三峽工程電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

宋遠(yuǎn)超，吳 剛，朱冠廷

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北省武漢市 430010）

1 概述

長江三峽水利樞紐工程是具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)等綜合效益的特大型水利工程。三峽樞紐綜合自動化系統(tǒng)龐大，牽涉面廣，為世界水電站自動化系統(tǒng)所鮮見。根據(jù)電站廠房布置，三峽樞紐設(shè)置有左岸電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、右岸與地下電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，及三峽梯級電調(diào)計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

三峽左岸電站是國內(nèi)首個安裝700MW水冷式水輪發(fā)電機(jī)組的電站，總裝機(jī)容量達(dá)9800MW，電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象眾多且分布廣泛，包括：14臺套700MW水輪發(fā)電機(jī)組及輔助設(shè)備，500kV開關(guān)站設(shè)備，10、0.4kV廠用電系統(tǒng)及左岸35kV永久變電站，9套直流電源系統(tǒng)、高/低壓空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)和微正壓空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)、廠內(nèi)及大壩檢修/滲漏排水及抽排水系統(tǒng)、電站暖通空調(diào)設(shè)備、電站火災(zāi)報警系統(tǒng)等公用系統(tǒng)，以及大壩泄洪閘門設(shè)備包括22個底孔泄洪閘門、23個深孔泄洪閘門、2個排漂孔、2個排沙孔等，I/O總點數(shù)多達(dá)39000點。

根據(jù)三峽工程建設(shè)進(jìn)度安排，右岸與地下電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用統(tǒng)一設(shè)計、分步實施方案，即右岸電站與地下電站采用一套監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)主要廠站層設(shè)備及右岸電站現(xiàn)地控制層設(shè)備在右岸電站實施時采購并投運(yùn)。三峽右岸與地下電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是繼三峽左岸電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之后的又一特大型水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。與左岸電站相比，右岸及地下電站規(guī)模更大，需監(jiān)測與控制的設(shè)備更多，監(jiān)測點更多，控制更復(fù)雜。

三峽電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)作為三峽樞紐大壩和電站運(yùn)行的神經(jīng)中樞，是否穩(wěn)定可靠運(yùn)行，將直接影響到三峽工程防洪功能的實現(xiàn)和電力的安全生產(chǎn)，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有舉足輕重的作用。因此，在計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計過程中，對三峽電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)冗余配置方案、巨量實時數(shù)據(jù)采集、AGC算法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，以提高監(jiān)控系統(tǒng)的性能和運(yùn)行可靠性。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

三峽電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)需要傳輸?shù)男畔⒘恐?，在已建的大?特大型水電站中未曾有過，尤其是溫度量信號每臺機(jī)組就多達(dá)約600點，監(jiān)控系統(tǒng)的I/O點（總量多達(dá)39000點）和數(shù)字通信信息總量多到50000點。為了保證電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實時性，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和選擇顯得尤為重要。水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要有有主結(jié)構(gòu)和無主結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)形式。采用有主結(jié)構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)，由主機(jī)/數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采集所有現(xiàn)地控制單元數(shù)據(jù)并向操作員工作站等其他廠站層設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)，廠站層控制命令的下發(fā)也需通過主機(jī)/數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，當(dāng)其發(fā)生故障時，整個廠站層就會失去對電站設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制的能力。無主結(jié)構(gòu)的特點是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的相關(guān)實時信息及操作員工作站中與監(jiān)視和控制有關(guān)的實時信息均直接由LCU分別上送，操作員工作站的命令直接下發(fā)到LCU，不需要經(jīng)過主機(jī)/數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，因此，即使主機(jī)/數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā)生故障，也不影響操作員工作站的運(yùn)行和對電站設(shè)備的實時監(jiān)視和控制，從而更大程度地保證電站的安全生產(chǎn)。

