李秀麗 國 棟 辛 紅

斐濟(jì)南德瑞瓦圖水電站SCADA系統(tǒng)特點(diǎn)

李秀麗 國 棟 辛 紅

斐濟(jì)南德瑞瓦圖水電站按 “無人值班”原則設(shè)計(jì)，利用水庫（堰壩）閘門和電站機(jī)組聯(lián)合自動(dòng)控制庫水位，其SCADA系統(tǒng)在硬件及功能設(shè)計(jì)上均存在特殊性。

SCADA系統(tǒng) 無人值班 機(jī)組/閘門聯(lián)合控制水位 2.5PID控制

南德瑞瓦圖水電站工程位于斐濟(jì)VitiLevu島中南部，電站按 “無人值班”原則設(shè)計(jì)，正常運(yùn)行時(shí)值班人員在FEA辦公室或位于本電站送出線路對端之一的VUDA變電站對本電站進(jìn)行監(jiān)控。工程主要由攔河 （堰）壩、輸水系統(tǒng)、電站廠房、132 kV開關(guān)站和送出線路組成。攔河壩上設(shè)有3孔溢洪道，安裝3個(gè)弧形表孔門。電站取水口位于壩的右岸，設(shè)有檢修門和事故快速門。輸水系統(tǒng)包括引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道，隧洞出口裝有壓力鋼管保護(hù)閥，壓力管道出口設(shè)分岔管，分別為2臺機(jī)組供水，每臺機(jī)蝸殼進(jìn)口設(shè)有主閥。電站裝設(shè)2臺單機(jī)容量為22 MW的立軸五噴嘴沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)與變壓器采用單元接線，電站以兩回132 kV出線∏接至已有132 kV開關(guān)站（VUDA、WAILOA）。

1 SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

南德瑞瓦圖水電站按 “無人值班”原則設(shè)計(jì)，SCADA系統(tǒng)選用開放式、全分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（詳見圖1）。各工作站（HMI/IPC）在網(wǎng)絡(luò)中處于平等地位，單一HMI/IPC故障只涉及局部功能，各PLC均能脫離HMI/IPC獨(dú)立運(yùn)行。系統(tǒng)具有冗余容錯(cuò)功能，可靠性高；系統(tǒng)配置和設(shè)備選型在具有先進(jìn)性的同時(shí)，具有向后兼容性。

圖1 SCADA系統(tǒng)布置圖

SCADA系統(tǒng)設(shè)有1#、2#及堰操作員站共3套，設(shè)有1臺站PLC、2臺機(jī)組PLC、3臺表孔門PLC、1臺堰PLC、1臺壓力鋼管閥PLC，共8套，均接入光纖以太環(huán)網(wǎng)。開關(guān)站、廠房分設(shè) SEL3332（SCADA RTU，主站）、SEL2032（從站）通信處理器，通信規(guī)約為DNP3.0。其中廠房、堰及隔離閥處各設(shè)備的控制、保護(hù)及運(yùn)行狀態(tài)等信息，均集中通過SEL2032送至SEL3332，再由SEL3332與電力系統(tǒng)（Vuda操作員站）進(jìn)行通信；由于設(shè)計(jì)選取的SEL3332與SEL2032為主從關(guān)系，電力系統(tǒng)下達(dá)的調(diào)度命令只能單向傳輸，即通過SEL3332傳送至SEL2032，再送至各PLC執(zhí)行相關(guān)操作，保證了調(diào)度的安全性。

2 HMI/IPC機(jī)控制權(quán)限

SCADA系統(tǒng)共在9處設(shè)有HMI/IPC，分別為1#、2#操作員站，1#、2#機(jī)組PLC盤，堰操作員站，開關(guān)站RTU盤，以及位于FEA辦公室、Vuda操作員站及SCADA控制中心。值班人員通常在FEA辦公室、Vuda操作員站、SCADA控制中心進(jìn)行監(jiān)控，并定期到廠房、開關(guān)站、堰等處進(jìn)行巡檢。

