布桑加水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖栩?yàn)? 張超

【摘 要】計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)作為水電站的控制中樞，其設(shè)計(jì)方案直接影響水電站運(yùn)行的安全性和可靠性。文章從計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能、結(jié)構(gòu)及配置等方面介紹了剛果（金）布桑加水電計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和設(shè)備配置，并對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了總結(jié)，為類似項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)借鑒。

【關(guān)鍵詞】布桑加水電站;計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng);分層分布式;電廠控制級;現(xiàn)地控制級;緊急關(guān)閥控制箱

【中圖分類號】TV736 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）03-0046-03

1 概述

布桑加水電站位于剛果民主共和國[簡稱剛果（金）]南部地區(qū)加丹加省科盧維奇市以北Lualaba河上，壩址位于Nzilo-Busanga峽谷出口上游約1.3 km處，是該峽谷河段規(guī)劃4個(gè)梯級電站的最后一個(gè)梯級，其上游約22 km處為NSEKE水電站，電站距離加丹加省首府盧本巴西市約410 km，距離科盧維奇市約110 km。

布桑加水電站的主要任務(wù)是發(fā)電，電站樞紐建筑物由碾壓混凝土拱壩、壩身泄洪系統(tǒng)、左岸引水系統(tǒng)及地面廠房等建筑物組成。電站總裝機(jī)容量為240 MW（4×60 MW），多年平均發(fā)電量為13.31億kW·h，是剛果（金）在建的最大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)了項(xiàng)目的勘測設(shè)計(jì)工作。電站首臺機(jī)組于2021年9月并網(wǎng)發(fā)電，其余3臺機(jī)組分別于2021年10月、11月、12月并網(wǎng)發(fā)電。

電站安裝有4臺60 MW立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)和主變壓器的組合方式采用“一機(jī)一變”單元接線，在發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口專用斷路器;電站220 kV側(cè)設(shè)備采用SF6全封閉組合電器（GIS），接線方式為雙母線接線，通過Ⅱ回220 kV架空線路接至RK變電站。

2 調(diào)度管理及控制方式

2.1 調(diào)度管理

布桑加水電站由剛果（金）南部電網(wǎng)調(diào)度中心調(diào)度管理，電站遠(yuǎn)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案為采用站內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信工作站傳送電站調(diào)度自動化信息至南部電網(wǎng)調(diào)度中心，并接收和執(zhí)行其遙調(diào)、遙控命令，以實(shí)現(xiàn)調(diào)度端對電站運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，遠(yuǎn)動通道采用專用光纖通道。

2.2 控制方式

電站采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對全廠主要機(jī)電設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視與控制。運(yùn)行人員通過中控室內(nèi)操作員工作站屏幕、鍵盤、鼠標(biāo)等人機(jī)接口設(shè)備，由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成全廠集中監(jiān)控任務(wù)。

電站的控制調(diào)節(jié)方式分為電網(wǎng)調(diào)度中心級、中控室集中控制級及現(xiàn)地控制級。調(diào)控權(quán)限遵循現(xiàn)地控制級優(yōu)先的原則，優(yōu)先級別從高到低依次為現(xiàn)地控制級、中控室集中控制級、電網(wǎng)調(diào)度中心級。調(diào)控權(quán)限可通過各級的“現(xiàn)地/遠(yuǎn)方”切換開關(guān)或軟功能鍵進(jìn)行切換和閉鎖。原則上，上一層可以要求下一層切換調(diào)控權(quán)，下一層應(yīng)按上一層的要求切換調(diào)控權(quán)，只有當(dāng)下一層的調(diào)控權(quán)切換到上一層，上一層才能進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能滿足上述多種調(diào)控方式的要求。為了保證控制和調(diào)節(jié)的正確性、可靠性，操作步驟按“選擇-確認(rèn)-執(zhí)行”的方式進(jìn)行，并且每一步都有嚴(yán)格的軟件校核、檢錯(cuò)和安全閉鎖邏輯功能，硬件方面也采取相應(yīng)的防誤措施。無論在哪種調(diào)控方式下，電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)均可將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和運(yùn)行參數(shù)等按各級要求上傳至各級調(diào)控層。

2.3 監(jiān)控范圍

本電站監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控對象如下：？譹？訛4臺水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備;？譺？訛4臺主變壓器及其附屬設(shè)備;？譻？訛機(jī)組輔助及全廠公用系統(tǒng)設(shè)備;？譼？訛220 kV GIS及出線設(shè)備;？譽(yù)？訛廠用電系統(tǒng)設(shè)備;？譾？訛繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備;？譿？訛直流及UPS電源設(shè)備;？讀？訛壩區(qū)工作閘門及大壩供電設(shè)備;？讁？訛通信系統(tǒng)設(shè)備。

