天荒坪電站監(jiān)控系統(tǒng)LCU的升級(jí)改造

范建強(qiáng)

（國(guó)網(wǎng)新源華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江 安吉 313302）

0 引言

天荒坪抽水蓄能電站共裝設(shè)6臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的可逆式水泵水輪機(jī)組，承擔(dān)著華東電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、填谷及事故備用任務(wù)，有效緩解了華東電網(wǎng)各省市用電緊張局面，機(jī)組具有容量大、起?？斓奶攸c(diǎn)，在華東電網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用[1-2]。

電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用ABB Bailey INFI-90 DCS（集散控制系統(tǒng)）[3]。系統(tǒng)分為兩部分，一部分是由商用微機(jī)和網(wǎng)絡(luò)組成的操作監(jiān)視系統(tǒng)，用于面向生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)集中監(jiān)視，已于2004年進(jìn)行了改造。另一部分是由MFP（多功能處理器）構(gòu)成的LCU（現(xiàn)地控制單元），主要功能是過程數(shù)據(jù)采集處理、邏輯處理、順序控制等。

由于LCU已運(yùn)行了近15年，機(jī)組和公用系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元以及UCB（現(xiàn)地控制屏）中的電子模件、器件及連接件逐漸暴露出隨機(jī)故障增多、運(yùn)行不穩(wěn)定和備品備件缺失等諸多問題，面臨著升級(jí)改造。

升級(jí)改造以提高機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行水平、確保電站在改造期間的正常經(jīng)營(yíng)為目標(biāo)，按計(jì)劃逐臺(tái)進(jìn)行。在保留系統(tǒng)原有控制策略的基礎(chǔ)上，借鑒其他新建抽水蓄能電站的先進(jìn)控制理念，對(duì)技術(shù)落后、存在重大缺陷的設(shè)備和回路進(jìn)行升級(jí)改造，優(yōu)化調(diào)整各LCU配置、完善硬件布置和分配，以及與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接口的設(shè)計(jì)。

1 改造原則與范圍

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造原則

為了順利完成改造項(xiàng)目，必須研究在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，包括各LCU硬接線回路的改造設(shè)計(jì)、LCU的I/O設(shè)計(jì)、組態(tài)修改的要求等，改造原則按以下要求進(jìn)行：

（1）UCB和LCU盤柜的數(shù)量和安裝位置保持不變，仍然使用原來(lái)的盤柜，整體布置方式不變。

（2）保留原系統(tǒng)的可取之處，新老兼顧，在盡可能利用原有資源的基礎(chǔ)上，通過改造彌補(bǔ)原系統(tǒng)的不足。

（3）外部供電電源及供電方式保持不變。

（4）機(jī)組LCU的核心流程、控制組態(tài)沿用改造前功能，只對(duì)新增功能增補(bǔ)組態(tài)。

（5）改造后機(jī)組LCU能與原監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)完全融合，滿足原監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信要求，實(shí)現(xiàn)與原有監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)縫連接。改造后機(jī)組LCU接入原有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性不受影響。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造的范圍

監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造的主要項(xiàng)目有：

（1）INFI-90系統(tǒng)LCU設(shè)備模件和TU端子板全部更換。

（2）事件記錄單元SOE系統(tǒng)改造，取消原獨(dú)立于INFI-90網(wǎng)路的Harris SOE系統(tǒng)。

（3）機(jī)組現(xiàn)地控制柜UCB設(shè)備改造主要是常規(guī)控制部分，如：機(jī)組電量變送器、溫度智能巡檢裝置、機(jī)械跳閘矩陣。

（4）LCU組態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（5）INFI-90控制環(huán)網(wǎng)與相鄰機(jī)組通信部分由光纖通信改為同軸電纜通信。

2 監(jiān)控系統(tǒng)改造難點(diǎn)

2.1 改造難點(diǎn)

由于改造時(shí)間緊，只能在設(shè)備停電檢修時(shí)進(jìn)行，要求前期工作準(zhǔn)備充分。本次計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造最大的難點(diǎn)是：

（1）機(jī)械跳閘矩陣改為軟件實(shí)施。

（2）取消溫度智能卡，改為直接由監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視。

（3）取消大量電氣量變送器，改為微機(jī)型多功能電氣量采集裝置。

（4）LCU組態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及大量的組態(tài)調(diào)整，如跳閘矩陣邏輯軟件化組態(tài)設(shè)計(jì)、冗余信號(hào)組態(tài)優(yōu)化、SOE組態(tài)。

2.2 前期準(zhǔn)備

改造期間其他機(jī)組能否安全運(yùn)行關(guān)系到改造工作能否正常實(shí)施，而充分的前期準(zhǔn)備工作是機(jī)組改造成功的重要保證。

