張中弛

（福建永泰閩投抽水蓄能有限公司，福建 福州 350700）

永泰抽水蓄能電站位于福州市下轄的永泰縣白云鄉(xiāng)，與福州市、莆田市、泉州市和廈門市的直線距離分別為37 km、60 km、120 km和192 km，距莆田500 kV變電站約89 km，靠近負荷中心，上網(wǎng)條件較好。電站為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，裝機容量1 200 MW（4×300 MW），工程開發(fā)任務為承擔福建電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及緊急事故備用等。電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關站等建筑物組成[1]。

電站按照“無人值班”（少人值守）的要求設計，設置計算機監(jiān)控系統(tǒng)對全廠進行集中控制，采用南瑞集團有限公司生產(chǎn)的SJ-600型計算機監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為分層分布式，分為電站控制級（上位機系統(tǒng)）和現(xiàn)地控制級（下位機系統(tǒng)），兩層之間通過冗余光纖快速交換式以太環(huán)網(wǎng)進行通信。現(xiàn)地控制級設有9套現(xiàn)地控制單元（LCU1～LCU9），分別對廠房機組、廠房公用設備、主變洞設備、中控樓、上水庫、下水庫設備實現(xiàn)控制。在電站監(jiān)控系統(tǒng)外，另設有開關站控制系統(tǒng)，均采用基于LINUX操作系統(tǒng)跨平臺的全分布開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的NC3.0監(jiān)控系統(tǒng)軟件。

1 硬件配置和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

1.1 電站控制級設備

電站控制級設備主要包括：2套實時數(shù)據(jù)服務器、2套歷史數(shù)據(jù)服務器、3套操作員工作站、1套工程師工作站、1套培訓工作站、1套廠內(nèi)通信工作站、2套通信接口工作站、1套語音電話自動告警工作站、1套大屏幕顯示設備、1套衛(wèi)星同步時鐘系統(tǒng)、UPS電源、打印機等設備。各實時數(shù)據(jù)服務器、歷史數(shù)據(jù)服務器、工作站都與2套網(wǎng)絡交換機相連接，形成冗余的電站控制級網(wǎng)絡，電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電站控制級具有數(shù)據(jù)采集和處理、監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)、自動發(fā)電控制、自動電壓控制、記錄與報警、人機接口、運行管理與指導、通信等功能[2]。

圖1 電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 現(xiàn)地控制級設備

現(xiàn)地控制級由以計算機為基礎的現(xiàn)地控制單元（LCU）組成，每個現(xiàn)地控制單元由CPU、內(nèi)存、智能I/O接口及相應硬軟件組成，并包括人機交互接口設備，可編程邏輯控制器（PLC）采用南瑞MB80系列PLC?，F(xiàn)地控制單元能很好地監(jiān)控其管轄范圍內(nèi)的生產(chǎn)過程，通過網(wǎng)絡總線與電站控制級通信，且具有可編程能力，可實現(xiàn)手動分步操作和自動操作。

現(xiàn)地控制單元能脫離電站控制級，獨立完成實時數(shù)據(jù)采集及預處理，對單元設備狀態(tài)進行監(jiān)控、調(diào)整和控制[2]。各現(xiàn)地控制單元與保護裝置、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、同步裝置以及廠用電、輔機和公用設備控制裝置、直流系統(tǒng)等監(jiān)控對象以數(shù)字通信為主，結(jié)合遠程I/O設備和部分硬布線連接，數(shù)字通信采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)。

現(xiàn)地控制級還設有獨立于監(jiān)控系統(tǒng)用于機組事故停機和緊急事故停機的硬布線回路，包括：事故停機按鈕、緊急事故停機按鈕和復位鑰匙等。硬布線回路采用獨立可編程控制器（PLC），電源獨立。當機組背靠背啟動時，事故停機（或緊急事故停機）分別通過硬布線回路同時作用于另一臺機組的事故停機回路（或緊急事故停機回路）；當機組由SFC拖動時，事故停機（或緊急事故停機）同樣分別通過硬布線回路同時作用于SFC緊急停止回路。

