陳 滿，鞏 宇

（廣州蓄能水電廠,廣東 廣州 510950）

廣蓄電廠監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)自動(dòng)控制功能開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

陳 滿，鞏 宇

（廣州蓄能水電廠,廣東 廣州 510950）

廣州蓄能水電A廠于2008年重新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)，重新設(shè)計(jì)優(yōu)化了其中的電廠自動(dòng)控制程序，其核心功能自動(dòng)發(fā)電控制功能和自動(dòng)電壓控制功能根據(jù)先進(jìn)的控制理念，設(shè)計(jì)優(yōu)化了算法，提高了電廠自動(dòng)控制水平；同時(shí)本項(xiàng)目只針對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)，下位機(jī)維持不變，大大縮短了全廠機(jī)組退備時(shí)間，創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。詳細(xì)介紹了廣州蓄能水電A廠上位機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，為今后電廠自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)提供參考。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng);S C A D A;自動(dòng)發(fā)電控制;自動(dòng)電壓控制;最優(yōu)控制 P I調(diào)節(jié)

0 概述

廣蓄A(yù)廠上位機(jī)系統(tǒng)從1992年投入運(yùn)行至2007年，運(yùn)行時(shí)間已達(dá)15年。隨著時(shí)間的推移，曾經(jīng)領(lǐng)先的系統(tǒng)逐漸落后，系統(tǒng)的缺陷不足逐漸暴露。主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：

一是限于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，所設(shè)計(jì)的軟、硬件已經(jīng)不能滿足現(xiàn)今電廠運(yùn)行、維護(hù)的需要。比如數(shù)據(jù)庫(kù)生成站CCCD，其系統(tǒng)軟件是用Fox Base開(kāi)發(fā)的，界面較差、功能單一，且運(yùn)行在DOS平臺(tái)，操作非常不方便；系統(tǒng)維修站采用的是SUN 3/80計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)是上位機(jī)的核心工作站，其停產(chǎn)年代是1987年，即使是最新的計(jì)算機(jī)也有19年的歷史。

二是上位機(jī)系統(tǒng)作為電廠自動(dòng)控制的核心部分，其使用的核心程序電廠自動(dòng)控制程序是基于20世紀(jì)70年代的控制理念設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，控制程序已經(jīng)不能滿足21世紀(jì)電網(wǎng)、機(jī)組的運(yùn)行的要求，且由于當(dāng)初設(shè)計(jì)技術(shù)相對(duì)落后的制約，程序存在許多邏輯上的漏洞，導(dǎo)致電廠運(yùn)行一直存在一些控制上的操作限制，大大影響電廠自動(dòng)化程度，降低電廠的運(yùn)行效率，可靠性及響應(yīng)速度，增加機(jī)組的調(diào)節(jié)損耗。

三是系統(tǒng)日漸老化，故障率有所上升，且由于部分備品難以采購(gòu)，造成維護(hù)日益困難。如負(fù)責(zé)與下位機(jī)進(jìn)行通訊的前置機(jī)UGG1/UGG2經(jīng)常故障死機(jī)，嚴(yán)重影響了上位機(jī)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

廣蓄電廠經(jīng)過(guò)詳細(xì)的調(diào)研和評(píng)估，決定對(duì)A廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。并決定采用當(dāng)前世界先進(jìn)的蓄能電廠控制理念，結(jié)合先進(jìn)的控制理論及多年的運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)電廠自動(dòng)控制程序，滿足當(dāng)前電網(wǎng)的需要，并結(jié)合電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，增加新的控制功能，滿足未來(lái)電網(wǎng)，機(jī)組控制的運(yùn)行需要。

1 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)廣蓄A(yù)廠上位機(jī)自動(dòng)控制程序

廣蓄A(yù)廠對(duì)運(yùn)行于成組控制模式的機(jī)組的所有控制功能均由后臺(tái)運(yùn)行的過(guò)程控制程序完成，此程序由30個(gè)功能獨(dú)立的程序模塊組成，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)不同的控制功能，例如成組開(kāi)機(jī)發(fā)電，抽水，有功的分配，500kV頻率調(diào)節(jié)，自動(dòng)發(fā)電控制（AGC），自動(dòng)電壓控制（AVC）等。該程序在上位機(jī)系統(tǒng)初始化后自動(dòng)運(yùn)行，每個(gè)模塊根據(jù)各自的運(yùn)行周期運(yùn)行，主要模塊功能如下：

