楊 濤

（安徽省響洪甸蓄能發(fā)電有限責任公司，安徽省六安市 237335）

基于XDPS-400分散控制系統(tǒng)在響洪甸抽水蓄能電站的應用

楊 濤

（安徽省響洪甸蓄能發(fā)電有限責任公司，安徽省六安市 237335）

主要介紹了XPDS-400分散控制系統(tǒng)的技術(shù)特點、技術(shù)指標；結(jié)合在響洪甸抽水蓄能電站的首次應用，重點分析了該計算機監(jiān)控系統(tǒng)在實現(xiàn)機組背靠背啟動的獨特控制方式，為國產(chǎn)DCS系統(tǒng)廣泛應用在新建大容量抽水蓄能機組上提供了可行性。

XPDS-400；計算機監(jiān)控系統(tǒng)；背靠背

0 引言

分散控制系統(tǒng)（Distribiuted Control System，DCS）是20世紀70年代中期推出的一種計算機綜合型控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設計采用了先進的大系統(tǒng)理論和四C（Computer Commiunication CRT Control）技術(shù)。上海新華公司自主研發(fā)的XDPS（xinhua distribiuted processing system）系統(tǒng)將獨立控制系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)DCS、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SCADA融為一體，完成實時數(shù)據(jù)采集、過程控制、高級控制、過程監(jiān)視、報警檢測等操作。響洪甸抽水蓄能電站針對原計算機監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，2004年將原NARI監(jiān)控系統(tǒng)改造為上海新華公司的XDPS-400系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分層分布設計、應用最先進的計算機網(wǎng)絡通信和控制技術(shù)，集測量、控制、通信和管理等功能于一體，系統(tǒng)組態(tài)靈活、功能齊全、結(jié)構(gòu)簡單可靠、具有很強的可擴展性和兼容性。

1 XDPS-400分散控制系統(tǒng)技術(shù)特點

XDPS 系列的最大特點是系統(tǒng)的開放性，硬件、軟件與通信都采用了國際標準或主流工業(yè)產(chǎn)品，構(gòu)成開放的工業(yè)控制系統(tǒng)。

硬件——硬件跟隨計算機發(fā)展潮流。人機接口（MMI）采用標準工業(yè)PC機，分布處理單元DPU采用標準工業(yè)PC總線結(jié)構(gòu)。

軟件——Windows系統(tǒng)軟件，以及基于Windows實時多任務操作系統(tǒng)RMX-X。方便直觀的符合IEC-1131-3的DPU圖形組態(tài)軟件、圖形顯示、報表、控制、記錄統(tǒng)計的生成工具軟件。

通信——采用成熟的計算機網(wǎng)絡通信技術(shù)，構(gòu)成高速的冗余實時數(shù)據(jù)網(wǎng)，符合IEEE802.3標準，通信速率10Mbps/100Mbps。

顯示——高分辨率顯示，分辨率1280×1024或1600×1200，窗口顯示及三維空間的顯示畫面。

一體化——通過以太網(wǎng)（Ethernet）與其他信息網(wǎng)絡聯(lián)接，從工業(yè)生產(chǎn)過程控制、測量、生產(chǎn)管理信息一體化。

漢化——全漢化顯示、支持中英文顯示界面。

網(wǎng)絡——實時數(shù)據(jù)網(wǎng)（A網(wǎng)、B網(wǎng)）冗余網(wǎng)絡，傳遞實時數(shù)據(jù)，支持1～250個網(wǎng)絡節(jié)點。信息數(shù)據(jù)網(wǎng)（C網(wǎng)）實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫文件與打印共享，傳遞系統(tǒng)非實時性文件信息。

容量——分布實時數(shù)據(jù)庫，對網(wǎng)上各節(jié)點透明，全局數(shù)據(jù)容量達6400點模擬量，64000點開關量。

實時性——1s內(nèi)可更新所有全局點，1s內(nèi)調(diào)出任何圖形顯示，50ms的控制周期。

靈活——除可接上海新華公司的I/O模塊外，通過標準的通信協(xié)議（如DNP3.0、Modbus、SC1801等），還可接其他常用的I/O系統(tǒng)、各種PLC、廠級MIS和其他控制系統(tǒng)。

