操俊磊，陳 龍，姜海軍

（南京南瑞集團公司水利水電技術(shù)分公司，江蘇省南京市 211106）

仙居抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

操俊磊，陳 龍，姜海軍

（南京南瑞集團公司水利水電技術(shù)分公司，江蘇省南京市 211106）

本文簡述了浙江仙居抽水蓄能電站概況及其機組運行方式，闡述了計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計原則、系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，并詳細介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能以及上位機NC3.0軟件的特色和優(yōu)勢。

抽水蓄能；監(jiān)控系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)；功能；NC3.0

0 引言

仙居抽水蓄能電站位于浙江省仙居縣湫山鄉(xiāng)境內(nèi)的永安溪上，地處浙東南用電負荷中心，是國家“十一五”規(guī)劃重點建設工程，屬于一等大（1）型工程，由國網(wǎng)新源控股有限公司、浙江省電力公司、華東電網(wǎng)有限公司、上海市電力公司和仙居縣資產(chǎn)經(jīng)營公司共同投資建設。電站總投資58.51億元，安裝4臺37.5萬kW大型抽水蓄能機組，是國內(nèi)單機容量最大的抽水蓄能電站。

1 背景

2016年4月12日，我國單機容量最大（375MW）的抽水蓄能電站——浙江仙居抽水蓄能電站首臺機組成功并網(wǎng)發(fā)電，這標志著我國完全掌握了抽水蓄能的核心技術(shù)，為今后大規(guī)模建設抽水蓄能電站提供了技術(shù)支撐。電站最核心的監(jiān)控部件采用南京南瑞集團公司SSJ-3000計算機監(jiān)控系統(tǒng)，開創(chuàng)了大型抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)自主創(chuàng)新的新局面。

通過自主創(chuàng)新，南京南瑞集團公司攻克抽水蓄能機組多工況轉(zhuǎn)換、啟動運行及控制保護策略等技術(shù)難題，成功研制出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的大型抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，其功能、性能都達到或超過國際先進水平，打破了國外的技術(shù)壟斷，掌握了核心技術(shù)，實現(xiàn)了抽水蓄能電站控制設備自主化，很大程度上促進了我國電力裝備制造業(yè)的科技進步。

2 機組運行方式

仙居抽水蓄能電站機組運行方式較為復雜，工況包括：停機、靜止、空載、發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相等7種穩(wěn)定工況，同時具備黑啟動功能。

機組運行的工況轉(zhuǎn)換主要有：停機→靜止；停機→空轉(zhuǎn)；空轉(zhuǎn)→空載；空載→發(fā)電；發(fā)電→發(fā)電調(diào)相；發(fā)電調(diào)相→發(fā)電；發(fā)電→空載；空載→空轉(zhuǎn)； 空轉(zhuǎn)→旋轉(zhuǎn)；發(fā)電調(diào)相→旋轉(zhuǎn)；靜止→抽水調(diào)相（SFC拖動）；靜止→抽水調(diào)相（BTB拖動）；停機→旋轉(zhuǎn)（BTB作為拖動機）；抽水調(diào)相→抽水；抽水→抽水調(diào)相；抽水→旋轉(zhuǎn)；抽水調(diào)相→旋轉(zhuǎn)；抽水→發(fā)電（緊急）；抽水→發(fā)電（正常）；停機→黑啟動。

仙居機組工況轉(zhuǎn)換如圖1所示。

3 監(jiān)控系統(tǒng)設計原則

本文介紹的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，充分考慮了網(wǎng)絡技術(shù)的迅速發(fā)展和計算機軟、硬件快速更新的特點。對于監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、相應的功能及系統(tǒng)配置，總的設計原則如下：

圖1 仙居抽水蓄能電站機組工況轉(zhuǎn)換圖Fig. 1 Conversion diagram of Xianju unit working condition

（1）在滿足可靠性和實用性的前提下，盡量按國際先進水平進行設計，采用“無人值班”（少人值守）的運行值班方式，監(jiān)控系統(tǒng)采用全計算機監(jiān)控的模式，設置統(tǒng)一的全廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)，不再設置獨立的常規(guī)集中監(jiān)控設備。但出于電站安全可靠性考慮，另外設置簡單的緊急停機、安全閉鎖和事故動作的硬布線回路，滿足對電站重要設備進行緊急處理的可靠性要求。