（1）從安全運(yùn)行的角度考慮，在機(jī)組改造實(shí)施前，將改造機(jī)組LCU網(wǎng)絡(luò)從主網(wǎng)獨(dú)立出來(lái)，形成能保持電站正常運(yùn)行的INFI-90環(huán)網(wǎng)和改造機(jī)組的小環(huán)網(wǎng)兩部分，安全隔離電站改造設(shè)備和運(yùn)行設(shè)備，待改造部分調(diào)試基本完成后再納入主網(wǎng)，以保證機(jī)組改造的安全環(huán)境和條件。

（2）前瞻性的方案設(shè)計(jì)。本次改造涉及范圍廣，調(diào)整的設(shè)備多，修改的監(jiān)控組態(tài)量大，機(jī)組需核對(duì)的信號(hào)點(diǎn)達(dá)3 000個(gè)，由于準(zhǔn)備充分、設(shè)計(jì)合理，在實(shí)際施工中十分順利。

（3）在項(xiàng)目實(shí)施前制定周密可行的改造方案，包括項(xiàng)目實(shí)施的詳細(xì)技術(shù)措施、組織措施、安全措施、實(shí)施作業(yè)指導(dǎo)書和周密的進(jìn)度計(jì)劃。

3 監(jiān)控系統(tǒng)改造后的效果

3.1 現(xiàn)地LCU設(shè)備優(yōu)化改造

通過改造，將機(jī)組LCU柜共12塊監(jiān)控盤柜（UL01—UL12）中的控制器模件，包括控制器供電電源裝置、控制器模塊、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、通信模塊、I/O模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，以及I/O信號(hào)TU端子板全部進(jìn)行更換。

將原機(jī)組LCU盤柜內(nèi)的控制器供電電源裝置由Ⅰ型電源裝置改為Ⅲ型電源裝置，該裝置具有電源質(zhì)量監(jiān)視和自動(dòng)無(wú)擾切換功能，確?？刂破鞴╇婋娫吹倪B續(xù)性和可靠性。

新增1組控制器用于微機(jī)型多功能電氣量采集裝置與監(jiān)控的通信處理，新增2組控制器用于機(jī)械跳閘軟件化組態(tài)控制。

改造機(jī)組與相鄰機(jī)組的INFI-90網(wǎng)絡(luò)以同軸電纜直接連接方式代替原有的光電轉(zhuǎn)換裝置連接，提高了INFI-90環(huán)網(wǎng)的安全可靠性和維護(hù)便利性，同時(shí)解決了因原廠光電轉(zhuǎn)換裝置停產(chǎn)帶來(lái)的備品備件缺乏問題。

3.2 SOE系統(tǒng)改造

SOE系統(tǒng)改造后，原信息點(diǎn)全部通過I/O直接接至機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)LCU中的SOE輸入模塊，取消原SOE采集裝置。

本次改造在機(jī)組現(xiàn)地LCU上共添加了18塊監(jiān)控SOE模件，在數(shù)據(jù)庫(kù)中新增288個(gè)SOE點(diǎn)，將組態(tài)中各SOE信號(hào)對(duì)應(yīng)連接到數(shù)據(jù)庫(kù)中，將會(huì)引起機(jī)組機(jī)械跳閘的信號(hào)、重要告警和狀態(tài)信號(hào)直接送入SOE模塊，由SOE模塊和控制器直接進(jìn)行時(shí)標(biāo)處理和事件排序，與改造機(jī)組相關(guān)的SOE信息直接通過機(jī)組LCU進(jìn)入INFI-90系統(tǒng)，由INFI-90系統(tǒng)的SOE處理控制器單元來(lái)完成改造機(jī)組的SOE事件分析和處理，簡(jiǎn)化了監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了后期運(yùn)行維護(hù)工作量。

3.3 以微機(jī)型多功能電參數(shù)采樣裝置替代電氣量變送器

機(jī)組電氣量一直采用分布式電量變送器和指針式盤表來(lái)測(cè)量，單臺(tái)機(jī)組使用6只電流變送器、2只電壓變送器、5只有功變送器、2只無(wú)功變送器。改造后，機(jī)組現(xiàn)地常規(guī)控制柜UCB采用微機(jī)型多功能電參數(shù)采樣裝置ION7550來(lái)替換原有的電氣量表計(jì)和變送器。

