回龍抽水蓄能電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

袁二哲，呂志娟，張 法，王旭一

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司，河南省南陽市 473000；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761）

0 引言

回龍抽水蓄能電站位于河南省南陽市南召縣境內(nèi)，距離南陽市負(fù)荷中心70km，電站是河南省第一座抽水蓄能電站，裝機(jī)總量為120MW，安裝2臺60MW可逆式混流水泵水輪機(jī)組，額定水頭379m，最高揚(yáng)程420m，機(jī)組轉(zhuǎn)速為750r/min，是國內(nèi)生產(chǎn)的第一臺高水頭高轉(zhuǎn)速蓄能機(jī)組，在系統(tǒng)中的主要任務(wù)是調(diào)峰、填谷、調(diào)頻和事故備用等。

電站原計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由安德里茨（中國）有限公司提供，基于型號為AK1703的PLC系統(tǒng)，已投運(yùn)11年，存在設(shè)備陳舊、板卡點(diǎn)表數(shù)量不足、板卡停產(chǎn)無法購置等缺點(diǎn)，新監(jiān)控系統(tǒng)采用國產(chǎn)的南瑞NC2000監(jiān)控系統(tǒng)，于2018年4月改造完畢。本文主要介紹回龍抽蓄電站改造后的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、配置、主要功能和技術(shù)特色[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

改造后的監(jiān)控系統(tǒng)采用南京南瑞公司提供的開放式環(huán)境下的分層分布式計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)NC2000，以南瑞MB80系列智能PLC為現(xiàn)地LCU核心控制器，對電站所屬設(shè)備進(jìn)行實時的監(jiān)控。系統(tǒng)共分為現(xiàn)地控制層、中控層和調(diào)度層，按“無人值班，少人值守”原則進(jìn)行總體設(shè)計。電站由河南省調(diào)進(jìn)行調(diào)度，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)實現(xiàn)與其接口，傳送遙測遙信量和執(zhí)行調(diào)度指令。監(jiān)控系統(tǒng)采用1000Mbps光纖雙星型以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線作為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，其基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配置圖如圖1所示。

調(diào)度層設(shè)2臺互為熱備用的調(diào)度通信主機(jī)（hlcom1、hlcom2），通過調(diào)度數(shù)據(jù)專網(wǎng)和 2M 專線連接河南省調(diào)和南陽地調(diào)。

（1）中控層采用智能微機(jī)結(jié)構(gòu)。位于地面中控樓的計算機(jī)監(jiān)控機(jī)房配置有2臺互為熱備用的主服務(wù)器（hlmain1、hlmain2）、2套互為熱備用的歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器集群（his1、his2）、2套相互獨(dú)立的操作員工作站（hlop1、hlop2）、l套語音報警工作站（hlaud）、1套廠內(nèi)通信工作站（hlcom3）、1套監(jiān)控機(jī)房動態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、2臺1000 MB核心交換機(jī)、2套冗余 配置的UPS 電源設(shè)備、1套雙衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)設(shè)備、1套電力二次安防設(shè)備等?？紤]到電站調(diào)試和運(yùn)維人員巡檢方便，現(xiàn)地各LCU盤柜內(nèi)均配置1套工控機(jī)觸摸屏。監(jiān)控系統(tǒng)及服務(wù)器工作站均基于 Redhat 6.5系統(tǒng)，監(jiān)控軟件采用南瑞NC2000 V3.0，歷史數(shù)據(jù)庫軟件采用Mysql。

（2）現(xiàn)地控制層設(shè)備包括 2 套機(jī)組 LCU、1 套廠用電及公用設(shè)備LCU、1 套中控樓 LCU、1 套上庫 LCU，現(xiàn)地LCU均以南瑞MB80系列智能PLC控制器為核心。布置于地下廠房內(nèi)的機(jī)組 LCU、廠用電及公用設(shè)備LCU、上庫 LCU、中控樓LCU與布置在計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)房的兩臺核心交換機(jī)組成冗余的雙星型光纖網(wǎng)絡(luò)。各現(xiàn)地控制單元以MB80 722E型CPU為核心，采用了雙CPU四通信網(wǎng)模塊的PLC冗余結(jié)構(gòu)，均配置有17in彩色液晶觸摸屏的一體化工控機(jī)方便現(xiàn)地操作。

