李 力,羅 云
(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司,湖南省長沙市 410014)
向家壩水電站是金沙江下游河段規(guī)劃的最末一個梯級,位于四川省宜賓市和云南省水富縣交界的金沙江下游河段上。
電站裝機共8臺,單機容量為800MW,總裝機容量6400MW。電站分為左岸壩后廠房、右岸地下廠房。兩岸廠房各裝4臺機組,各設(shè)一個500kV開關(guān)站,每個開關(guān)站2回出線接入系統(tǒng)。
向家壩水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)龐大牽涉面廣,除左右岸廠房外,與水情測報、大壩閘門控制系統(tǒng)、梯級調(diào)度系統(tǒng)、國家電力調(diào)度中心及四川省調(diào)等有信息交換。
電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用全分布式冗余結(jié)構(gòu),大體分為廠站層和現(xiàn)地控制層。廠站層又分為廠站控制層、廠站信息層和生產(chǎn)信息發(fā)布層,對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)為電站控制網(wǎng)、電站信息網(wǎng)和生產(chǎn)信息發(fā)布網(wǎng),總體為三網(wǎng)四層的結(jié)構(gòu)。[1]
電站控制網(wǎng)采用冗余雙網(wǎng)結(jié)構(gòu),在左岸計算機室、壩頂集中控制室、右岸計算機室和右岸地下廠房主變洞輔助屏柜室各配置2臺電站控制網(wǎng)交換機,并通過2路單模光纜互連構(gòu)成1000Mb雙環(huán)主干網(wǎng);左、右岸各現(xiàn)地控制單元(LCU)柜內(nèi)分別配置2臺小交換機通過光纜就近接入控制網(wǎng)交換機,廠站控制層各計算機通過2路網(wǎng)絡(luò)雙絞線或光纖接口就近接入控制網(wǎng)交換機,網(wǎng)絡(luò)傳輸速率100Mb。全廠控制網(wǎng)構(gòu)成雙千兆主干環(huán)網(wǎng)加雙百兆星型接入網(wǎng)的混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
電站信息網(wǎng)采用冗余雙網(wǎng)結(jié)構(gòu),在左、右岸計算機室分別配置2臺電站信息網(wǎng)交換機,并通過2路單模光纜互連構(gòu)成1000Mb雙鏈路聚合主干網(wǎng);廠站層計算機采用2路網(wǎng)絡(luò)雙絞線或光纖接口就近接入信息網(wǎng)交換機。在右岸地下廠房主變洞輔助屏柜室配置1臺信息網(wǎng)子交換機,該交換機通過單模光纜接入右岸電站信息網(wǎng)交換機;每個LCU各配置1臺信息網(wǎng)交換機,就近接入電站信息網(wǎng)交換機或信息網(wǎng)子交換機。
電站信息發(fā)布網(wǎng)采用單網(wǎng)結(jié)構(gòu),在右岸地面副廠房計算機室布置1臺電站信息發(fā)布網(wǎng)交換機,并通過1000Mb網(wǎng)絡(luò)雙絞線接口接入1臺套信息查詢數(shù)據(jù)服務(wù)器集群、2套Web發(fā)布服務(wù)器等電站信息發(fā)布層計算機。計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。
向家壩電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司的H9000 V4.3系統(tǒng),由主控級與現(xiàn)地單元控制級組成,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制與調(diào)節(jié)、全廠自動發(fā)電控制(AGC)、全廠自動電壓控制(AVC)、系統(tǒng)通信、系統(tǒng)時鐘同步、運行管理及指導(dǎo)、系統(tǒng)自診斷及自恢復(fù)、軟件開發(fā)、人員培訓(xùn)等功能。其中控制調(diào)節(jié)功能主要包括各機組單步或連續(xù)開/停機控制及機組工況的轉(zhuǎn)換、機組事故停機及緊急停機控制、各機組有功/無功調(diào)節(jié)、500kV斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、10kV斷路器、400V廠用電進(jìn)線和母聯(lián)斷路器的操作、各機組和主變壓器的輔助設(shè)備的控制、各機組進(jìn)水口閘門的操作、全廠公用設(shè)備的控制等。