ION7550的現(xiàn)場(chǎng)接線如圖1所示。TA和TV二次回路直接接入ION7550。在工作電源（48VDC）正常供電時(shí)，裝置對(duì)采集的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算分析，輸出有功模擬量信號(hào)至電調(diào)控制，輸出有功、無(wú)功模擬量信號(hào)至DCS，用于監(jiān)測(cè)控制邏輯判斷。另外，裝置通過RS-232接口輸出數(shù)字信息，應(yīng)用Modbus通信規(guī)約在采樣裝置和DCS系統(tǒng)間傳遞數(shù)據(jù)和信息。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，各電氣參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在畫面上，方便自動(dòng)化監(jiān)視。

圖1 ION7550現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.4 取消溫度智能巡檢裝置

改造后取消UCB盤柜30塊溫度智能卡，將溫度RTD信號(hào)直接接入監(jiān)控系統(tǒng)RTD輸入模塊，改造后推力瓦、上導(dǎo)瓦、下導(dǎo)瓦、定子繞組、主軸密封、推力油封、水導(dǎo)瓦、上/下迷宮等溫度信號(hào)通過監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)置報(bào)警和跳閘溫度閥值，當(dāng)溫度過高時(shí)，采用N選3或N選2方式保護(hù)動(dòng)作。同時(shí)每個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)還附設(shè)有梯度閉鎖和質(zhì)量好壞判斷閉鎖，防止因溫度采集回路故障引起測(cè)量值突變而造成溫度保護(hù)誤動(dòng)，從而提高了溫度保護(hù)的安全性和可靠性。

3.5 機(jī)械跳閘矩陣改為軟件實(shí)施

機(jī)組現(xiàn)地控制柜UCB中原含有2組冗余的機(jī)械跳閘矩陣硬接線回路，每組矩陣輸入128點(diǎn)，通過矩陣二極管選擇后輸出動(dòng)作信號(hào)至出口繼電器回路。

改造后取消了這2組跳閘矩陣，在機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)LCU的2組獨(dú)立模件柜中各增加1對(duì)獨(dú)立的控制器及其開關(guān)量輸入/輸出模件，通過監(jiān)控軟件組態(tài)編程分別實(shí)現(xiàn)2組跳閘矩陣的功能，跳閘矩陣原有的輸入信號(hào)通過轉(zhuǎn)接端子直接接至相應(yīng)的新增獨(dú)立控制器輸入模塊，通過獨(dú)立控制器輸出模塊驅(qū)動(dòng)新增跳閘矩陣的出口繼電器回路，矩陣原有的出口繼電器回路保持不變，各信號(hào)的跳閘邏輯也保持不變。實(shí)現(xiàn)了用2對(duì)獨(dú)立的控制器及其輸入/輸出模塊來(lái)代替原有的2組機(jī)械跳閘矩陣硬接線回路，同時(shí)設(shè)立1個(gè)獨(dú)立且簡(jiǎn)化的常規(guī)緊急停機(jī)硬接線回路，當(dāng)控制器故障（包括冗余系統(tǒng)全部故障、工作電源全部失去等）或發(fā)生重要的水機(jī)事故時(shí)（過速、軸承瓦溫過高、事故低油壓時(shí)按下緊急落尾水閘門按鈕、按下事故停機(jī)按鈕等），啟動(dòng)機(jī)組安全裝置。

3.6 有效改善系統(tǒng)負(fù)載

改造前，電站DCS控制器CPU負(fù)荷率始終高達(dá)80%～90%，未滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。經(jīng)過改造后，系統(tǒng)負(fù)載得到有效改善，CPU負(fù)荷率降低至約30%，達(dá)到了控制器在滿足控制對(duì)象要求的運(yùn)算處理周期條件下，負(fù)荷率最高不超過60%、平均不超過40%的技術(shù)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

首臺(tái)機(jī)組監(jiān)控自動(dòng)控制系統(tǒng)自2011年11月完成改造以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，未發(fā)生危及機(jī)組安全運(yùn)行的故障、缺陷，較好地解決了原監(jiān)控自動(dòng)控制系統(tǒng)存在的不足，降低了系統(tǒng)負(fù)荷率，提高了機(jī)組安全運(yùn)行能力，也極大方便了運(yùn)維人員的操作維護(hù)。整個(gè)改造過程設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，施工組織得當(dāng)，改造達(dá)到了預(yù)期的效果。

[1]徐得潛，韓志剛，瞿國(guó)壽，等.抽水蓄能電站與火電站配合運(yùn)行優(yōu)化模型研究[J].水利發(fā)電學(xué)報(bào)，1996（4）:11-20.

[2]羅予如，袁麗麗.抽水蓄能電站參與的電網(wǎng)短期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行探討[J].水力發(fā)電，2007，33（7）:80-81.

[3]王常力，羅安.分布式控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.