1.1 有功控制

有功控制功能負(fù)責(zé)控制全廠機(jī)組的啟停及機(jī)組功率調(diào)節(jié)，其計(jì)算框圖如圖1：

其主要計(jì)算模塊分述如下：

（1）500kV網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)視模塊

此模塊首先運(yùn)行，且運(yùn)行周期為1s，實(shí)時(shí)采集A廠兩條出線及500kV環(huán)網(wǎng)上所有斷路器，隔離刀閘和接地刀閘的狀態(tài)，根據(jù)各開(kāi)關(guān)，刀閘的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，得出電廠出線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，并針對(duì)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行相關(guān)的安全性計(jì)算，限制或開(kāi)放機(jī)組的相關(guān)功能。例如，正常運(yùn)行時(shí)，廣蓄A(yù)廠由兩條出線與500kV系統(tǒng)相連，此時(shí)4臺(tái)機(jī)組可以全部啟動(dòng)，當(dāng)一條出線退出運(yùn)行時(shí)，只能啟動(dòng)3臺(tái)機(jī)組發(fā)電或2臺(tái)機(jī)組抽水。

（2）機(jī)組狀態(tài)監(jiān)視模塊

此模塊運(yùn)行周期為5s，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的各臺(tái)機(jī)組的相關(guān)信息，經(jīng)過(guò)一系列縝密的安全性計(jì)算和機(jī)組的性能曲線分析，得出各臺(tái)機(jī)組當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，所能承受的負(fù)荷量及最佳的運(yùn)行方式等數(shù)據(jù)。該功能經(jīng)運(yùn)行檢測(cè)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確計(jì)算各臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷能力，使機(jī)組運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

（3）設(shè)定值處理模塊

此模塊運(yùn)行周期為5s，對(duì)全廠容量/負(fù)荷的設(shè)定值進(jìn)行處理，由2個(gè)子模塊組成：負(fù)荷曲線模塊和操作員設(shè)定值模塊，由操作員選擇其中一個(gè)子模塊運(yùn)行。

（4）負(fù)荷曲線模塊：選擇此模塊后，自動(dòng)控制程序?qū)?huì)從預(yù)先設(shè)定好的當(dāng)日負(fù)荷曲線上讀取當(dāng)前時(shí)間的容量/負(fù)荷設(shè)定值，對(duì)機(jī)組進(jìn)行啟停和負(fù)荷分配，由于目前廣蓄電廠的調(diào)峰任務(wù)繁重，機(jī)組啟?；緵](méi)有規(guī)律可言，很難根據(jù)預(yù)先設(shè)定的負(fù)荷曲線運(yùn)行，所以此模塊基本沒(méi)有運(yùn)行。

（5）操作員設(shè)定值模塊：選擇此模式后，自動(dòng)控制程序?qū)?huì)接收調(diào)度或電廠值班員的全廠容量/負(fù)荷設(shè)定值，根據(jù)前面計(jì)算的全廠最大最小有功/無(wú)功出力值和機(jī)組狀態(tài)等對(duì)設(shè)定值進(jìn)行處理計(jì)算，若設(shè)定值不符合要求，則會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的取值模式計(jì)算出可執(zhí)行的設(shè)定值發(fā)送給后續(xù)模塊。

（6）自動(dòng)發(fā)電控制模塊（AGC）

此模塊運(yùn)行周期為5s，根據(jù)容量設(shè)定值控制機(jī)組的啟停，根據(jù)全廠負(fù)荷設(shè)定值對(duì)各正在運(yùn)行的機(jī)組進(jìn)行負(fù)荷分配。

1）機(jī)組啟停：根據(jù)可執(zhí)行的容量設(shè)定值計(jì)算當(dāng)前需要啟停機(jī)組的臺(tái)數(shù)并根據(jù)操作員設(shè)定的機(jī)組優(yōu)先級(jí)啟停相應(yīng)的機(jī)組，啟動(dòng)臺(tái)數(shù)由下表列出：

表1 容量設(shè)定值與機(jī)組啟動(dòng)臺(tái)數(shù)

例：若某時(shí)容量設(shè)定值為600MW，機(jī)組優(yōu)先權(quán)為1324，則自動(dòng)控制程序?qū)?huì)同時(shí)對(duì)1，3號(hào)機(jī)組發(fā)開(kāi)機(jī)發(fā)電命令。

