深圳抽水蓄能电站计算机监控系统设计与应用

李 硕，姜海军，操俊磊，汪志强，沈 燕，李 毅

(1.深圳蓄能发电有限公司，广东 深圳 518115；2.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏 南京 211106；3.南方电网调峰调频发电有限公司，广东 广州 510630)

0 引 言

深圳抽水蓄能电站位于广东省深圳市盐田区和龙岗区交界处，距深圳市中心约20 km，距香港、大亚湾核电站、岭澳核电站约25 km，处于广东电力负荷中心，同时又是西电东送的落点和粤港电网的连接点。电站安装4台300 MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮发电机，机组额定转速428.6 r/min，额定水头448 m，年发电量15.11亿kW·h，年抽水电量19.55亿kW·h。电站主接线采用发变组单元接线，每2组发变组单元在主变220 kV侧联合后以4回220 kV出线分别接入广东电网，在电网中承担调峰、填谷、调频、调相以及紧急事故备用等任务。

深圳抽水蓄能电站运行方式复杂，机组启停频繁，主要运行工况有发电、发电调相、抽水、抽水调相、停机等5种基本运行工况，同时具备黑启动带线路零起升压的能力。机组主要运行工况转换方式有停机→发电、发电→发电调相、发电调相→发电、发电→停机、停机→发电调相、发电调相→停机、停机→抽水调相、抽水调相→抽水、抽水→抽水调相、抽水调相→停机、停机→抽水、抽水→停机、抽水→发电、停机→黑启动、各工况机械事故停机、各工况电气事故停机和各工况紧急事故停机。

深圳抽水蓄能电站按照“无人值班，少人值守”的原则设计，采用全计算机监控方式，计算机监控系统采用南瑞集团公司SSJ-3000计算机监控系统，厂站控制层采用NC2000(V3.0)计算机监控平台，现地控制层采用基于西门子PLC的SJ-500现地控制单元(LCU)。

1 设计原则

深圳抽水蓄能电站计算机监控系统按照“无人值班，少人值守”的原则设计，仅在中控室安排1～2名运行人员对全厂设备进行集中监视和控制，为此，计算机监控系统需要遵循以下设计原则[1-3]：

(1)设置统一的全厂计算机监控系统进行集中监视和控制，另外设置简单、独立的紧急停机设备和安全闭锁硬布线回路，满足对电站重要设备进行紧急处理的安全可靠性要求。

(2)监控系统采用分层分布控制模式，从上到下分为调度控制层、厂站控制层和现地控制层，层与层之间以及各层设备之间通过网络通信方式连接，采用下层优先的控制策略，现地控制层各现地控制单元能脱离厂站控制层独立工作。

(3)监控系统采用成熟、可靠、标准化的硬件和软件，且有长期的备品和技术服务支持。

(4)应用软件采用模块化、结构化设计，保证系统的可扩性，满足未来功能拓展及规模扩充的要求。

(5)监控系统承担电厂所有机组启停以及公用设备长期、连续的操作监控任务，监控系统的重要设备采用冗余配置，局部故障不影响整个系统的正常运行，例如，厂站控制层主服务器采用双机热备冗余配置，调度数据通信服务器采用双机冗余配置，监控系统网络采用双光纤冗余网络配置，现地控制单元采用双CPU双网热备冗余配置。

(6)监控系统具有统一设计，厂站控制层设备一次投运，现地控制层设备分阶段接入的特点，厂站控制层结构和配置必须支持各现地控制层设备分阶段接入，同时保证系统在电站建设、调试、运行并行工作期间的安全隔离和安全运行。

(7)机组运行工况转换控制每一步控制均设置控制闭锁条件，当控制闭锁条件满足时，解除下一步控制闭锁，执行下一步控制；当控制闭锁条件不满足时，则中断该工况转换控制，直接触发停机控制，从停机控制第一步开始执行，使机组停机；类似的，停机控制的任一步控制闭锁条件不满足将触发事故停机控制，从事故停机控制第一步开始执行，使机组停机。

2 系统结构

深圳抽水蓄能电站计算机监控系统采用双环网、分层分布式计算机监控系统，由调度控制层、厂站控制层和现地控制层3部分组成，控制权限依次递增。厂站控制层与现地控制层之间采用100 Mbit/s交换式冗余以太环网进行通信，通信协议为TCP/IP网络协议。现地控制单元之间通过冗余以太网络进行信息自动交换，这样在厂站控制层退出运行后仍能实现电厂所有机组启停以及公用设备长期、连续的操作监控。现地控制单元与其它控制子系统之间通过现场总线Profibus、Profinet和Modbus进行信息交换，对于无法采用现场总线进行通信的设备采用硬布线I/O进行连接，另外，对于重要的安全运行信息、控制命令和事故信号除采用现场总线通信外，还通过硬布线I/O直接连接，实现双路通道通信，确保信息安全可靠[4]。深圳抽水蓄能电站计算机监控系统结构如图1所示。