圖1 回龍抽蓄電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 1 System structure of Nanyang Huilong CSCS

2 系統(tǒng)的主要功能

2.1 調(diào)度層功能

回龍電站接受河南省調(diào)調(diào)度。監(jiān)控系統(tǒng)通過調(diào)度通信主機(jī)向河南省調(diào)實時上傳遙測、遙信信息，包括各機(jī)組斷路器位置、主變壓器斷路器位置、機(jī)組有功和無功出力值、母線電壓電流、電量信息等。由中控室值守人員接收調(diào)度下發(fā)的各項指令，實現(xiàn)對機(jī)組的操控。

2.2 中控層功能

系統(tǒng)為運(yùn)維人員提供操作便捷、易用性強(qiáng)、美觀的人機(jī)交互畫面，對機(jī)組和其輔助設(shè)備進(jìn)行全方位的監(jiān)控。能實時生成各種事件報文，對任何異常情況均可進(jìn)行光字報瞥，語音報警。能自動采集運(yùn)維人員所需要的各種數(shù)據(jù)，自動生成相應(yīng)報表文件。

（1）通過系統(tǒng)主服務(wù)器對本電站所有被控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。自動加載工程配置文件，建立數(shù)據(jù)交互緩沖區(qū)，實時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提供實時數(shù)據(jù)交互服務(wù)。負(fù)責(zé)監(jiān)控主機(jī)和現(xiàn)地控制層、外部設(shè)備等各個通信進(jìn)程的管理。能對節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交互進(jìn)行智能化管控，對節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行實時在線監(jiān)視。具備雙機(jī)熱備功能及斷電自啟動功能。

（2）歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器具備存儲、同步、備份功能，支持以集群方式對其他節(jié)點(diǎn)提供歷史數(shù)據(jù)的服務(wù)。支持一覽表查詢和歷史曲線查詢的功能。

（3）通過廠內(nèi)通信機(jī)能具備對廠前區(qū)備用柴油發(fā)電機(jī)、上庫備用柴油發(fā)電機(jī)、下庫備用柴油發(fā)電機(jī)、35kV備用電源系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。

（4）多元化用戶管理和配置。為不同運(yùn)維人員設(shè)置不同的使用權(quán)限。

（5）強(qiáng)大的上位機(jī)組態(tài)功能。對于所有控制對象的流程閉鎖和報瞥，在每一步控制步序中都有控制閉鎖判斷，所有的控制過程都有詳細(xì)的操作記錄顯示在簡報畫面。

2.3 現(xiàn)地控制層功能

現(xiàn)地控制層設(shè)備由2套機(jī)組LCU、1套廠用電及公用設(shè)備 LCU、1套中控樓LCU、1 套上庫 LCU等設(shè)備構(gòu)成。

（1）機(jī)組 LCU 監(jiān)控范圍包括水泵水輪機(jī)、發(fā)電電動機(jī)、機(jī)組斷路器、主變壓器高壓側(cè)斷路器、機(jī)組進(jìn)水閥、尾水閘門、機(jī)組附屬及輔助設(shè)備等。每套機(jī)組LCU均設(shè)置雙重化的水力機(jī)械保護(hù)。一方面機(jī)組LCU本體PLC具有水機(jī)保護(hù)功能，能實現(xiàn)水力機(jī)械故障報警、事故停機(jī)和緊急事故停機(jī)；另一方面還設(shè)置1套獨(dú)立于監(jiān)控系統(tǒng)的水機(jī)保護(hù)PLC，在機(jī)組LCU本體PLC故障情況下，能獨(dú)立完成水力機(jī)械事故停機(jī)和緊急事故停機(jī)。

（2）廠用電及公用設(shè)備LCU監(jiān)控范圍包括廠用電斷路器、廠用高壓斷路器、SFC及其輔助設(shè)備、地下廠房220kV GIS系統(tǒng)設(shè)備、集中技術(shù)供水系統(tǒng)等。

（3）中控樓LCU監(jiān)控范圍包括地面 220kV開關(guān)站設(shè)備、營地柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、中控樓UPS電源系統(tǒng)、通信48V電源系統(tǒng)、35kV岳莊變備用電源系統(tǒng)等。

