惠州抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造探索

趙勇飛，劉曉波，彭緯偉，張 茜，魯培權(quán)，陳旭騰，梁玉飛

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；2.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510635）

0 引言

惠州抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱惠蓄）總裝機(jī)容量2 400 MW（A/B 兩廠8×300 MW），2004 年遵循以“市場(chǎng)換技術(shù)”的方針，寶泉、惠州、白蓮河3 座抽蓄電站共16 臺(tái)300 MW 機(jī)組打捆招標(biāo)，中標(biāo)外商向國(guó)內(nèi)主機(jī)廠分包并轉(zhuǎn)讓關(guān)鍵技術(shù)，電站是我國(guó)抽水蓄能機(jī)組設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的首批依托項(xiàng)目之一。

電站建設(shè)時(shí)采用ALSTOM 分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)ALSPA P320 系列產(chǎn)品。2022 年開始著手進(jìn)行系統(tǒng)改造，改造后采用中水科技iP9000 自主可控智能一體化平臺(tái)，從硬件到軟件全面實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)自主可控。

本次改造需要接入監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、SFC 等外圍系統(tǒng)均維持原有國(guó)外產(chǎn)品，面臨國(guó)外系統(tǒng)的技術(shù)封閉、資料受限、流程難以解讀、通信規(guī)約不開放等一系列技術(shù)堡壘，同時(shí)改造期間已改造機(jī)組和未改造機(jī)組存在相互影響，尤其是水泵方向啟動(dòng)流程的復(fù)雜性，對(duì)SFC 的啟停、信息交互、通信切換、安全閉鎖判斷等，帶來(lái)諸多難點(diǎn)需要攻克。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本次系統(tǒng)改造提供安全Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)內(nèi)統(tǒng)一的系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)分析、圖形、報(bào)表等功能支撐接口，完成各個(gè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集、控制命令、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)交換、對(duì)外通信、模型管理、文件管理等[1]。

廠站層主要設(shè)備包括相關(guān)數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、操作員工作站、調(diào)度通信服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、工程師工作站、語(yǔ)音報(bào)警工作站及網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等。

監(jiān)控系統(tǒng)在地面中控樓、地下A/B 廠房?jī)?nèi)各設(shè)置2 套核心交換機(jī)，組建雙環(huán)冗余主干網(wǎng)，電站廠站層、現(xiàn)地層系統(tǒng)和設(shè)備就近接入，實(shí)現(xiàn)電站系統(tǒng)和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的可靠連接。

現(xiàn)地控制層設(shè)備按照機(jī)電設(shè)備的單元分布，分別設(shè)置A 廠和B 廠各4 套機(jī)組LCU、1 套機(jī)組公用LCU，廠內(nèi)公用LCU 以及開關(guān)站LCU，其他包括上庫(kù)LCU、下庫(kù)LCU、模擬屏LCU 和下庫(kù)壩LCU。各LCU 均可獨(dú)立完成負(fù)責(zé)區(qū)域的功能，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)地控制層設(shè)備數(shù)據(jù)，通過(guò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳送至上位機(jī)，接受上位機(jī)下發(fā)的命令并執(zhí)行。

2 系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)

惠蓄電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造，采用iP9000 系統(tǒng)與P320 系統(tǒng)并列運(yùn)行的過(guò)渡方式，iP9000 系統(tǒng)按照調(diào)度層、電站中控層、現(xiàn)地控制層進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和配置，采用國(guó)產(chǎn)服務(wù)器、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，組建新的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，配置完整的廠站層設(shè)備，完成iP9000 中控層及網(wǎng)絡(luò)的整體投運(yùn)。

改造后的惠蓄監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)全廠設(shè)備進(jìn)行全面監(jiān)視與控制，完成與總調(diào)、中調(diào)、地調(diào)、集控的數(shù)據(jù)與命令交互，并實(shí)現(xiàn)與原有廠內(nèi)國(guó)外產(chǎn)品的互聯(lián)互通。

2.1 過(guò)渡期間通信設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)改造實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡的關(guān)鍵是iP9000獲取P320 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)對(duì)P320 的控制功能，由于P320 系統(tǒng)上位機(jī)和各LCU 單元控制器PCX 間采用私有網(wǎng)絡(luò)規(guī)約通信[2]，iP9000 無(wú)法通過(guò)該方式進(jìn)行交互?？紤]到P320 系統(tǒng)配置有3 臺(tái)冗余通信服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與調(diào)度通信功能，可借用該通信通道，搭建一套冗余的通信主站模擬調(diào)度系統(tǒng)，采用開放的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約IEC60870-5-104，實(shí)現(xiàn)與P320 信息及命令交互。相應(yīng)iP9000 在系統(tǒng)改造期間獲取全廠主要數(shù)據(jù)，并接管與調(diào)度通信功能，調(diào)度側(cè)對(duì)電站已改造設(shè)備的控制命令，由iP9000 直接執(zhí)行，對(duì)于未改造設(shè)備的控制命令，由iP9000 接受并轉(zhuǎn)發(fā)P320 執(zhí)行。

