先进稳定可靠的控制系统在华东桐柏抽水蓄能电厂的应用及其特色

陈 勤

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司,浙江省天台县 317200）

先进稳定可靠的控制系统在华东桐柏抽水蓄能电厂的应用及其特色

陈 勤

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司,浙江省天台县 317200）

本文全面地阐述了华东桐柏抽水蓄能电厂计算机监控系统的构成、功能和应用，并对其特点做了详细的介绍。

计算机；LCU；网络；监控；应用；特点

0 引言

华东桐柏抽水蓄能电厂位于浙江省天台县栖霞乡百丈村，距天台县城7km ，与杭州、宁波直线距离分别为150km、 94km 。电厂内安装4台立轴单级混流可逆式水泵水轮机—发电电动机组，单机容量300MW ，总装机容量1200MW，是华东电网装机容量第二大的日调节纯抽水蓄能电厂。电厂以两回500kV线路接入华东电网，承担系统的调峰、填谷、调频、调相以及事故紧急备用等任务。电厂首台机组于2005年12月中旬并网发电，最后一台机组于2006年12月底并网发电。

鉴于电厂在华东电网的重要地位和功能，同时考虑到抽水蓄能机组比常规水电机组复杂得多的运行工况（主要包括停机、发电、抽水、发电调相、抽水调相、黑启动、水泵拖动等）以及较常规水电机组更为庞大的测控对象（主要增加了SFC、背靠背启动、换相隔离开关等系统），这就对承担所有运行工况转换和所有运行设备测控调节的二次系统提出了很高的要求，特别是对作为整个电厂的大脑和神经系统的计算机监控系统在可靠性、稳定性、安全性、先进性、实时性、灵活性等方面更是提出了更高的要求，因此，选择并应用好一套先进、可靠、稳定、安全、高效的计算机监控系统是极其重要的。通过参建各方的协同努力，从欧、美、日等众多国际著名公司参与竞标的系统中选择了总体最优、性价比最高的奥地利VATECH公司的NEPTUNE计算机监控系统，同时在不侵权的前提下，博采众长，取长补短，成功地建设了一套先进、可靠、稳定、安全、高效的计算机监控系统。

1 系统结构、配置及功能

1.1 系统总体结构

整个系统按功能可分为现地控制级和电厂控制级（电厂控制级按地理位置又分为电厂控制中心和杭州远方控制中心两级）。

对于抽水蓄能电站，由于泵模式下的SFC启动和背靠背启动需要各机组LCU之间、机组LCU与公用LCU之间等大量交换数据，对系统网络的可靠性要求非常高，一旦各LCU之间通信故障时，机组将无法进行抽水启动操作，故现地控制级和电厂控制中心的网络构架采用了100M的冗余光纤双环交换式工业以太网。其中现地控制级网络设备采用了德国Hirschman公司的RS2系列工业交换机，以适应地下厂房没有空调、通风等设施，运行环境比较恶劣的情况。所有现地控制设备（LCU）和相关的保护、励磁、电调等均通过冗余的双以太网卡分别接入冗余的以太网光纤双环；电厂控制中心的网络设备则采用了德国Hirschman公司的Mice系列交换机，该系列交换机具有通过一根联络线可实现双环检测和无损切换的功能，所有电厂控制中心的设备都通过冗余的双以太网卡，以星形方式分别接入两台Mice交换机。本系统由13台RS2工业交换机和3台Mice交换机通过双路光纤构成了一个双环冗余结构的交换式工业以太网络，且环间设置有冗余连接。当环路上任意两点故障时，本网络均可自动重新配置，在500ms内重新建立通信。在调试时分别做了环内切换和环间切换试验，其切换时间均小于10ms。

杭州远方控制中心的设备则以冗余的双以太网卡分别接入两台冗余的CISCO交换机，并通过两台冗余的CISCO路由器以两条独立冗余的E1通道接入天台本地的监控网络。

1.2 系统配置及功能

由上可知，整个监控系统按功能可分为电厂控制级和现地控制级。

1.2.1 电厂控制级

电厂控制级的核心功能是实现操作员的人机接口、AGC/AVC计算控制、数据管理、数据统计、数据计算、表格生成、打印和诊断等功能，其并不参与现地级的逻辑控制。

电厂控制级按地理位置又分为：电厂控制中心和杭州远方控制中心两级。

电厂控制中心的设备主要有：2台SCALA服务器，2台操作员工作站，1台工程师工作站，2台通信工作站,1台SQL服务器。

杭州远方控制中心的设备主要有：2台操作员工作站，1台工程师工作站和1套4x50＂的大屏幕投影仪。

(1) SCALA服务器。

SCALA服务器由2台冗余的SUN Blade2500服务器组成,操作系统为UNIX。SCALA服务器的功能是作为现地控制级和电厂控制级的数据交换通道，即现地控制级的所有信号均以路由方式送往SCALA服务器，由其向厂级各工作站提供数据服务；另外，厂级各工作站向现地控制级发送的各种命令和信号，包括操作指令、运行设定值等，也由SCALA服务器收集存档，并发送至相关的LCU去执行。

