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1、大型抽水蓄能电站国产化监控系统工程应用研究 靳祥林 王嘉乐 汪 军 王善永 王晓航 （国电自动化研究院自动控制研究所） 摘 要：本文对大型抽水蓄能电站计算机监控系统国产化研究工程应用中的关键技术问题进行了研究，重 点对工程应用中的新旧系统通信问题、抽水蓄能电站关键流程的实现进行了研究，对监控系统在 不同工况下的同期并网方案和实施进行了深入的研究。该系统的成功投入运行为大型抽水蓄能电 站监控系统的国产化积累了经验。 关键词：大型抽水蓄能电站 监控系统国产化 工程 应用 关键技术 十三陵蓄能电厂的主要机电设备从国外引进， 主承包商为美国VOITH公司， 奥地利ELIN 公司为其电气分包商， 监控系
2、统设备由ELIN的分包商加拿大BAILEY公司提供。 220kV主变、 220kV SF6组合电器、220kV交联电缆分别由奥地利ELIN公司、瑞士ABB公司和BRUGG公 司制造。 进口设备的技术水平为20世纪80年代末世界先进水平。 部分附属设备和全厂公用系 统为国产设备。 早期计算机软硬件资源， 限制了信息的扩展和应用， 加上投入运行的监控系统经过了多 年的连续运行，设备出现了陈旧、老化、故障不断的现象，备件匮乏以及软件资源专用、落 后和不兼容性，迫使许多监控系统操作监视设备面临着新一轮的升级和改造。 因此针对系统存在的问题，如何选择既安全、又先进的改造方案，制定切实可行的实施 措施是开
3、展改造工作的关键点。 本文将对十三陵蓄能电厂4#机组监控系统国产化改造进行详 细介绍。 1 新旧两套监控系统简介 1.1 十三陵蓄能电厂监控系统介绍 十三陵蓄能电厂监控系统为加拿大BAILEY INFI-90无主机全分布式系统，是冗余、环 网结构的监控系统，整个系统可分为两部分，一是以微机OIS工作站为基础，面向生产过程 的数据集中监视、控制的电站监控层；另一部分是由多功能处理器(MFP)构成的控制单元 LCU的现地监控层，现地控制单元LCU和OIS工作站都连到贯穿全厂的INFI-90实时通讯网， 共享实时信息。 1.2 EC2000系统介绍 电站控制级软件采用国电自动化研究院自动控制研究所的
4、EC2000计算机监控系统软 件。该软件基于Windows NT/2000平台，采用面向对象的技术和方法进行系统设计、软件实 现。遵循TCP/IP、SQL、ODBC、COM/DCOM、ActiveX、C+、Office、IEC-1131-3、OPC 等国际标准，得到广泛的商用软件工具支持，系统功能齐全，技术先进，操作简便，维护量 小。 现地控制单元LCU采用基于现场总线技术的SJ-600计算机监控系统， 核心为国电自动化 研究院自动控制研究所自行研制的MB80 PLC。 MB80系列PLC是NARI公司MB系列智能可编 程逻辑控制器家族中的中、高档产品。MB80具有以下特点： （1）CPU模块
5、采用Pentium高性能工业微处理器； （2）软件采用实时多任务的嵌入式操作系统，具有强大的数据处理能力、运算能力以 及通讯处理能力； （3）可选的冗余配置，控制更加安全可靠； （4）I/O模块全部智能化，都具有自身数据处理能以及自诊断功能； （5）提供10M/100M以太网接口，支持Modbus/TCP规约； （6）强大的串口通讯功能，每个串口均支持可编程方式； （7）SOE事件顺序记录功能，分辨率可达1ms。 2 电站控制级 2.1 系统结构 改造的4#机组监控系统分为两层，电站控制层和现地控制层。电站控制层配置1台通信 工作站，1台洞外操作员工作站(OP1)，1台洞内操作员工作站(OP2