由此滿足LCU 分批改造條件，根據(jù)檢修計(jì)劃開展機(jī)組、機(jī)組公用及其他現(xiàn)地控制單元的分批改造，接入iP9000 系統(tǒng)，在完成全廠所有LCU 改造后，原P320 系統(tǒng)即可退出運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)平穩(wěn)過(guò)渡。

2.2 過(guò)渡期間AGC/AVC 設(shè)計(jì)

改造過(guò)渡期間iP9000 接替原P320 系統(tǒng)AGC、AVC 等全廠性功能，新監(jiān)控系統(tǒng)收到調(diào)度指令或電廠操作員下達(dá)的AGC/AVC 指令后，由iP9000 根據(jù)控制模式、啟動(dòng)優(yōu)先序列等，考慮各種約束條件，在全廠8 臺(tái)機(jī)組中進(jìn)行自動(dòng)分配，根據(jù)容量開停機(jī)狀態(tài)確定啟動(dòng)、停止機(jī)組的數(shù)量進(jìn)行自動(dòng)開停機(jī)，根據(jù)功率設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)功率分配，根據(jù)電壓設(shè)定值進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)[3]。

iP9000 AGC/AVC 軟件對(duì)已改造和未改造LCU的控制命令與調(diào)度側(cè)命令執(zhí)行方式相同。

3 LCU 改造方案設(shè)計(jì)

LCU 改造的難點(diǎn)在于機(jī)組LCU 與機(jī)組公用LCU，考慮到改造工作的復(fù)雜性，改造前應(yīng)做好現(xiàn)場(chǎng)踏勘、調(diào)研工作，原配置、流程、基礎(chǔ)信息、背景信息確認(rèn)。從電纜梳理、端子確認(rèn)、信號(hào)核對(duì)到流程確定、功能設(shè)計(jì)、通信破解，理清并完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)。尤其是針對(duì)系統(tǒng)與原有國(guó)外產(chǎn)品的互聯(lián)互通，設(shè)計(jì)解決方案，制定應(yīng)急預(yù)案，以保證各項(xiàng)升級(jí)改造工作的順利開展。

抽蓄機(jī)組抽水方向啟動(dòng)時(shí)，可采用SFC 或BTB方式啟動(dòng)，考慮到惠蓄P320 系統(tǒng)的封閉性，在改造過(guò)渡期間，改造完成的機(jī)組與未改造的機(jī)組之間不采用BTB 啟動(dòng)方式啟動(dòng)。A 廠及B 廠首臺(tái)機(jī)組改造完成后，僅采用SFC 方式啟動(dòng)水泵方向，當(dāng)其他機(jī)組改造完成后，同一廠內(nèi)改造后的兩臺(tái)機(jī)組之間可采用BTB 啟動(dòng)作為備用啟動(dòng)方式。

3.1 機(jī)組LCU 改造方案設(shè)計(jì)

惠蓄P320 系統(tǒng)原流程設(shè)計(jì)上，水泵方向啟動(dòng)均通過(guò)機(jī)組公用LCU 進(jìn)行交互，針對(duì)原機(jī)組LCU 流程、機(jī)組公用LCU 流程特點(diǎn)，將有關(guān)BTB 啟動(dòng)部分流程、保護(hù)移到機(jī)組LCU，調(diào)整相應(yīng)IO 點(diǎn)數(shù)。同時(shí)針對(duì)SFC 裝置、機(jī)組球閥、機(jī)組尾水事故閘門、機(jī)組調(diào)速器、機(jī)組勵(lì)磁、機(jī)組保護(hù)、高壓頂起等設(shè)備流程要求和信號(hào)情況，確定機(jī)組LCU、機(jī)組公用LCU 等結(jié)構(gòu)形式，尤其是構(gòu)建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、通信速率高、接入設(shè)備能力強(qiáng)的通信結(jié)構(gòu)、方式。

3.2 機(jī)組公用LCU 改造方案設(shè)計(jì)

由于靜止變頻器（SFC）由機(jī)組公用LCU 進(jìn)行信息采集與命令控制，當(dāng)惠蓄A(yù) 廠或B 廠首臺(tái)機(jī)組LCU 改造，新的機(jī)組公用LCU 將與首臺(tái)機(jī)組同步投運(yùn)，改造過(guò)程中兩套機(jī)組公用LCU 并列運(yùn)行，直到第4臺(tái)機(jī)組投運(yùn)完成，P320機(jī)組公用LCU退出運(yùn)行。

在同一廠內(nèi)兩套機(jī)組公用LCU 并列運(yùn)行過(guò)渡期間， SFC需要完成改造前后的機(jī)組水泵方向啟動(dòng)，相應(yīng)新的機(jī)組公用LCU 與P320 機(jī)組公用LCU 均與靜止變頻器（SFC）存在信息采集、命令控制、通信需求，由此涉及機(jī)組公用的功能、信號(hào)的擴(kuò)展和通信的切換。