基于上述分析和研究，同時考慮到三峽電站對電力系統(tǒng)和國民經(jīng)濟(jì)的重大影響，左岸電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)率先在國內(nèi)外在單機(jī)容量為700MW的大型水電工程自動化系統(tǒng)中采用全分布無主結(jié)構(gòu)技術(shù)，解決了系統(tǒng)信息量大和實時性問題，實現(xiàn)了系統(tǒng)功能的分布和系統(tǒng)風(fēng)險的分散，保證了系統(tǒng)的實時性、電站設(shè)備的可控性及安全穩(wěn)定運(yùn)行。三峽左岸電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三峽左岸電站監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 General structure of computer supervisory and control system for TGP leftbank powerstation

為了確保監(jiān)控系統(tǒng)的安全性、可靠性及實時性，考慮系統(tǒng)地負(fù)荷均衡，三峽左岸電站監(jiān)控系統(tǒng)、三峽右岸與地下電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)均采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。三峽右岸與地下電站在國際上首次采用三網(wǎng)四層的全冗余分層分布的監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)控制網(wǎng)連接現(xiàn)地控制層和廠站層設(shè)備，是實時信息傳輸?shù)钠脚_，在監(jiān)控系統(tǒng)中地位特別重要。左岸電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制網(wǎng)采用冗余光纖以太網(wǎng)環(huán)形結(jié)構(gòu)，率先在國內(nèi)外單機(jī)容量為700MW的特大型水電站自動化系統(tǒng)中采用該技術(shù)。左岸電站建設(shè)時，以太網(wǎng)已成為最常用的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，主要可分為光纖以太環(huán)網(wǎng)和總線式以太網(wǎng)兩種。光纖以太環(huán)網(wǎng)具有自愈功能，當(dāng)環(huán)網(wǎng)中某一個設(shè)備故障或光纜斷開時，也不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的正常工作。相較于總線式以太網(wǎng)，以太環(huán)網(wǎng)大幅提高了監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，保證了三峽左岸電站計算機(jī)系統(tǒng)、防洪設(shè)施及電力生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 三峽右岸與地下電站監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 General Structure of computer supervisory and control system for TGP righttbank and underground powerstation

雖然以太環(huán)網(wǎng)在可靠性上具有突出的優(yōu)勢，但在監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場施工過程中，當(dāng)有新機(jī)組投運(yùn)時，必須先斷開原環(huán)網(wǎng)，重新敷設(shè)光纜已將新機(jī)組LCU接入并成環(huán)，在施工過程中有可能監(jiān)控系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成不利影響。左岸電站的實際經(jīng)驗表明，當(dāng)電站機(jī)組臺數(shù)多，施工周期長，光纖環(huán)網(wǎng)敷設(shè)將成為施工過程中必須仔細(xì)考慮的問題。由于機(jī)組LCU并非按照機(jī)組號順序投入，施工完成后，各機(jī)組LCU之間的光纜連接路徑復(fù)雜交錯，對運(yùn)行維護(hù)造成不便?；谏鲜鲈颍⒖紤]到右岸電站與地下電站布置位置及監(jiān)控系統(tǒng)分步實施的影響，右岸與地下電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制網(wǎng)采用了星—環(huán)結(jié)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。控制網(wǎng)采用星型拓?fù)浜徒粨Q技術(shù)，各LCU直接連至交換機(jī)，連接簡單，新LCU投入時對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響。同時，交換式以太網(wǎng)可實現(xiàn)不同節(jié)點間信息的同時傳輸，相比以太環(huán)網(wǎng)，可大幅提高網(wǎng)絡(luò)性能，有利于海量數(shù)據(jù)的實時采集。采用冗余配置的交換機(jī)，同樣可以保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性。右岸電站與地下電站分別設(shè)置了兩套以太網(wǎng)交換機(jī)，通過光纜形成環(huán)形結(jié)構(gòu)，右岸與地下電站各現(xiàn)地控制單元也采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)接入各自的控制網(wǎng)交換機(jī)?？刂凭W(wǎng)采用這樣的星—環(huán)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即保證了系統(tǒng)的可靠性，同時在右岸電站現(xiàn)地控制單元設(shè)備和地下電站現(xiàn)地控制單元設(shè)備間形成清晰的分界面，方便以后地下電站各現(xiàn)地控制單元的接入，并可盡量避免影響已投運(yùn)設(shè)備的運(yùn)行。