發(fā)展——硬件與軟件跟隨國際工業(yè)主流產(chǎn)品同步發(fā)展。

功能——集過程控制、順序控制、數(shù)據(jù)監(jiān)視和記錄于一體。

可靠性——系統(tǒng)經(jīng)可靠性設計，采用冗余技術(shù)，容錯技術(shù)，雙路電源供電，保證系統(tǒng)MTBF≥150000h。

備件——標準化與系列化，備件種類大大減少。

維護——通道級的自診斷程序，CRT自動報警與顯示，可實現(xiàn)快速帶電更換，MTTR＜5min。

接地——系統(tǒng)要求單獨接地，接地電阻≤2.5Ω。

2 XDPS-400分散控制系統(tǒng)技術(shù)指標

技術(shù)指標一覽如表1所示。

表1 技術(shù)指標一覽

序號指標具體指標一覽5容量全局實時數(shù)據(jù)庫容量：6400點模擬點，64000點開關點；歷史數(shù)據(jù)庫容量：16000點，典型 3個月，最長可無限；實時畫面數(shù)量：無限；每幅畫面動態(tài)刷新點數(shù)量：無限；系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量，總數(shù)250個：工程師站（ENG）／操作員站（MMI）：40個；分布式處理單元（DPU）：80個；報表：基于Excel，數(shù)量與容量沒有6系統(tǒng)負荷率操作員站（MMI）：＜40%；分布式處理單元（DPU）：＜40%；系統(tǒng)網(wǎng)絡：＜30%7可靠性措施冗余電源；冗余分布式處理單元（DPU）；冗余系統(tǒng)網(wǎng)絡；冗余I/O模塊；帶電更換扳件；模出保持（系統(tǒng)不失電）；系統(tǒng)可靠性評價：系統(tǒng)平均無故障工作時間（MTBF）和可用率：系統(tǒng)MTBF不低于150000h；系統(tǒng)可用率不低于99.95%

3 響洪甸抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)配置

響洪甸抽水蓄能電站于2004年將原有NARI監(jiān)控系統(tǒng)改造為上海新華公司XDPS-400計算機監(jiān)控系統(tǒng)，XDPS-400主要由分布式處理單元DPU、人機操作接口站MMI、前置I/O采集系統(tǒng)、直流開關電源模塊以及網(wǎng)絡系統(tǒng)組成。DPU采用標準工業(yè)PC總線結(jié)構(gòu)；人機接口站采用標準工業(yè)PC機；實時數(shù)據(jù)網(wǎng)具備A、B雙網(wǎng)冗余，符合IEEE802.3標準，通過以太網(wǎng)與其他信息網(wǎng)絡聯(lián)接；每個機構(gòu)具備雙處理單元，雙路電源供電；硬件采用國際標準或主流工業(yè)產(chǎn)品。

3.1 結(jié)構(gòu)配置

控制柜配置如表2所示，I/O卡件配置如表3所示。

表2 控制柜配置

表3 I/O卡件配置

3.2 網(wǎng)絡拓撲配置

監(jiān)控拓撲如圖1所示。

圖1 響洪甸抽水蓄能電站監(jiān)控拓撲圖

4 響洪甸抽水蓄能電站背靠背啟動工況流程的研究

響洪甸抽水蓄能電站裝機為2臺（5號機組、6號機組）單機容量為40MW/55MW可逆式水泵水輪機，發(fā)電機出口母線電壓為10.5kV，變壓器組單元接線，通過升壓后變?yōu)?20kV，單出線接入崔莊變電站，響洪甸抽水蓄能電站共有23種運行工況，接入系統(tǒng)在線運行的有10種，即發(fā)電工況、發(fā)電調(diào)相工況、高轉(zhuǎn)速水泵工況（SFC/BTB）、低轉(zhuǎn)速水泵工況（SFC/BTB）、高轉(zhuǎn)速水泵調(diào)相工況（SFC/BTB）、低轉(zhuǎn)速水泵工況（SFC/BTB），主要以背靠背這一典型工況流程來介紹XPDS-400的獨特控制方式，響洪甸抽水蓄能電站電氣主接線如圖2所示。

