彭偉林,唐宏斌,管劍鋒

(1.浙江正源水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 麗水 323000;2.龍泉市水利局,浙江 龍泉 323700)

1 工程概況

巖樟溪一級水電站位于浙江省龍泉市甌江大溪支流巖樟溪上,混合線型拱壩高81.75 m,輸水隧洞長4 308.0 m,電站額定水頭158.4 m,裝機(jī)容量2×10 000 kW,發(fā)電機(jī)電壓10.5 kV,廠用電電壓0.4 kV,多年平均發(fā)電量4 1071萬kW·h。電站主接線為二機(jī)一變單母線接線,以一回110 kV線路接至220 kV龍泉宏山變電所。

110kV電氣開關(guān)選用SF6斷路器,發(fā)電機(jī)出口采用每相2根單芯電纜并聯(lián)出線,發(fā)電機(jī)出口及主變低壓側(cè)斷路器采用真空斷路器。主變低壓側(cè)與開關(guān)柜采用銅排連接。電站擔(dān)任麗水市電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)DL/5065—1996《水力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定》,確定巖樟溪一級水電站按“無人值班(少人值守)”運(yùn)行方式設(shè)計(jì),在發(fā)電初期及電站穩(wěn)定運(yùn)行前的過渡時(shí)期按少人值班方式運(yùn)行。電站和電網(wǎng)之間利用光纜介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度中心對電站的遙信、遙測、遙控和遙調(diào)功能。監(jiān)控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)絡(luò)的全分層分布系統(tǒng),從功能上分為站級主控層和現(xiàn)地控制層。監(jiān)控系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ),全廠集中監(jiān)測控制基本由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成,不設(shè)置常規(guī)的集控臺和模擬屏。

3 系統(tǒng)組成、設(shè)備配置和接口

3.1 系統(tǒng)組成

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),系統(tǒng)分為2層,即站級主控層和現(xiàn)地控制單元(LCU)層,分別采用雙絞線和光纖連接至10/100M快速以太網(wǎng)。

站級主控層配置2套操作員工作站,互為熱備用,設(shè)置通訊服務(wù)器,與電力調(diào)度、水情測報(bào)系統(tǒng)、遠(yuǎn)方診斷系統(tǒng)通訊。另配備1套GPS衛(wèi)星時(shí)鐘?，F(xiàn)地控制單元層共設(shè)3套LCU,其中2套機(jī)組LCU,每套機(jī)組LCU為1個柜子,1套升壓站和公用設(shè)備LCU,為公用裝置LCU柜。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 設(shè)備配置

站級主控層主要設(shè)備,以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)采用8口美國3COM,主工作站及通訊服務(wù)器選用西門子PⅣ-2.8G服務(wù)器,內(nèi)存為512 MB;GPS時(shí)鐘選用DH2000E,不間斷電源采用山特的2×3 kV·A在線式雙并聯(lián)冗余UPS。

對應(yīng)于單母線接線,即1臺發(fā)電機(jī),1臺主變的接線方式,1臺機(jī)組設(shè)置1套LCU。每套機(jī)組LCU共計(jì)1面柜,PLC機(jī)架之間通過CAN BUS互聯(lián),除電源組件、CPU、I/O模塊外,配置有1套交流采樣裝置、1套微機(jī)準(zhǔn)同期裝置、1套手動同期操作元件(含同期表同步檢查繼電器等)、1塊深圳龍電多功能電能表等。LCU屏柜就地布置于發(fā)電機(jī)層機(jī)旁位置,與機(jī)組保護(hù)屏、機(jī)組動力屏、測溫制動屏、勵磁屏等同列,與調(diào)速器電氣柜、調(diào)速器油壓裝置等距離較近,這樣布置即節(jié)省二次接線電纜也便于運(yùn)行維護(hù)。