1.3 開關站控制系統(tǒng)

開關站控制系統(tǒng)由站控層和測控單元組成。站控層主要設備包括：2套主計算機服務器、2套操作員工作站、1套防誤工作站、2套通信接口工作站、2套遠動工作站、打印機等設備。各主計算機服務器、工作站都與2套網(wǎng)絡交換機相連接，形成冗余的站控層網(wǎng)絡。

每個測控單元由測控裝置及相應硬軟件組成，經(jīng)過I/O接口與生產(chǎn)設備相連，通過通信接口接到網(wǎng)絡交換機上，與站控層交換信息，可實現(xiàn)手動操作和自動操作。測控單元可以脫離站控層，直接完成實時數(shù)據(jù)采集及預處理、狀態(tài)監(jiān)視和同步控制。開關站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.4 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)特點

永泰抽水蓄能電站分別設有電站監(jiān)控系統(tǒng)和開關站控制系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)通過各自的通信接口工作站實現(xiàn)信息交互。電站監(jiān)控系統(tǒng)采用雙環(huán)形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，設置完全獨立的2套單環(huán)形網(wǎng)絡，所有終端設備均同時連接至對應的2臺環(huán)形網(wǎng)絡交換機上，從而提高了網(wǎng)絡的冗余容錯能力，可允許同時出現(xiàn)3處故障，不影響網(wǎng)絡通信功能。開關站控制系統(tǒng)采用雙星形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，設置完全獨立2套的單星形網(wǎng)絡，所有終端設備均以星形方式同時連接至2臺交換機上，實現(xiàn)冗余功能。

圖2 開關站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

兩套系統(tǒng)針對各自控制對象的分布情況，采用不同的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。開關站測控裝置屏柜集中安裝在開關站繼保樓內(nèi)，開關站控制系統(tǒng)采用的雙星形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性和傳輸效率高的優(yōu)勢，而且故障診斷和隔離更容易。

電站監(jiān)控系統(tǒng)的控制對象分散在上水庫、下水庫、地下廠房、主變洞和中控樓內(nèi)，各控制對象的距離較遠，采用雙環(huán)形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以減少敷設電纜長度，節(jié)約成本，同時又具備較好的設備和鏈路冗余，可靠性也較高。但是在組網(wǎng)施工過程中，由于各現(xiàn)地控制單元施工有先后順序，要形成完整的環(huán)形網(wǎng)絡比較困難，需要采取臨時跳線措施。另外，在多臺機組同時檢修的情況下，如1號機組現(xiàn)地控制單元和3號機組現(xiàn)地控制單元同時檢修，可能造成中間的2號機組現(xiàn)地控制單元網(wǎng)絡中斷，也需要在檢修前采取臨時跳線措施，搭建環(huán)網(wǎng)。

2 抽水蓄能機組工況轉(zhuǎn)換控制流程設計

大型抽水蓄能電站與常規(guī)水電站相比，在運行方式和控制過程上有很大區(qū)別。常規(guī)水輪發(fā)電機組的基本運行工況僅有停機、發(fā)電和發(fā)電調(diào)相3種，工況變換不過6種，如圖3(a)所示；而抽水蓄能機組的基本工況除了與常規(guī)機組相同的3種外，還有抽水和抽水調(diào)相2種工況，同時還具備黑啟動和帶線路零起升壓的能力，如圖3(b)所示[3]。

2.1 “停機至發(fā)電”工況轉(zhuǎn)換流程

機組處于停機狀態(tài)，當監(jiān)控系統(tǒng)收到發(fā)電命令后，分四段完成命令，依次執(zhí)行“停機至停機熱備”、“停機熱備至空轉(zhuǎn)”、“空轉(zhuǎn)至空載”、“空載至發(fā)電”的工況轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)“停機至發(fā)電”的整個工況轉(zhuǎn)換過程。