2）負(fù)荷分配：根據(jù)調(diào)度或電廠操作員設(shè)定的全廠有功負(fù)荷設(shè)定值對(duì)正在運(yùn)行的機(jī)組進(jìn)行負(fù)荷分配，分配模式分為經(jīng)濟(jì)分配和平局分配，由操作員選擇其中一執(zhí)行。選擇經(jīng)濟(jì)分配時(shí)，自動(dòng)控制程序?qū)?huì)根據(jù)各臺(tái)機(jī)組當(dāng)前已帶負(fù)荷進(jìn)行評(píng)估，按照各臺(tái)機(jī)組調(diào)節(jié)幅度最小的方案進(jìn)行新的負(fù)荷分配；選擇平均分配模式時(shí)，自動(dòng)控制程序?qū)?huì)把負(fù)荷設(shè)定平均分配給各臺(tái)運(yùn)行的機(jī)組。由于廣蓄機(jī)組調(diào)節(jié)頻繁，按照經(jīng)濟(jì)分配方案時(shí)雖然減少了耗水量和機(jī)組調(diào)節(jié)損耗，但可能會(huì)使個(gè)別機(jī)組長(zhǎng)期處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，所以廣蓄并未采用經(jīng)濟(jì)分配模式而采用負(fù)荷平均分配模式。

電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)模式

此功能由操作員手動(dòng)啟動(dòng)和停止，不會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)啟動(dòng)此模塊后，自動(dòng)控制程序?qū)⒉粫?huì)接收電廠有功負(fù)荷設(shè)定值，而會(huì)根據(jù)500kV電網(wǎng)頻率測(cè)量值與50Hz的偏差計(jì)算出當(dāng)前全廠應(yīng)承擔(dān)的有功出力。計(jì)算出有功目標(biāo)值后，根據(jù)操作員選擇的負(fù)荷分配模式進(jìn)行負(fù)荷分配。頻率調(diào)節(jié)計(jì)算程序經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，各項(xiàng)參數(shù)符合電網(wǎng)要求，采取PI計(jì)算方式，能在保證消除穩(wěn)態(tài)誤差的基礎(chǔ)上縮短響應(yīng)時(shí)間，確保響應(yīng)時(shí)間，超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差等性能指標(biāo)均達(dá)到運(yùn)行要求，大大提高電廠穩(wěn)定電網(wǎng)頻率的能力。在緊急情況下失去調(diào)度控制指令時(shí)，電廠能夠緊急響應(yīng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組出力，穩(wěn)定電網(wǎng)的頻率。

1.2 無(wú)功控制——自動(dòng)電壓控制模塊（AVC）

此模塊運(yùn)行時(shí)間為5s，根據(jù)調(diào)度或電廠操作員設(shè)定的500kV電壓設(shè)定值進(jìn)行計(jì)算，對(duì)機(jī)組進(jìn)行無(wú)功功率的閉環(huán)控制。計(jì)算框圖如圖2：

整個(gè)無(wú)功閉環(huán)控制分為5步：

（1）首先自動(dòng)控制程序接收500kV電壓目標(biāo)值，并與母線電壓實(shí)際測(cè)量值相比較得到差值△。

（2）經(jīng)過(guò)自動(dòng)控制程序的PI計(jì)算算出全廠無(wú)功目標(biāo)值。

（3）將全廠無(wú)功目標(biāo)值按照最優(yōu)原則分配給成組運(yùn)行的機(jī)組。

（4）結(jié)合機(jī)組PQ曲線轉(zhuǎn)換計(jì)算算出每臺(tái)機(jī)組的AVR電壓給定值。

（5）由AVR調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流達(dá)到調(diào)節(jié)機(jī)端電壓從而調(diào)節(jié)500kV母線電壓。

在程序運(yùn)行的下個(gè)周期，自動(dòng)控制程序再次測(cè)量當(dāng)前電壓測(cè)量值后重復(fù)上述計(jì)算，直到電壓偏差在允許范圍內(nèi)，達(dá)到電壓的自動(dòng)閉環(huán)控制。

2 設(shè)計(jì)人機(jī)操作界面

設(shè)計(jì)制作全新的人機(jī)操作界面，新界面繼承了原界面的風(fēng)格，使值班員能夠更快的適應(yīng)，新人機(jī)界面操作簡(jiǎn)單，安全可靠，計(jì)算機(jī)程序后臺(tái)增加了大量的安全計(jì)算程序，對(duì)值班員的所有操作進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保操作的正確性，大大降低誤操作的風(fēng)險(xiǎn)。

3 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)上下位機(jī)通訊前置機(jī)

