抽水蓄能电站概况及其机组运行方式，阐述了计算机监控系统的设计原则、系统配置及网络结构，并详细介绍了监控系统的主要功能以及上位机NC3.0软件的特色和优势。

抽水蓄能；监控系统；结构；功能；NC3.0

0 引言

仙居抽水蓄能电站位于浙江省仙居县湫山乡境内的永安溪上，地处浙东南用电负荷中心，是国家“十一五”规划重点建设工程，属于一等大（1）型工程，由国网新源控股有限公司、浙江省电力公司、华东电网有限公司、上海市电力公司和仙居县资产经营公司共同投资建设。电站总投资58.51亿元，安装4台37.5万kW大型抽水蓄能机组，是国内单机容量最大的抽水蓄能电站。

1 背景

2016年4月12日，我国单机容量最大（375MW）的抽水蓄能电站——浙江仙居抽水蓄能电站首台机组成功并网发电，这标志着我国完全掌握了抽水蓄能的核心技术，为今后大规模建设抽水蓄能电站提供了技术支撑。电站最核心的监控部件采用南京南瑞集团公司SSJ-3000计算机监控系统，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。

通过自主创新，南京南瑞集团公司攻克抽水蓄能机组多工况转换、启动运行及控制保护策略等技术难题，成功研制出具有完全自主知识产权的大型抽水蓄能电站计算机监控系统，其功能、性能都达到或超过国际先进水平，打破了国外的技术垄断，掌握了核心技术，实现了抽水蓄能电站控制设备自主化，很大程度上促进了我国电力装备制造业的科技进步。

2 机组运行方式

仙居抽水蓄能电站机组运行方式较为复杂，工况包括：停机、静止、空载、发电、发电调相、抽水、抽水调相等7种稳定工况，同时具备黑启动功能。

机组运行的工况转换主要有：停机→静止；停机→空转；空转→空载；空载→发电；发电→发电调相；发电调相→发电；发电→空载；空载→空转； 空转→旋转；发电调相→旋转；静止→抽水调相（SFC拖动）；静止→抽水调相（BTB拖动）；停机→旋转（BTB作为拖动机）；抽水调相→抽水；抽水→抽水调相；抽水→旋转；抽水调相→旋转；抽水→发电（紧急）；抽水→发电（正常）；停机→黑启动。

仙居机组工况转换如图1所示。

3 监控系统设计原则

本文介绍的计算机监控系统，充分考虑了网络技术的迅速发展和计算机软、硬件快速更新的特点。对于监控系统的网络结构、相应的功能及系统配置，总的设计原则如下：

图1 仙居抽水蓄能电站机组工况转换图Fig. 1 Conversion diagram of Xianju unit working condition

（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。

（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等的通信。

（5）系统采用成熟、可靠、标准化的硬件、软件和网络结构，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，保证系统的可扩展性，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，具有先进行和向后兼容性，能充分保护用户的投资。

4 系统配置及网络结构

仙居抽水蓄能电站计算机监控系统采用开放式分层分布系统。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，并通过系统网络与其他节点进行通信。仙居抽水蓄能电站整个监控系统由电站主控级和单元控制级等设备组成。主控级包括2 套冗余数据服务器、3套冗余操作员工作站、1套工程师站、2 套调度通信工作站、1 套厂内通信工作站、1套语音报警服务器、2套GPS 时钟同步装置及外围设备等。单元控制级设有10 套现地控制单元，包括4 套机组LCU、1 套厂房公用LCU、1 套主变压器洞LCU、1套500kV 开关站LCU、1 套开关站公用LCU、1 套中控楼LCU和1 套上水库LCU。

主控级与LCU之间采用100Mbps交换式冗余以太环网进行通信，通信协议为TCP/IP 网络协议。LCU与其他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，实现双路通道通信，确保通信安全可靠。

监控系统结构图如图2所示。

5 监控系统功能

本计算机监控系统应具有对监控对象进行监控、数据采集与处理、运行计算和数据交换、操作培训等多方面功能，同时能够接收调度指令，并将所需数据传送到调度，以便对整个系统进行有效的监控。

5.1 调度级功能

本电站受华东网调和浙江省调调度。电站监控系统通过远动工作站向华东网调和浙江省调EMS系统发送上行遥测、遥信量，接收华东网调和浙江省调EMS系统下行的遥控、遥调量，直接控制机组或经电站计算机监控系统电站控制级控制和调节整个电厂；另外，通过远动工作站与调度中心的数据通信网进行批量数据信息交换，原则上电站控制级的数据全部都能上送调度中心。

图2 仙居计算机监控系统网络结构图Fig. 2 Network structure diagram of Xianju computer monitoring system

5.2 电站控制级功能

电站计算机监控系统应迅速、准确、有效地完成对本电站被控对象的安全监控。电站控制级应具有数据采集与处理、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、系统仿真、软件开发和画面生成、系统扩充（包括硬件、软件）、运行管理和操作指导等功能。