圖3 常規(guī)機組和抽水蓄能機組的基本運行工況及工況轉(zhuǎn)換

收到命令后，首先判斷“停機至停機熱備”的轉(zhuǎn)換條件是否滿足，條件滿足后，退出蠕動檢測裝置、啟動技術(shù)供水系統(tǒng)、啟動高壓油頂起裝置油泵以及其他輔助設備，機組進入“停機熱備態(tài)”。

然后判斷“停機熱備至空轉(zhuǎn)”的轉(zhuǎn)換條件是否滿足，條件滿足后，依次執(zhí)行將換相刀閘合于發(fā)電方向、退出機械制動、退出導葉鎖定、開啟進水球閥、向調(diào)速器發(fā)水輪機開機命令。導葉逐步開啟，機組轉(zhuǎn)速開始上升，上升至大于90%額定轉(zhuǎn)速后，停止高壓油頂起裝置油泵，機組進入“空轉(zhuǎn)態(tài)”。

隨后判斷“空轉(zhuǎn)至空載”的轉(zhuǎn)換條件是否滿足，條件滿足后，設置勵磁系統(tǒng)為發(fā)電模式，并發(fā)勵磁建壓命令。機端電壓開始上升，當機端電壓大于90%額定電壓后，機組進入“空載態(tài)”。

最后判斷“空載至發(fā)電”的轉(zhuǎn)換條件是否滿足，條件滿足后，啟動機組同期裝置，待機組出口斷路器合閘后，設定機組初始功率。待機組功率大于設定的初始功率后，機組進入“發(fā)電態(tài)”。

2.2 “停機至抽水（SFC啟動）”工況轉(zhuǎn)換流程

機組處于停機狀態(tài)，當監(jiān)控系統(tǒng)收到抽水命令后，分三段完成命令，依次執(zhí)行“停機至停機熱備”、“停機熱備至抽水調(diào)相”、“抽水調(diào)相至抽水”的工況轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)“停機至抽水”的整個工況轉(zhuǎn)換過程。

“停機至停機熱備”的轉(zhuǎn)換過程與前述“停機至發(fā)電”工況轉(zhuǎn)換流程中的第一段相同，機組進入“停機熱備態(tài)”?！巴C熱備至抽水調(diào)相”的轉(zhuǎn)換條件滿足后，將換相刀閘合于抽水方向、合機組被拖動刀閘和啟動母線刀閘，向勵磁發(fā)電動機模式令（SFC啟動）。待充氣壓水成功和機械制動退出后，啟動SFC，SFC拖動機組旋轉(zhuǎn)。待機組轉(zhuǎn)速大于90%額定轉(zhuǎn)速后，停止高壓油頂起裝置油泵，設置勵磁為AVR自動控制方式，啟動機組同期裝置，待機組出口斷路器合閘、SFC輸出開關分閘后，停止SFC，分機組被拖動刀閘和啟動母線刀閘，機組進入“抽水調(diào)相態(tài)”。

“抽水調(diào)相至抽水”的轉(zhuǎn)換條件滿足后，將機組無功功率降至0 MW。執(zhí)行回水排氣子程序后，確認蝸殼平壓閥和蝸殼排氣液壓閥已關閉。開啟球閥，向調(diào)速器發(fā)抽水命令，待球閥全開、導葉開度大于水泵運行最小開度后，機組進入“抽水態(tài)”。

在流程執(zhí)行過程中，如遇單步程序執(zhí)行不成功，則發(fā)出報警；如是影響流程執(zhí)行的重要單步程序不能完成，則退出流程；對影響機組安全運行的故障，還需執(zhí)行正常停機或事故停機。