4.1 背靠背流程

4.1.1 工況過程

圖2 響洪甸抽水蓄能電站電氣主接線圖

監(jiān)控流程實現(xiàn)：其中以6號機組對拖5號機組為例，通過5號機組啟動方式9—機組靜止到水泵工況（BTB）開始背靠背啟動，機組拖動啟動過程中，主流程調(diào)用的子程序較多，涉及到機組停機到水泵調(diào)相（BTB）、機組水泵調(diào)相到水泵工況、機組停機到啟動對拖發(fā)電機、機組啟動對拖發(fā)電機到停機。

（1）機組停機到水泵調(diào)相（BTB）階段。

第一步：狀態(tài)預置、電氣設備操作、輔助設備操作1。

操作：選擇5號機組同期裝置，置5號機組高轉(zhuǎn)速工況、合5-1DL、合5-3DL、合5-4DL、合52DL、 合45DL、投高壓減載油泵、打開主軸密封水電磁閥、打開主用冷卻水電磁閥、關閉停機密封供氣電磁閥、釋放制動風閘。

反饋：5-1DL在合位、 5-3DL在合位、5-4DL在合位、52DL在合位、 45DL在合位、主軸密封冷卻水投入、高壓減載油泵投入、制動風閘退出。

第二步：置勵磁、壓氣系統(tǒng)。

操作：置勵磁為高轉(zhuǎn)速水泵工況、打開轉(zhuǎn)輪室壓水充氣電磁閥、打開轉(zhuǎn)輪室壓水保氣電磁閥、打開消水環(huán)管密封電磁閥。

反饋：5號機組滅磁開關合位置、轉(zhuǎn)輪室壓氣水位為轉(zhuǎn)輪下1.4M、消水環(huán)管密封電磁閥投入。

第三步：同期裝置啟動。

操作：同期裝置發(fā)令合5DL。

反饋：出口開關5DL在合位。

第四步：輔助設備操作2。

操作：分45DL、退高壓減載油泵、打開主軸密封水電磁閥、打開轉(zhuǎn)輪室壓水充氣電磁閥、關閉轉(zhuǎn)輪室壓水保氣電磁閥。

反饋：機組轉(zhuǎn)速大于或等于95%額定轉(zhuǎn)速、45DL在分位、高壓減載油泵退出，勵磁系統(tǒng)無故障、水泵調(diào)相工況保護投入。

（2）機組水泵調(diào)相到水泵工況階段。

第一步：輔助設備操作1。

操作：退調(diào)速器接力器鎖錠、打開蝴蝶閥。

反饋：蝴蝶閥全開、調(diào)速器接力器鎖錠拔出、導葉在全關位置。

第二步：輔助設備操作2。

操作：打開轉(zhuǎn)輪室壓水排氣電磁閥、打開轉(zhuǎn)輪室均壓排氣電磁閥、關閉轉(zhuǎn)輪室壓水充氣電磁閥、關閉轉(zhuǎn)輪室壓水保氣電磁閥、置水泵工況開導葉令。

反饋：壓水充氣閥退出、導葉后壓力監(jiān)視118SP、120SP動作。

第三步：開機操作。

操作：關閉止漏密封水電磁閥、關閉壓水排氣電磁閥、關閉均壓排氣電磁閥、關閉消水環(huán)管密封電磁閥、發(fā)調(diào)速器開機令。

反饋：導葉40%開度位置、壓水排氣電磁閥退出、均壓排氣電磁閥退出、消水環(huán)管密封電磁閥退出。

第四步：信號復歸。

操作：機組啟動信號送拖動系統(tǒng)。

反饋：水泵工況保護投入。

（3）機組停機到啟動對拖發(fā)電機。

第一步：狀態(tài)預置、電氣回路操作、輔助設備操作、釋放制動風閘。

操作：置調(diào)速為對拖發(fā)電工況、合6-2DL、6-5DL 6-6DL、 63DL、 6DL、打開主軸密封水電磁閥、打開主用冷卻水電磁閥、打開止漏密封冷卻水電磁閥、打開調(diào)速器接力器鎖錠、釋放制動風閘、打開蝴蝶閥、投高壓減載油泵、關閉停機密封供氣閥。