在1#、2#機(jī)組PLC盤及開關(guān)站RTU盤的HMI/ IPC上，只監(jiān)控各自范圍內(nèi)的受控設(shè)備。在Vuda操作員站可實(shí)現(xiàn)對廠房、開關(guān)站和堰各處全部設(shè)備的監(jiān)控。在廠房1#、2#操作員站、FEA辦公室的HMI/IPC機(jī)、堰操作員及SCADA控制中心均可監(jiān)視廠房、開關(guān)站和堰各處的設(shè)備，但其負(fù)責(zé)的控制對象不同；廠房1#、2#操作員站及FEA辦公室的HMI/IPC負(fù)責(zé)控制廠房和堰的設(shè)備，堰操作員負(fù)責(zé)控制堰內(nèi)的設(shè)備，SCADA控制中心負(fù)責(zé)控制開關(guān)站設(shè)備及廠房主變高壓側(cè)斷路器。所有的HMI數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一，畫面統(tǒng)一，采用Intouch工業(yè)控制組態(tài)軟件。為保證整個(gè)控制系統(tǒng)的安全，對不同的人設(shè)置了不同的權(quán)限，每一HMI均設(shè)有操作密碼，且高權(quán)限管理者可隨時(shí)更改。操作權(quán)限的發(fā)放、收回通過操作票完成，任何人只有獲得了操作票，才能在HMI上操作設(shè)備。在某一時(shí)間只允許一個(gè)人在一個(gè)HMI上登錄上網(wǎng)操作，且此人的權(quán)限、操作地點(diǎn)可以顯示在所有HMI上。

由于 SEL3332與 SEL2032的主 從關(guān) 系，SEL2032無法讀取SEL3332的相關(guān)信息，廠房1#、2#操作員站及堰操作員站監(jiān)視開關(guān)站設(shè)備的信息通道為：廠房MS20交換機(jī)—廠房CISCO網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)—開關(guān)站CISCO網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)—開關(guān)站RTU盤，F(xiàn)EA辦公室監(jiān)視開關(guān)站信息通道為：FEA辦公室網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)—廠房CISCO網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)—開關(guān)站CISCO網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)—開關(guān)站RTU盤，通信規(guī)約為Modbus。

3 各PLC功能特點(diǎn)

南德瑞瓦圖電站為無人值班電站，水庫容量小，汛期短時(shí)洪水量大，安全度汛要求高；同時(shí)，作為電網(wǎng)中的主力電站，既要保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、又要最大限度地利用水能，因此，本電站控制功能比較復(fù)雜。

3.1 機(jī)組PLC功能

機(jī)組運(yùn)行方式分為功率控制、水位控制、正常頻率控制及緊急頻率控制。其中功率控制通過調(diào)速器運(yùn)行在功率控制模式實(shí)現(xiàn)。水位控制通過站PLC統(tǒng)一控制，即：站PLC根據(jù)水庫水位變化按PID方式計(jì)算出機(jī)組功率給定值后，下發(fā)到機(jī)組PLC，再由機(jī)組PLC轉(zhuǎn)發(fā)給調(diào)速器，調(diào)速器按功率控制模式運(yùn)行。功率控制與水位控制的轉(zhuǎn)換由操作員下令實(shí)施，正常頻率控制模式的投、退由操作員下令或根據(jù)頻率變化自動(dòng)完成，緊急頻率控制模式由調(diào)速器根據(jù)頻率變化自動(dòng)投入，當(dāng)頻率恢復(fù)到一定值，自動(dòng)退回到正常頻率控制模式，再通過操作員下令，才能轉(zhuǎn)到功率控制或水位控制模式。