主控級配置有4套數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、1套歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器集群、2套應(yīng)用程序服務(wù)器、5套操作員工作站、2套移動操作員工作站、2套工程師工作站、2套培訓(xùn)工作站、4套調(diào)度通信服務(wù)器、2套廠內(nèi)通信服務(wù)器、2套報表及電話語音工作站、1套電站生產(chǎn)信息查詢服務(wù)器集群、2套Web發(fā)布服務(wù)器、2套調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入設(shè)備、2套成都梯調(diào)接入設(shè)備、1套電網(wǎng)申請檢修工作站、1套衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)、1套模擬屏、4套UPS電源系統(tǒng)、2套組合液晶屏、8套控制網(wǎng)主干光纖環(huán)網(wǎng)交換機、4套信息網(wǎng)主干網(wǎng)交換機、1套防水淹廠房保護(hù)系統(tǒng)、打印機、操作臺等設(shè)備。
現(xiàn)地單元控制級設(shè)16套LCU,包括8套機組LCU、2套公用設(shè)備LCU、2套500kV開關(guān)站LCU、2套廠用電LCU、1套壩頂LCU、1套模擬屏驅(qū)動LCU。
各LCU主要由雙機熱備Unity Quantum系列PLC、各種I/O模件、出口繼電器、液晶顯示觸摸屏、雙電源裝置、通信管理裝置、時鐘同步光纖盒、ProfiBus/MB+網(wǎng)橋、Profibus光電收發(fā)器、雙套控制網(wǎng)交換機、1個信息網(wǎng)交換機等組成。機組LCU還包括手動和自動準(zhǔn)同期裝置、交流采樣裝置、有功/無功功率變送器、機組有功/無功電能計量表。遠(yuǎn)程I/O柜主要由各種遠(yuǎn)程I/O模件、出口繼電器、電源裝置等組成。
電站在系統(tǒng)中的重要地位,使得監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性要求非常高。向家壩水電站監(jiān)控系統(tǒng)廣泛運用了可靠性理論及其設(shè)計方法,對系統(tǒng)的各部分進(jìn)行可靠性分配,對于可靠性較低的元件或者關(guān)鍵設(shè)備采用了冗余設(shè)計、降額設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。
4.1.1 冗余設(shè)計技術(shù)
4.1.1.1 冗余設(shè)計原則
電站監(jiān)控系統(tǒng)冗余設(shè)計遵循如下原則:
(1)冗余設(shè)計技術(shù)要與設(shè)備性能、成本等進(jìn)行綜合權(quán)衡,重要而失效率高的關(guān)鍵部位優(yōu)先考慮冗余設(shè)計。
(2)充分考慮各部件的可靠性,避免由于冗余設(shè)計增加設(shè)備反而降低系統(tǒng)整體可靠性的情況。
(3)冗余部件的工作狀態(tài)可以檢測。
(4)根據(jù)冗余件的故障模式采用相應(yīng)的冗余方式,采用了結(jié)構(gòu)冗余、功能冗余、參數(shù)冗余和信息冗余等方法。
4.1.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)冗余設(shè)計
(1)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)冗余。電站控制網(wǎng)絡(luò)、電站信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均采用冗余設(shè)計,網(wǎng)絡(luò)型式上組成了雙環(huán)網(wǎng)或雙星型網(wǎng),傳輸介質(zhì)上采用了雙路光纖。冗余網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)可以由接入系統(tǒng)的主機及時檢測,并通過軟件及時由故障部分網(wǎng)絡(luò)切換到冗余的正常網(wǎng)絡(luò)。
(2)主控級設(shè)備冗余。電站主控級的關(guān)鍵設(shè)備如數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信服務(wù)器均采用冗余設(shè)備,設(shè)備工作在熱備狀態(tài),并采用心跳檢測技術(shù),單臺設(shè)備故障或維護(hù)時不影響系統(tǒng)的正常工作。
(3)與調(diào)度設(shè)備通信冗余。與國網(wǎng)調(diào)度中心及省網(wǎng)調(diào)度中心均采用冗余通信設(shè)備和通信通道,與三峽成都梯調(diào)中心采用冗余設(shè)備,多重冗余通信通道。[2]
(4)LCU的冗余。LCU中可編程控制器采用雙CPU、雙機架背部、雙I/O總線、雙電源模塊、雙通信模塊等冗余設(shè)計,構(gòu)成高可靠性現(xiàn)地控制系統(tǒng)。雙CPU熱備方式運行時相互之間采用心跳檢測,在線運行的備用控制器同步接收數(shù)據(jù),并與主用控制器之間采用內(nèi)存映射技術(shù)同步內(nèi)存中的數(shù)據(jù),一旦主控制器出現(xiàn)故障,備用控制器立即執(zhí)行控制任務(wù),使整個系統(tǒng)的控制流程不會發(fā)生停頓,控制指令也不會重復(fù)或遺漏。各LCU與主控級網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、通信通道也采用冗余設(shè)計。
