傅新芬 ，羊 鳴 ，鄭 波 ，王運罡

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122；2.國家能源水電工程技術研發(fā)中心抽水蓄能工程技術研發(fā)分中心，浙江省杭州市 311122）

0 引言

抽水蓄能電站控制系統(tǒng)是電站運行的神經網(wǎng)絡，計算機監(jiān)控系統(tǒng)是電站運行的大腦樞紐。隨著技術發(fā)展及反措要求的提高，對控制系統(tǒng)的要求呈現(xiàn)出時代特征。天荒坪抽水蓄能電站使用國際銀行貸款進行主機及關鍵設備的采購，采用國際招標形式采購來自十幾個國家的先進設備，在設計過程中，通過與廠家的設計聯(lián)絡會及目睹試驗，學習及融合了先進的設計理念，運行20年來，電工二次設備的原理設計、控制策略及軟件設計改動較少，說明設計方案是合適的。本文對天荒坪抽水蓄能電站電工二次控制系統(tǒng)的主要設計內容進行分析，對20年來的抽水蓄能電站電工二次相關技術發(fā)展及進步進行闡述，觀點實用可行，供同行借鑒。

1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結構及硬件設備

天荒坪抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)隨主機機電設備一起利用世行貸款于1993年公開招標采購的加拿大BAILEY INFINET-90系統(tǒng)，采用“無人值班”（少人值守）原則設計。電站監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布結構，分調度級、電站控制級、現(xiàn)地控制單元級等三個層級。電站控制級為多微機系統(tǒng)，主要設備包括操作人員工作站、電站計算機、控制鏈路（遠動規(guī)約）、操作鏈路（網(wǎng)絡通信）和事故順序記錄設備（SOE站，分辨率2ms），均采用冗余配置。工程師站、報表打印站和廠長監(jiān)視站為單機配置。中控室內設置模擬屏。

現(xiàn)地控制單元分機組1～6LCU，地下廠房公用系統(tǒng)8LCU，地面開關站9LCU，地面公用系統(tǒng)及模擬屏10LCU，上庫公用系統(tǒng)11LCU，各LCU設置單獨UPS及人機接口操作人員工作站（OIS）。在機組的OIS上可監(jiān)視其余機組的畫面，便于兩臺機組的背靠背起動控制及機組LCU的備用。其中1～6LCU、9LCU、10LCU為完全冗余LCU；8LCU中僅SFC控制部分為冗余，11LCU為單LCU。系統(tǒng)還包括一個熱備用LCU和一個移動式編程器?，F(xiàn)場LCU與中控樓之間網(wǎng)絡介質采用光纖，上庫LCU與中控樓之間通信采用光纖和微波兩種方式，其他網(wǎng)絡連接采用同軸電纜。

1.2 軟件邏輯設計

1.2.1 電站控制級軟件

電站控制級軟件主要功能為數(shù)據(jù)采集和處理、安全監(jiān)測、制表打印和記錄、控制與操作、與華東總調監(jiān)控系統(tǒng)通信。包括對電站主要設備的電氣量和非電氣量以及運行信息定時或隨機進行采集，并經處理后及時更新歷史數(shù)據(jù)庫；對全廠主要設備運行狀態(tài)和運行參數(shù)進行巡回檢測、越限報警、趨勢分析、事故追憶和顯示記錄（可同時在主模擬屏上顯示）；控制與操作包括機組開、停操作，工況轉換操作、機組有功功率/無功功率分配及電壓控制。

電站控制級控制軟件包括：一是常規(guī)成組控制軟件，包括成組負荷管理（AGC）和成組電壓管理（AVC）；二是優(yōu)化軟件。

（1）成組負荷管理。

電站總有功負荷設定值，根據(jù)由華東總調下發(fā)的預報日負荷曲線、有功負荷設定值和電廠備用容量（PM）來設定。另外，在電站作發(fā)電運行時，華東總調的頻率調節(jié)系統(tǒng)還以一定的時間間隔（4～20s）發(fā)送周期設定值至天荒坪電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，通過控制電站的有功出力來滿足電網(wǎng)實際功率的需要，以達到調頻的作用。