3 设备配置与功能

3.1 厂站控制层

厂站控制层由2套实时应用服务器、2套历史数据服务器和1套磁盘阵列存储器、3套操作员工作站、1套工程师工作站、1套语音报警工作站、2套调度通信工作站、1套厂内通信工作站、1套卫星时钟同步系统及外围设备等组成。

2套实时应用服务器采用IBM公司P740服务器，互相热备用。主用实时应用服务器采集10套现地控制单元数据，经分析、运算后发送给厂站控制层的各个工作站，同时接收操作员指令并发送至相应现地控制单元；备用实时应用服务器处于热备状态。

2套历史数据服务器采用IBM公司P740服务器，互相热备用。主用历史数据服务器实时存储监控系统数据信息，具有历史数据存储功能，为日常运行和故障分析提供相应数据源；备用历史数据服务器处于热备状态。

3套操作员工作站采用DELL公司T5810工作站，其中：2套操作员工作站布置在中控楼，1套操作员工作站布置在地下厂房监控室。这3套操作员工作站控制权限相同，能够实现对全厂所有设备的监视和控制。

图1 深圳抽水蓄能电站计算机监控系统结构示意

1套工程师工作站采用DELL公司T5810工作站，用于系统日常维护。

1套语音报警工作站采用DELL公司T5810工作站，用于语音报警。

2套调度通信工作站采用DELL公司R730工作站，并列冗余运行，用于与调度系统通信，实现遥信、遥测、遥控和遥调功能。

1套厂内通信工作站采用DELL公司R730工作站，用于与生产管理系统通信。

1套卫星时钟同步系统采用英奥公司的SK-2UA卫星时钟同步系统，为所有厂站控制层设备、现地控制层设备以及厂内各继电保护系统、计量系统、在线监测系统等提供时间同步信号，实现对全厂自动化系统进行统一时钟对时。

网络设备采用Hirschmann公司生产的Mach1000工业以太网交换机和RS20系列工业以太网交换机，实现计算机监控系统的冗余以太环网连接。

3.2 现地控制层

现地控制层设有10套现地控制单元，分别为4套机组LCU、1套机组公用LCU、1套厂内公用LCU、1套开关站LCU、1套上水库LCU、1套下水库LCU和1套中控楼LCU，各LCU间通过100 Mbit/s冗余环形网络连接。

现地控制单元采用南瑞集团公司SJ-500现地监控装置。可编程逻辑控制器(PLC)采用西门子S7- 400 PLC，双CPU双网冗余配置，通过Profinet环形网络连接I/O扩展机架。彩色液晶触摸屏采用研华工控机。

机组现地控制单元(LCU1～LCU4)监控对象包括水泵水轮机组及其附属设备、发电电动机组及其附属设备、主变压器及其附属设备、机组进水球阀及其附属设备、尾水闸门及其启闭机设备、发变组保护、故障录波、发电机灭火系统等。机组现地控制单元布置于发电电动机层机旁，设置发电/电动机远程I/O柜和水泵/水轮机远程I/O柜，分别布置在中间层和水轮机层；并设置S7-300 PLC作为机组事故停机后备手段，用于机组事故停机。机组现地控制单元主要完成对机组及其附属设备的数据采集与处理、事件检测和发送、安全运行监视、工况转换控制和功率调节等功能。

机组公用现地控制单元(LCU5)监控对象包括静止变频装置(SFC)及其辅助设备、机组启动母线开关设备等。机组公用现地控制单元布置在发电电动机层，主要完成对SFC及其附属设备的数据采集与处理、事件检测和发送、安全运行监视和控制等功能。

厂内公用现地控制单元(LCU6)监控对象包括全厂公用15.75 kV断路器、高压厂用变压器、10 kV厂用电系统、0.4 kV厂用电系统和地下厂房GIS设备以及全厂公用辅助设备等。厂内公用现地控制单元布置在发电电动机层，设置10 kV厂用电远程I/O柜和0.4 kV厂用电远程I/O柜，分别布置在10 kV配电室和0.4 kV配电室，主要完成对厂用电及全厂公用辅助设备的数据采集与处理、安全运行监视和控制等功能。

开关站现地控制单元(LCU7)监控对象包括地面开关站GIS设备、10kV配电设备、0.4 kV配电设备和220 V直流系统等。开关站现地控制单元布置在地面开关站副厂房，主要完成对开关站GIS及配电设备的数据采集与处理、事件检测和发送、安全运行监视和控制等功能。

