楊 濤
(安徽省響洪甸蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司,安徽省六安市 237335)
基于XDPS-400分散控制系統(tǒng)在響洪甸抽水蓄能電站的應(yīng)用
楊 濤
(安徽省響洪甸蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司,安徽省六安市 237335)
主要介紹了XPDS-400分散控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)指標(biāo);結(jié)合在響洪甸抽水蓄能電站的首次應(yīng)用,重點(diǎn)分析了該計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)機(jī)組背靠背啟動(dòng)的獨(dú)特控制方式,為國(guó)產(chǎn)DCS系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在新建大容量抽水蓄能機(jī)組上提供了可行性。
XPDS-400;計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng);背靠背
分散控制系統(tǒng)(Distribiuted Control System,DCS)是20世紀(jì)70年代中期推出的一種計(jì)算機(jī)綜合型控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的大系統(tǒng)理論和四C(Computer Commiunication CRT Control)技術(shù)。上海新華公司自主研發(fā)的XDPS(xinhua distribiuted processing system)系統(tǒng)將獨(dú)立控制系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)DCS、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SCADA融為一體,完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、過(guò)程控制、高級(jí)控制、過(guò)程監(jiān)視、報(bào)警檢測(cè)等操作。響洪甸抽水蓄能電站針對(duì)原計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題,2004年將原NARI監(jiān)控系統(tǒng)改造為上海新華公司的XDPS-400系統(tǒng),該系統(tǒng)采用分層分布設(shè)計(jì)、應(yīng)用最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信和控制技術(shù),集測(cè)量、控制、通信和管理等功能于一體,系統(tǒng)組態(tài)靈活、功能齊全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性和兼容性。
XDPS 系列的最大特點(diǎn)是系統(tǒng)的開放性,硬件、軟件與通信都采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或主流工業(yè)產(chǎn)品,構(gòu)成開放的工業(yè)控制系統(tǒng)。
硬件——硬件跟隨計(jì)算機(jī)發(fā)展潮流。人機(jī)接口(MMI)采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)PC機(jī),分布處理單元DPU采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)PC總線結(jié)構(gòu)。
軟件——Windows系統(tǒng)軟件,以及基于Windows實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RMX-X。方便直觀的符合IEC-1131-3的DPU圖形組態(tài)軟件、圖形顯示、報(bào)表、控制、記錄統(tǒng)計(jì)的生成工具軟件。
通信——采用成熟的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),構(gòu)成高速的冗余實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng),符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn),通信速率10Mbps/100Mbps。
顯示——高分辨率顯示,分辨率1280×1024或1600×1200,窗口顯示及三維空間的顯示畫面。
一體化——通過(guò)以太網(wǎng)(Ethernet)與其他信息網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接,從工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制、測(cè)量、生產(chǎn)管理信息一體化。
