巨型水電站AGC 功能在監(jiān)控系統(tǒng)改造中聯(lián)合控制的研究及應(yīng)用

陳超群，黃家志，艾遠(yuǎn)高

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某巨型水電站內(nèi)裝有14 臺(tái)700 MW 混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量9 800 MW。原計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)監(jiān)控系統(tǒng)）由長(zhǎng)江水利委員會(huì)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，由瑞士ALSTOM 公司承建，以ABB 公司Advant OCS 系統(tǒng)平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)老系統(tǒng)）為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，于2003 年投入運(yùn)行，至今該套監(jiān)控系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)16 年。

近幾年來(lái)，由于監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備投運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，機(jī)組LCU、工作站及網(wǎng)絡(luò)硬件等設(shè)備故障率逐年上升，嚴(yán)重威脅到該巨型水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此于2019 年開(kāi)始對(duì)其監(jiān)控系統(tǒng)廠站層和現(xiàn)地層設(shè)備分別進(jìn)行換型改造。2019 年年底，該巨型水電站監(jiān)控系統(tǒng)廠站層設(shè)備改造完成，改造后的監(jiān)控系統(tǒng)為中水科技H9000 V6.0 系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)新系統(tǒng)），自動(dòng)發(fā)電控制（以下簡(jiǎn)稱(chēng)AGC）功能在新老2 套監(jiān)控系統(tǒng)上成功實(shí)現(xiàn)聯(lián)合控制并投入使用。

1 老系統(tǒng)AGC 應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

老系統(tǒng)AGC 高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)由2 套互為冗余的系統(tǒng)組成。每套系統(tǒng)包括1 臺(tái)應(yīng)用程序工作站和1臺(tái)應(yīng)用程序控制器（使用AC450 控制器），如圖1 所示：2 套系統(tǒng)互為主備，當(dāng)主系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，備用系統(tǒng)自動(dòng)接管所有主系統(tǒng)應(yīng)用。

圖1 AGC 應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用程序工作站與應(yīng)用程序控制器之間采用VIP 通信協(xié)議進(jìn)行通信。應(yīng)用程序工作站主要負(fù)責(zé)AGC 分配計(jì)算；應(yīng)用程序控制器主要作為應(yīng)用程序工作站與現(xiàn)地LCU 之間的通信轉(zhuǎn)換接口，同時(shí)，應(yīng)用程序控制器內(nèi)還運(yùn)行了一部分AGC 約束條件判斷程序。

2 AGC 應(yīng)用系統(tǒng)在監(jiān)控系統(tǒng)改造過(guò)程中聯(lián)合控制的總體設(shè)計(jì)

該巨型水電站由于其具有裝機(jī)容量大、機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，在華中電網(wǎng)擔(dān)負(fù)重要的發(fā)電任務(wù)。因此，在本次監(jiān)控系統(tǒng)改造過(guò)程中，要求其AGC功能保持連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。然而對(duì)于已經(jīng)投入AGC 的電站監(jiān)控系統(tǒng)，在改造過(guò)程中的一個(gè)重要技術(shù)問(wèn)題就是如何實(shí)現(xiàn)新老監(jiān)控系統(tǒng)AGC 控制的平穩(wěn)過(guò)渡。

2.1 問(wèn)題分析

在該巨型水電站監(jiān)控系統(tǒng)改造過(guò)程中，由于老系統(tǒng)采用瑞士ABB 公司Advant OCS 系統(tǒng)平臺(tái)，其現(xiàn)地控制器AC450 所使用的MB300 網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約與接口具有較強(qiáng)的專(zhuān)用性和封閉性，使得新系統(tǒng)廠站層投運(yùn)后不能與現(xiàn)地控制器實(shí)現(xiàn)直接通信，進(jìn)而無(wú)法對(duì)未改造機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控，因此在新系統(tǒng)的廠站層投入運(yùn)行后，將形成新、老系統(tǒng)并列運(yùn)行的過(guò)渡期，即新系統(tǒng)監(jiān)控改造后的新現(xiàn)地LCU，老系統(tǒng)監(jiān)控未改造的舊現(xiàn)地LCU。

