抽水蓄能电站计算机监控系统的实现与应用

杨 武

（中电建海外投资（昆明）有限公司，云南 昆明 650000）

1 概述

电站计算机监控系统具有数据自动采集与处理，运行监视，操作控制和负荷调节，事件顺序记录，事故、故障报警及记录，自动发电控制（AGC），自动电压控制（AVC），统计报表，操作培训等功能。电站计算监控系统是电站自动控制、监视和管理的核心，直接决定着电站的安全生产和高效运行，计算机监控系统建设规划好坏对抽水蓄能电站安全高效运行意义重大。

抽水蓄能电站在电力系统中承担着调峰填谷、调频调相、黑启动、储能、紧急事故备用等功能，机组工况复杂，启停频繁，操作控制要求比常规水电更高。弄清抽水蓄能电站的运行方式，控制要求，有利于规划设计抽水蓄能电站计算机监控系统控制流程。分析抽水蓄能电站与常规水电站的不同，有利于进一步完善抽水蓄能电站计算机监控系统功能。

2 抽水蓄能电站运行方式

抽水蓄能电站启停频繁，工况复杂。一座4 台机组的抽水蓄能电站，日启停可达10 多次，机组有发电、发电调相、抽水、抽水调相、停机5 种基本稳态工况，另有静止、空转、空载3 种过渡稳态，同时具备黑启动、线路充电的能力。机组主要运行工况转换有13 种（包含：停机→发电，发电→停机，停机→抽水，停机→发电调相，等），具体运行工况及工况转换关系如图1 所示。其中抽水方向启动有SFC、背靠背两种启动方式；抽水至发电转换流程分为正常转换和紧急转换方式；各运行稳态至停机包括正常停机、机械事故停机、电气事故停机。

图1 机组运行工况及工况转换方式

3 对计算机监控系统的特殊要求

抽水蓄能电站运行方式多、工况转换复杂，监控系统的测点将显著增加；同时电力系统对抽水蓄能电站及时响应性和可用性要求高，要求能够随调随启，即启即用，对电站计算机监控系统的可靠性和操作成功率要求更高。

水泵工况的启动方式一般采用SFC 变频启动方式或背靠背拖动方式，SFC 变频启动方式是使用电站静止变频启动装置，实现机组由停机态到水泵工况的启动；背靠背拖动方式启动是使用电站其中一台机组发电工况开机启动，拖动另外一台机组由停机态到水泵工况的启动方式。两种启动方式都要涉及电站2 台设备同时启动，计算机监控系统需监控的实时状态、参数量成倍增长，设备动作逻辑繁复，增加了控制复杂性。在背靠背启动方式时，要协调、控制拖动机组导叶开度、启动机组励磁电流，以及两机组间的转速差等参数；当SFC 变频装置、拖动机组、启动机任一设备故障时，需要将故障信号作用于另一台设备，同时停机，其中SFC 必须要求先封脉冲，后跳闸输入断路器，GCB 低频阶段（一般25 Hz 以下）不允许跳闸，需在机组灭磁完成后方可分闸。同期并网时不仅需要监控被启动机组的电压、频率、励磁电流和导叶开度，还需同时调节控制拖动机组的转速或SFC 频率等，使得被启动机组机端电压、相序、相位、频率满足同期并网条件。水泵工况SFC 方式启动并网和背靠背方式启动并网不同于发电并网，并网电压相序需要切换，同期装置需设置多种同期模式；各机组在水泵工况启动时需要同SFC 建立协调控制联系，机组与机组互为拖动机，相互之间也需要建立协调控制关系。

为减少抽水工况启动过程中的功耗,水泵方向启动要对转轮室进行充气压水，计算机监控系统需完成压水、回水、转轮造压等流程转换控制，重点关注主压水阀、补气阀、蜗壳循环阀、蜗壳排气阀、尾水管充水阀、顶盖排气充水阀、止漏环冷却水阀，这7个阀门开启、关闭的条件要可靠并冗余，必须设计可靠的参数作为转换条件，提高转换可靠性。