由于電站 “無人值班”，機(jī)組PLC正常開、停機(jī)過程中出現(xiàn)問題需跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的控制程序，不能等待人為處理。所以，SCADA系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)時(shí)，對正常開機(jī)過程中投調(diào)速器、投勵(lì)磁或同期時(shí)出現(xiàn)問題，則轉(zhuǎn)入正常停機(jī)流程。對正常停機(jī)過程中跳發(fā)電機(jī)出口或主變高壓側(cè)斷路器均不成功，則退出停機(jī)流程，不再繼續(xù)停機(jī)；如調(diào)速器出現(xiàn)問題，轉(zhuǎn)速不能降到90%，則關(guān)閉進(jìn)水閥；如其他任何步驟出現(xiàn)問題則報(bào)警，繼續(xù)進(jìn)行停機(jī)操作。

3.2 站PLC控制功能

站PLC主要控制功能包括：根據(jù)水庫水位自動(dòng)開、停機(jī)組，并完成2臺機(jī)組間的功率自動(dòng)分配；向機(jī)組PLC發(fā)出指令，以實(shí)現(xiàn)水位控制；監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組/閘門的聯(lián)合控制。

3.2.1 根據(jù)水庫水位自動(dòng)開機(jī)

當(dāng)庫水位到達(dá)529.5～529.8 m之間，若此時(shí)2臺機(jī)均處于停機(jī)狀態(tài)，則自動(dòng)開啟1臺機(jī)，運(yùn)行在水位控制方式，目標(biāo)水位529.5 m；經(jīng)一定時(shí)間后，如庫水位未達(dá)到目標(biāo)值，則再開啟第2臺機(jī)，第2臺機(jī)啟動(dòng)后仍自動(dòng)進(jìn)入水位模式。當(dāng)有1臺機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，無論其運(yùn)行在功率模式、水位模式還是正常頻率模式，若此時(shí)庫水位上升到529.5～529.8 m，則第2臺機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，以便將水位控制在529.5 m。當(dāng)?shù)?臺機(jī)啟動(dòng)時(shí)，如果第1臺機(jī)運(yùn)行在功率模式或水位模式，則第2臺機(jī)啟動(dòng)后自動(dòng)進(jìn)入水位模式；如果第1臺機(jī)運(yùn)行在頻率模式，則第2臺機(jī)啟動(dòng)后自動(dòng)進(jìn)入功率模式。

3.2.2 根據(jù)水庫水位自動(dòng)停機(jī)

當(dāng)庫水位大于530.5 m，停所有運(yùn)行的機(jī)組，關(guān)隔離閥，關(guān)快速門。當(dāng)庫水位降至517.5 m，由操作員選擇停機(jī)或進(jìn)入水位模式；如果選擇進(jìn)入水位模式，若水位繼續(xù)降到517.4 m，則自動(dòng)停1臺機(jī)，另1臺機(jī)可以繼續(xù)按原運(yùn)行方式運(yùn)行。如果水位繼續(xù)下降到515.7 m，由操作員選擇停機(jī)或進(jìn)入水位模式；如果選擇進(jìn)入水位模式，若水位繼續(xù)降到515.6 m，則停機(jī)。無論在水位模式、功率模式還是正常頻率模式，當(dāng)2臺機(jī)運(yùn)行，若流量小于7 m3/s，則停1臺機(jī)，只維持1臺機(jī)運(yùn)行。在水位模式下，若機(jī)組功率輸出小于0.7 MW，則停機(jī)。

3.2.3 功率自動(dòng)分配

當(dāng)電站總發(fā)電功率（如總功率30 MW）大于單臺機(jī)的額定功率時(shí)，首先第1臺機(jī)啟動(dòng)，并自動(dòng)加載到20 MW；短延時(shí)后，啟動(dòng)第2臺機(jī)，第2臺機(jī)首先帶2 MW，然后2臺機(jī)平均分配功率，即第1臺機(jī)減載，第2臺機(jī)加載，最后2臺機(jī)均按15 MW運(yùn)行。