2台SCALA服务器分别运行在主/备状态，同时接收来自厂级和现地级的数据，并进行实时处理，但只有主用机对外发送数据。当主用机的健康指标低于备用机时，则主/备用机自动进行无扰动的状态切换，并发出报警提示。

(2) 操作员工作站。

操作员工作站由一台HP工作站和2台SAMSUNG 21＂LCD显示器组成，操作系统为Windows XP。其主要功能为：实现监控画面监视、操作指令输入等人机接口任务。

为了保证整个系统的快速响应和减少网络负荷，静态画面及动态联接参数均存储在各个操作员工作站，操作员站与SCALA服务器之间传送的只是实时数据。另外，操作员工作站的Scala界面软件运行在Windows XP操作系统下，其画面和报表制作分别基于大家所熟悉的Windows和Excel，因此，使用和维护均极为方便、简单。

(3) 工程师工作站。

操作员工作站由一台HP工作站和1台SAMSUNG 21＂LCD显示器组成，操作系统为Windows XP。其主要功能为：对整个系统进行开发和维护软件，包括人机界面的开发、SCALA服务器的管理、系统配置和控制逻辑编程、系统诊断和维护等。

除此之外，工程师工作站还具备操作员工作站的所有功能，可以作为操作员工作站的事故备用。

(4) 通信工作站。

通信工作站由两台冗余的AK1703和两台冗余的HP工作站组成。其中两台冗余的AK1703分别通过两台冗余的路由器以IEC870-5-104规约实现与华东网调和浙江省调SCADA系统的通信；而两台冗余的HP工作站则分别通过两台冗余的路由器以Tase2规约实现与华东网调的通信，并完成AGC/AVC控制功能。

(5) SQL服务器。

SQL服务器由1台HP工作站组成，其主要功能为：实时地将SCALA服务器中的相关实时和历史数据转换成SQL格式的数据并传送给电厂的SIS系统，以实现数据共享。

(6) 杭州远方控制中心。

杭州远方控制中心和电厂控制中心通过冗余的CISCO路由器和E1通道实现互连，其在配置上是相似的，而在功能上则是完全一样的。电厂根据实际需要，可通过软切换开关对它们的控制权限进行相互切换。

1.2.2 现地控制级

现地控制级设备主要有：4个机组LCU(LCU1-4)、 地下公用设备 LCU(LCU5)、开关站LCU(LCU6)、地面公用设备LCU(LCU7)、上库LCU(LCU8)。各个LCU均采用AK1703设备，且均以双以太网卡分别连接至冗余的双环以太网上。在与电厂控制级通信中断时，各LCU均可独立自治运行。为便于现地操作，各LCU均配置了一台15＂彩色触摸屏，具有自动或分步的各种控制方式，可完成操作员工作站站的基本功能。

(1) LCU的配置。

现地LCU的配置充分遵循和体现了分层分布和冗余控制的原则和思想，而其中尤以机组LCU的配置最为典型。

根据机组设备的实际布置位置，将机组LCU布置在发电机层，并与在同一层的保护、励磁、调速器等设备通过两台RS2工业以太网交换机实现通信。另外，在中间层和水机层则分别设置了发电/电动机远程I/O和水泵/水轮机远程I/O设备，以靠近现场设备，最大程度地减少电缆布线。

(2) 机组LCU的配置。

机组LCU配置了冗余的CPU：两块CP2002模块以主/备方式完成通信和逻辑控制任务，每块CP2002上均配有2个以太网口和4个RS-485串行通信口，分别以IEC870-5-104和IEC870-5-101规约完成跟保护、励磁、电调的以太网通信和跟球阀控制系统、调速器油系统控制、机组技术供水系统、空压机系统、排水系统等机组辅助控制系统的通信。主/备两块CP2002模块的冗余管理则由一块CP2000模块负责：当主用CP2002健康指标低于备用CP2002模块时，则由CP2000将备用CP2002模块自动升级为主用。当CP2000模块故障时，则系统维持原有运行状态，但无法再进行冗余切换。另外，发电机层的机组LCU还配置了I/O模块，完成就近采集保护、励磁、调速器、主变等设备的重要信号的任务。

(3) 机组远程I/O的配置。

在中间层和水轮机层分别设置了发电/电动机远程I/O和水泵/水轮机远程I/O设备AMC1703，用于就近完成对发电/电动机和水泵/水轮机的相关电气量（电流、电压、有功、无功等）和非电气量（温度、压力、流量、位置、状态等）的采集和相关控制。远程I/O设备AMC1703自带CPU，其通过AK1703系统专用的Ax总线（速率为16Mbps）以光纤方式与发电机层机组LCU进行通信。

所有I/O模块均为自带CPU的智能I/O，可在I/O板上直接完成开关量信号的防抖动、双点单点处理，模拟量信号的防干扰滤波、工程量转换、越限检查、信号时标乃至输入数据报文的形成等。I/O板与CPU之间的通信采用自发上送方式，这样大大减小了CPU的负担和对通信带宽的占用。