110 kV升壓開關(guān)站、電站公用油水氣輔助設(shè)備及廠用電系統(tǒng)的信號接入,設(shè)置公用LCU 1套,共計(jì)1面屏,除電源組件、CPU、I/O模塊外,配置有6套交流采樣裝置、1套手動同期操作元件 (含同期表同步檢查繼電器等)、3塊深圳龍電多功能電能表等。該LCU屏布置于中控室內(nèi)。

電站的進(jìn)水球閥采用液壓系統(tǒng)操作,旁通閥采用電動機(jī)操作。為了實(shí)現(xiàn)對球閥自動操作,每臺球閥設(shè)有自動PLC操作回路,在球閥控制柜上操作按鈕即可完成球閥的啟閉,也可通過監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行球閥的啟閉,正常情況下都通過監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行球閥的啟閉操作。

3.3 通信接口

站級主控層計(jì)算機(jī)設(shè)備都按IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)連接到Fast Ethernet局域網(wǎng)絡(luò)上,網(wǎng)絡(luò)上每個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mb/s,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為TCP/IP。

由于機(jī)組和全廠公用輔助設(shè)備較多,為利于控制裝置的通信組網(wǎng)和保證通信通道的可靠性,機(jī)組LCU前置工控機(jī)與所屬監(jiān)控范圍內(nèi)的輔助設(shè)備控制PLC及機(jī)組保護(hù)裝置、溫度巡檢儀、BWT調(diào)速器、微機(jī)勵磁系統(tǒng)之間均按現(xiàn)場總線MB標(biāo)準(zhǔn)通過RCS485/232接口進(jìn)行連接,作為I/O信號的冗余信息通道;公用LCU前置工控機(jī)與所屬監(jiān)控范圍內(nèi)的輔助設(shè)備控制PLC及主變保護(hù)、110 kV線路保護(hù)、廠變保護(hù)、直流系統(tǒng)、故障錄波之間也用同樣的方法連接。

經(jīng)過技術(shù)論證與電力調(diào)度部門協(xié)商確定,電站與電力調(diào)度部門的連接方案不采用遠(yuǎn)動RTU方式以減少I/O裝置和避免重復(fù)投資,電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置1套通信服務(wù)器,以通信方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動RTU的全部功能。通信服務(wù)器與電力調(diào)度部門通過MODEM接口進(jìn)行通信。

電站電能數(shù)據(jù)利用電力電量集中采集器的1路MODEM和1路數(shù)字接口通過PCM光端設(shè)備直接上傳電力調(diào)度部門。線路故障測距分析系統(tǒng)通過調(diào)度電話撥號聯(lián)網(wǎng)。

4 監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

按照規(guī)范和電站調(diào)度管理需要,監(jiān)控系統(tǒng)主要功能包括數(shù)據(jù)采集和處理,安全運(yùn)行監(jiān)視及事件報(bào)警,事故追憶與事件順序記錄,實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié),負(fù)荷閉環(huán)調(diào)節(jié),自動發(fā)電控制(AGC),自動電壓控制(AVC),統(tǒng)計(jì)記錄與生產(chǎn)管理,人機(jī)接口,數(shù)據(jù)通信,歷史數(shù)據(jù)庫,系統(tǒng)自診斷與冗余切換,軟件開發(fā)與維護(hù)等。

4.1 數(shù)據(jù)采集和處理

(1)對主要設(shè)備的工況參數(shù)進(jìn)行巡回檢測。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫更新、越限檢查。

(2)對重要的模擬量 (如推力瓦溫),除監(jiān)視其數(shù)值外,還進(jìn)行梯度越限檢查。

(3)對全站主設(shè)備狀態(tài)的變化順序和發(fā)生時(shí)間進(jìn)行采集。

(4)相關(guān)量追憶記錄,供分析事故使用。

4.2 全站安全監(jiān)視和實(shí)時(shí)事件報(bào)警

監(jiān)控系統(tǒng)通過人機(jī)接口向運(yùn)行人員提供全站的運(yùn)行情況,當(dāng)出現(xiàn)下列各種情況時(shí),系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)報(bào)警。