（2）計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用開放性的分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當系統(tǒng)中任何一部分設備發(fā)生故障時，系統(tǒng)整體以及系統(tǒng)內(nèi)的其他部分仍能繼續(xù)正常工作且功能不會減少，且各現(xiàn)地控制單元（LCU）能脫離主控級獨立運行。

（3）系統(tǒng)高度可靠、冗余，上位機采用雙機冗余熱備結(jié)構(gòu)，監(jiān)控網(wǎng)絡采用雙光纖冗余環(huán)網(wǎng)配置，LCU 采用雙網(wǎng)雙CPU 熱備冗余配置，其系統(tǒng)本身的局部故障不影響現(xiàn)場設備的正常運行。

（4）實現(xiàn)電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)與省調(diào)和網(wǎng)調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)、電站MIS 系統(tǒng)（信息管理系統(tǒng)）、電站設備狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)、全廠火災自動報警系統(tǒng)、全廠通風空調(diào)系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)電能計量等的通信。

（5）系統(tǒng)采用成熟、可靠、標準化的硬件、軟件和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，且有長期的備品和技術(shù)服務支持。

（6）軟件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設計，保證系統(tǒng)的可擴展性，滿足功能增加及規(guī)模擴充的需要。

（7）系統(tǒng)高度可靠，實時性好，抗干擾能力強，適應現(xiàn)場環(huán)境。選用開放式、全分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置和設備選型適應計算機發(fā)展迅速的特點，具有先進行和向后兼容性，能充分保護用戶的投資。

4 系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

仙居抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用開放式分層分布系統(tǒng)。系統(tǒng)各功能分布在系統(tǒng)的各個節(jié)點上，每個節(jié)點嚴格執(zhí)行指定的任務，并通過系統(tǒng)網(wǎng)絡與其他節(jié)點進行通信。仙居抽水蓄能電站整個監(jiān)控系統(tǒng)由電站主控級和單元控制級等設備組成。主控級包括2 套冗余數(shù)據(jù)服務器、3套冗余操作員工作站、1套工程師站、2 套調(diào)度通信工作站、1 套廠內(nèi)通信工作站、1套語音報警服務器、2套GPS 時鐘同步裝置及外圍設備等。單元控制級設有10 套現(xiàn)地控制單元，包括4 套機組LCU、1 套廠房公用LCU、1 套主變壓器洞LCU、1套500kV 開關(guān)站LCU、1 套開關(guān)站公用LCU、1 套中控樓LCU和1 套上水庫LCU。

主控級與LCU之間采用100Mbps交換式冗余以太環(huán)網(wǎng)進行通信，通信協(xié)議為TCP/IP 網(wǎng)絡協(xié)議。LCU與其他計算機控制子系統(tǒng)之間通過現(xiàn)場總線進行信息交換，對于無法采用現(xiàn)場總線進行通信的設備采用硬布線I/O 進行連接。另外，對于重要的安全運行信息、控制命令和事故信號除采用現(xiàn)場總線通信外，還通過I/O 點直接連接，實現(xiàn)雙路通道通信，確保通信安全可靠。

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

5 監(jiān)控系統(tǒng)功能

本計算機監(jiān)控系統(tǒng)應具有對監(jiān)控對象進行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集與處理、運行計算和數(shù)據(jù)交換、操作培訓等多方面功能，同時能夠接收調(diào)度指令，并將所需數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度，以便對整個系統(tǒng)進行有效的監(jiān)控。

5.1 調(diào)度級功能

本電站受華東網(wǎng)調(diào)和浙江省調(diào)調(diào)度。電站監(jiān)控系統(tǒng)通過遠動工作站向華東網(wǎng)調(diào)和浙江省調(diào)EMS系統(tǒng)發(fā)送上行遙測、遙信量，接收華東網(wǎng)調(diào)和浙江省調(diào)EMS系統(tǒng)下行的遙控、遙調(diào)量，直接控制機組或經(jīng)電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)電站控制級控制和調(diào)節(jié)整個電廠；另外，通過遠動工作站與調(diào)度中心的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)進行批量數(shù)據(jù)信息交換，原則上電站控制級的數(shù)據(jù)全部都能上送調(diào)度中心。

