溪洛渡右岸孤岛试验监控系统的设计与实现

刘晓彤，杨春霞，文正国，李天毅，高 伟

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038）

0 引言

孤岛运行方式是在直流系统送端与若干电厂形成相对独立的“孤岛”系统，即与大电网交流系统不联网、直接通过直流系统将电力送往受端。溪洛渡右岸电站接入南方电网，在南方电网中，大容量、远距离输电的直流系统以孤岛方式运行可避免直流系统故障后大规模电量转移到交流输电通道，从而提高整个交直流系统的稳定水平和输电能力。孤岛运行是溪洛渡电厂接入南方电网的正常运行方式。

南方电网仿真重点实验室大规模RTDS实时仿真系统，搭建了含溪洛渡直流实际控制保护系统，溪洛渡电厂部分机组的实际调速器、励磁控制器、右岸电站监控系统、RTDS仿真试验平台。监控系统作为直流孤岛RTDS仿真试验系统架构的重要组成部分，可以协助仿真分析直流孤岛系统稳定特性，控制系统的调节性能和响应特性，可以为电厂机组调速器和励磁控制系统的改造、建模以及运行提供试验依据，提出电站控制系统逻辑与参数优化的方案。

1 溪洛渡直流孤岛RTDS仿真试验系统架构

溪洛渡直流孤岛运行特性研究的实时仿真平台，将发电侧机组的控制系统接入仿真平台并与溪洛渡直流控制保护系统等形成闭环仿真平台。溪洛渡直流孤岛RTDS仿真试验系统结构见图1。

图1 溪洛渡直流孤岛RTDS仿真试验系统结构

南方电网主网架（主要包括溪洛渡直流、溪洛渡电厂及其交流线路等）采用RTDS实时数字仿真器进行模拟，溪洛渡电厂机组调速器、励磁控制及监控二次系统均采用与现场相同的装置。RTDS仿真系统经过功率放大器向调速器、励磁控制系统及监控二次系统提供必要的模拟电压电流信号。

溪洛渡直流孤岛试验平台主要由溪洛渡电厂两台机组的调速控制装置（1面组屏）、两台机组的励磁调节器和PSS装置（1面组屏）、右岸电厂监控系统（2面组屏和1台上位机服务器）、5组功率放大器单元，以及模拟溪洛渡直流系统及其他电力元件的RTDS仿真器构成。励磁控制柜和调速电气控制柜模拟溪洛渡右岸10号、11号机组的励磁和调速控制，电厂的其他机组采用RTDS仿真平台纯数字励磁系统和调速器模型数字模拟12～18号机组的励磁和调速控制，并与电厂监控系统通信。

电厂励磁控制、调速器通过采集发电机定子电压电流、机端电压电流信号、机组断路器开合状态，经计算处理向RTDS机组提供励磁电压和导叶开度量，从而构成一个闭环测试系统。

RTDS仿真平台模拟溪洛渡右岸电站9台发变组、自并励静止励磁器功率单元等一次系统，励磁控制柜、调速电气控制柜、电厂监控系统所需要的机端电压、定子电流、同步电压、系统侧母线电压等均由RTDS专用模拟量输出卡GTAO提供，所需的开关量如机端断路器合闸等信号经GTDO卡提供。励磁调速控制器输入到RTDS仿真平台的模拟量为±10 V的信号，监控系统输入到RTDS仿真平台的模拟量。为4～20 mA的信号，输入到RTDS仿真平台的开关量均为+24 V信号。

2 孤岛运行监控装置研究与实现

2.1 孤岛运行监控系统概况

监控系统LCU采集自RTDS仿真系统、调速器、励磁系统的信号，模拟多台机组PID功能（有功功率调节、无功功率调节），上位机服务器模拟电站监控系统上位机，兼具数据采集服务器和应用服务器的功能，采集监控系统LCU的数据，执行AGC、AVC功能，把运算确定的每台机组的有、无功目标值下发至对应机组PID功能块，LCU通过开出继电器发出脉冲信号给相应机组的调速器和励磁系统。通过监控系统可以研究在普桥直流孤岛方式下，直流自动功率调整功能、频率限制控制FLC与电厂AGC功能的协调控制能力。监控系统与调速、励磁、RTDS仿真系统的数据交互情况见图2。

孤岛运行监控系统LCU控制单元作为整个RTDS仿真系统的数据传输、处理中心，采集处理自RTDS仿真平台、调速控制装置、励磁调节器的数据，监控系统功率调节，并下发有功调节、无功调节命令给调速励磁控制系统单元，是上位机系统和现地调速励磁系统设备、RTDS试验的重要纽带。