面臨這種特殊的改造環(huán)境，AGC 應(yīng)用系統(tǒng)的平穩(wěn)過(guò)渡面臨以下技術(shù)難點(diǎn)：

（1）新、老系統(tǒng)通信規(guī)約完全不同，如何保證2 套監(jiān)控系統(tǒng)的上行和下行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)、有效、一致。

（2）如何實(shí)現(xiàn)AGC 應(yīng)用系統(tǒng)在新、老系統(tǒng)中平穩(wěn)過(guò)渡，安全穩(wěn)定地對(duì)已改造和未改造機(jī)組同時(shí)進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算分配。

2.2 通信方式設(shè)計(jì)

在老系統(tǒng)中，應(yīng)用程序控制器與廠站層之間采用的是VIP（Vendor Internet Protocol）通信協(xié)議，但由于ABB AC450 控制器所使用的MB300 網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約與接口專(zhuān)用性和封閉性的問(wèn)題，老系統(tǒng)中與廠站層實(shí)現(xiàn)通信接口的應(yīng)用程序控制器必須在整個(gè)改造期間予以保留，因此在新系統(tǒng)數(shù)采/應(yīng)用服務(wù)器中新增VIP 通信解析程序，將未改造的現(xiàn)地LCU 數(shù)據(jù)通過(guò)應(yīng)用程序控制器中轉(zhuǎn)接入新系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)新、老系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，如圖2 所示。

圖2 新、老監(jiān)控系統(tǒng)AGC 應(yīng)用系統(tǒng)通信接口

2.3 AGC 功能設(shè)計(jì)

縱觀其他巨型水電站AGC 應(yīng)用系統(tǒng)在新、老系統(tǒng)中平穩(wěn)過(guò)渡的方法主要有以下2 類(lèi)：

第1 種：當(dāng)改造機(jī)組臺(tái)數(shù)少于2 臺(tái)時(shí)，電廠的AGC 功能運(yùn)行在老監(jiān)控系統(tǒng)上；當(dāng)改造機(jī)組臺(tái)數(shù)多于2 臺(tái)時(shí)，電廠的AGC 功能運(yùn)行在新監(jiān)控系統(tǒng)上，調(diào)度下發(fā)的全廠總有功是控制已改造機(jī)組的總有功，未改造的機(jī)組不參與AGC 控制，由運(yùn)行人員進(jìn)行手動(dòng)負(fù)荷設(shè)定。

第2 種：隨著現(xiàn)地LCU 改造的進(jìn)行，調(diào)度側(cè)將電廠臨時(shí)分成兩個(gè)電廠（未改造電廠和已改造電廠）。監(jiān)控系統(tǒng)改造時(shí)，新老系統(tǒng)分別運(yùn)行AGC 功能，調(diào)度側(cè)對(duì)全部機(jī)組進(jìn)行直接控制，但需要對(duì)不同的監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)不同的兩個(gè)全廠總有功設(shè)定值。

考慮到第1 種方法，由于現(xiàn)地LCU 改造周期較長(zhǎng)，導(dǎo)致運(yùn)行人員在很長(zhǎng)一段時(shí)間需手動(dòng)計(jì)算未改造機(jī)組實(shí)發(fā)有功并人為手動(dòng)控制調(diào)節(jié)；第2 種方法，需與調(diào)度溝通，且調(diào)度側(cè)AGC 程序需做較大改動(dòng)。由于以上兩種方法均存在運(yùn)行操作繁瑣、程序修改復(fù)雜，且不具備應(yīng)急和快速恢復(fù)的功能，所以在該巨型水電站監(jiān)控系統(tǒng)改造過(guò)程中，為避免新老系統(tǒng)AGC 功能同時(shí)運(yùn)行導(dǎo)致負(fù)荷分配計(jì)算錯(cuò)誤、分配時(shí)間出現(xiàn)偏差等問(wèn)題，基于程序修改量最小化和運(yùn)行操作便利的原則，本次改造采用了由新系統(tǒng)對(duì)該巨型水電站AGC 進(jìn)行統(tǒng)一控制、老系統(tǒng)配合的方式。