圖2 仙居計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Network structure diagram of Xianju computer monitoring system

5.2 電站控制級功能

電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)應迅速、準確、有效地完成對本電站被控對象的安全監(jiān)控。電站控制級應具有數(shù)據(jù)采集與處理、實時控制和調(diào)節(jié)、參數(shù)設定、監(jiān)視、記錄、報表、運行參數(shù)計算、通信控制、系統(tǒng)診斷、系統(tǒng)仿真、軟件開發(fā)和畫面生成、系統(tǒng)擴充（包括硬件、軟件）、運行管理和操作指導等功能。

5.3 現(xiàn)地控制級功能

（1）機組現(xiàn)地控制單元（LCU1～4）監(jiān)控范圍包括水泵水輪機、發(fā)電電動機、主變壓器、機組進水閥、尾水事故閘門、機組附屬及輔助設備、離相封閉母線及附屬設備等。機組現(xiàn)地控制單元設備布置于主廠房發(fā)電機層機旁；設置發(fā)電/電動機遠程I/O，布置在主廠房中間層機旁，監(jiān)控范圍包括發(fā)電/電動機及其附屬設備等；設置水泵/水輪機遠程I/O，布置在主廠房水輪機層機旁，監(jiān)控范圍包括水泵/水輪機及其附屬設備等。

（2）廠房公用設備現(xiàn)地控制單元（LCU5）布置在副廠房LCU室。設置公用設備遠程I/O，布置在各主要設備控制屏處。本單元監(jiān)控范圍包括主、副廠房內(nèi)公共輔助設備，廠房220V直流電源系統(tǒng)等。

（3）主變洞現(xiàn)地控制單元（LCU6）布置在主變壓器洞LCU室。設置10kV廠用電設備遠程I/O，布置在10kV高壓開關(guān)柜室。本單元監(jiān)控范圍包括SFC及其輔助設備、主變壓器洞18kV電壓等級的配電裝置、18/10kV廠用變壓器、廠房10/0.4kV廠用變壓器，廠房10kV和0.4kV電壓等級的廠用電配電裝置等。

（4）500kV開關(guān)站現(xiàn)地控制單元（LCU7）布置在繼保樓繼保室。本單元監(jiān)控范圍包括500kV開關(guān)設備、500kV母線、500kV電纜、500kV系統(tǒng)繼電保護裝置等。設置地下廠房主變洞遠程I/O，布置在地下廠房主變洞LCU室，用于對地下500kV設備的監(jiān)視和控制。

（5）開關(guān)站公用設備現(xiàn)地控制單元（LCU8）布置在繼保樓繼保室。本單元監(jiān)控范圍包括開關(guān)站繼保樓的輔助設備，主要有繼保樓220V直流電源系統(tǒng)、開關(guān)站繼保樓廠用電配電裝置、消防及生活水泵系統(tǒng)等；設置柴油發(fā)電機系統(tǒng)遠程I/O，布置在柴油機房，主要監(jiān)控柴油發(fā)電機等；下水庫進出水口遠程I/O，布置在下水庫啟閉機樓，主要監(jiān)視下水庫進出水口攔污柵、水位測量設備及廠用電配電裝置等；設置下水庫溢洪道遠程I/O，布置在下水庫溢洪道閘門啟閉機室，主要監(jiān)控下水庫溢洪道閘門及其附屬設備、下庫放空管錐形閥及蝶閥、廠用電配電裝置等；設置下水庫放水系統(tǒng)遠程I/O，布置在下水庫泄放洞工作閘門啟閉機室，主要監(jiān)控下庫泄放洞工作閘門及其附屬設備、下庫泄放洞進口事故閘門及其附屬設備、廠用電配電裝置等。

（6）中控樓現(xiàn)地控制單元（LCU9）布置在中控樓控制設備室。本單元監(jiān)控范圍包括：中控樓區(qū)域公共輔助設備、業(yè)主營地區(qū)域公共輔助設備、10kV電站施工配電站等。

（7）上水庫公共設備現(xiàn)地控制單元（LCU10）布置在上水庫啟閉機樓控制設備室。本單元監(jiān)控范圍包括上水庫進出水口事故閘門及其附屬設備、上水庫水位測量設備、上水庫220V直流電源系統(tǒng)、廠用電配電裝置等。