(1)開關(guān)量變位事件,包括狀態(tài)變化和保護(hù)動作;

(2)模擬量越限事件;

(3)梯度越限事件;

(4)監(jiān)控系統(tǒng)自診斷。

監(jiān)控系統(tǒng)能在人機(jī)接口上采取分類方式進(jìn)行報(bào)警。

4.3 生產(chǎn)過程的控制

監(jiān)控系統(tǒng)具有對全站主要設(shè)備和風(fēng)、水、油及廠用電等輔助系統(tǒng)的各種設(shè)備全面實(shí)現(xiàn)控制操作的能力。

(1)操作對象。系統(tǒng)可以對機(jī)組、斷路器、廠用電、水泵、球閥等進(jìn)行操作。

(2)操作方式。監(jiān)控系統(tǒng)的操作方式有遠(yuǎn)方和當(dāng)?shù)?種。2種方式通過現(xiàn)地控制單元 LCU上的開關(guān)進(jìn)行切換。當(dāng)?shù)胤绞?由操作員在現(xiàn)地控制單元的操作面板上發(fā)出命令。遠(yuǎn)方方式:LCU接受由操作員在中控室操作員工作站或電力調(diào)度發(fā)出的操作命令,或者是AGC、AVC運(yùn)行運(yùn)行結(jié)果發(fā)出的命令。

(3)操作過程的監(jiān)視。在操作過程中,操作員工作站的顯示器畫面上將提供操作接線圈,操作對象閃光、變色、顯示命令等多種手段,供運(yùn)行人員監(jiān)視操作全過程。操作過程中若發(fā)生阻滯,則在LCU的屏幕上顯示設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)和操作進(jìn)行的過程。

4.4 統(tǒng)計(jì)與表計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)時(shí)采集全站各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和工況的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步完成統(tǒng)計(jì)制表等一系列管理工作,使運(yùn)行人員不必再進(jìn)行人工抄表。

4.5 負(fù)荷閉環(huán)調(diào)節(jié)

監(jiān)控系統(tǒng)可以按負(fù)荷給定值進(jìn)行機(jī)組有功與無功功率的閉環(huán)調(diào)節(jié),該給定值可由運(yùn)行人員在工作站上設(shè)定,也可按AGC、AVC程序運(yùn)行的結(jié)果確定。系統(tǒng)將對給定值進(jìn)行合法性檢查,再根據(jù)功率給定值與測定值發(fā)出負(fù)荷 “增”或 “減”的偏差調(diào)節(jié)命令。

4.6 廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 (EDC)

根據(jù)運(yùn)行水頭、水輪機(jī)綜合效率曲線,按節(jié)水增發(fā)原則進(jìn)行機(jī)組間負(fù)荷的優(yōu)化分配,同時(shí)要避開機(jī)組的汽蝕振動區(qū),以保證全廠機(jī)組的經(jīng)濟(jì)和滿足電力系統(tǒng)多方面要求。

4.7 自動發(fā)電控制 (AGC)

自動發(fā)電控制的主要任務(wù)是在滿足各種安全發(fā)電的約束條件下,以迅速、經(jīng)濟(jì)的方式控制整個水電站的有功功率,以保證機(jī)組的完全運(yùn)行和滿足電力系統(tǒng)多方面的要求。

4.8 自動電壓控制 (AVC)

自動電壓控制是在電站及機(jī)組的各種安全約束條件下,根據(jù)不同的運(yùn)行方式和運(yùn)行工況,對全站的機(jī)組作出實(shí)時(shí)的控制決策,以自動維持母線電壓或全站無功功率為當(dāng)時(shí)的設(shè)定值,如進(jìn)相運(yùn)行等方式。

4.9 通訊功能

監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)與調(diào)度系統(tǒng)的通訊,實(shí)時(shí)接受上級調(diào)度命令信息,并向調(diào)度發(fā)送電站各種信息,還可同水情測報(bào)系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)通訊。