成組負荷管理軟件根據(jù)水庫有效水量和電站總有功設定值（包括已投運的有功及備用量）控制電站的有功輸出。機組的工況和出力由成組控制軟件操作。根據(jù)電站總有功設定值，成組控制軟件產生機組的起/停命令，并輸出相應的機組有功設定值（mA信號）。機組之間的實際出力分配取決于機組調速器的轉速調差系數(shù)bp。

（2）成組電壓管理。

電站總有無功負荷設定值根據(jù)由華東總調下發(fā)的預報日電壓曲線或電壓設定值來設定，成組電壓管理軟件根據(jù)電站500kV開關的連接方式，維持相應500kV線路電壓在預先設置的范圍內，控制機組的無功功率輸出。

無功負荷設定值首先由調相機組承擔，這樣可使發(fā)電機運行在最佳效率狀態(tài)下。剩余的由發(fā)電機組均分，在發(fā)電機的勵磁容量極限內、無功功率平均地分配到所有工作在發(fā)電工況或水泵工況機組中。

（3）優(yōu)化軟件。

優(yōu)化軟件主要包括3個主模塊和3個輔助模塊，通過1個主控模塊來調度。3個主模塊為機組優(yōu)先級計算、最佳出力優(yōu)化計算、有功/無功負荷分配，3個輔助模塊為防止頻繁起動/停機機組的延時函數(shù)、數(shù)據(jù)分析軟件（效率曲線）和水位預測計算。

當優(yōu)化軟件投入運行后，它將根據(jù)日負荷曲線，計算上、下庫的水位預報曲線，根據(jù)當前水位，計算出能夠使用的水量（在可用絕對水位內），從而計算出可發(fā)電電量值。在發(fā)電工況時，運行機組的臺數(shù)和有功分配，通常是由一個專用優(yōu)化軟件包來完成，可使分配負荷時，電站水量損耗為最小。

1.2.2 機組控制級軟件

（1）機組控制軟件主要功能：

1）順序控制：機組不同運行工況之間的安全轉換。

2）機組機械保護：處理所有引起機組停機（不包括電氣保護信號）的信號，機械保護使用常規(guī)的硬線連接技術。

3）機組電氣保護：電氣保護采用獨立于機組控制系統(tǒng)的裝置，處理機組的電氣事故保護信號。

（2）水泵機組起動。天荒坪抽水蓄能電站設兩套變頻起動裝置，兩條起動母線。兩條起動母線可通過一個分段開關來切換。為了避免消耗水量，電站水泵工況起動以變頻起動方式為主，兩臺機組背靠背起動方式為備用。

2 抽水蓄能電站控制技術發(fā)展

經過20多年的運行，天荒坪抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件及軟件進行了多次更換升級，基本原則是保留系統(tǒng)原有控制策略，針對一些技術落后、存在重大缺陷的設備和回路，優(yōu)化調整各現(xiàn)地控制單元配置、完善硬件布置和分配以及與現(xiàn)場設備接口的設計、彌補原先控制策略上的缺陷。下面結合現(xiàn)在的控制技術、最新的規(guī)范和反措要求對天荒坪計算機監(jiān)控系統(tǒng)的改造進行梳理，對抽水蓄能電站控制系統(tǒng)設計的技術發(fā)展進行總結。

2.1 輸入輸出信號的發(fā)展

2.1.1 輸入輸出信號的冗余

因擔心外部信號源及輸入輸出模塊的可靠性，天荒坪電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的信號輸入大量采用冗余設計，包括控制器、通信接口、I/O模件等，對數(shù)字量輸入（DI）采用過程干接點轉換成電壓信號的冗余方式；對模擬量輸入（AI）采用串聯(lián)方式接入冗余的模擬量模件；數(shù)字量輸出（DO）采用雙接點并聯(lián)輸出的方式；模擬量輸出（AO）采用串聯(lián)輸出方式，只有脈沖和RTD輸入未采用冗余方式。因為大量DI和AI量的信號源只有一個，采用冗余輸入后，必須增加轉換處理，且輸入信號二選一的表決方式若不增加其他輔助條件判斷無法確定孰是孰非，而如何設計其他輔助條件以及輔助條件增加將導致邏輯判斷上的復雜化，因此當初設計對冗余不一致信號只作告警處理。由此可見，當初電站的冗余方式并未增加其可靠性，而不一致報警將影響運行人員的判斷。后續(xù)進行的天荒坪抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)LCU改造中，已經取消信號冗余，僅對部分重要開關量輸出仍采用冗余。這種模式和抽蓄電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)近幾年的主流設計一致，各現(xiàn)地控制單元只要求電源模塊、控制器、通信模塊冗余，輸入信號不做冗余，重要信號如調速器和球閥的事故低油位、事故低油壓分別采集低、過低信號接入不同的IO模板，用于邏輯綜合判斷。