漢化——全漢化顯示、支持中英文顯示界面。
網(wǎng)絡(luò)——實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)(A網(wǎng)、B網(wǎng))冗余網(wǎng)絡(luò),傳遞實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),支持1~250個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。信息數(shù)據(jù)網(wǎng)(C網(wǎng))實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)文件與打印共享,傳遞系統(tǒng)非實(shí)時(shí)性文件信息。
容量——分布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)網(wǎng)上各節(jié)點(diǎn)透明,全局?jǐn)?shù)據(jù)容量達(dá)6400點(diǎn)模擬量,64000點(diǎn)開關(guān)量。
實(shí)時(shí)性——1s內(nèi)可更新所有全局點(diǎn),1s內(nèi)調(diào)出任何圖形顯示,50ms的控制周期。
靈活——除可接上海新華公司的I/O模塊外,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議(如DNP3.0、Modbus、SC1801等),還可接其他常用的I/O系統(tǒng)、各種PLC、廠級(jí)MIS和其他控制系統(tǒng)。
發(fā)展——硬件與軟件跟隨國(guó)際工業(yè)主流產(chǎn)品同步發(fā)展。
功能——集過(guò)程控制、順序控制、數(shù)據(jù)監(jiān)視和記錄于一體。
可靠性——系統(tǒng)經(jīng)可靠性設(shè)計(jì),采用冗余技術(shù),容錯(cuò)技術(shù),雙路電源供電,保證系統(tǒng)MTBF≥150000h。
備件——標(biāo)準(zhǔn)化與系列化,備件種類大大減少。
維護(hù)——通道級(jí)的自診斷程序,CRT自動(dòng)報(bào)警與顯示,可實(shí)現(xiàn)快速帶電更換,MTTR<5min。
接地——系統(tǒng)要求單獨(dú)接地,接地電阻≤2.5Ω。
技術(shù)指標(biāo)一覽如表1所示。
表1 技術(shù)指標(biāo)一覽
序號(hào)指標(biāo)具體指標(biāo)一覽5容量全局實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)容量:6400點(diǎn)模擬點(diǎn),64000點(diǎn)開關(guān)點(diǎn);歷史數(shù)據(jù)庫(kù)容量:16000點(diǎn),典型 3個(gè)月,最長(zhǎng)可無(wú)限;實(shí)時(shí)畫面數(shù)量:無(wú)限;每幅畫面動(dòng)態(tài)刷新點(diǎn)數(shù)量:無(wú)限;系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量,總數(shù)250個(gè):工程師站(ENG)/操作員站(MMI):40個(gè);分布式處理單元(DPU):80個(gè);報(bào)表:基于Excel,數(shù)量與容量沒有6系統(tǒng)負(fù)荷率操作員站(MMI):<40%;分布式處理單元(DPU):<40%;系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò):<30%7可靠性措施冗余電源;冗余分布式處理單元(DPU);冗余系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò);冗余I/O模塊;帶電更換扳件;模出保持(系統(tǒng)不失電);系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià):系統(tǒng)平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)和可用率:系統(tǒng)MTBF不低于150000h;系統(tǒng)可用率不低于99.95%
響洪甸抽水蓄能電站于2004年將原有NARI監(jiān)控系統(tǒng)改造為上海新華公司XDPS-400計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),XDPS-400主要由分布式處理單元DPU、人機(jī)操作接口站MMI、前置I/O采集系統(tǒng)、直流開關(guān)電源模塊以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。DPU采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)PC總線結(jié)構(gòu);人機(jī)接口站采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)PC機(jī);實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)具備A、B雙網(wǎng)冗余,符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)以太網(wǎng)與其他信息網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接;每個(gè)機(jī)構(gòu)具備雙處理單元,雙路電源供電;硬件采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或主流工業(yè)產(chǎn)品。