3 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能

電站采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成對全廠主要機(jī)電設(shè)備的集中監(jiān)控任務(wù)，主要功能如下：？譹？訛數(shù)據(jù)采集與處理。自動實(shí)時(shí)采集電站各主要設(shè)備運(yùn)行工況和參數(shù)的開關(guān)量、電量模擬量、非電量模擬量信號，對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行巡回檢測、記錄、計(jì)算、分析、越限報(bào)警和顯示等。當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，可進(jìn)行事件順序記錄及事故追憶。對重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、歸檔，存入歷史數(shù)據(jù)庫。？譺？訛控制與調(diào)節(jié)。根據(jù)預(yù)定的決策原則、運(yùn)行人員輸入指令或上級調(diào)度中心調(diào)度指令，對電站主要機(jī)電設(shè)備進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)，包括機(jī)組的工況轉(zhuǎn)換、機(jī)組輔助設(shè)備和公用設(shè)備的控制、斷路器/隔離開關(guān)分/合操作、機(jī)組及高壓開關(guān)站斷路器同步控制、工作閘門開/閉控制、轉(zhuǎn)速/有功功率調(diào)節(jié)、電壓/無功功率調(diào)節(jié)、自動發(fā)電控制及自動電壓控制等。？譻？訛數(shù)據(jù)通信。實(shí)現(xiàn)與上級調(diào)度中心自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信;實(shí)現(xiàn)與調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)裝置、機(jī)組輔助設(shè)備控制裝置、公用設(shè)備控制裝置、工作閘門控制裝置、直流系統(tǒng)監(jiān)控裝置等的數(shù)據(jù)通信;實(shí)現(xiàn)與水情測報(bào)系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、繼電保護(hù)及故障信息管理系統(tǒng)、電能計(jì)量系統(tǒng)、主設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)通信。？譼？訛時(shí)間同步。實(shí)現(xiàn)全廠所有自動裝置的時(shí)間同步，包括計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護(hù)及故障信息管理系統(tǒng)、電能計(jì)量系統(tǒng)、安全自動裝置、調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、機(jī)組輔助設(shè)備及公用設(shè)備自動控制系統(tǒng)等的時(shí)間同步。？譽(yù)？訛運(yùn)行管理及指導(dǎo)。根據(jù)運(yùn)行管理要求，對電站主要設(shè)備的各類運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括運(yùn)行時(shí)間、動作次數(shù)、事故或故障次數(shù)、工況轉(zhuǎn)換等，提供電站設(shè)備維護(hù)和管理所需信息。提供正常操作指導(dǎo)、事故處理指導(dǎo)及其他必要的運(yùn)行管理指導(dǎo)，包括機(jī)組開停機(jī)操作指導(dǎo)、倒閘操作指導(dǎo)、機(jī)組輔助設(shè)備操作指導(dǎo)等，提高電站安全運(yùn)行水平。？譾？訛人機(jī)聯(lián)系。通過計(jì)算機(jī)屏幕、鍵盤、鼠標(biāo)、揚(yáng)聲器、打印機(jī)等人機(jī)接口設(shè)備，完成電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、控制調(diào)節(jié)、定值和限值設(shè)置、文字或語音事故/故障報(bào)警等，并按運(yùn)行管理需要，自動打印各類圖表和文檔。？譿？訛其他。具有系統(tǒng)自診斷與自恢復(fù)、培訓(xùn)仿真、系統(tǒng)維護(hù)及軟件開發(fā)等功能。07B4C404-5269-4F25-8D20-61617A1618E3

3.2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用開放式分層分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)置電廠控制級（簡稱電廠級）和現(xiàn)地控制級，并在營地設(shè)置有分控中心。電廠級按功能分別設(shè)置不同的服務(wù)器及工作站負(fù)責(zé)全廠主要機(jī)電設(shè)備的集中監(jiān)控任務(wù)，現(xiàn)地控制級按監(jiān)控對象分散設(shè)置1～4號機(jī)組LCU、公用LCU、開關(guān)站LCU、壩區(qū)LCU，分別完成對4臺水輪發(fā)電機(jī)組及機(jī)組附屬設(shè)備、220 kV開關(guān)站設(shè)備、公用系統(tǒng)設(shè)備（包括油系統(tǒng)、氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)設(shè)備等）和壩區(qū)設(shè)備的監(jiān)控任務(wù)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用交換式雙星型工業(yè)以太局域網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)上的計(jì)算機(jī)通過雙星型以太網(wǎng)相互聯(lián)結(jié)，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，傳輸速率為1 000/ 100 Mbps。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.3 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)配置