(5)電源冗余。主控級的UPS電源采用冗余技術(shù),配置2臺主機及3段配電母線,第1段和第2段母線分別接自對應(yīng)的UPS主機輸出回路,給具備冗余電源模塊的主控級設(shè)備或機柜分別供電,第3段母線由第1段和第2段母線雙路切換供電,為單設(shè)備、單模塊的主控級設(shè)備供電。
現(xiàn)地控制單元供電電源采用冗余方式,對控制設(shè)備CPU、機架采用雙高頻開關(guān)電源、雙電源切換器、雙供電母線設(shè)計;對觸摸屏、交換機、I/O回路等采用雙高頻開關(guān)電源、單電源切換器、單供電母線設(shè)計。水機保護(hù)采用獨立的直流電源供電。
(6)其他冗余結(jié)構(gòu)。在主控級設(shè)備、LCU的設(shè)備的設(shè)計及選用中,還有其他許多結(jié)構(gòu)冗余的形式,比如單臺計算機的冗余CPU、冗余內(nèi)存、冗余電源、冗余風(fēng)扇、冗余接口等;主控級設(shè)備存儲設(shè)備采用RAID0、1、5等冗余存儲技術(shù);LCU與外部通信回路構(gòu)成環(huán)路,形成冗余通道;在壩頂設(shè)置冗余的控制室,保證水淹廠房時對大壩閘門設(shè)備及其他設(shè)備的控制;在機組流道閘門設(shè)置冗余的閘門關(guān)閉控制設(shè)備等。
4.1.1.3 功能冗余設(shè)計
(1)機組緊急關(guān)閉功能的冗余技術(shù)。針對水電站機組水力機械事故、電氣事故等嚴(yán)重故障,監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)計了多重化的保護(hù)功能。在LCU的控制器中,設(shè)置了機組電氣事故停機功能、水力機械事故停機功能,另外配置了獨立的水力機械事故停機功能的繼電器回路,完成冗余的自動保護(hù)功能。在機組LCU、右岸控制室、左岸中控室均設(shè)置了手動緊急關(guān)機按鈕,與中控室操作員站、壩頂操作員站的手動操作形成多部位的冗余手動關(guān)機功能。
(2)機組流道閘門關(guān)閉的冗余技術(shù)。與機組緊急關(guān)閉功能類似,也實際了多重化的保護(hù)功能。在LCU的控制器中,設(shè)置了事故關(guān)閉閘門功能,另外配置了獨立的關(guān)閉閘門功能的繼電器回路,在閘門控制柜中設(shè)置了冗余的事故關(guān)閉控制設(shè)備和回路,完成冗余的自動保護(hù)功能。在機組LCU、右岸控制室、左岸中控室均設(shè)置了手動關(guān)閉閘門按鈕,與中控室操作員站、壩頂操作員站的手動操作形成多部位的冗余手動關(guān)門功能。
(3)冗余調(diào)節(jié)功能。針對機組的有功、無功調(diào)節(jié),設(shè)置了冗余調(diào)節(jié)功能,一方面可通過控制器I/O接點逐步調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速/機組功率,勵磁電流/無功功率;另一方面通過控制通信方式實現(xiàn)同樣的功能。
(4)輔助設(shè)備的冗余控制。全廠輔助設(shè)備如供氣系統(tǒng)、排水系統(tǒng)均為完整的閉環(huán)控制系統(tǒng),由于輔助設(shè)備控制器設(shè)備檔次不高,故障幾率大,監(jiān)控系統(tǒng)在采集信號的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了部分關(guān)鍵的控制功能,實現(xiàn)冗余控制。
(5)關(guān)鍵信息采集功能冗余。一方面,監(jiān)控系統(tǒng)通過LCU和主控級數(shù)據(jù)采集服務(wù)器采集全廠數(shù)據(jù)信息,在操作員站上可以對全廠進(jìn)行監(jiān)視;另一方面,監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置獨立的模擬屏信息采集回路,設(shè)置了模擬屏LCU及其遠(yuǎn)程I/O,從各個主設(shè)備采集關(guān)鍵數(shù)據(jù),并顯示在中控室模擬屏上。關(guān)鍵信息采集冗余功能,使得關(guān)鍵數(shù)據(jù)在操作員站和模擬屏上的信息冗余顯示,互為校核。
4.1.1.4 信息冗余技術(shù)
為避免由于基本數(shù)據(jù)信息錯誤而導(dǎo)致錯誤的控制策略,在監(jiān)控系統(tǒng)和其他配套系統(tǒng)的設(shè)計時,關(guān)鍵信息采用冗余技術(shù)。
(1)集水井水位信息。滲漏排水及檢修排水的水位信號分別采用投入式液位開關(guān)和壓力式液位傳感器,監(jiān)控系統(tǒng)分別采集兩種不同原理的水位信號,互為驗證,實時監(jiān)視和報警,避免出現(xiàn)集水井水位過高造成水淹廠房事故。