2.1.2 SOE信號的采集

20年前的INFI-90系統(tǒng)無法直接處理高分辨率的事件，為了事故分析，因此天荒坪抽水蓄能電站采用了一個獨立的SOE系統(tǒng)，采集的SOE信號由專用網(wǎng)絡送到SOE主站進行時標標注和事件排序處理。采用獨立的SOE系統(tǒng)，相應的SOE輸入信號就必須與數(shù)字量DI輸入共享，存在前述的干接點轉化成電壓信號的轉換過程，降低了信號的可靠性，系統(tǒng)更加復雜化。近年來，隨著INFI-90系統(tǒng)的升級，已具備處理高分辨率的事件的能力，在電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造時已取消了獨立的SOE系統(tǒng)，SOE信號直接輸入各LCU，由INFI-90系統(tǒng)完成SOE事件分析和處理。這已是抽蓄電站計算監(jiān)控系統(tǒng)的常規(guī)做法，目前部分廠家數(shù)字量輸入模塊已具備SOE分辨率（1ms）要求，可只設置DI模塊不需單獨設置SOE模塊。

2.1.3 溫度信號的采集

天荒坪抽水蓄能電站設計時，監(jiān)控產品多半不具備直接采集RTD溫度量的功能，每臺機組根據(jù)測點的布置位置和數(shù)量，配置不同的溫度采集裝置，天荒坪抽水蓄能電站配置的是溫度巡檢裝置、溫度變送器和溫度智能卡的方式。大部分溫度信號輸入至溫度巡檢裝置，根據(jù)設定邏輯，輸出溫度報警和停機信號至機組LCU。溫度智能卡的功能與溫度巡檢裝置類似，每臺機設置22個溫度智能卡，每個溫度智能卡只能接收一個溫度信號，除輸出停機信號外還能輸出4～20mA量至機組LCU。每臺機設置8個溫度變送器，直接將溫度量變成4～20mA量輸出至機組LCU。在電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造時，保留了溫度巡檢裝置，取消了溫度智能卡和溫度變送器，原引至溫度智能卡和溫度變送器的信號直接引至LCU增設的RTD模塊。采用RTD模塊具備信號直采，且采樣周期短，跳閘邏輯組態(tài)方便的優(yōu)點，已成為抽蓄電站溫度量采集的常用手段，新建電站已逐步淘汰溫度巡檢裝置。

2.1.4 電氣量采集

天荒坪抽水蓄能電站現(xiàn)地控制單元設有大量的電氣量變送器，變送器輸出4～20mA模擬量信號至LCU，部分串接機組LCU和中控室模擬屏上表計指示。計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造后取消了電氣量變送器，增設一只多功能表，用于測量機組的三相電流、三相電壓、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、有功電度和無功電度，并通過通信的方式將電氣量信號上傳至機組LCU。隨著電流電壓交流采樣模塊和多功能表的成熟運用，目前抽蓄電站的電氣量變送器用的越來越少，僅保留部分有功功率和無功功率變送器，以滿足功率調節(jié)的要求。

2.1.5 遠程IO的采用

天荒坪抽水蓄能電站在設計時還未出現(xiàn)遠程IO技術，大量的信號通過電纜直接與各LCU相連。隨著遠程IO技術的出現(xiàn)，目前的抽蓄電站設計時大量采用了遠程IO，各信號就近接入遠程IO，遠程IO不設置處理器，直接采用通信模式將信號與各LCU的處理器進行交換，所有流程組態(tài)仍由各LCU完成。此種設計減少了電纜遠距離傳輸，增加了可靠性，也簡化了電站電纜橋架設計。唯一不足之處是遠程IO沒有通信模塊，不能與現(xiàn)地設備直接通信，如有大量的信號通過通信方式傳輸，必須直接與各LCU直接通信。