3.3.1 電廠控制級設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

電廠控制級設(shè)備主要負(fù)責(zé)全廠主要機(jī)電設(shè)備的集中監(jiān)控（包括數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)視、事件順序記錄及事故追憶、控制與調(diào)節(jié)操作、AGC自動發(fā)電控制、AVC自動電壓控制）、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)時(shí)鐘同步、系統(tǒng)自診斷及自恢復(fù)、電站維護(hù)管理及擬培訓(xùn)等，主要設(shè)備如下。

（1）數(shù)據(jù)服務(wù)器。配置2臺機(jī)架式服務(wù)器，以硬件冗余熱備方式工作，主備無擾切換，配有足夠的通信接口。數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)電廠級高級應(yīng)用軟件（AGC、AVC等）的運(yùn)行及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和處理，并兼做歷史數(shù)據(jù)的存儲、歸檔和檢索，數(shù)據(jù)庫生成及管理，運(yùn)行管理文檔的保存和檢索等。

（2）操作員工作站。配置3臺機(jī)架式工作站，其中廠房中控室2臺、營地分控中心1臺。操作員工作站作為人機(jī)接口，負(fù)責(zé)完成實(shí)時(shí)的安全運(yùn)行監(jiān)視、控制調(diào)節(jié)和參數(shù)設(shè)置等操作，但不允許修改或測試各種應(yīng)用軟件。

（3）工程師/培訓(xùn)工作站。配置1臺機(jī)架式工作站，負(fù)責(zé)開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)、編制和修改應(yīng)用軟件、建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及遠(yuǎn)程診斷維護(hù)等工作，同時(shí)負(fù)責(zé)對運(yùn)行操作人員進(jìn)行各類控制操作、維護(hù)、軟件開發(fā)和系統(tǒng)管理等方面的培訓(xùn)。

（4）調(diào)度通信工作站。配置2臺機(jī)架式工作站，利用光纖通道上送上級調(diào)度中心所需的電站信息，滿足上級調(diào)度中心對電站的數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)方監(jiān)控的要求。

（5）語音報(bào)警及ON-CALL工作站。配置1臺機(jī)架式工作站作為全廠語音報(bào)警及短信尋呼（ON-CALL）系統(tǒng)工作站。負(fù)責(zé)完成電站語音/電話報(bào)警、電話查詢、事故自動尋呼及手機(jī)短信報(bào)警，并兼做報(bào)表制作等工作。

（6）大屏幕顯示系統(tǒng)。配置1套大屏幕顯示系統(tǒng)，作為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)的展示平臺。系統(tǒng)采用55寸液晶拼接屏，可將多路計(jì)算機(jī)信號、視頻信號在大屏幕顯示系統(tǒng)上進(jìn)行動態(tài)綜合顯示。

（7）時(shí)鐘同步系統(tǒng)。全廠設(shè)置1套GPS同步鐘裝置，時(shí)鐘采用IRIG-B、串口報(bào)文、分秒脈沖、NTP等多種授時(shí)輸出方式為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、故障錄波系統(tǒng)及直流系統(tǒng)設(shè)備等進(jìn)行時(shí)間同步校正。

（8）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)局域網(wǎng)采用1 000/ 100 Mbps冗余星形光纖工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)。全廠配置2臺電廠級交換機(jī)和2臺營地接入交換機(jī)，各現(xiàn)地控制單元配置冗余的現(xiàn)地級交換機(jī)。電廠級設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接介質(zhì)采用雙絞線，現(xiàn)地控制級設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接介質(zhì)采用光纖。

3.3.2 現(xiàn)地控制級設(shè)備（LCU）

現(xiàn)地控制級設(shè)備（LCU）以高性能可編程控制器（PLC）為核心，觸摸屏為人機(jī)接口，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控對象范圍內(nèi)有關(guān)機(jī)電設(shè)備的現(xiàn)地監(jiān)控（包括數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)視、事件順序記錄及事故追憶、控制與調(diào)節(jié)操作）及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信等。主PLC均配置冗余CPU、冗余電源模塊、冗余網(wǎng)絡(luò)模塊。

每套現(xiàn)地控制級設(shè)備均具備獨(dú)立運(yùn)行能力，在脫離電廠控制級時(shí)能夠獨(dú)立完成其監(jiān)控范圍內(nèi)相關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制任務(wù)，并帶有其監(jiān)控范圍內(nèi)的完整的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)全開放的分布式系統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫管理。