(2)機組事故停機信息。監(jiān)控系統(tǒng)LCU分別使用SOE模板及DI模板采集繼電保護(hù)裝置的電氣事故停機信號,跳GCB、跳直流滅磁開關(guān)分別從不同的DO開出板卡輸出至單獨的繼電器,兩個繼電器的第一路接點信號串聯(lián)后接入GCB和滅磁開關(guān)的第一路跳閘回路,兩個繼電器的第二路接點信號串聯(lián)后接入GCB和滅磁開關(guān)的第二路跳閘回路,形成信號的“串聯(lián)-并聯(lián)”冗余。
(3)機組軸瓦溫度信息。監(jiān)控系統(tǒng)使用兩組RTD冗余信息實現(xiàn)軸瓦的溫度保護(hù),LCU的PLC控制器分別采集每個軸瓦的RTD溫度采集量,如果同一軸承的任意2個RTD溫度同時超標(biāo),將執(zhí)行減負(fù)荷、事故停機。監(jiān)控系統(tǒng)水機保護(hù)回路使用另外單獨的RTD溫度量,在每部軸承的+X,+Y,-X,-Y設(shè)置單獨的RTD傳感器,水機保護(hù)回路將4個溫度信號2并2串,任意2個RTD溫度同時超標(biāo),執(zhí)行減負(fù)荷、事故停機。
(4)導(dǎo)葉開度信息。機組LCU一方面采集來自調(diào)速器的導(dǎo)葉開度信息;另一方面使用獨立的磁致伸縮型接力器位移傳感器采集導(dǎo)葉開度信息,兩組信號互為驗證。
(5)機組電氣量信息。監(jiān)控系統(tǒng)采用兩種類型的元器件(變送器、交流采樣裝置)對機組的有功功率、無功功率進(jìn)行采集,獲取定子電流、功率因數(shù)、定子電壓、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓等關(guān)鍵信息,另外又從調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)獲取同樣的信息,保證重要電氣信息的冗余輸入,不會丟失。
(6)其他信息冗余。其他如直流系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)的重要信息都同時以I/O信號和通信方式獲取,保證重要信息的完整性。
4.1.2 降額設(shè)計技術(shù)
降額設(shè)計是工程設(shè)計中常用的提高可靠性的方法。工程經(jīng)驗證明,大多數(shù)電子元器件在低于額定承載能力條件下工作時,其故障率較低,可靠性較高。集成電路芯片的電路單元很小,在導(dǎo)體斷面上的電流密度很大,因此在有源結(jié)點上可能有很高的溫度。高結(jié)溫是對集成電路破壞性最大因素,集成電路降額的主要目的在于降低高溫集中部分的溫度,延長器件的工作壽命。集成電路降額的主要參數(shù)是電壓、電流或功率以及結(jié)溫。
為保證監(jiān)控系統(tǒng)的高可靠性,在設(shè)備選型方面進(jìn)行了相關(guān)降額設(shè)計。
(1)主控級計算機的降額設(shè)計。設(shè)計要求計算機CPU平均負(fù)載率不大于30%,最大負(fù)載率不大于50%;內(nèi)存的使用率不應(yīng)大于80%。以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計周期不大于1s。磁盤的平均使用率不超過50%(5min統(tǒng)計周期)。
(2)控制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率不超過50%。
(3)PLC的降額設(shè)計。PLC兩個CPU以主/熱備用方式運行,每個CPU負(fù)載率不大于50%(負(fù)荷率統(tǒng)計周期為1s)。
(4)高頻開關(guān)電源降額設(shè)計。所有電氣盤柜內(nèi)的交流開關(guān)電源、直流開關(guān)電源的額定容量選取最大可能負(fù)載的1.5倍。
(5)UPS電源降額設(shè)計。所有UPS的平均負(fù)載不大于50%。
4.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
向家壩以智能匯控柜替代了傳統(tǒng)的匯控柜。智能匯控柜以智能控制裝置為核心,通過智能控制裝置實現(xiàn)GIS斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、TA、TV等本體設(shè)備的監(jiān)視、控制、閉鎖功能,并將每個斷路器間隔的信號匯總到智能裝置。
電廠設(shè)有1套開關(guān)站GIS保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng),見圖2。左、右岸電站分別組建GIS保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)雙控制網(wǎng),分別設(shè)置1套GIS操作員工作站、1套GIS維護(hù)工程師站、1套遠(yuǎn)動通信裝置。開關(guān)站斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)位置信號,斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)的分/合閘命令,保護(hù)動作信息和測量信息等均通過遠(yuǎn)動通信裝置與計算機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器對接。計算機監(jiān)控系統(tǒng)主控級負(fù)責(zé)發(fā)操作命令和監(jiān)視GIS設(shè)備狀態(tài),GIS保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)完成操作的軟件閉鎖、操作過程及設(shè)備狀態(tài)的反饋[3]。