（4）上庫LCU監(jiān)控范圍包括上水庫區(qū)域內(nèi)的水力測量、公用直流系統(tǒng)設(shè)備及配電系統(tǒng)設(shè)備、上庫柴油發(fā)電機(jī)，以及進(jìn)出水口閘門等。

現(xiàn)地各LCU根據(jù)設(shè)定能完成各種數(shù)據(jù)的采集和分析，存入歷史數(shù)據(jù)庫，并與電站中控層各設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實時傳送電站中控層設(shè)備所需的各種信息，實時接收電站中控層設(shè)備所發(fā)送的任何操控命令；對所監(jiān)控對象進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)，同相應(yīng)區(qū)域的輔助設(shè)備進(jìn)行可靠通信，通信對象統(tǒng)計詳見下表1；在沒有電站中控層指令或意外中斷與電站中控層通信的時候，各 LCU 也能自主完成對所控設(shè)備的精準(zhǔn)控制，滿足機(jī)組等設(shè)備的安全運(yùn)行。

表1 全廠監(jiān)控系統(tǒng)通信對象統(tǒng)計表Table 1 Statistical tables of communication objects in CSCS

3 系統(tǒng)技術(shù)特色

3.1 主動安全的設(shè)計

（1）計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的控制權(quán)限分為電站中控層控制權(quán)限、現(xiàn)地控制單元層LCU控制權(quán)限、被控對象設(shè)備的就地手動控制權(quán)限。其中，被控設(shè)備的就地手動控制權(quán)限最高，LCU層控制權(quán)限其次，中控層控制權(quán)限最低，調(diào)度層設(shè)備不參與控制現(xiàn)場設(shè)備。

（2）系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用冗余配置，如監(jiān)控主服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、主交換機(jī)、各LCU的CPU和電源模塊等，通信網(wǎng)絡(luò)也構(gòu)成雙星形網(wǎng)和雙現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)。監(jiān)控系統(tǒng)中控層設(shè)備的供電均采用不間斷電源（UPS）供電。

（3）系統(tǒng)增設(shè)的電力二次安全防護(hù)系統(tǒng)主要針對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)的電力生產(chǎn)控制系統(tǒng)，對電力監(jiān)控系統(tǒng)從主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、惡意代碼防范、應(yīng)用安全控制、審計、備份及容災(zāi)等多個層面進(jìn)行信息安全防護(hù)，重點(diǎn)強(qiáng)化邊界防護(hù)，提高內(nèi)部安全防護(hù)能力，保證電力生產(chǎn)控制系統(tǒng)及重要數(shù)據(jù)的安全。監(jiān)控系統(tǒng)所用交換機(jī)全部為經(jīng)公安部檢測合格且具備相應(yīng)資格認(rèn)證的國產(chǎn)品牌產(chǎn)品。按照最新的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全要求，增設(shè)電力監(jiān)控系統(tǒng)安全監(jiān)測裝置，將監(jiān)控系統(tǒng)接入網(wǎng)監(jiān)平臺。

（4）機(jī)組流程設(shè)計中參照已有舊流程及新源相關(guān)流程類規(guī)范要求，通過對順序控制流程的分析，整理出機(jī)組的預(yù)啟動條件、穩(wěn)態(tài)判斷條件、工況轉(zhuǎn)換條件等條件，對各工況轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行監(jiān)視報警，保證機(jī)組處于安全可控的狀態(tài)。機(jī)械事故停機(jī)啟動源、電氣事故停機(jī)啟動源、緊急事故停機(jī)啟動源的分級分類設(shè)置，更有利于機(jī)組在事故情況下的快速停機(jī)。

（5）上位機(jī)系統(tǒng)能對操作員的操作行為進(jìn)行適用性的檢查和二次彈窗確認(rèn)，杜絕誤操作。

3.2 故障自我診斷和主動定位功能

（1）PLC硬件故障實時診斷?？蛇B機(jī)或脫機(jī)實時自檢PLC各模件的故障，它能定位到模塊板并顯示在上位機(jī)監(jiān)視畫面上，在現(xiàn)場更換故障部件后即可恢復(fù)正常。機(jī)組LCU模件監(jiān)視畫面如圖2所示。