6、)。电站控制级工作站均采 用SIEMENS SIMATIC IL40工控机。现地控制层采用以MB80为核心的的LCU。改造后的整 个电厂监控系统结构如图1所示： 2.2 与INFI-90系统通讯 本次监控系统的国产化研究， 针对原系统的4#机组LCU以及上位机部分进行了改造。 这 样，就必然面临与老系统进行通讯与数据交换的问题。国电自动化研究院采用了OPC通讯方 式，通过通讯机用串口与原INFI-90监控系统进行通讯。 图1系统结构图中虚线框中为新系统部分。通讯机上利用Opscon OPC Server按照串口通 信协议通过NIU与INFI-90 DCS进行实时通信；一方面Opscon OPC
7、 Server将采集到的实时数 据送至本机EC2000，另一方面EC2000通过OPC客户程序下发数据到Opscon，由Opscon将 EC2000的数据传送到INFI-90 DCS。 与原系统通讯的实现，使得新系统与原INFI-90 DCS系统有了密切的联系，不仅可以监 视其它机组、公用、开关站的状态，更可以对开关柜、其它机组进行控制与操作，为SFC抽 水启动、背靠背启动以及全厂AGC运行提供了基础。 3 现地控制系统 现地控制单元(LCU)采用交直流双路供电。当一路电源中断时，LCU能够无扰动的切换 到另一路电源供电。MB80智能可编程控制器采用双CPU双以太网的冗余结构，当主CPU遇 到
8、故障时，系统能够自动无扰动的切换到从CPU。 3.1 LCU结构 4#机组LCU共有5个NF1型机柜，由于蓄能电站较一般水电厂运行方式多，且整个电站 的重要信息均采用冗余配置，因此其测点较多，仅一台机组的测点便有700多点，其中：开 关量500多点，模拟量（包括温度量）100多点，开出量100多点。各个机柜的设备和功能如 下： A1柜： 接入1路220V AC和1路220V DC， 使用一台FPW-2电源插箱， 可无扰动的切换交、 直流供电并转换成220V DC电源输出。使用一台FPW-3A电源插箱将220V DC转换成5V DC 和24V DC电源输出供给MB80 PLC和I/O信号。主PL
9、C采用南瑞自控公司研发的双CPU双以 太网的MB80 PLC。人机界面采用了PRO-FACE公司的12触摸屏，在触摸屏上可以对机组 和辅助设备进行操作。 A2柜：电缆转接柜，用于接入原系统的I/O信号。原BAILEY监控系统的开入量信号电 源是220V DC，为此，我们专门开发了MB80 DIM024端配板，利用这种端配板将220V DC 信号转换成24V DC信号，接入MB80 PLC。MB80 DIM024端配板的内部原理图如图2所示： A3柜： 安装了MB80 PLC扩展机箱、 FPW-3C供电插箱、 交流采样装置、 控制按钮、 SJ-12C 双微机准同期装置和同期闭锁继电器。 此MB8
10、0 PLC扩展机箱安装了一块CPM518通讯模件， 该通讯模件具有8个可编程的串口，可与外部的智能设备进行通讯。FPW-3C供电插箱用于图 2 MB80 DIM024 端配板的内部原理图图 1 改造后的十三陵监控系统结构图LAN-90网络冗余INFI-90通讯环网双 以 太 网公用系统 6LCU OISOISOIS开关设备 5LCU 原4#发电机 4LCU 3#发电机 3LCU 2#发电机 2LCU 1#发电机 1LCU 上池 7LCU 通讯模件新系统 4LCU （MB80）通讯机 OP1 OP2给MB80 PLC供电。交流采样装置负责采集机组的PT、CT信号并将测量到的电压、电流、 功率、频
11、率、功率因数等数据通过通讯传送给MB80 PLC。控制按钮用于运行人员在紧急情 况下启动紧急停机程序。 SJ-12C双微机准同期装置和同期闭锁继电器完成机组的同期和闭锁 同期的合闸角度。 A4柜：电缆转接柜，用于接入原系统的I/O信号。 A5柜：安装了MB80 PLC扩展机箱、FPW-3C供电插箱和SJ-22C测速装置。SJ-22C测速 装置可以利用齿盘和残压进行转速测量。 3.2 LCU的功能 3.2.1 机组流程控制 常规水轮机组的运行工况基本上只有三种： 停机、 发电和调相， 而抽水蓄能机组有停机、 发电、发电调相、抽水、抽水调相、SFC抽水启动和背靠背启动工况。该电站因为有4台机 组，