控制柜配置如表2所示,I/O卡件配置如表3所示。
表2 控制柜配置
表3 I/O卡件配置
監(jiān)控拓?fù)淙鐖D1所示。
圖1 響洪甸抽水蓄能電站監(jiān)控拓?fù)鋱D
響洪甸抽水蓄能電站裝機(jī)為2臺(tái)(5號(hào)機(jī)組、6號(hào)機(jī)組)單機(jī)容量為40MW/55MW可逆式水泵水輪機(jī),發(fā)電機(jī)出口母線電壓為10.5kV,變壓器組單元接線,通過(guò)升壓后變?yōu)?20kV,單出線接入崔莊變電站,響洪甸抽水蓄能電站共有23種運(yùn)行工況,接入系統(tǒng)在線運(yùn)行的有10種,即發(fā)電工況、發(fā)電調(diào)相工況、高轉(zhuǎn)速水泵工況(SFC/BTB)、低轉(zhuǎn)速水泵工況(SFC/BTB)、高轉(zhuǎn)速水泵調(diào)相工況(SFC/BTB)、低轉(zhuǎn)速水泵工況(SFC/BTB),主要以背靠背這一典型工況流程來(lái)介紹XPDS-400的獨(dú)特控制方式,響洪甸抽水蓄能電站電氣主接線如圖2所示。
圖2 響洪甸抽水蓄能電站電氣主接線圖
監(jiān)控流程實(shí)現(xiàn):其中以6號(hào)機(jī)組對(duì)拖5號(hào)機(jī)組為例,通過(guò)5號(hào)機(jī)組啟動(dòng)方式9—機(jī)組靜止到水泵工況(BTB)開始背靠背啟動(dòng),機(jī)組拖動(dòng)啟動(dòng)過(guò)程中,主流程調(diào)用的子程序較多,涉及到機(jī)組停機(jī)到水泵調(diào)相(BTB)、機(jī)組水泵調(diào)相到水泵工況、機(jī)組停機(jī)到啟動(dòng)對(duì)拖發(fā)電機(jī)、機(jī)組啟動(dòng)對(duì)拖發(fā)電機(jī)到停機(jī)。
(1)機(jī)組停機(jī)到水泵調(diào)相(BTB)階段。
第一步:狀態(tài)預(yù)置、電氣設(shè)備操作、輔助設(shè)備操作1。
操作:選擇5號(hào)機(jī)組同期裝置,置5號(hào)機(jī)組高轉(zhuǎn)速工況、合5-1DL、合5-3DL、合5-4DL、合52DL、 合45DL、投高壓減載油泵、打開主軸密封水電磁閥、打開主用冷卻水電磁閥、關(guān)閉停機(jī)密封供氣電磁閥、釋放制動(dòng)風(fēng)閘。
反饋:5-1DL在合位、 5-3DL在合位、5-4DL在合位、52DL在合位、 45DL在合位、主軸密封冷卻水投入、高壓減載油泵投入、制動(dòng)風(fēng)閘退出。
第二步:置勵(lì)磁、壓氣系統(tǒng)。
操作:置勵(lì)磁為高轉(zhuǎn)速水泵工況、打開轉(zhuǎn)輪室壓水充氣電磁閥、打開轉(zhuǎn)輪室壓水保氣電磁閥、打開消水環(huán)管密封電磁閥。
反饋:5號(hào)機(jī)組滅磁開關(guān)合位置、轉(zhuǎn)輪室壓氣水位為轉(zhuǎn)輪下1.4M、消水環(huán)管密封電磁閥投入。
第三步:同期裝置啟動(dòng)。
操作:同期裝置發(fā)令合5DL。
反饋:出口開關(guān)5DL在合位。
第四步:輔助設(shè)備操作2。
操作:分45DL、退高壓減載油泵、打開主軸密封水電磁閥、打開轉(zhuǎn)輪室壓水充氣電磁閥、關(guān)閉轉(zhuǎn)輪室壓水保氣電磁閥。
反饋:機(jī)組轉(zhuǎn)速大于或等于95%額定轉(zhuǎn)速、45DL在分位、高壓減載油泵退出,勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)故障、水泵調(diào)相工況保護(hù)投入。
(2)機(jī)組水泵調(diào)相到水泵工況階段。
第一步:輔助設(shè)備操作1。
操作:退調(diào)速器接力器鎖錠、打開蝴蝶閥。
反饋:蝴蝶閥全開、調(diào)速器接力器鎖錠拔出、導(dǎo)葉在全關(guān)位置。
第二步:輔助設(shè)備操作2。
操作:打開轉(zhuǎn)輪室壓水排氣電磁閥、打開轉(zhuǎn)輪室均壓排氣電磁閥、關(guān)閉轉(zhuǎn)輪室壓水充氣電磁閥、關(guān)閉轉(zhuǎn)輪室壓水保氣電磁閥、置水泵工況開導(dǎo)葉令。
反饋:壓水充氣閥退出、導(dǎo)葉后壓力監(jiān)視118SP、120SP動(dòng)作。
第三步:開機(jī)操作。
操作:關(guān)閉止漏密封水電磁閥、關(guān)閉壓水排氣電磁閥、關(guān)閉均壓排氣電磁閥、關(guān)閉消水環(huán)管密封電磁閥、發(fā)調(diào)速器開機(jī)令。