（2）軟件故障診斷。系統(tǒng)軟件運(yùn)行時，若有故障能主動給出故障性質(zhì)及部位，方便故障查找及事故處理。

（3）故障智能定位。機(jī)組啟停機(jī)中或運(yùn)行中發(fā)生故障，能在簡報中顯示出事故啟動源信息，定位到故障設(shè)備和相應(yīng)流程，并用語音機(jī)作相應(yīng)報警。故障智能定位縮短了運(yùn)維人員事故處理的時間，提高了故障處理的效率，使機(jī)組能在短時間內(nèi)恢復(fù)備用。

3.3 防水淹廠房設(shè)計

電站配置1套獨(dú)立于計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之外的光纖硬布線緊急操作裝置，包括獨(dú)立光端機(jī)、獨(dú)立PLC、繼電器、聲光報警裝置等設(shè)備，分別設(shè)置在廠房公用LCU、上庫LCU及中控樓，并設(shè)置獨(dú)立的電源回路（包括直流小開關(guān)及其直流電源監(jiān)視回路）和出口動作回路。水淹廠房及緊急停機(jī)結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)模件監(jiān)視畫面Figure 2 Monitoring screen of PLC module in CSCS

圖3 水淹廠房及緊急停機(jī)結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Structural Drawings of Flooding Workshop and Emergency Shutdown

3.4 “實用+美觀型”型智能人機(jī)界面設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)所有人機(jī)界面均由電站監(jiān)控設(shè)備主人參與設(shè)計及維護(hù)，歷經(jīng)工廠聯(lián)合開發(fā)、現(xiàn)場調(diào)試、值守意見反饋、2號機(jī)組試運(yùn)行，人機(jī)界面優(yōu)化融合30余幅，歷時500余天。充分吸收仙居抽水蓄能電站、海南抽水蓄能電站、洪屏抽水蓄能電站人機(jī)界面優(yōu)點(diǎn)，并吸取廠家建議，從方便"運(yùn)維操作"角度，形成了以“實用+ 美觀型”為主要特色的人機(jī)界面，從而起到了方便值守人員精準(zhǔn)監(jiān)盤的作用，使運(yùn)維人員在使用中達(dá)到了提質(zhì)增效的效果[2-4]。

現(xiàn)地控制單元較之前監(jiān)控系統(tǒng)更多的接入了輔機(jī)通信，引入了氣系統(tǒng)、技術(shù)供水系統(tǒng)、主變壓器冷卻水控制系統(tǒng)、消防控制系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、球閥系統(tǒng)等，對全廠輔機(jī)設(shè)備的控制更加全面，而且上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)引入了更多監(jiān)測量，方便值班人員對設(shè)備的全面了解。

3.5 更全面的工況轉(zhuǎn)換

回龍電站的監(jiān)控系統(tǒng)由“停機(jī)—待機(jī)”“待機(jī)—空轉(zhuǎn)”等17個流程組成，調(diào)試期間的同期參數(shù)、充氣壓水時間、BTB拖轉(zhuǎn)參數(shù)等參照改造前監(jiān)控參數(shù)，且各流程均經(jīng)過機(jī)組調(diào)試期間嚴(yán)格的試驗驗證，大大減少了調(diào)試時間，加快了整體改造進(jìn)度，取得了良好效果。

以2018年12月5日兩臺機(jī)組所執(zhí)行的時間為例，其流程執(zhí)行時間請見表2。

表2 機(jī)組各流程所用時間列表Table 2 Time List of Unit flow chart

4 結(jié)束語

回龍抽蓄電站的第1臺機(jī)組于2018年3月恢復(fù)運(yùn)行，全部機(jī)組于2018年4月恢復(fù)運(yùn)行。截至目前，兩臺機(jī)組共發(fā)電1077次，成功率100%；抽水1050次，成功率99.81%；滿足調(diào)度的各項運(yùn)行指標(biāo)。系統(tǒng)由回龍抽蓄電站運(yùn)維人員和南瑞廠家聯(lián)合開發(fā)，開發(fā)過程中依照了最新的防水淹廠房的設(shè)計要求，努力建成了防水淹廠房示范電站，調(diào)試和運(yùn)行過程中持續(xù)對機(jī)組流程進(jìn)行優(yōu)化，使得回龍電站的監(jiān)控流程擁有良好的安全品質(zhì)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定可靠，保障機(jī)組順利完成了調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、事故備用的任務(wù)。