5.3 现地控制级功能

（1）机组现地控制单元（LCU1～4）监控范围包括水泵水轮机、发电电动机、主变压器、机组进水阀、尾水事故闸门、机组附属及辅助设备、离相封闭母线及附属设备等。机组现地控制单元设备布置于主厂房发电机层机旁；设置发电/电动机远程I/O，布置在主厂房中间层机旁，监控范围包括发电/电动机及其附属设备等；设置水泵/水轮机远程I/O，布置在主厂房水轮机层机旁，监控范围包括水泵/水轮机及其附属设备等。

（2）厂房公用设备现地控制单元（LCU5）布置在副厂房LCU室。设置公用设备远程I/O，布置在各主要设备控制屏处。本单元监控范围包括主、副厂房内公共辅助设备，厂房220V直流电源系统等。

（3）主变洞现地控制单元（LCU6）布置在主变压器洞LCU室。设置10kV厂用电设备远程I/O，布置在10kV高压开关柜室。本单元监控范围包括SFC及其辅助设备、主变压器洞18kV电压等级的配电装置、18/10kV厂用变压器、厂房10/0.4kV厂用变压器，厂房10kV和0.4kV电压等级的厂用电配电装置等。

（4）500kV开关站现地控制单元（LCU7）布置在继保楼继保室。本单元监控范围包括500kV开关设备、500kV母线、500kV电缆、500kV系统继电保护装置等。设置地下厂房主变洞远程I/O，布置在地下厂房主变洞LCU室，用于对地下500kV设备的监视和控制。

（5）开关站公用设备现地控制单元（LCU8）布置在继保楼继保室。本单元监控范围包括开关站继保楼的辅助设备，主要有继保楼220V直流电源系统、开关站继保楼厂用电配电装置、消防及生活水泵系统等；设置柴油发电机系统远程I/O，布置在柴油机房，主要监控柴油发电机等；下水库进出水口远程I/O，布置在下水库启闭机楼，主要监视下水库进出水口拦污栅、水位测量设备及厂用电配电装置等；设置下水库溢洪道远程I/O，布置在下水库溢洪道闸门启闭机室，主要监控下水库溢洪道闸门及其附属设备、下库放空管锥形阀及蝶阀、厂用电配电装置等；设置下水库放水系统远程I/O，布置在下水库泄放洞工作闸门启闭机室，主要监控下库泄放洞工作闸门及其附属设备、下库泄放洞进口事故闸门及其附属设备、厂用电配电装置等。

（6）中控楼现地控制单元（LCU9）布置在中控楼控制设备室。本单元监控范围包括：中控楼区域公共辅助设备、业主营地区域公共辅助设备、10kV电站施工配电站等。

（7）上水库公共设备现地控制单元（LCU10）布置在上水库启闭机楼控制设备室。本单元监控范围包括上水库进出水口事故闸门及其附属设备、上水库水位测量设备、上水库220V直流电源系统、厂用电配电装置等。

6 独立光纤硬布线紧急操作系统

光纤硬布线紧急操作系统独立于电站监控网络之外，在发生水淹厂房等事故时，能够实现紧急停机和快速落上、下水库闸门的功能，事故信号同时也送至计算机监控系统现地控制单元，通过电站计算机监控系统双环网实现冗余的紧急控制，有效防止事故的进一步扩大，很大程度上提高了电站的安全等级。

光纤硬布线系统连接示意图如图3所示。

图3 光纤硬布线系统连接示意图Fig. 3 Connection diagram of optical fiber hard wired system

（1）中控室LCU部分。中控室紧急控制箱中信号为紧急停机的按钮信号、紧急关闭机组尾水闸门的按钮信号、紧急关闭上库1～3 号进水口闸门的按钮信号，实现方式为：这些按钮信号以无源接点的方式通过光端机传输至厂房公用LCU，由厂房公用LCU 中的独立水机PLC 对各控制对象进行控制。

（2）厂房公用LCU部分。两只水淹厂房紧急按钮控制箱布置于地下厂房发电机层主要疏散通道上，厂房公用 LCU 接收来自地下厂房的紧急停机按钮控制箱和水淹厂房装置的无源接点信号，当接收到上述信号后，通过独立于监控系统的水机PLC 输出无源接点信号去各机组的水机停机回路和尾水闸门关闭回路，由于和上库距离远，通过光端机将关闭上库进出水口闸门信号送至上库。

（3）上库LCU部分。上水库现地控制单元内设置独立光纤硬布线紧急操作系统点对点光端机及光端机信号扩展回路，将地下厂房公用设备现地控制单元独立光纤硬布线紧急操作系统PLC传来的关闭闸门命令输出至相应的上水库进出水口事故闸门控制柜。

7 监控软件NC3.0的应用

NC2000计算机监控系统软件是面向水利水电行业研制的大型计算机监控系统软件。该软件是具有跨平台能力、全面支持异构平台的多层分布式面向对象的计算机监控系统软件，已在200余家大中型项目中获得广泛应用。