上水库现地控制单元(LCU8)监控对象包括上水库进出水口闸门、上水库区域内的水力测量设备、10 kV配电设备、0.4 kV配电设备、220 V直流系统等。上水库现地控制单元布置在上水库配电房，主要完成对上水库进出水口闸门及水力测量及配电设备的数据采集与处理、安全运行监视和控制等功能。

下水库现地控制单元(LCU9)监控对象包括下水库区域内的水力测量设备、10 kV配电设备、0.4 kV配电设备、220 V直流系统等。下水库现地控制单元布置在下水库配电房，主要完成对下水库水力测量及配电设备的数据采集与处理、安全运行监视和控制等功能。

中控楼现地控制单元(LCU10)监控对象包括中控楼0.4 kV配电设备、220 V直流系统、公用辅助设备等。中控楼现地控制单元布置在地面中控楼，主要完成对中控楼配电设备及公用辅助设备的数据采集与处理、安全运行监视、控制和调节等功能。

4 系统特点

4.1 大监控架构模式

深圳抽水蓄能电站采用大监控架构模式，计算机监控系统集成了10 kV厂用电备自投、400 V厂用电备自投、机组及全厂公用辅助设备控制功能。机组控制既包含机组开停机控制流程，还涵盖了技术供水泵启停控制、各轴承冷却循环油泵启停控制、交/直流高压油顶起泵启停控制、充气压水/排气回水控制、主轴密封滤水器反冲洗控制等。全厂公用辅助设备控制包括渗漏排水泵启停控制、检修排水泵启停控制、空压气机泵启停控制等。

大监控架构模式集电站设备监控于一体，实现数据共享，协调控制更合理，既减少了外部辅助控制系统，又提高了电站运行维护效率。

4.2 AGC全厂/分厂控制模式

深圳抽水蓄能电站运行模式分为全厂模式和分厂模式，电站AGC系统根据抽水蓄能电站主接线开关状态自动识别和切换电站AGC全厂/分厂模式，全厂模式控制对象为全厂4台机组，分厂模式包括分厂A和分厂B，分厂A控制对象为1号～2号机组，分厂B控制对象为3号～4号机组。深圳抽水蓄能电站电气主接线如图2所示。AGC全厂/分厂自动切换和控制功能降低了人工误操作的风险，提高了电站根据电网负荷要求进行自动抽水、发电和负荷调节的响应速度。

图2 深圳抽水蓄能电站电气主接线

4.3 配置机组事故停机PLC

为保证机组事故时安全可靠停机，机组现地控制单元一般设置独立的事故停机回路，其电源和输入信号与机组现地控制单元独立。深圳抽水蓄能电站独立于机组现地控制单元PLC之外，配置机组事故停机PLC，实现机组事故停机功能。

机组事故停机PLC可接入数字量输入、数字量输出、模拟量输入、温度量输入等信号，通过编程即可实现事故停机功能，功能全面，拓展性强，修改维护方便；此外，机组事故停机PLC可与厂站控制层、现地控制层人机接口通信，记录相关信号动作过程，便于事故过程监控和结果分析。

4.4 一键黑启动功能

深圳抽水蓄能电站黑启动分为厂用电恢复和机组黑启动两个过程。厂用电恢复“一键启动”控制程序先后自动执行柴油发电机启动，10 kVⅠ母、Ⅱ母、Ⅲ母进线和母联开关分闸，Ⅲ母柴油发电机进线开关合闸，Ⅰ-Ⅲ、Ⅱ-Ⅲ母联开关合闸，柴油发电机带厂用电运行，厂用电恢复过程闭锁厂用电备自投操作；机组黑启动“一键启动”控制程序直接调用停机→黑启动控制流程，并网后孤网方式运行，逐步扩大电力系统恢复范围。

深圳抽水蓄能电站作为南方电网的“应急电源”，承担电网事故备用任务，电站的黑启动快速复电能力至关重要。一键黑启动功能减少了人工操作环节，缩短了事故备用响应时间。

5 结 语

深圳抽水蓄能电站是我国首座城市内建设的大型抽水蓄能电站，2018年9月25日4台机组全部投产。电站计算机监控系统充分吸收和借鉴了已运行抽水蓄能电站的设计和运行经验，控制逻辑严谨，安全闭锁完善，并尝试实现了一些创新功能，自投入运行以来，运行稳定可靠，满足电站的运行控制和安全监视要求，达到设计要求，可为其他抽水蓄能电站计算机监控系统设计提供借鉴和参考。