12、所以机组在水泵启动时，可以选择SFC启动，还可选择一台机组对其他任意3台机组进 行背靠背启动。机组运行工况及工况变换方式如图4。 抽水蓄能机组的运行工况多，工况转换流程复杂。机组作为水轮机工况运行和启动时， 其控制操作与常规水轮机相似，但作为水泵工况运行时，特别是水泵工况启动时，就复杂的 多。水泵工况启动时，为减小启动力矩，普遍采用转轮室充气压水的方法，使转轮在空气中 旋转，所消耗的功率大大减少，机组较容易加速到同步转速。直到并网后再排出空气，向转 轮室充水，使水泵进入抽水工况。 下面介绍一下该电站的SFC启动和背靠背启动流程： （1）SFC（Static Frequency Converte
13、r）启动 图 3 LCU 机柜结构图 发电工况发电 抽水停机静止 发电调相 抽水工况 抽水调相 图 4 十三陵蓄能电站机组运行工况及工况变换方式 SFC启动是利用大型变频器拖动机组达到额定转速和额定电压，然后通过同期装置完成 同期并网，然后退出SFC装置由电网对机组供电。机组启动过程如下图： （2）BTB（BACK TO BACK）启动 背靠背启动是应用一台发电工况的机组来拖动另一台准备以水泵工况启动的机组。 背靠 背启动时，要求协调、控制好拖动机组和启动机组相应的导叶开度、励磁电流以及两机组间 的转速差等参数，以便启动成功。背靠背启动又分背靠背抽水启动和背靠背发电启动。 背靠背抽水启动过程如
14、下： 注意：发电机组在拖动抽水机组升速过程中，两台LCU分别监视两台机组的转速差，如 果转速差超过5%，则发出紧急停机命令。 机组转速95%？ 停止高压顶起油泵 启动同期装置 断路器合闸？ 复归开关柜 打开球阀 转轮室排气 启动调速器 结束 是 是 SFC系统准备好？投入励磁 开始 启动机组油、气、水等辅助设备转轮室开始压水 设定调速器、励磁、保护的工作模式在相应模式 操作开关柜，合上对应的开关、换相刀闸等撤除机械制动 是 (3)背靠背发电启动过程： 注意：发电机组在拖动抽水机组升速过程中，两台LCU分别监视两台机组的转速差，如 果转速差超过5%，则发出紧急停机命令。 3.2.2 机组同期并网
15、 抽水蓄能机组同期并网不同于普通水轮发电机，它能以水泵或水轮机两种方式同期并 网。 机组做水轮机工况运行时， 水轮机同期并网是由同期装置、 调速器和励磁系统共同完成 的， 同期装置检测到频率偏差信息后， 随即输出信号给调速器， 通过调速器改变机组的频率， 通过励磁改变机组的电压， 一旦频率差和电压差均满足同期条件时， 同期装置按照相位角相 等的原则发出同期合闸命令。 机组做水泵工况运行时，水泵同期并网控制也是由同期装置、SFC（在背靠背启动时是 背靠背发电启动机组）和励磁系统共同完成的，同期装置检测到频率偏差信息后，随即输出 信号给SFC，调节SFC的输出频率，以此改变机组的频率，通过励磁改变
16、机组的电压，一旦是 停止高压顶起油泵 投入励磁 向背靠背发电机组发出启动命令 是 开始 启动机组油、气、水等辅助设备转轮室开始压水 设定调速器、励磁、保护的工作模式在相应模式 操作开关柜，合上对应的开关、换相刀闸等 撤除机械制动 背靠背发电机组准备好？机组转速95%？启动同期装置 复归开关柜 打开球阀 转轮室排气 启动调速器 结束 是 断路器合闸？ 是 开始 启动机组油、气、 水等辅助设备 设定调速器、励磁、保护 的工作模式在相应模式 打开球阀向抽水机组发出准备好的信号撤除机械制动 抽水机组发出启动命令？是停止高压顶起油泵 机组停机 结束投入励磁 启动调速器是机组转速95%？ 抽水机组断路器合闸？ 频率差和电压差均满足同期条件时，同期装置按照相位角相等的原则发出同期合闸命令。 由于水泵同期前后是由不同的电源供电，要特别注意避免两电源同时供电的问题，即在 同期前是由SFC（在背靠背启动时是背靠背发电启动机组）供电，同期后是由电网供电，为 了避免同期时刻出现电网和