3.2.4 水位控制

當(dāng)操作員下令進(jìn)入水位控制模式時(shí)，水位控制目標(biāo)值就是當(dāng)前的水位值，站PLC根據(jù)水位變化按PID方式計(jì)算出機(jī)組功率給定值，每計(jì)算周期30 s，如果計(jì)算值要求機(jī)組功率變化值小于5 MW，則30 s向機(jī)組下發(fā)一次新的功率給定值。如果計(jì)算出的輸出功率變化值大于5 MW，則每3 min向每臺機(jī)發(fā)出增加或減少5 MW令，分次下發(fā)。如果計(jì)算值大于單臺機(jī)的滿載功率，則按功率自動(dòng)分配的方式自動(dòng)開啟第2臺機(jī)組，并平均分配負(fù)荷。

3.2.5 機(jī)組/閘門聯(lián)合控制

當(dāng)表孔門開啟時(shí)，機(jī)組應(yīng)保持當(dāng)前控制方式下運(yùn)行，但此時(shí)如果機(jī)組運(yùn)行在水位模式下，則應(yīng)轉(zhuǎn)為功率模式，功率設(shè)定值為當(dāng)前值。當(dāng)表孔門關(guān)閉時(shí)，機(jī)組應(yīng)恢復(fù)到原有的控制模式，包括水位模式。

3.3 表孔門PLC功能

表孔弧門共3孔。每一表孔弧門設(shè)一PLC，各PLC均按2.5PID控制方式控制閘門的升、降、停，3孔門中第2孔門首先進(jìn)行升、降操作，然后再動(dòng)作第1、3孔門，每次步長為垂直位移30 cm。

3.5 PID的計(jì)算公式

P=（當(dāng)前水位值-設(shè)定水位值)×KP

D=(當(dāng)前水位值-上一次水位值)×KD/時(shí)間步長

I=(P+D)×KI×?xí)r間步長+上一次的I

通過I計(jì)算出下泄流量，進(jìn)而算出3孔門的總的角度，然后按門的動(dòng)作順序計(jì)算出各自門的設(shè)定開度值。為保證水位測量的準(zhǔn)確性，在水庫上游設(shè)有4個(gè)水位計(jì)用于表孔弧門控制，每一表孔弧門PLC及堰PLC均采集4個(gè)水位信號進(jìn)行加權(quán)平均，作為各自PLC控制用水位值。由于每一表孔弧門PLC都是各自計(jì)算，當(dāng)某孔閘門檢修或出現(xiàn)問題，其它2孔閘門仍按計(jì)算結(jié)果動(dòng)作閘門，最終控制庫水位達(dá)到目標(biāo)值。

當(dāng)庫水位上升到530.2 m時(shí)，為減小電機(jī)啟動(dòng)容量，3個(gè)表孔弧門自動(dòng)依次開啟，分別直接開啟到全開位置。當(dāng)庫水位在530.2～529.8 m、且閘門不在全開位，表孔弧門PLC自動(dòng)進(jìn)行閘門的升、降、?？刂啤．?dāng)庫水位在529.8~525 m、且閘門不在全關(guān)位，表孔弧門PLC自動(dòng)進(jìn)行閘門的升、降、停控制。當(dāng)庫水位小于525 m，閘門不在全關(guān)位，表孔弧門PLC只自動(dòng)進(jìn)行閘門的降、?？刂?，不進(jìn)行開啟操作。為減少下泄水流對閘門水封的沖擊，當(dāng)庫水位在530.2~525 m，且閘門淹沒度 （淹沒度是指閘門底部邊沿和上游水位之間的距離）大于0.7 m，表孔弧門PLC才按2.5PID進(jìn)行閘門的升、降、?？刂?；若淹沒度小于0.7 m，在上升過程中則閘門直接開至全開位，在下降過程中則停門。經(jīng)分析計(jì)算，采用2.5PID控制方式可有效控制閘門操作頻率，實(shí)現(xiàn)對庫水位的最優(yōu)控制。

李秀麗 女 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

國 棟 女 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

辛 紅 女 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

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