在機(jī)組公用的功能、信號(hào)的擴(kuò)展數(shù)量上，機(jī)組公用LCU 保留SFC 啟動(dòng)過(guò)程中，SFC 事故跳閘及被啟動(dòng)機(jī)組事故跳閘等部分，不參與BTB、不承擔(dān)水泵啟動(dòng)過(guò)程中BTB 及SFC 的有關(guān)保護(hù)回路實(shí)現(xiàn)。

水泵啟動(dòng)的命令下發(fā)到待啟動(dòng)機(jī)組，由其轉(zhuǎn)發(fā)到拖動(dòng)機(jī)組或機(jī)組公用LCU。機(jī)組公用LCU 負(fù)責(zé)SFC 啟動(dòng)時(shí)同一廠內(nèi)4 臺(tái)機(jī)組有關(guān)拖動(dòng)刀閘、啟動(dòng)刀閘、啟動(dòng)母線上斷路器檢查、SFC 輸入電源開關(guān)等檢查。

水泵啟動(dòng)過(guò)程中低頻保護(hù)、斷電保護(hù)、濺水功率保護(hù)、進(jìn)水閥、電氣制動(dòng)、高壓頂起、勵(lì)磁、調(diào)速器、同期等有關(guān)硬接線保護(hù)由機(jī)組LCU 實(shí)現(xiàn)，不再由機(jī)組公用LCU 實(shí)現(xiàn)，機(jī)組公用LCU 僅保留SFC 啟動(dòng)過(guò)程中SFC 事故跳閘及被啟動(dòng)機(jī)組事故跳閘等部分[4]。

水泵BTB 的啟動(dòng)在兩臺(tái)機(jī)組之間進(jìn)行，機(jī)組直接通過(guò)通信方式進(jìn)行信息與命令的交互，新的機(jī)組公用LCU 不再參與該流程。改造過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)改造后機(jī)組SFC 方式水泵方向啟動(dòng)，新機(jī)組公用LCU需要4 臺(tái)機(jī)組的啟動(dòng)刀閘、被啟動(dòng)刀閘、啟動(dòng)母線聯(lián)絡(luò)刀閘/斷路器位置、SFC 裝置可用信息、事故信息等重要信號(hào)，僅將新機(jī)組公用LCU 控制流程中所必需的4 臺(tái)機(jī)組的啟動(dòng)刀閘、被啟動(dòng)刀閘、啟動(dòng)母線聯(lián)絡(luò)刀閘/斷路器位置信號(hào)等重要信號(hào)，包括SFC裝置可用信息、事故信息也需要擴(kuò)展。對(duì)于這些新舊機(jī)組公用流程控制過(guò)程中都需要的DIN 或SOE點(diǎn)，通過(guò)相應(yīng)設(shè)備的備用位置接點(diǎn)送到新機(jī)組公用LCU 中，對(duì)于僅有一副接點(diǎn)不能增加接點(diǎn)的設(shè)備位置信號(hào)，可以進(jìn)行擴(kuò)展。

4 國(guó)產(chǎn)化適配選型

惠蓄監(jiān)控系統(tǒng)改造，廠站層各服務(wù)器、工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安防設(shè)備、時(shí)鐘系統(tǒng)等，現(xiàn)場(chǎng)層PLC、同期裝置、通信裝置、電能表、交采表、變送器等，軟件方面操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等，均采用國(guó)產(chǎn)品牌設(shè)備和軟件。

器件適配選型是實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)標(biāo)現(xiàn)有裝置典型器件規(guī)格，全面梳理國(guó)產(chǎn)元器件現(xiàn)狀，不僅要篩選出功能和性能滿足要求的器件，而且對(duì)國(guó)內(nèi)各元器件廠家背景、器件參數(shù)、器件生產(chǎn)制造等多方面進(jìn)行調(diào)研和對(duì)比。著重從功能、性能、溫度及功耗、用量、軟件支撐等多個(gè)方面進(jìn)行選型、評(píng)估，最終目標(biāo)是工控系統(tǒng)的整體功能、性能和可靠性達(dá)到當(dāng)前主流應(yīng)用產(chǎn)品水平。

5 結(jié)語(yǔ)

2023 年6 月底惠蓄監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)、1 號(hào)機(jī)組LCU 按期完成了各項(xiàng)改造工作，系統(tǒng)順利投運(yùn)并穩(wěn)定運(yùn)行，iP9000 展現(xiàn)出良好的兼容性、開放性、可擴(kuò)展性。

目前，我國(guó)早期引進(jìn)的國(guó)外抽蓄電站監(jiān)控系統(tǒng)，均已遠(yuǎn)超使用年限，系統(tǒng)設(shè)備老化、原廠服務(wù)不便、備件不足、難以擴(kuò)展、無(wú)法滿足當(dāng)前電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行相關(guān)要求，但由于系統(tǒng)封閉，面對(duì)著難以進(jìn)行系統(tǒng)改造的困境。惠蓄電站監(jiān)控系統(tǒng)的改造成功，為改造抽蓄電站國(guó)外監(jiān)控系統(tǒng)提供了思路和經(jīng)驗(yàn)，在行業(yè)內(nèi)極具推廣價(jià)值。