反饋:導(dǎo)葉40%開度位置、壓水排氣電磁閥退出、均壓排氣電磁閥退出、消水環(huán)管密封電磁閥退出。
第四步:信號(hào)復(fù)歸。
操作:機(jī)組啟動(dòng)信號(hào)送拖動(dòng)系統(tǒng)。
反饋:水泵工況保護(hù)投入。
(3)機(jī)組停機(jī)到啟動(dòng)對(duì)拖發(fā)電機(jī)。
第一步:狀態(tài)預(yù)置、電氣回路操作、輔助設(shè)備操作、釋放制動(dòng)風(fēng)閘。
操作:置調(diào)速為對(duì)拖發(fā)電工況、合6-2DL、6-5DL 6-6DL、 63DL、 6DL、打開主軸密封水電磁閥、打開主用冷卻水電磁閥、打開止漏密封冷卻水電磁閥、打開調(diào)速器接力器鎖錠、釋放制動(dòng)風(fēng)閘、打開蝴蝶閥、投高壓減載油泵、關(guān)閉停機(jī)密封供氣閥。
反饋:蝴蝶閥全開、高壓減載油泵投入、調(diào)速器油壓設(shè)備正常、調(diào)速器接力器鎖錠拔出、制動(dòng)風(fēng)閘退出。
第二步:置勵(lì)磁。
操作:勵(lì)磁啟勵(lì),置勵(lì)磁系統(tǒng)為對(duì)拖發(fā)電工況。
反饋:6號(hào)機(jī)組滅磁開關(guān)合位置。
第三步:送調(diào)速器開機(jī)。
操作:調(diào)速器開機(jī)操作。
反饋:6號(hào)機(jī)組低轉(zhuǎn)速大于或等于95%、5DL合閘位置。
第四步:退高壓減載油泵。
操作:退高壓減載油泵。
反饋:高壓減載油泵退出。
根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織最新統(tǒng)計(jì),中國(guó)大蒜出口約占世界大蒜貿(mào)易量的90%,在國(guó)際市場(chǎng)上具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力[1]。大蒜的使用價(jià)值使得人們?cè)絹?lái)越重視大蒜的種植;但是,由于大蒜不規(guī)則的外形,使得蒜農(nóng)很難實(shí)現(xiàn)大蒜的種植要求。我國(guó)大蒜的播種還是以人工為主,主要采用鋤頭或者犁開淺溝、人工點(diǎn)播蒜種和覆土等播種方式,雖然這種方式有利于大蒜的生長(zhǎng),但是勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低,需要耗費(fèi)大量的工時(shí),生產(chǎn)成本大大提高,達(dá)不到農(nóng)民的合理收益[2-4]。
(4)機(jī)組啟動(dòng)對(duì)拖發(fā)電機(jī)到停機(jī)。
第一步:電氣設(shè)備操作。
操作:分6DL、63DL、發(fā)調(diào)速器停機(jī)、投二段關(guān)閉電磁閥、投高壓減載油泵、退勵(lì)磁系統(tǒng)(逆變滅磁)。
反饋:6DL在分位、63DL在分位、導(dǎo)葉全關(guān)位置、45DL在分位、二段關(guān)閉電磁閥打開、高壓減載油泵投入、6號(hào)機(jī)組滅磁開關(guān)在分位。
第二步:投機(jī)械制動(dòng)。
操作:投制動(dòng)風(fēng)閘。
反饋:制動(dòng)風(fēng)閘投入。
第三步:輔助電氣設(shè)備操作。
操作:退高壓減載油泵、關(guān)閉主軸密封水電磁閥、關(guān)閉主用冷卻水電磁閥、關(guān)閉止漏密封冷卻水電磁閥、關(guān)閉二段關(guān)閉電磁閥、投調(diào)速器接力器鎖定、打開停機(jī)密封供氣電磁閥。
反饋:調(diào)速器接力器鎖定投入、高壓減載油泵退出,主軸密封冷卻水關(guān)閉、二段關(guān)閉電磁閥退出、停機(jī)密封供氣電磁閥投入。
第四步:電氣回路復(fù)歸。
操作:分6-2DL、分6-5DL、分6-6DL,置保護(hù)為電制動(dòng)工況、置保護(hù)為停機(jī)倒送電工況。
反饋:6-2DL在分位、6-5DL在分位、 6-6DL在分位置,保護(hù)為停機(jī)倒送電工況模式。
響洪甸抽水蓄能電站背靠背啟動(dòng)流程步序控制模塊采用條件觸發(fā)、故障超時(shí)保護(hù),每一步的觸發(fā)條件為上一步序的反饋信號(hào)(具體各步命令及反饋見背靠背啟動(dòng)流程),其中各步故障超時(shí)時(shí)間設(shè)定,機(jī)組停機(jī)到水泵調(diào)相(BTB)流程:第一步為5000s,第二步為5000s,第三步為5000s,第四步為5000s;機(jī)組水泵調(diào)相到水泵工況流程:第一步為3000s,第二步為3000s,第三步為3000s,第四步為2000s;機(jī)組停機(jī)到啟動(dòng)對(duì)拖發(fā)電機(jī)流程:第一步為5000s,第二步為5000s,第三步為5000s,第四步為5000s;機(jī)組啟動(dòng)對(duì)拖發(fā)電機(jī)到停機(jī):第一步為2000s,第二步為2000s,第三步為2000s,第四步為2000s;背靠背流程順控執(zhí)行框圖如圖3所示。
圖3 背靠背流程框圖