電廠的AGC 功能運(yùn)行在新系統(tǒng)上，取消老系統(tǒng)應(yīng)用程序控制器內(nèi)部的AGC 閉鎖判斷邏輯，由新系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算和分配，新系統(tǒng)經(jīng)老系統(tǒng)應(yīng)用程序控制器下發(fā)單機(jī)有功設(shè)定值至未改造機(jī)組，已改造機(jī)組的負(fù)荷則由新系統(tǒng)AGC 功能直接控制調(diào)節(jié)，如圖3 所示。

圖3 AGC 應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)荷分配

3 AGC 應(yīng)用系統(tǒng)在監(jiān)控系統(tǒng)改造過(guò)程中聯(lián)合控制的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

在實(shí)際改造過(guò)程中，因?yàn)槔舷到y(tǒng)AGC 高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)由2 套互為冗余的系統(tǒng)組成，所以根據(jù)設(shè)計(jì)思路，在備用應(yīng)用程序控制器進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，證明了該思路的可行性。隨著新老系統(tǒng)通信連接、未改造現(xiàn)地LCU 的數(shù)據(jù)接入新系統(tǒng)、AGC 程序的廠內(nèi)離線和在線試驗(yàn)、新系統(tǒng)AGC 程序投運(yùn)，順利完成了AGC應(yīng)用系統(tǒng)在監(jiān)控系統(tǒng)改造換型過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)渡。

3.1 新老系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用程序控制器與廠站層之間采用的是VIP通信協(xié)議，該協(xié)議用于ABB AC450 控制器和外部計(jì)算機(jī)或其他控制器之間的數(shù)據(jù)交換。VIP 是在建立以太網(wǎng)上的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，傳輸層支持傳輸控制協(xié)議TCP 和用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議UDP。

該巨型水電站VIP 通信傳輸層采用UDP 通信協(xié)議，通過(guò)上行數(shù)據(jù)包將機(jī)組LCU 數(shù)據(jù)上送至廠站層應(yīng)用程序工作站，通過(guò)下行數(shù)據(jù)包將應(yīng)用程序工作站中AGC 相關(guān)數(shù)據(jù)和命令發(fā)送至各機(jī)組LCU。其數(shù)據(jù)包格式為：30 個(gè)長(zhǎng)整型，每個(gè)長(zhǎng)整型包含30個(gè)開(kāi)關(guān)量；模擬量10組，每組30個(gè)實(shí)型，如表1所示。

表1 VIP 通信數(shù)據(jù)包格式

在新系統(tǒng)的數(shù)采/應(yīng)用服務(wù)器中新增VIP 通信程序時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)IP、端口、通道配置等均需與應(yīng)用程序控制器相對(duì)應(yīng)。斷開(kāi)備用應(yīng)用程序控制器與老系統(tǒng)應(yīng)用程序工作站的連接后，將其接入新系統(tǒng)數(shù)采/應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信調(diào)試，新老系統(tǒng)VIP 通信正常。

3.2 新老系統(tǒng)AGC/AVC 功能聯(lián)合控制的實(shí)現(xiàn)

在老系統(tǒng)中，現(xiàn)地LCU 程序包含單機(jī)AGC 投入/退出、加入條件滿足、有功聯(lián)控運(yùn)行模式等邏輯。現(xiàn)地LCU 通過(guò)MB300 網(wǎng)絡(luò)將單機(jī)AGC 相關(guān)信號(hào)上送至應(yīng)用程序控制器，經(jīng)應(yīng)用程序控制器內(nèi)部的AGC 閉鎖判斷程序計(jì)算后，上送至應(yīng)用程序工作站，由其AGC 應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷分配計(jì)算，有功設(shè)定值和AGC 投入/退出命令經(jīng)應(yīng)用程序控制器下發(fā)至機(jī)組LCU。