反饋：蝴蝶閥全開、高壓減載油泵投入、調(diào)速器油壓設備正常、調(diào)速器接力器鎖錠拔出、制動風閘退出。

第二步：置勵磁。

操作：勵磁啟勵，置勵磁系統(tǒng)為對拖發(fā)電工況。

反饋：6號機組滅磁開關合位置。

第三步：送調(diào)速器開機。

操作：調(diào)速器開機操作。

反饋：6號機組低轉(zhuǎn)速大于或等于95%、5DL合閘位置。

第四步：退高壓減載油泵。

操作：退高壓減載油泵。

反饋：高壓減載油泵退出。

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織最新統(tǒng)計，中國大蒜出口約占世界大蒜貿(mào)易量的90%，在國際市場上具有較強的競爭力[1]。大蒜的使用價值使得人們越來越重視大蒜的種植；但是，由于大蒜不規(guī)則的外形，使得蒜農(nóng)很難實現(xiàn)大蒜的種植要求。我國大蒜的播種還是以人工為主，主要采用鋤頭或者犁開淺溝、人工點播蒜種和覆土等播種方式，雖然這種方式有利于大蒜的生長，但是勞動強度大、效率低，需要耗費大量的工時，生產(chǎn)成本大大提高，達不到農(nóng)民的合理收益[2-4]。

（4）機組啟動對拖發(fā)電機到停機。

第一步：電氣設備操作。

操作：分6DL、63DL、發(fā)調(diào)速器停機、投二段關閉電磁閥、投高壓減載油泵、退勵磁系統(tǒng)（逆變滅磁）。

反饋：6DL在分位、63DL在分位、導葉全關位置、45DL在分位、二段關閉電磁閥打開、高壓減載油泵投入、6號機組滅磁開關在分位。

第二步：投機械制動。

操作：投制動風閘。

反饋：制動風閘投入。

第三步：輔助電氣設備操作。

操作：退高壓減載油泵、關閉主軸密封水電磁閥、關閉主用冷卻水電磁閥、關閉止漏密封冷卻水電磁閥、關閉二段關閉電磁閥、投調(diào)速器接力器鎖定、打開停機密封供氣電磁閥。

反饋：調(diào)速器接力器鎖定投入、高壓減載油泵退出，主軸密封冷卻水關閉、二段關閉電磁閥退出、停機密封供氣電磁閥投入。

第四步：電氣回路復歸。

操作：分6-2DL、分6-5DL、分6-6DL，置保護為電制動工況、置保護為停機倒送電工況。

反饋：6-2DL在分位、6-5DL在分位、 6-6DL在分位置，保護為停機倒送電工況模式。

4.1.2 監(jiān)控軟件實現(xiàn)

響洪甸抽水蓄能電站背靠背啟動流程步序控制模塊采用條件觸發(fā)、故障超時保護，每一步的觸發(fā)條件為上一步序的反饋信號（具體各步命令及反饋見背靠背啟動流程），其中各步故障超時時間設定，機組停機到水泵調(diào)相（BTB）流程：第一步為5000s，第二步為5000s，第三步為5000s，第四步為5000s；機組水泵調(diào)相到水泵工況流程：第一步為3000s，第二步為3000s，第三步為3000s，第四步為2000s；機組停機到啟動對拖發(fā)電機流程：第一步為5000s，第二步為5000s，第三步為5000s，第四步為5000s；機組啟動對拖發(fā)電機到停機：第一步為2000s，第二步為2000s，第三步為2000s，第四步為2000s；背靠背流程順控執(zhí)行框圖如圖3所示。