2 桐柏计算机监控系统的特色

2.1 通信功能强大而开放的一体化系统

该系统以冗余光纤双环交换式工业以太网为主要平台，辅以AX总线、RS-485串行通信，以IEC870-5-104、IEC870-5-101和 IEC870-5-103等标准而广泛应用的规约为依托，实现了监控系统现地控制单元之间、现地控制级与电厂控制级之间、保护、励磁、调速器、机组在线监测、SIS等与监控系统之间的以太网冗余通信以及监控系统与所有辅助控制系统之间的串行冗余通信，是真正意义上的互连互通、分层分布的一体化的二次系统。通用的网络结构、主流的通信规约，使得系统具有良好的开放性，任何支持IEC-60870-5-104、IEC870-5-101和 IEC870-5-103的第三方设备都可直接接入系统，这为以后的系统扩展提供了良好的基础；分层、分布理念的运用，既提高了整个系统的可靠性，也大大节约了控制电缆：与同样类型的天荒坪水电站相比，在信号数量大大增加的情况下，控制电缆却节约了近50%！全程通信的体系结构，也为整个系统的远程智能化管理和维护到点提供了极大的便利。

2.2 全智能I/O的应用

该系统中所有I/O模板都是自带CPU的智能模块，可在I/O模块上直接完成开关量信号的防抖动、双点单点处理，模拟量信号的防干扰滤波、工程量转换、越限检查、信号时标乃至输入数据报文的形成等工作，在真正意义上实现了全分布、智能分散、功能分散、危险分散的功能。全智能I/O与前述先进的远程智能化维护功能相结合，可以迅速，精确地定位监控系统的内部故障源，确保系统平均故障排除时间MTTR降至最短，从而大大提高系统的可靠性和可用性。

2.3 智能而优越的数据传送和处理机制

基于全智能I/O模块的应用，该系统采用了原始数据自发上送这一智能而优越的数据传送和处理机制：即通信刚建立时，所有数据经总召唤上送。其后，对开关量信号，只有信号状态位或信号品质位变化时才上送；对模拟量信号，只有当信号变化越过设定的门槛值或小的变动累积到一定限值后，才上送。这种方式与某些控制系统使用的周期扫描上送方式相比较，既可大大降低系统的通信负荷，又可大大减轻LCU和SCALA服务器CPU的负荷，从而切实地提高了系统的可靠性和可用率。调试时，在其他设备均正常运行时，对1号机LCU重启数据总召唤,测出的网络负荷率和SCALA服务器CPU负荷率分别只有0.09%和20%。

2.4 安全可靠的冗余机制

在整个系统的设计和建设中，以安全可靠为原则，几乎在各个层面均考虑和应用了冗余概念：从系统的网络结构和通信接口、SCALA服务器、操作员工作站、GPS到LCU中负责通信和逻辑控制的CPU、LCU中的现场总线等核心部件，均采用了冗余配置，从而极大地提高了系统的可靠性和安全性。

2.5 分层分部的设计和应用

该系统从产品设计到工程设计和应用，均全面遵循和贯彻了分层分部这一理念：从I/O模板直至电厂控制级，各层完成各自不同的任务；且在每一层的各部分之间，则尽量相互独立。

自带CPU的智能I/O模块是系统的最底层，它直接完成对原始数据的部分处理工作：如信号的时标、开关量输入的防抖、模拟量输入的门槛值设置及数据有效性判断等。

I/O模块这些基础工作的完成，使得上一层的LCU的CPU只要处理相对高层的功能即可：如通信管理，数据收发过滤,逻辑控制处理等。同时，不同LCU之间必要的数据交换只要通过以太网直接传送即可，其完全独立于电厂控制级。

作为最高层的电厂级并不关心监控系统与被监控设备的连接，也不关心逻辑闭锁的实现，这些都已在现地级完成。其SCALA服务器只负责数据归档及数据服务，并不关心作为其数据用户的其他工作站是如何使用这些数据构成人机界面的；同时，它的存在也使得其他工作站不必关心现地级的拓扑结构和通信情况，而只需考虑与SCALA服务器的数据交互即可。

由此可见，系统中每层都完成其相应的功能，使得整个系统均衡地实现了负荷均担，从而大大提高了系统的有效性、可靠性和开发维护的便利性。

3 结束语

该系统于2005年12月正式投入运行，至今已运行近10年。在这10年当中，除根据现场的实际情况，对相关个别控制逻辑进行了一些小修改外，整个系统一直运行稳定、可靠、安全、高效，发电/抽水的开停机和负荷调节控制等成功率一直保持在99.9%以上。因此，可以说：该系统的建设和应用应是成功的。

陈 勤(1974—)，男，大学本科，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站运维管理。E-mail:chqzhyc@sina.com

Stable and Reliable Control System Application in the Hua-dong Tongbai Pumped Storage Plant and Its Characteristics

CHEN Qin
(Hua-dong Tongbai pumped storage Co. LTD, Tiantai 317200,China)

This paper expounds the storage form,function and application of computer supervisory control system in power plant in East China Tongbai pumping,and its characteristic is introduced in detail.

computer;LCU;network;control;application; point