机组部分机械事故保护需要根据机组不同工况进行自动投入或退出；水机后备保护投退条件需要独立采集；机组电气保护部分闭锁条件需要由计算机监控系统开出。

4 某抽蓄电站的计算机监控系统结构

某抽水蓄能电站共安装4 台单机容量300 MW混流可逆式抽水蓄能机组，其计算机监控系统采用现地控制器使用Control Builder 系统组态软件的ABB Industrial IT。采用“双星形”冗余网络，系统软硬件按分层、分布式结构配置，由现地控制单元、厂站控制层设备两部分组成。各控制层之间采用OPC Server 网络通信协议构建的自适应千兆交换式冗余以太环网进行通信。

厂站控制层设备包含：主数据服务器、工作站、通信服务器、UPS 电源及模拟屏等设备。

现地控制单元设有8 套LCU，配置DI、DO、SOE、AI、AO、TI 等IO 模件，采集设备状态、事故告警、温度、压力、电流、电压等模拟量信号，开出操作控制命令等；有关机组间控制协调变量，视对信号实时响应要求不同，重要性不同，或采用跳闸矩阵I/O点连接交换信息或利用总线通信在LCU 间交换信息；与励磁、调速器等重要控制子系统采用I/O 点连接和通信冗余方式交换信息。

图2 某抽蓄电站的计算机监控系统结构图

5 某抽蓄电站计算机监控系统的配置与功能

5.1 主数据服务器

主数据服务器为2 套，布置在计算机室，服务器型号为HP 580G7，配置主频为2.0 GHz Intel Xeon E5620 CPU，32 GB RAM内存，300 GB SAS硬盘2个，双以太网自适应千兆接口卡2 个。

2 台主数据服务器工作以互为热备方式进行，共同完成对整个电站设备的运行监视控制任务，管理各类运行、控制、历史数据等数据库，计算和处理AGC/AVC 实时信息，生成各类图表曲线以及分析处理事故、故障信号等。

5.2 工作站

工作站总计6 套，其中操作员工作站2 套，布置在中控室；值守工作站1 套，布置在地面值守室；远方工作站1 套，布置于市区办公区；工程师工作站1套，布置于计算机室；培训工作站1 套，布置于培训室。以上6 套工作站型号相同，均为HP Z820 工作站，CPU 为四核至强E5-2609，主频为2.4 GHz，每套配置内存为4.0 GB、硬盘为300 GB SAS 硬盘、双以太网自适应千兆接口卡。

2 套操作员工作站以双机冗余互为热备方式进行工作，实现对电站各设备系统的远方监控，调度管理及各数据的计算和处理等功能。2 套操作员工作站可同时工作和更新处理各类数据，1 台为主工作站完成监控任务，另1 台正常监视，当其中1 台故障时，另外1 台立即切换至主工作站。

值守工作站、远方工作站作为远期规划以实现“无人值班”（少人值守），实现对电站各设备系统的监控功能。工程师工作站主要用于系统开发、建立并完善数据库、系统故障维护、历史检索等工作需求。培训工作站用于对有关人员提供与电站完全相同的设备操作、运行环境的培训、练习和讲解等工作。

5.3 通信工作站

厂内通信工作站共计1 套，对外通信工作站共计2 套，各通信工作站配置相同。均采用英特尔至强E5-2609 四核CPU 处理器，配置4.0 GB 内存，2块300 GB SAS 硬盘，双以太网自适应千兆接口卡。

厂内通信工作站，用于实现与厂内各有关子系统的通信。另外两套对外通信工作站互为热备用，实现电站系统与中调、网调间的网络通信主信道搭建，配置1 套电力MODEM，用于与网调的备用信道。

5.4 历史数据服务器

历史数据服务器1 套，型号为HP 388G7，配置同通信管理机，另配有1 套磁盘阵列，采用HP StorageWorks P2000 G3 模块化存储阵列控制器，配置有300 GB SAS 硬盘4 块，加上服务器自带的两块300 GB SAS 硬盘，大致可以满足电站计算机监控系统4～5 年历史数据的保存。