由于廣蓄A(yù)廠本次改造僅針對(duì)上位機(jī)部分進(jìn)行，下位機(jī)系統(tǒng)維持不變，下位機(jī)部分維持不變，要使現(xiàn)代上位機(jī)系統(tǒng)與20世紀(jì)80年代的下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)通訊，必須設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)通訊前置機(jī)系統(tǒng)，前置機(jī)系統(tǒng)由運(yùn)行通訊程序的PC電腦及6臺(tái)通訊網(wǎng)關(guān)機(jī)組成，接收下位機(jī)的串口通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成上位機(jī)系統(tǒng)使用的以太網(wǎng)通訊數(shù)據(jù)供給上位機(jī)系統(tǒng)使用，經(jīng)過(guò)測(cè)試，前置機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠，滿足無(wú)人值班電廠數(shù)據(jù)通訊的要求。

4 運(yùn)行概況

作為南方電網(wǎng)重要的調(diào)峰調(diào)頻電源，廣蓄必須能安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。廣蓄A(yù)廠新上位機(jī)系統(tǒng)于2008年1月投入運(yùn)行，經(jīng)過(guò)2年多的運(yùn)行，各項(xiàng)控制功能運(yùn)行良好，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，電廠自動(dòng)控制水平有了很大提高。多種控制功能的完善令廣蓄A(yù)廠能更好地適應(yīng)電網(wǎng)日益嚴(yán)格的調(diào)峰調(diào)頻要求。電廠自動(dòng)發(fā)電控制程序根據(jù)廣蓄十多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，通過(guò)2年多的投產(chǎn)運(yùn)行檢驗(yàn)，各項(xiàng)參數(shù)的整定及控制性能指標(biāo)已經(jīng)能完全滿足電網(wǎng)的要求，新控制程序的應(yīng)用，徹底解決了廣蓄多項(xiàng)長(zhǎng)期存在但無(wú)法完全解決的重大缺陷，如程序計(jì)算漏洞導(dǎo)致的機(jī)組啟動(dòng)失敗，停機(jī)失??；計(jì)算存在死區(qū)導(dǎo)致機(jī)組不按設(shè)定值啟/停導(dǎo)致啟動(dòng)或停機(jī)失敗；機(jī)組負(fù)荷控制調(diào)節(jié)性能不佳，向電網(wǎng)多送或少送負(fù)荷；機(jī)組并網(wǎng)大量吸收無(wú)功功率等。該程序可讀性及，可編譯性強(qiáng)，在今后的運(yùn)行中，可以隨時(shí)根據(jù)運(yùn)行需要進(jìn)行修改，更好的履行廣蓄在電網(wǎng)中調(diào)峰填谷，快速響應(yīng)的職責(zé)，為電網(wǎng)建設(shè)提供有力支持。

5 結(jié)束語(yǔ)

抽水蓄能機(jī)組特點(diǎn)是起停速度快、工況轉(zhuǎn)換靈活，在電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)和事故備用方面發(fā)揮極其重要的作用。通過(guò)削峰填谷，平滑了系統(tǒng)負(fù)荷曲線；通過(guò)調(diào)頻調(diào)相有效提高電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定性，保證電能品質(zhì)；在電網(wǎng)發(fā)生異常情況時(shí)緊急響應(yīng)，保證電網(wǎng)的安全，對(duì)電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和事故備用都起到保障作用，提高了電網(wǎng)的可靠性，是電網(wǎng)管理的工具。隨著新能源的開(kāi)發(fā)和智能電網(wǎng)的建設(shè)，電網(wǎng)對(duì)抽水蓄能電站的需求將進(jìn)一步加強(qiáng)。

廣蓄A(yù)廠不但為南方電網(wǎng)服務(wù)，同時(shí)也為香港電網(wǎng)輸電。由于電網(wǎng)遭遇南方冰雪災(zāi)害本項(xiàng)目提前竣工，此后，歷經(jīng)奧運(yùn)保供電、60周年國(guó)慶保供電、香港東亞運(yùn)動(dòng)會(huì)保供電、系統(tǒng)多次緊急調(diào)度的考驗(yàn)。在這些重要的時(shí)刻，穩(wěn)定、可靠、功能完備的監(jiān)控系統(tǒng)為電網(wǎng)靈活調(diào)度廣蓄A(yù)廠機(jī)組、為廣蓄電廠保一方平安做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

上位機(jī)系統(tǒng)投產(chǎn)產(chǎn)以來(lái)，各項(xiàng)控制功能運(yùn)行良好，零誤動(dòng)率，穩(wěn)定可靠，大大提高了電廠自動(dòng)化程度，完全滿足無(wú)人值班電廠的需要。其控制程序的設(shè)計(jì)理念，所運(yùn)用的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，控制律等均能為今后蓄能電廠的自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)提供借鑒。

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TV736

B

1672-5387（2011）03-0016-03

2011-04-11

陳滿（1973-），男，高級(jí)工程師，從事水電站檢修試驗(yàn)管理工作。