6 獨立光纖硬布線緊急操作系統(tǒng)

光纖硬布線緊急操作系統(tǒng)獨立于電站監(jiān)控網(wǎng)絡之外，在發(fā)生水淹廠房等事故時，能夠?qū)崿F(xiàn)緊急停機和快速落上、下水庫閘門的功能，事故信號同時也送至計算機監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元，通過電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)雙環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)冗余的緊急控制，有效防止事故的進一步擴大，很大程度上提高了電站的安全等級。

光纖硬布線系統(tǒng)連接示意圖如圖3所示。

圖3 光纖硬布線系統(tǒng)連接示意圖Fig. 3 Connection diagram of optical fiber hard wired system

（1）中控室LCU部分。中控室緊急控制箱中信號為緊急停機的按鈕信號、緊急關(guān)閉機組尾水閘門的按鈕信號、緊急關(guān)閉上庫1～3 號進水口閘門的按鈕信號，實現(xiàn)方式為：這些按鈕信號以無源接點的方式通過光端機傳輸至廠房公用LCU，由廠房公用LCU 中的獨立水機PLC 對各控制對象進行控制。

（2）廠房公用LCU部分。兩只水淹廠房緊急按鈕控制箱布置于地下廠房發(fā)電機層主要疏散通道上，廠房公用 LCU 接收來自地下廠房的緊急停機按鈕控制箱和水淹廠房裝置的無源接點信號，當接收到上述信號后，通過獨立于監(jiān)控系統(tǒng)的水機PLC 輸出無源接點信號去各機組的水機停機回路和尾水閘門關(guān)閉回路，由于和上庫距離遠，通過光端機將關(guān)閉上庫進出水口閘門信號送至上庫。

（3）上庫LCU部分。上水庫現(xiàn)地控制單元內(nèi)設置獨立光纖硬布線緊急操作系統(tǒng)點對點光端機及光端機信號擴展回路，將地下廠房公用設備現(xiàn)地控制單元獨立光纖硬布線緊急操作系統(tǒng)PLC傳來的關(guān)閉閘門命令輸出至相應的上水庫進出水口事故閘門控制柜。

7 監(jiān)控軟件NC3.0的應用

NC2000計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件是面向水利水電行業(yè)研制的大型計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件。該軟件是具有跨平臺能力、全面支持異構(gòu)平臺的多層分布式面向?qū)ο蟮挠嬎銠C監(jiān)控系統(tǒng)軟件，已在200余家大中型項目中獲得廣泛應用。

隨著水電廠智能化改造的逐步深入，南京南瑞集團公司結(jié)合成熟產(chǎn)品和先進技術(shù)，推出了新一代的NC2000 V3.0計算機監(jiān)控平臺（簡稱NC3.0），以滿足水電站生產(chǎn)過程控制智能化、運行調(diào)度決策智能化、數(shù)據(jù)信息一體化的要求。

新接入的NC3.0計算機監(jiān)控系統(tǒng)較原先NC2000 V2.0版本有了長足的進步。

7.1 統(tǒng)一標準的數(shù)據(jù)存儲

NC3.0作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)信息平臺，可以實現(xiàn)生產(chǎn)I區(qū)各自動化系統(tǒng)之間的資源整合，通過通用標準的數(shù)據(jù)接口方式，對各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行抽取、傳輸、加工、統(tǒng)計、存儲，形成廠級數(shù)據(jù)中心，從而為生產(chǎn)管理和決策分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。此過程需要滿足數(shù)據(jù)集成的完整性、一致性、準實時性、接口規(guī)范性、訪問安全性等要求，數(shù)據(jù)交換技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)是構(gòu)建數(shù)據(jù)分析處理平臺的關(guān)鍵技術(shù)。

7.2 完備的統(tǒng)計分析

NC3.0監(jiān)控平臺提供了完備的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計功能，增加新的數(shù)據(jù)記錄類型，如新增模擬量越復限時間點與持續(xù)時間段查詢、開關(guān)量點動作持續(xù)時間段最值查詢等功能，提高了數(shù)據(jù)記錄信息的準確性和完整性，滿足電站各種運行參數(shù)的統(tǒng)計分析報表的制作要求；改進了人機接口環(huán)境，提高軟件使用的易用性和綜合展示效果。