2.3 抽水蓄能機組和常規(guī)機組的工況轉(zhuǎn)換流程區(qū)別

從上述兩項工況轉(zhuǎn)換流程可以看出抽水蓄能機組的“停機至發(fā)電”工況轉(zhuǎn)換流程與常規(guī)機組基本無差別，同樣，“發(fā)電至停機”工況轉(zhuǎn)換流程也基本一致。大部分常規(guī)機組雖然有發(fā)電調(diào)相工況，但極少運行在該工況下。抽水蓄能機組的抽水、抽水調(diào)相工況是常規(guī)機組沒有的，而且“停機至抽水”工況轉(zhuǎn)換流程中的程序步驟明顯多于“停機至發(fā)電”工況轉(zhuǎn)換流程，另外還需具備線路充電、黑啟動功能。運行工況更多，轉(zhuǎn)換流程更復雜，都是抽水蓄能電站工況轉(zhuǎn)換流程設計過程中面臨的困難。

3 模塊化工況轉(zhuǎn)換控制流程

3.1 工況轉(zhuǎn)換控制流程的模塊化設計

永泰抽水蓄能電站將機組運行工況劃分為穩(wěn)態(tài)運行工況和暫態(tài)運行工況，穩(wěn)態(tài)運行工況能夠作為操作員選擇目標，暫態(tài)運行工況則不能作為操作員選擇目標[4]，穩(wěn)態(tài)運行工況共9種，分別是：停機、空轉(zhuǎn)、空載、發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相、黑啟動、線路充電；暫態(tài)運行工況有5種，分別是：停機熱備、旋轉(zhuǎn)停機、BTB拖動、BTB抽水、SFC抽水。對整個機組控制流程進行梳理，將可直接實現(xiàn)工況轉(zhuǎn)換的流程定義為子流程，共定義23項子流程，流程結(jié)構(gòu)如圖4所示。

整個機組控制流程可全部模塊化，每種可實現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)運行工況間的轉(zhuǎn)換流程都由若干個子流程模塊組合而成，例如“停機至發(fā)電”可由“1+2+3+4”四個子程序組成。在模塊化基礎上，還設置有優(yōu)先級，停機命令優(yōu)先于發(fā)電、發(fā)電調(diào)相和抽水、抽水調(diào)相命令，一旦停機命令被選中，其它控制命令均被禁止。在操作過程中，若運行狀態(tài)發(fā)生變化，或機組設備發(fā)生故障，不允許操作繼續(xù)時，自動中斷操作過程使程序退出，并進入事故停機控制流程，使機組停機。

圖4 機組工況轉(zhuǎn)換控制流程結(jié)構(gòu)

3.2 模塊化流程設計特點

抽水蓄能機組運行工況數(shù)量遠超常規(guī)機組，如果對每個工況轉(zhuǎn)換控制流程編寫單獨的控制程序，以永泰抽水蓄能電站為例，就達到了三十余項。每項轉(zhuǎn)換流程中的執(zhí)行指令、條件判別、故障報警數(shù)量多，程序冗長復雜，且后期再增加新的工況間的轉(zhuǎn)換程序又產(chǎn)生很大的工作量，復雜的程序增加了設計過程中出現(xiàn)錯誤的可能性，對電站安全穩(wěn)定運行造成隱患。

模塊化程序設計極大地方便了程序的編寫，提高了程序的復用率，三十余項工況轉(zhuǎn)換流程均可以由23項子流程組合而成，未來再新增轉(zhuǎn)換流程也只需選擇對應的子流程進行組合，而無需新增子流程，減少了后期維護和技改難度。同時，子流程的程序步驟更少，進行檢查、校核均比較方便，提高了程序的可靠性。因此，在大型抽水蓄能機組工況轉(zhuǎn)換控制流程設計時采取模塊化設計有明顯優(yōu)勢，可較好地實現(xiàn)流程編寫和修改方便，且節(jié)省內(nèi)存。

4 結(jié)語

永泰抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、更適合控制對象的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和模塊化工況轉(zhuǎn)換控制流程，有效保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，增強了系統(tǒng)的冗余能力和可擴展能力，提升了電站機組自動化水平，同時能進一步降低運維人員的勞動強度，契合抽水蓄能電站“無人值班”（少人值守）的發(fā)展方向，也為后續(xù)電站智能化發(fā)展奠定良好基礎。