圖3 背靠背流程框圖

4.1.3 當今幾個主流監(jiān)控系統(tǒng)對比

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前大多數(shù)抽水蓄能電站主要以安德里茨、南瑞監(jiān)控為主，應用較為成熟，但造價昂貴，維護費用較高，尤其對于在背靠背啟動方面，國外設計要求非常嚴格，步序嚴謹，但是對于國內(nèi)自主研發(fā)的DCS，新華控制在實現(xiàn)背靠背方面有著自己獨特的一面。

（1）流程清晰、步序緊湊，采用上海新華公司自主研發(fā)的步序控制模塊，尤其應用于背靠背啟動中的STEP模塊，嚴格執(zhí)行內(nèi)部程序進行控制，在國外監(jiān)控系統(tǒng)中并不多見。

（2）采用高性能的邏輯模塊，進行簡單的邏輯運算，將復雜的程序軟件集成為可視化的編程模塊，對實現(xiàn)特殊的功能采用特定模塊，編程畫面更加人性化，便于各站監(jiān)控人員編程應用，各個模塊匹配緊湊，相對于國外的監(jiān)控系統(tǒng)，查找故障更加容易。

（3）控制精準，實現(xiàn)簡單，對于抽水蓄能電站來說，背靠背啟動要求比較高，需要拖動機與被拖動機各個方面的配合，匹配的好壞將直接影響啟動的成功率，新華監(jiān)控系統(tǒng)采用獨特的內(nèi)部計算算法，對背靠背啟動時兩臺機組的瞬時數(shù)據(jù)進行采集計算、反饋，控制精度達到毫秒級，可靠性非常高。

該蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)編程的可視化、模塊化使得控制流程結(jié)構(gòu)更為清晰明了，極大的方便了操作人員及時準確地了解流程的進行情況。該系統(tǒng)自2004年5月在響洪甸抽水蓄能電站投入運行以來，讓該電站在安徽電網(wǎng)中的作用得到更充分的發(fā)揮，進一步提高了電站在系統(tǒng)中的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)束語

XDPS-400系統(tǒng)首次應用在抽水蓄能機組中，其運行的穩(wěn)定性和優(yōu)良的調(diào)節(jié)品質(zhì)，使機組各項技術(shù)經(jīng)濟指標都達到優(yōu)良水平，為國產(chǎn)DCS系統(tǒng)廣泛應用在新建大容量抽水蓄能機組上提供了可行性，不僅可以降低工程造價，而且由于組態(tài)軟件及界面完全漢化，方便了電站運維人員的操作工作。

[1] 劉淑平，李大中，梁樹英.XDPS-400計算機分散控制系統(tǒng)[J].電力設備，2003，4（1）．

[2] 汪軍，張紅芳，張啟明.大中型抽水蓄能電站控制與保護設備的國產(chǎn)化研究.2004年全國抽水蓄能學術(shù)年會論文集，2004.

[3] 劉景民．響洪甸抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的研究．大連理工大學，2007．

[4] 新華控制工程有限公司.中國人自己的DCS系統(tǒng)—國家重點新產(chǎn)品XDPS-400.機電新產(chǎn)品導報，2000，（7-8）．

[5] 汪軍，張紅芳，周慶忠.我國抽水蓄能電站計算機監(jiān)控技術(shù)評析.水電自動化與大壩監(jiān)測，2002，26（1）．

楊 濤（1990—），男，大學本科，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站電氣維護。E-mail：yt19900318@163.com

The Application of XPDS-400 Distributed Control System in XiangHongDian Pumped-storage Power Station

YANG Tao
（Anhui province Xiang HongDian energy storage power generation co.，LTD，Liuan 237335，China）

Mainly introduced the XPDS-400 distributed control system technicalcharacteristics，technical indicators；Xiang HongDian pumped-storage power station in rang the first application of the computer monitoring system are emphatically analyzed in unique control mode to start the back-to-back，for domestic DCS system is widely used in large capacity of pumped storage unit provides a new feasible.

XPDS-400；distributed control system；BTB