簡報窗口也有很大改善，用戶可自定義報警信息的顯示特性（顏色、字體和條目等）、報警窗口類型和多窗口簡報信息，支持列表顯示當前事故/故障信息，并且報警信息可按對象進行過濾、屏蔽、確認等操作，也支持動作次數(shù)、越復限次數(shù)、梯度變化等綜合報警。

7.3 自動化部署與集中管理

7.3.1 資源配置智能化

監(jiān)控系統(tǒng)包含大量的應用功能，如AGC/AVC、LCU數(shù)據(jù)采集、IEC104/101調(diào)度通信、直采直送功能等，每個應用的部署均須維護配置信息，手動配置經(jīng)常會導致錯誤和不一致性的發(fā)生。NC3.0提供了智能的資源配置界面，根據(jù)應用要求、協(xié)議標準、閉鎖原則，自動生成必要的配置信息，對標準的通信程序還提供了通信監(jiān)視界面，簡化上述應用功能的調(diào)試和維護。

7.3.2 配置管理自動化

每個應用程序維護其自身的配置信息，監(jiān)控平臺為每一個/類配置創(chuàng)建相應的管理，將應用程序檔案文件連同其配置信息自動傳送到需要的不同環(huán)境中去。這樣，整個系統(tǒng)的就會更加易于維護和管理。

7.3.3 系統(tǒng)進程集中管理

提供直觀圖形化的操作界面，展示操作系統(tǒng)資源信息、應用進程信息并可進行可視化操作，使系統(tǒng)維護更加簡便和通用；實現(xiàn)了NC3.0系統(tǒng)進程的狀態(tài)診斷，提供可靠的進程守護功能；實現(xiàn)系統(tǒng)進程日志登載，提供在異常情況下自動生成系統(tǒng)的異常自診斷報告功能，以便于系統(tǒng)問題的離線分析；在不重啟操作系統(tǒng)條件下，實現(xiàn)了NC3.0系統(tǒng)的安全可靠重載和進程啟停。

7.3.4 完備的權(quán)限管理

NC3.0對用戶的應用權(quán)限進行了更細粒度的設計，系統(tǒng)可通過對用戶在系統(tǒng)功能、用戶級別、目標對象和操作節(jié)點等方面的允許范圍進行定義，規(guī)范用戶權(quán)限。權(quán)限管理支持組群功能，同一群組下可以建多個用戶，各用戶不用單獨進行權(quán)限定義，統(tǒng)一使用群組權(quán)限。

8 結(jié)束語

仙居抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)在設計方面充分考慮和采用了現(xiàn)代計算機控制的各種先進技術(shù)，如開放性和可擴展性好、分層分布結(jié)構(gòu)、多重冗余技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)等，能實現(xiàn)容錯功能和系統(tǒng)冗余功能，最大程度地保證了電廠的安全、高效運行，完全能夠滿足抽水蓄能電站對生產(chǎn)設備監(jiān)視和控制的要求，是一種先進的抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。電站建成后，將承擔華東電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等任務，可有效緩解電網(wǎng)的調(diào)峰矛盾，優(yōu)化浙江能源結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的運行質(zhì)量，為電網(wǎng)安全運行提供可靠保證。

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2017-04-10

2017-05-23

操俊磊（1992—），男，助理工程師，主要研究方向：水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)工程實施。

E-mail：caojunlei@sgepri.sgcc.com.cn

陳 龍（1982—），男，工程師，主要研究方向：水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)工程管理及現(xiàn)場實施。

E-mail：chenlong@sgepri.sgcc.com.cn

姜海軍（1980—），男，高級工程師，主要研究方向：水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)工程管理及現(xiàn)場實施。

E-mail：jianghaijun@sgepri.sgcc.com.cn

Structure and Function of Computer Monitoring System for Xianju Pumped Storage Power Station

CAO Junlei，CHEN Long，JIANG Haijun
（Water Resources and Hydropower Company，NARI Group Corporation，Nanjing 211106，China）

This paper briefly describes the general situation and operation mode of pumped storage power station in Zhejiang Xianju pumping unit，elaborates the computer monitoring system design principles，system configuration and network structure，and introduces the main functions of the monitoring system and the PC NC3.0 software features and advantages.

pumped storage； monitoring system； structure；function； NC3.0

TP27

A學科代碼：570.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.008