4 關(guān)鍵技術(shù)方案設(shè)計

4.1 現(xiàn)場總線和遠(yuǎn)程I/O技術(shù)

三峽電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模巨大，為世界水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所鮮見，監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)控的對象眾多且分布廣泛，單個LCU的I/O信號均很大（左岸每臺機(jī)組LCU所需監(jiān)視的溫度量信號就多達(dá)600點左右），受控對象距離LCU的距離最遠(yuǎn)的達(dá)3000m。如果LCU采用常用的集中式布置方式，除需要增加大量的信號/控制電纜、電纜橋架設(shè)備投資及電纜敷設(shè)和電纜橋架安裝工程量，影響單元控制室的布置，甚至需要改變廠房的局部結(jié)構(gòu)，而且還很難解決弱電信號遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}。在前期研究和設(shè)計工作的基礎(chǔ)上，左岸電站監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)外率先在單機(jī)容量為700MW的特大型水電工程自動化系統(tǒng)中采用了現(xiàn)場總線和遠(yuǎn)程I/O技術(shù)。各LCU根據(jù)被控對象的布置位置就近設(shè)置遠(yuǎn)程I/O柜，遠(yuǎn)程I/O柜與LCU本地控制柜之間通過冗余光纖現(xiàn)場總線進(jìn)行連接，使得部分電纜通道的控制電纜數(shù)量由上百根減少到2根光纜及少數(shù)幾根電纜，既很好地解決了前面所述的問題，也為工程節(jié)省了大量投資，并縮短了機(jī)電設(shè)備安裝時間為電站提前發(fā)電奠定了基礎(chǔ)。

4.2 LCU局部冗余配置設(shè)計

左岸電站監(jiān)控系統(tǒng)LCU采用雙CPU、雙電源模塊、雙以太網(wǎng)通信模塊、雙現(xiàn)場總線模塊結(jié)構(gòu)。主控制器與所轄的RIO之間通過冗余光纖現(xiàn)場總線（AF100）連接。主控制器中的雙CPU以主/熱備用方式運(yùn)行，主CPU故障時，熱備用CPU自動承接主CPU的任務(wù)，保證任務(wù)不中斷且無擾動。主控制器與LCU所轄的其他智能設(shè)備之間也通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線（包括PROFIBUS-DP、SPABUS等）連接。

右岸與地下電站監(jiān)控系統(tǒng)LCU的所有主要硬件模塊均采用雙冗余配置，如CPU模塊、電源模塊（包括遠(yuǎn)程I/O）、網(wǎng)絡(luò)模板、現(xiàn)場總線，冗余部件按熱備用方式運(yùn)行，切換無擾動。PLC控制器通過雙冗余總線、光纖環(huán)網(wǎng)連接各遠(yuǎn)程I/O站。每個I/O機(jī)箱配置有雙電源模塊，由相互獨立的兩路電源供電。重要的I/O點也采用雙I/O的方式。SOE模塊有獨立的CPU，可接入DCF77編碼脈沖的時鐘信號，事件分辨率達(dá)1ms。所有I/O模塊支持帶電插拔，方便檢修維護(hù)。

對于機(jī)組LCU，為了確保機(jī)組事故時能夠自動、安全、可靠停機(jī)，在設(shè)計時對一些重要的操作（如緊急停機(jī)、關(guān)進(jìn)水口閘門、投高壓油、投機(jī)械制動、跳滅磁開關(guān)、跳廠用開關(guān)等）采取雙輸出通道，而且將2個輸出通道分布在2個不同的模塊上，以免單個模塊或通道故障影響機(jī)組緊急停機(jī)。機(jī)組LCU還保留了采用常規(guī)繼電器搭建的簡化水機(jī)后備保護(hù)邏輯回路，用于實現(xiàn)計算機(jī)設(shè)備故障時機(jī)組緊急事故后備停機(jī)。此外，在中控室模擬屏上及單元控制室LCU本地控制盤上分別設(shè)置了緊急停機(jī)/關(guān)進(jìn)水口閘門按鈕，當(dāng)出現(xiàn)緊急事故時，運(yùn)行人員還可進(jìn)行人工干預(yù)緊急停機(jī)，以確保電廠的安全運(yùn)行。