4.10 在線自診斷

監(jiān)控系統(tǒng)能在線自診斷出系統(tǒng)中的故障,指出故障部位的能力,對LCU診斷到板級故障,診斷出電源故障、通訊故障及外部設(shè)備故障等,將自診斷的結(jié)果顯示于事件簡報(bào)窗內(nèi),并記錄于自診斷一覽表中,對于冗余配置的系統(tǒng),根據(jù)自診斷結(jié)果進(jìn)行冗余切換。

4.11 人機(jī)接口

主控機(jī)界面友好,操作簡單。它是運(yùn)行人員對全站生產(chǎn)過程進(jìn)行安全監(jiān)控,又是維護(hù)人員對監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行管理、維護(hù)和開發(fā)的手段。運(yùn)行人員可以通過鍵盤、鼠標(biāo)下達(dá)操作控制命令;對各種畫面、報(bào)表、曲線等的顯示功能;參數(shù)設(shè)置修正功能;召換畫面顯示或打印功能等。

5 監(jiān)控系統(tǒng)性能

(1)實(shí)時(shí)行。模似量采集周期≤1 s;事件順序分辨率≤2 ms;控制命令加答響應(yīng)時(shí)間≤1 s;人機(jī)接口響應(yīng)時(shí)間≤2 s;脈沖量數(shù)據(jù)采集時(shí)間≤1 s;主控層輔控制功能響應(yīng)時(shí)間≤2 s。

(2)可靠性。站級主控層計(jì)算機(jī)MTBF＞20000 h;現(xiàn)地控制單元MTBF＞5 000 h;MTTR(有備件)≤0.5 h。

(3)安全性。系統(tǒng)的安全性、容錯性主要由系統(tǒng)全分布方式保證。操作安全性按控制層次實(shí)現(xiàn)操作閉鎖,其優(yōu)先權(quán)順序?yàn)?現(xiàn)地控制單元級→電站級→遠(yuǎn)方調(diào)度級。網(wǎng)絡(luò)安全性通過配備防火墻、網(wǎng)關(guān)、路由器等硬軟件實(shí)現(xiàn)。

(4)其他。電站級和現(xiàn)地級設(shè)備的CPU平均負(fù)載率不超過50%;網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載率小于20%;I/Q的容量裕度大于25%。

6 軟件系統(tǒng)

軟件平臺采用全分布開放系統(tǒng)的跨平臺設(shè)計(jì)及面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的P6000監(jiān)控系統(tǒng)軟件,操作員工作站、通訊服務(wù)器等都使用符合開放系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)的Windows2000操作系統(tǒng)。Windows操作系統(tǒng)具有用戶普及、界面豐富、操作方便,易于維護(hù)的特點(diǎn),操作員工作站等采用Windows操作系統(tǒng)從而適應(yīng)用戶需求和工作環(huán)境(見圖2)。

圖2 電站監(jiān)控運(yùn)行圖

7 結(jié) 語

水電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì),必須明確設(shè)計(jì)思路,理清控制對象,主次分明,以安全可靠為第一,做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)行維護(hù)方便;優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),設(shè)備配置精而簡,減少故障幾率。在設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)與廠商密切配合,必須讓廠商對微機(jī)監(jiān)控的被控對象有詳盡的了解,協(xié)調(diào)各廠家之間的關(guān)系,同時(shí)應(yīng)盡量減少設(shè)計(jì)聚合中的不確定因素,以避免對應(yīng)用軟件開發(fā)及開停機(jī)流程等產(chǎn)生不良影響。

巖樟溪一級水電站真正實(shí)現(xiàn)了 “無人值班 (少人值守)”運(yùn)行方式和全計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)模式,自2005年12月投入運(yùn)行至今為電站節(jié)約了近600萬元的運(yùn)行成本。