（1）機(jī)組LCU（4套）。主要負(fù)責(zé)1～4號機(jī)組范圍內(nèi)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與處理、監(jiān)視和控制，包括水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備、勵磁系統(tǒng)及調(diào)速器設(shè)備、調(diào)速器油壓裝置、進(jìn)水閥、發(fā)電機(jī)組中引出線設(shè)備、發(fā)電機(jī)電壓設(shè)備、發(fā)電機(jī)出口開關(guān)等，控制操作主要包括機(jī)組正常開停機(jī)及同期并網(wǎng)、機(jī)組增減負(fù)荷、機(jī)組事故及緊急事故停機(jī)、機(jī)組輔助設(shè)備遠(yuǎn)方操作、進(jìn)水閥遠(yuǎn)方開/閉、發(fā)電機(jī)出口斷路器、隔離開關(guān)遠(yuǎn)方分合閘等。機(jī)組LCU設(shè)置有1套微機(jī)型單對象自動準(zhǔn)同期裝置、1套手動準(zhǔn)同期裝置，用于發(fā)電機(jī)出口斷路器的自動準(zhǔn)同期和手動準(zhǔn)同期;設(shè)置有事故停機(jī)按鈕及緊急事故停機(jī)按鈕，動作按鈕可直接啟動主PLC及水機(jī)保護(hù)PLC事故停機(jī)流程或緊急事故停機(jī)流程;另設(shè)1套電源及信號均完全獨(dú)立于LCU的水機(jī)保護(hù)PLC，當(dāng)發(fā)生重大水機(jī)事故，如過速、軸瓦溫度過高、事故低油壓、按下事故停機(jī)按鈕或緊急落門按鈕等，或LCU冗余系統(tǒng)全部故障或工作電源全部失去時(shí)，水機(jī)保護(hù)PLC能直接動作機(jī)組事故停機(jī)或緊急事故停機(jī)。

（2）開關(guān)站LCU。監(jiān)控對象主要包括4臺主變壓器及其附屬設(shè)備、220 kV GIS、220 kV出線設(shè)備、220 kV系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備等，控制操作主要包括220 kV斷路器、隔離開關(guān)、主變中性點(diǎn)地刀、母線PT隔刀遠(yuǎn)方分合閘等。開關(guān)站LCU設(shè)置1套微機(jī)型多對象自動準(zhǔn)同期裝置，用于Ⅱ回220 kV線路、4臺主變高壓側(cè)斷路器的自動準(zhǔn)同期。

（3）公用LCU。監(jiān)控對象主要包括廠區(qū)高低壓廠用電系統(tǒng)、中壓及低壓氣系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、全廠通風(fēng)系統(tǒng)、廠區(qū)直流系統(tǒng)設(shè)備、尾水水位等，控制操作主要包括10 kV及400 kV斷路器遠(yuǎn)方分合閘、水淹廠房邏輯判斷等。

（4）壩區(qū)LCU。監(jiān)控對象主要包括壩區(qū)高低壓用電系統(tǒng)、表孔工作閘門、底孔工作閘門、庫水位、進(jìn)水口攔污柵差壓、壩區(qū)柴油發(fā)電機(jī)、壩區(qū)直流系統(tǒng)設(shè)備等，控制操作主要包括壩區(qū)10 kV及400 kV斷路器遠(yuǎn)方分合閘、表孔工作閘門及底孔工作閘門遠(yuǎn)方開/閉等。

3.3.3 緊急關(guān)閥控制箱

在廠房中控室及營地分控中心分別設(shè)置有1個(gè)緊急關(guān)閥控制箱，動作按鈕以硬接線方式直接動作關(guān)閉進(jìn)水閥，同時(shí)啟動機(jī)組LCU主PLC及事故PLC緊急事故停機(jī)流程。

4 結(jié)束語

布桑加水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用100/1 000 Mbps冗余星型工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置和設(shè)備選型符合計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速的特點(diǎn)，充分利用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)達(dá)到當(dāng)前的先進(jìn)水平。系統(tǒng)為全分布、全開放系統(tǒng)，既便于功能和硬件的擴(kuò)充，又能充分保護(hù)應(yīng)用資源;分布式數(shù)據(jù)庫及軟件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴(kuò)充，并能自診斷;人機(jī)接口界面友好、操作方便;系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間（MTBF）、平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）及可利用率、實(shí)時(shí)性等指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求。

數(shù)據(jù)服務(wù)器、操作員工作站、調(diào)度通信工作站均采用冗余熱備方式運(yùn)行，各現(xiàn)地LCU的中央處理單元及工作電源等重要元件均按冗余配置，滿足電站安全運(yùn)行的要求。同時(shí)，配置有獨(dú)立于機(jī)組LCU的水機(jī)保護(hù)專用PLC、事故停機(jī)按鈕、緊急事故停機(jī)按鈕及中控室緊急關(guān)閥控制箱等。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與各主要設(shè)備之間的接口配合良好，當(dāng)機(jī)組投運(yùn)時(shí)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能便同步投入運(yùn)行，為電站安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]DL/T 5065，水力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]DL/T 578，水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件[S].

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