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前大多數(shù)抽水蓄能電站主要以安德里茨、南瑞監(jiān)控為主,應(yīng)用較為成熟,但造價(jià)昂貴,維護(hù)費(fèi)用較高,尤其對(duì)于在背靠背啟動(dòng)方面,國(guó)外設(shè)計(jì)要求非常嚴(yán)格,步序嚴(yán)謹(jǐn),但是對(duì)于國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的DCS,新華控制在實(shí)現(xiàn)背靠背方面有著自己獨(dú)特的一面。
(1)流程清晰、步序緊湊,采用上海新華公司自主研發(fā)的步序控制模塊,尤其應(yīng)用于背靠背啟動(dòng)中的STEP模塊,嚴(yán)格執(zhí)行內(nèi)部程序進(jìn)行控制,在國(guó)外監(jiān)控系統(tǒng)中并不多見。
(2)采用高性能的邏輯模塊,進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算,將復(fù)雜的程序軟件集成為可視化的編程模塊,對(duì)實(shí)現(xiàn)特殊的功能采用特定模塊,編程畫面更加人性化,便于各站監(jiān)控人員編程應(yīng)用,各個(gè)模塊匹配緊湊,相對(duì)于國(guó)外的監(jiān)控系統(tǒng),查找故障更加容易。
(3)控制精準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,對(duì)于抽水蓄能電站來(lái)說(shuō),背靠背啟動(dòng)要求比較高,需要拖動(dòng)機(jī)與被拖動(dòng)機(jī)各個(gè)方面的配合,匹配的好壞將直接影響啟動(dòng)的成功率,新華監(jiān)控系統(tǒng)采用獨(dú)特的內(nèi)部計(jì)算算法,對(duì)背靠背啟動(dòng)時(shí)兩臺(tái)機(jī)組的瞬時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集計(jì)算、反饋,控制精度達(dá)到毫秒級(jí),可靠性非常高。
該蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)編程的可視化、模塊化使得控制流程結(jié)構(gòu)更為清晰明了,極大的方便了操作人員及時(shí)準(zhǔn)確地了解流程的進(jìn)行情況。該系統(tǒng)自2004年5月在響洪甸抽水蓄能電站投入運(yùn)行以來(lái),讓該電站在安徽電網(wǎng)中的作用得到更充分的發(fā)揮,進(jìn)一步提高了電站在系統(tǒng)中的穩(wěn)定性和可靠性。
XDPS-400系統(tǒng)首次應(yīng)用在抽水蓄能機(jī)組中,其運(yùn)行的穩(wěn)定性和優(yōu)良的調(diào)節(jié)品質(zhì),使機(jī)組各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都達(dá)到優(yōu)良水平,為國(guó)產(chǎn)DCS系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在新建大容量抽水蓄能機(jī)組上提供了可行性,不僅可以降低工程造價(jià),而且由于組態(tài)軟件及界面完全漢化,方便了電站運(yùn)維人員的操作工作。
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楊 濤(1990—),男,大學(xué)本科,助理工程師,主要研究方向:抽水蓄能電站電氣維護(hù)。E-mail:yt19900318@163.com
The Application of XPDS-400 Distributed Control System in XiangHongDian Pumped-storage Power Station
YANG Tao
(Anhui province Xiang HongDian energy storage power generation co.,LTD,Liuan 237335,China)
Mainly introduced the XPDS-400 distributed control system technicalcharacteristics,technical indicators;Xiang HongDian pumped-storage power station in rang the first application of the computer monitoring system are emphatically analyzed in unique control mode to start the back-to-back,for domestic DCS system is widely used in large capacity of pumped storage unit provides a new feasible.
XPDS-400;distributed control system;BTB