對于左岸電站開關(guān)站LCU，由于其監(jiān)控對象特別重要，不允許退出運(yùn)行，基于LCU控制器采用的單主板雙CPU模塊結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步提高可靠性，開關(guān)站LCU配置2套控制器，以主用/冷備用方式工作，當(dāng)主用控制器故障或需檢修時，冷備用控制器將由切換回路自動投入，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)對開關(guān)站設(shè)備的監(jiān)視和控制。

4.3 700MW巨型水輪發(fā)電機(jī)組順控流程設(shè)計

三峽左岸電站裝設(shè)14臺700MW定子水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)組，在國內(nèi)為首次應(yīng)用。由于機(jī)組容量巨大且采用了定子水內(nèi)冷冷卻方式，使得機(jī)組溫度監(jiān)測點數(shù)量龐大，ALSTOM機(jī)組RTD測點約為590點，而VGS機(jī)組約為540點，加上AI測點，每臺機(jī)組模擬量輸入點即達(dá)到近700點，這是以往的水電機(jī)組從未有過的。數(shù)量龐大的模擬量輸入點不僅使得LCU數(shù)據(jù)庫規(guī)模龐大，而且對LCU的I/O掃描時間、程序執(zhí)行周期以及CPU負(fù)荷率都造成極其不利的影響。另外，左岸電站水輪發(fā)電機(jī)組的推力、水導(dǎo)采用了油外循環(huán)冷卻方式，并且設(shè)置了純水系統(tǒng)，需參與機(jī)組流程控制的輔助設(shè)備較國內(nèi)以往的常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組大為增加。以上特點使得三峽左岸電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU控制程序復(fù)雜程度超過國內(nèi)已建的任何一個常規(guī)水電機(jī)組。三峽左岸電站機(jī)組單機(jī)容量為700MW，在電力系統(tǒng)中的地位十分重要，機(jī)組控制流程的設(shè)計即要保證當(dāng)出現(xiàn)事故時能可靠停機(jī)，同時也要盡可能地減少由于信號誤動造成誤停機(jī)。因此，在軟件容錯及信號防誤技術(shù)等方面結(jié)合工程實際特點進(jìn)行了深入研究，對機(jī)組控制流程進(jìn)行了，并在國內(nèi)首次編制了700MW水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)組的控制程序。

4.4 超大型水電廠巨型機(jī)組自動發(fā)電控制技術(shù)

針對三峽電站500kV電氣主接線運(yùn)行方式復(fù)雜，機(jī)組容量大、機(jī)組臺數(shù)多，水頭變幅大，電站出力波動對電網(wǎng)影響大等特點。左岸電站監(jiān)控系統(tǒng)、右岸與地下電站在AGC/AVC功能設(shè)計和程序編制過程中，采取了設(shè)置多種聯(lián)控模式、多種機(jī)組參數(shù)配置、修正等功率分配法等措施，取得了良好的運(yùn)行效果。

5 結(jié)束語

三峽工程電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)從設(shè)計之初就注重采用國際先進(jìn)技術(shù)，并結(jié)合工程實際特點加以應(yīng)用。同時，三峽工程電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計也是一個不斷總結(jié)提高的過程，左岸電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的成功經(jīng)驗和實施過程中發(fā)現(xiàn)的問題，在右岸及地下電站設(shè)計中得到了改進(jìn)、完善和提高。三峽左岸電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)已建成運(yùn)行超過15年，右岸及地下電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)投運(yùn)也已超過了10年，兩系統(tǒng)極大地保障了三峽電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也為龍灘、溪洛渡、向家壩、烏東德、白鶴灘等后續(xù)一系列巨型水電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計提供了有益的借鑒。