5.5 网络设备

电站计算机监控系统主控层配置2 套德国赫斯曼Mice3000 交换机系统，现地控制层各LCU 均配置2 套德国赫斯曼RS2-FX/FX 工业以太网交换机。主交换机、各LCU 交换机通过光纤构成双星形全分布交换式自适应千兆冗余以太网。2 套系统互为热备用，同时收发传输信号，1 套故障不影响整个系统运行。

5.6 现地控制单元

现地控制单元共设8 套LCU。1～4 号LCU 分别用于4 台机组监视控制，包括相应机组单元的励磁、调速、发变组保护、进水阀、主变及冷却系统等；5 号LCU 用于变频启动装置（SFC）、500 kV GIS 和500 kV 线路以及水泵工况背靠背启动、SFC 启动跳闸矩阵功能，6 号LCU 用于全站公用设备，含油、气、水系统，400 V，10 kV，事故照明，直流电源等设备；7 号LCU 用于上水库，含相关闸门及其启闭设备、水位测量、电源系统；8 号LCU 用于下水库，含尾水事故闸门及其启闭设备、水位水温测量、地面通风空调等相关设备。

电站现地控制器采用型号为PM866A 的ABB AC800M 控制器，133 MHz 主频，64 M RAM，每套实现双控制器、双以太网接口冗余配置，配置了冗余的Modular 接口模件，与ABB S800 I/O 模块配套通过本地Module 总线连接实现所有I/O 点信号采集与输出，计算与处理。

机组LCU、开关站LCU 采用两个双CPU 的PM866A 冗余配置，机组LCU 另配备一个PM851A作为水机后背保护小PLC；其他LCU 采用一个双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 抽蓄电站的计算机监控系统主要特点

某抽水蓄能电站计算机监控系统全面应用冗余配置，监控系统网络配置采用自适应千兆双星型冗余光纤网，系统设备均连接到两个冗余网络上，整个网络配置结构清晰，方便检修维护，集安全性、灵活性、可靠性为一体。机组、开关站现地控制单元采用两个双CPU 控制器冗余，其他现地控制单元采用单个双CPU 控制器自冗余，其供电电源采用双电源结构。同期装置在机组不同工况并网时采用自动准同期方式为主，手动同期方式备用。电站主控级、现地级各节点主设备采用双机热备冗余配置，如主数据服务器、机组LCU、开关站LCU、操作员及通信工作站、通信服务器等双机热备系统，实现设备运行热备份。

同时，该抽水蓄能电站的计算监控系统在设计选型时，充分考虑电站设备种类繁多，运行环境复杂，系统控制可靠性要求高的特点。采用了技术成熟度高，具有优异性能和可靠性的ABB AC800M 控制器作为现地控制器，系统软件采用ABB800xAPGP及ControlBuild，规避了一些易出故障环节，使得整个系统运行速度快，功耗低，可扩展性好，运行维护方便。由于大量采用冗余配置，当主设备故障时，可自行诊断并发出故障报文，同时无扰动切至备用设备，使系统继续生产运行。极大地缩短了故障检修时间，进一步提高了系统设备运行可用率，满足了电力系统对抽水蓄能电站各功能随调随启，即启即用的苛刻的可靠性需求。

7 结语

抽水蓄能电站由于其在电力系统中具有调频调相、调峰填谷、黑启动、储能，降低风电、光伏等新能源消纳对电力系统运行冲击等一系列的特殊作用，电力系统对抽水蓄能电站运行提出了更高的要求。该抽水蓄能电站计算机监控系统充分采用了现代计算机控制各种先进技术，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。该电站自全面投产以来，已连续运行6 年有余，电站计算机监控系统从未发生过引起非停的故障，设备缺陷也很少，系统运行安全、稳定可靠，有力地保障了电站安全稳定运行，有效促进了电站综合自动化水平，也为电站的计算机监控规划设计及设备选型配置提供了参考。