2.2 事故停機和控制回路

天荒坪抽水蓄能電站原機組現(xiàn)地控制柜中含有兩組互為冗余的機械跳閘矩陣硬布線回路，每組矩陣輸入128點，通過矩陣二極管選擇至矩陣出口繼電器回路，每組矩陣出口繼電器12只。每個矩陣輸入信號同時輸出至機組LCU的開關量輸入模塊，其中1組矩陣輸入信號經轉換后輸入SOE系統(tǒng)。電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造時取消了這兩組跳閘矩陣，增加一對獨立的控制器及其開關量輸入/輸出模件，通過軟件編程分別用來實現(xiàn)兩組跳閘矩陣的功能，矩陣原有的出口繼電器回路和跳閘邏輯保持不變，用于機組緊急卸載關閉導葉、關進水球閥、斷開GCB和停勵磁。機械跳閘矩陣改造后，還設立一個獨立的緊急停機硬布線回路，當LCU冗余控制器故障、過速保護動作或按下緊急停機按鈕時啟動。

事故停機分機械事故停機、緊急（過速）事故停機和電氣事故停機3種，除了計算機監(jiān)控系統(tǒng)常規(guī)控制回路來實現(xiàn)事故停機功能外，還配置獨立的事故停機回路，采用獨立的繼電器接線或獨立的控制器兩種模式，其電源回路與常規(guī)控制電源分開。采用獨立的繼電器接線，邏輯關系清晰，易于檢查，采用獨立的控制器，動作邏輯修改方便，各有優(yōu)缺點，所以兩種方式均有大量的實際應用，可根據(jù)工程實際進行選擇。獨立的事故停機（含機械和緊急）回路力求簡單，只選擇重要的水力機械事故信號、冗余控制器故障、現(xiàn)地屏上的按鈕作為啟動源，電氣事故在跳相應斷路器的同時，也啟動獨立的事故停機回路。

天荒坪抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)及電氣主接線十分復雜，引水系統(tǒng)采用一管三機、主接線為每個機組變壓器組為單元接線、每兩臺變壓器高壓側結成聯(lián)合單元與500kV斷路器相連、500kV開關站接線為三進兩出，采用不完全單母線接線方式（雙內橋）。因此在工況轉換，特別是水泵工況啟動（背靠背拖動和SFC啟動）時，兩臺機組LCU之間、機組LCU與SFC主變壓器洞LCU之間存在大量的信號交換及閉鎖，為了保證閉鎖清晰可靠，故在機組LCU和SFC主變壓器洞LCU中仍采用硬布線方式交換重要信息，這也是目前抽蓄電站的常規(guī)做法，與天荒坪抽水蓄能電站一致。

對于6臺機組的電站，因為配置了2套SFC設備，每套SFC設備可通過啟動母線的開關切換拖動全廠任意一臺機組，為簡化硬布線接線，目前主流設計已不考慮機組之間背靠背拖動。而4臺機組的電站仍然采用SFC啟動及背靠背拖動兩種方式。

2.3 水淹廠房措施

自俄羅斯薩揚電廠和回龍電廠發(fā)生水淹廠房事故后，電監(jiān)會、國家電網(wǎng)公司和國網(wǎng)新源控股有限公司先后發(fā)文，對電站安全設計做出了重要指示。

新建抽水蓄能電站的設計中，在主廠房最低處設有3套防止水淹廠房浮球開關報警裝置，并設有獨立的光纖硬布線緊急操作系統(tǒng)，在浮球開關三取二邏輯動作、發(fā)電機層水淹廠房按鈕動作或中控室按鈕按下時，可直接停機并關閉上庫和尾水（或下庫）閘門。水淹廠房控制除了采用電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)常規(guī)控制外，同時啟動獨立的光纖硬布線緊急操作系統(tǒng)，通過設置獨立的點對點光端機、控制器和光纜，在全廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)失效的情況下仍能事故停機和關閉閘門。

為了確保水淹廠房全廠失電的情況下也能關閉機組，新建抽水蓄能電站的設計中均要求做到調速器和進水球閥能失電動作，即在失去控制電源的情況下，通過液壓回路設計能關閉導葉和進水球閥，降低損失。