4.2.2 GIS保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)接口方案
(1)電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)全站級的聯(lián)鎖邏輯的實現(xiàn)(如保護(hù)信息的聯(lián)鎖),GIS智能控制裝置利用各開關(guān)位置接點實現(xiàn)聯(lián)鎖邏輯,并能將連鎖結(jié)果上送電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。
(2)GIS智能控制裝置實現(xiàn)操作過程中產(chǎn)生的信息及結(jié)果的反饋(反饋遙控操作是否成功,遙控不成功反饋出遙控失敗的原因)。
(3)GIS智能控制裝置實時將同期方式狀態(tài)控制字(檢同期合、檢無壓合)反饋給電站監(jiān)控系統(tǒng)。
(4)500kV開關(guān)站各斷路器均設(shè)為同期點,在電站監(jiān)控系統(tǒng)中選擇同期方式并確認(rèn)后,智能控制裝置執(zhí)行同期操作。
向家壩水電站處于金沙江通航河段,由于切機或大范圍負(fù)荷變動,會造成下游水位的波動幅度過大,不利于通航建筑物及船舶安全。為保證航運安全,監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)了應(yīng)急補水功能。在下泄流量急劇減少的時候,迅速開啟閘門向下游補水,及時補償發(fā)電流量的減少,限制下游水位的下降幅度,延緩水位的下降速度。
應(yīng)急補水技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵是提前判斷下游水位的變化趨勢,在實際運行中引入了計算水位的概念,即通過實時跟蹤電站總出力,根據(jù)出力、耗水率與流量的換算關(guān)系計算出電站總發(fā)電流量,并加上閘門的當(dāng)前下泄流量計算出電站當(dāng)前總出庫流量。根據(jù)下游流量—水位曲線換算出下游水位。根據(jù)計算水位的變化能夠準(zhǔn)確判斷下游水位的變化趨勢及可能的變化幅度,從而能夠及時判斷是否需要進(jìn)行補水。然后根據(jù)當(dāng)前閘門狀態(tài)以及閘門分配原則等邊界條件形成閘門開啟策略,包括參與補水的閘門、各扇閘門的設(shè)定開度等,在自動形成閘門開啟策略時,需要考慮下游消力池的流態(tài),確保泄水建筑物安全,盡量減輕下游振動等限制因素。
監(jiān)控系統(tǒng)自動推送出閘門補水建議方案和畫面,在畫面上顯示當(dāng)前運行方式、上下游水位、總流量、補水流量及擬開啟的閘門組合及開度等相關(guān)信息和操作方案,等待運行人員進(jìn)行確認(rèn)。運行人員可在聯(lián)控畫面上對計算出的閘門開啟策略進(jìn)行審核,必要時可根據(jù)需要對預(yù)案進(jìn)行修改,調(diào)整參與補水的閘門組合、修改開度等,確認(rèn)無誤后下發(fā)執(zhí)行指令,也可根據(jù)實際情況直接取消補水操作。
應(yīng)急補水功能經(jīng)過聯(lián)動模擬試驗后投入運行。2014~2017年,由于電網(wǎng)換流站故障、送出線路意外短路而導(dǎo)致電廠多臺機組同時甩負(fù)荷,應(yīng)急補水功能成功投入,保證了下游航道安全[4]。
向家壩水電站是我國已投運的第三大水電站,在系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位,計算機監(jiān)控系統(tǒng)是電站的中樞神經(jīng),以電站水工結(jié)構(gòu)特點為依托的三網(wǎng)四層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),冗余設(shè)計及降額設(shè)計技術(shù)的采用,GIS智能化匯控柜的研發(fā)及應(yīng)急補水功能的投入,為電站安全穩(wěn)定運行提供了有力的技術(shù)支撐,取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益,有助于推動國內(nèi)大型水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計水平的提高,對在建的同類特大型水電站的建設(shè)具有借鑒意義。