随着水电厂智能化改造的逐步深入，南京南瑞集团公司结合成熟产品和先进技术，推出了新一代的NC2000 V3.0计算机监控平台（简称NC3.0），以满足水电站生产过程控制智能化、运行调度决策智能化、数据信息一体化的要求。

新接入的NC3.0计算机监控系统较原先NC2000 V2.0版本有了长足的进步。

7.1 统一标准的数据存储

NC3.0作为统一的数据信息平台，可以实现生产I区各自动化系统之间的资源整合，通过通用标准的数据接口方式，对各子系统数据进行抽取、传输、加工、统计、存储，形成厂级数据中心，从而为生产管理和决策分析提供数据基础。此过程需要满足数据集成的完整性、一致性、准实时性、接口规范性、访问安全性等要求，数据交换技术和数据存储技术是构建数据分析处理平台的关键技术。

7.2 完备的统计分析

NC3.0监控平台提供了完备的生产过程数据记录和统计功能，增加新的数据记录类型，如新增模拟量越复限时间点与持续时间段查询、开关量点动作持续时间段最值查询等功能，提高了数据记录信息的准确性和完整性，满足电站各种运行参数的统计分析报表的制作要求；改进了人机接口环境，提高软件使用的易用性和综合展示效果。

简报窗口也有很大改善，用户可自定义报警信息的显示特性（颜色、字体和条目等）、报警窗口类型和多窗口简报信息，支持列表显示当前事故/故障信息，并且报警信息可按对象进行过滤、屏蔽、确认等操作，也支持动作次数、越复限次数、梯度变化等综合报警。

7.3 自动化部署与集中管理

7.3.1 资源配置智能化

监控系统包含大量的应用功能，如AGC/AVC、LCU数据采集、IEC104/101调度通信、直采直送功能等，每个应用的部署均须维护配置信息，手动配置经常会导致错误和不一致性的发生。NC3.0提供了智能的资源配置界面，根据应用要求、协议标准、闭锁原则，自动生成必要的配置信息，对标准的通信程序还提供了通信监视界面，简化上述应用功能的调试和维护。

7.3.2 配置管理自动化

每个应用程序维护其自身的配置信息，监控平台为每一个/类配置创建相应的管理，将应用程序档案文件连同其配置信息自动传送到需要的不同环境中去。这样，整个系统的就会更加易于维护和管理。

7.3.3 系统进程集中管理

提供直观图形化的操作界面，展示操作系统资源信息、应用进程信息并可进行可视化操作，使系统维护更加简便和通用；实现了NC3.0系统进程的状态诊断，提供可靠的进程守护功能；实现系统进程日志登载，提供在异常情况下自动生成系统的异常自诊断报告功能，以便于系统问题的离线分析；在不重启操作系统条件下，实现了NC3.0系统的安全可靠重载和进程启停。

7.3.4 完备的权限管理

NC3.0对用户的应用权限进行了更细粒度的设计，系统可通过对用户在系统功能、用户级别、目标对象和操作节点等方面的允许范围进行定义，规范用户权限。权限管理支持组群功能，同一群组下可以建多个用户，各用户不用单独进行权限定义，统一使用群组权限。

8 结束语

仙居抽水蓄能电站计算机监控系统在设计方面充分考虑和采用了现代计算机控制的各种先进技术，如开放性和可扩展性好、分层分布结构、多重冗余技术和现场总线技术等，能实现容错功能和系统冗余功能，最大程度地保证了电厂的安全、高效运行，完全能够满足抽水蓄能电站对生产设备监视和控制的要求，是一种先进的抽水蓄能电站计算机监控系统。电站建成后，将承担华东电网的调峰、调频、调相和事故备用等任务，可有效缓解电网的调峰矛盾，优化浙江能源结构，提高系统的运行质量，为电网安全运行提供可靠保证。

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2017-04-10

2017-05-23

操俊磊（1992—），男，助理工程师，主要研究方向：水电厂计算机监控系统工程实施。

E-mail：caojunlei@sgepri.sgcc.com.cn

陈 龙（1982—），男，工程师，主要研究方向：水电厂计算机监控系统工程管理及现场实施。

E-mail：chenlong@sgepri.sgcc.com.cn

姜海军（1980—），男，高级工程师，主要研究方向：水电厂计算机监控系统工程管理及现场实施。

E-mail：jianghaijun@sgepri.sgcc.com.cn

Structure and Function of Computer Monitoring System for Xianju Pumped Storage Power Station

CAO Junlei，CHEN Long，JIANG Haijun
（Water Resources and Hydropower Company，NARI Group Corporation，Nanjing 211106，China）

This paper briefly describes the general situation and operation mode of pumped storage power station in Zhejiang Xianju pumping unit，elaborates the computer monitoring system design principles，system configuration and network structure，and introduces the main functions of the monitoring system and the PC NC3.0 software features and advantages.

pumped storage； monitoring system； structure；function； NC3.0

TP27

A学科代码：570.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.008