2.2 孤岛运行监控系统LCU配置

根据RTDS仿真系统架构，监控现地LCU控制单元PC1柜中采用昆腾系列140 CPU65150，内部为Intel Pentium 586芯片，工作主频为266 M，自带4 M用户逻辑存储卡，1个Modbus Plus（MB+）接口，1个Modbus接口，在实际配置中增配了3 MB的存储扩展卡，总存储容量扩增至7 MB。其PLC具体配置如下：1块CPU模块140 CPU65150，2块以太网模块，3块DI量模块、4块AI量模块、4块AO量模块、6块电源模块、以及相应的S908总线等系统配件。在监控系统PC2柜配置9台机组的机端电压、机端频率、有功/无功功率变送器，采集机组出口侧数据。具体见图3。

图2 监控系统与调速、励磁、RTDS仿真系统数据交互情况

图3 监控系统LCU配置

其LCU系统功能如下：

（1）数据采集

1）采集 DI、DO、AI、AO 等模块类型的实时数据。

2）采集PC2信号采集柜中的机组、线路各种非电气量、电气量，经处理后上送全厂控制层（主控级）及现地显示。

（2）模拟9套PLC系统

采集处理调速器、励磁系统、RTDS仿真系统数据信号，并在PLC内编写了9套机组的开机、停机、紧急停机流程、以及每台机组的功率负荷调节相关程序，实现RTDS仿真系统的现场实际情况模拟。

（3）安全运行监视

与主控级配合，实现安全监视，主要包括实时状态监视及过程监视等。

（4）与厂站层通信

通过施耐德NOE以太网模块光纤接入到电站冗余控制网实现现地控制单元与厂站层通信，进行下位机与上位机数据交换。

2.3 孤岛运行监控系统软件优化实现

孤岛运行监控系统上位机与下位机数据交换方式与H9000监控系统标准版不同，溪洛渡电站H9000监控系统的每台机组配置有独立的PLC系统，而孤岛运行监控系统试验装置只需要采集与电网相关的最重要的部分数据，数据量规模比较小，只需要1套简单的PLC系统即可满足要求，因此需要把9套PLC系统的数据和流程整理到一套PLC中完成。

实现这一过程，有两个方案可以选择：

（1）按照H9000规约的标准处理方式，即将所有的测点线性排列，重新编写PLC程序，这样的话，孤岛运行监控系统的数据库结构与电站监控系统就会不一致，所有配置文件、画面、计算库、闭锁库、AGC和AVC的相关配置等随之也需要修改，相当于重新集成一套监控系统，工作量大且不便于使用。

（2）尽量维持数据库结构不变，可以使孤岛运行监控系统与电站监控系统的数据库结构保持一致，配置文件、画面、计算文件、闭锁库、计算库、AGC和AVC的相关配置等基本不需要改变。

溪洛渡电厂的H9000监控系统采用多通道并行的通信模式来完成数据采集和命令下行，为了保证各PLC数据采集时的独立性，数据采集程序为每一个LCU建立单独的子进程，每个LCU采集子进程采用多线程技术，按数据类型与PLC建立多路TCP/IP连接，实现每个PLC数据扫描周期的多重数据并行传送请求与处理，使数据采集与处理能力提高6～8倍，实现了特大型电站海量数据的高可靠性与高实时性采集。但多线程模式并不适合孤岛运行监控系统，QUANTUM PLC最多支持64个socket请求，但一个PLC扫描周期所能并发处理的最大socket请求数为8个。溪洛渡右岸电站计算机监控系统共有9套LCU，每套LCU建立了7个线程。如果采用多线程方式，PLC建立的连接多达63个，虽然低于QUANTUM PLC支持的最大socket请求数，但远远大于一个PLC扫描周期所能并发处理的最大socket请求数，导致数据采集响应速度降低，长时间运行还导致PLC无法响应，数据采集出现错误。因此多线程方式适合海量数据的高可靠与高实时性采集，孤岛运行试验平台监控系统总体数据量小，单线程方式即可实现对所有数据类型的及时响应，同时保证高可靠性[1-3]。

孤岛运行监控系统最终采用第2个方案，即保持数据库结构和配置文件等尽量与现场一致，在数据采集和下令方面对H9000监控系统通信规约做了修订，在上位机采用单线程模式，实现了孤岛运行监控系统基本维持水电站监控系统的基本架构，最大程度的减小了工程集成的工作量，也减少了试验工作量,提高了工作效率和正确性。

3 结束语

溪洛渡右岸电站直流孤岛试验平台包含了溪洛渡电厂实际的励磁调速系统、电站监控系统、溪洛渡直流控制保护系统，实现了两台机组的励磁调速控制系统的接入，其他7台机组采用RTDS纯数字模型进行控制，监控系统实现全站AVC、AGC控制。采用RTDS模拟溪洛渡直流运行的各种工况，可以研究溪洛渡直流孤岛运行方式下机网协调的控制特性，对溪洛渡直流孤岛方式下的安全稳定运行具有重要意义。监控系统作为平台的枢纽，负责平台的数据采集和控制调节，除与调速、励磁以及直流系统协作，还可进行溪洛渡直流孤岛方式下AGC和AVC的仿真试验，验证孤岛运行方式下AGC和AVC运行策略和安全措施，优化调整运行参数。