天荒坪抽水蓄能電站在電監(jiān)會和國網(wǎng)新源控股有限公司、國家電網(wǎng)公司發(fā)文之前雖已投產多年，但部分設計仍能滿足如今的要求，如在主廠房蝸殼層設有3套防止水淹廠房浮球開關，能自動啟動停機、關閘門，另在中控室及主廠房設有緊急停機、關閘門的按鈕，可通過硬布線完成停機和關閘門。由于調速器和進水球閥液壓系統(tǒng)設計理念不同，改造困難，目前調速器和進水球閥并未裝設失電動作電磁閥，通過對調速器和進水球閥控制電源的監(jiān)視，經機組LCU的事故停機回路完成失電停機功能。

2.4 模擬屏的設置

天荒坪抽水蓄能電站投產較早，因擔心計算機監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡可靠性，故在中控室設有功能完備的模擬屏，在INFI-90網(wǎng)絡通信中斷后，在中控樓模擬屏上可維持機組遠方監(jiān)視的常規(guī)手段，包括電站一次接線設備的狀態(tài)、機組的運行工況、機組及公用系統(tǒng)的告警等。機組將重要的告警按子系統(tǒng)分成15組，以獨立于INFI-90網(wǎng)絡的方式，通過硬布線直接驅動模擬屏上的相應的告警窗，500kV開關站和輔助公共設備也有類似的應用。

隨著計算機應用和網(wǎng)絡技術的普及，冗余網(wǎng)絡的設計越來越普遍，網(wǎng)絡可靠性大大提高，目前抽蓄電站的設計中多采用大屏幕來代替模擬屏，即使設置模擬屏，也是采用通信方式，從監(jiān)控系統(tǒng)取得所需信號進行顯示，而不是采用硬接線從設備源頭采集信號，以簡化電纜接線。而大屏幕除了能滿足常規(guī)模擬屏的功能外，還具有視覺清晰、選擇靈活、操作便利、接線簡單、維護方便等特點，已取得越來越廣泛的應用。模擬屏上的緊急操作按鈕可通過在控制臺或中控室側墻單獨設置緊急操作按鈕箱來實現(xiàn)。

3 結語及展望

抽水蓄能電站運行調度復雜、工況轉換頻繁，“無人值班”（少人值守）原則設計及監(jiān)控系統(tǒng)分層分布結構的設計理念經過實踐檢驗，已成為規(guī)范標準。在電站安全性設置上，獨立機組LCU的事故停機回路、水淹廠房獨立光纖硬布線操作及閘門安全設備聯(lián)動的設計思路得到大力推廣。

隨著計算機硬件設備技術的巨大進步，在設備配置、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡架構上，發(fā)生了巨大的變革，以硬件為主的數(shù)據(jù)處理大部分改為軟件處理，網(wǎng)絡通信介質全面采用光纖保證了長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩€(wěn)定性，大大減少了電站的控制電纜數(shù)量。

2009年華東院啟動《大型抽水蓄能電站機組控制流程與控制策略研究》的課題研究，2011年底國網(wǎng)新源控股有限公司啟動抽水蓄能設計標準化建設，2012年新源天荒坪抽水蓄能公司委托上海明華電力技術工程有限公司編制《抽水蓄能機組控制流程典型設計》，2013年新源江蘇宜興抽水蓄能公司委托華東勘測設計研究院編制《抽水蓄能機組LCU控制與其他輔助設備監(jiān)控配合的典型設計》，行業(yè)內的有關專家參與討論審核，形成的抽水蓄能典型設計及軟件控制邏輯經過嚴密推敲及實際檢驗，已成為我國抽水蓄能設計的成熟技術。

隨著《水力發(fā)電廠自動化設計技術規(guī)范》（NB/T 35004—2013）、《抽水蓄能機組工況轉換技術導則》（GB/T 32894—2016）、《水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)運行及維護規(guī)程》（DL/T 1009—2016）等規(guī)范的發(fā)布，標志著我國在抽水蓄能控制技術已越來越成熟規(guī)范。但計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計重點—軟件邏輯設計，由于廠家的設計理念不同，可能有所差異，根據(jù)電站布置及主接線、機組型式的不同特點，還需要進一步提煉。