為實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)AGC 功能對(duì)未改造機(jī)組的控制，需修改備用應(yīng)用程序控制器內(nèi)的程序，取消AGC 閉鎖判斷等邏輯程序，程序只負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)上送和下傳的中轉(zhuǎn)功能。新系統(tǒng)的單機(jī)AGC 投入/退出命令經(jīng)應(yīng)用程序控制器下發(fā)至未改造機(jī)組，未改造機(jī)組收到命令后根據(jù)其機(jī)組LCU 程序進(jìn)行計(jì)算，將單機(jī)實(shí)發(fā)有功、AGC 投入/退出信號(hào)、加入條件滿足信號(hào)、有功聯(lián)控運(yùn)行模式等信號(hào)上送至新系統(tǒng)，新系統(tǒng)根據(jù)接收到的信號(hào)來(lái)判斷未改造機(jī)組AGC 狀態(tài)，再進(jìn)行AGC 負(fù)荷分配計(jì)算，如圖4 所示。

圖4 AGC 應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向

新系統(tǒng)AGC 程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，需注意區(qū)分已改造機(jī)組和未改造機(jī)組，已改造機(jī)組的負(fù)荷分配由新系統(tǒng)直接控制完成；未改造機(jī)組則由新系統(tǒng)以中轉(zhuǎn)方式下發(fā)單機(jī)有功設(shè)定值至機(jī)組，與此同時(shí)，未改造機(jī)組的AGC 狀態(tài)均由現(xiàn)地LCU 的AGC 程序計(jì)算得到并真實(shí)反饋至新系統(tǒng)。對(duì)于AGC 約束條件，在機(jī)組加入AGC 的條件中需增加對(duì)新老系統(tǒng)VIP 通信狀態(tài)的判斷，當(dāng)新老系統(tǒng)VIP 通信異常時(shí)AGC 聯(lián)控應(yīng)自動(dòng)退出。

斷開(kāi)備用應(yīng)用程序控制器與老系統(tǒng)應(yīng)用程序工作站的連接，按照上述方法修改備用應(yīng)用程序控制器的程序后，將其接入新系統(tǒng)數(shù)采/應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行AGC 離線試驗(yàn)，應(yīng)用程序控制器可準(zhǔn)確接收單機(jī)有功設(shè)定值，新系統(tǒng)可正常接收單機(jī)AGC 狀態(tài)信號(hào)，AGC 功能運(yùn)行正常。

3.3 AGC 功能的應(yīng)用

在備用應(yīng)用程序控制器進(jìn)行的新老系統(tǒng)VIP 通信和AGC 離線試驗(yàn)，證明了該思路的可行性，因此在AGC 功能由老系統(tǒng)切至新系統(tǒng)控制時(shí)，短時(shí)退出全廠AGC 功能，在主用應(yīng)用程序控制器上實(shí)施該方法。

經(jīng)過(guò)修改程序、新老系統(tǒng)通信連接、AGC 程序的廠內(nèi)離線和在線試驗(yàn)、新系統(tǒng)AGC 程序投運(yùn)，逐步完成了AGC 應(yīng)用系統(tǒng)在監(jiān)控系統(tǒng)改造換型過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)渡。在監(jiān)控系統(tǒng)改造過(guò)程中通過(guò)采用新系統(tǒng)AGC 統(tǒng)一計(jì)算、老系統(tǒng)配合的聯(lián)合控制方式，具有實(shí)際程序修改量小、負(fù)荷分配計(jì)算統(tǒng)一性高、無(wú)需運(yùn)行人員手動(dòng)調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，有效提高了該巨型水電站運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

電站AGC 屬于機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用功能，關(guān)系到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定與電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。該巨型水電站在監(jiān)控系統(tǒng)改造過(guò)程中，首次設(shè)計(jì)研究AGC功能在新老系統(tǒng)聯(lián)合控制的方法，考慮內(nèi)容全面，且經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證并順利實(shí)施和應(yīng)用，既保證AGC 功能對(duì)全廠機(jī)組的統(tǒng)一控制，又最大程度減少程序修改量、操作便利、客戶化程度較高，新系統(tǒng)AGC 功能主要性能指標(biāo)優(yōu)良，有利于保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)該巨型水電站AGC 功能在監(jiān)控系統(tǒng)改造過(guò)渡期聯(lián)合控制的實(shí)施方法為以后其他電站監(jiān)控系統(tǒng)改造提供了有益的借鑒。