布桑加水电站计算机监控系统设计

廖栩沣 张超

【摘 要】计算机监控系统作为水电站的控制中枢，其设计方案直接影响水电站运行的安全性和可靠性。文章从计算机监控系统的主要功能、结构及配置等方面介绍了刚果（金）布桑加水电计算机监控系统的设计方案和设备配置，并对设计方案进行了总结，为类似项目提供设计借鉴。

【关键词】布桑加水电站;计算机监控系统;分层分布式;电厂控制级;现地控制级;紧急关阀控制箱

【中图分类号】TV736 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）03-0046-03

1 概述

布桑加水电站位于刚果民主共和国[简称刚果（金）]南部地区加丹加省科卢维奇市以北Lualaba河上，坝址位于Nzilo-Busanga峡谷出口上游约1.3 km处，是该峡谷河段规划4个梯级电站的最后一个梯级，其上游约22 km处为NSEKE水电站，电站距离加丹加省首府卢本巴西市约410 km，距离科卢维奇市约110 km。

布桑加水电站的主要任务是发电，电站枢纽建筑物由碾压混凝土拱坝、坝身泄洪系统、左岸引水系统及地面厂房等建筑物组成。电站总装机容量为240 MW（4×60 MW），多年平均发电量为13.31亿kW·h，是刚果（金）在建的最大基础设施项目，中国电建集团贵阳勘测设计研究院承担了项目的勘测设计工作。电站首台机组于2021年9月并网发电，其余3台机组分别于2021年10月、11月、12月并网发电。

电站安装有4台60 MW立轴混流式水轮发电机组，发电机和主变压器的组合方式采用“一机一变”单元接线，在发电机出口装设发电机出口专用断路器;电站220 kV侧设备采用SF6全封闭组合电器（GIS），接线方式为双母线接线，通过Ⅱ回220 kV架空线路接至RK变电站。

2 调度管理及控制方式

2.1 调度管理

布桑加水电站由刚果（金）南部电网调度中心调度管理，电站远动系统的设计方案为采用站内计算机监控系统通信工作站传送电站调度自动化信息至南部电网调度中心，并接收和执行其遥调、遥控命令，以实现调度端对电站运行状态的实时监控，远动通道采用专用光纤通道。

2.2 控制方式

电站采用计算机监控系统对全厂主要机电设备进行集中监视与控制。运行人员通过中控室内操作员工作站屏幕、键盘、鼠标等人机接口设备，由计算机监控系统完成全厂集中监控任务。

电站的控制调节方式分为电网调度中心级、中控室集中控制级及现地控制级。调控权限遵循现地控制级优先的原则，优先级别从高到低依次为现地控制级、中控室集中控制级、电网调度中心级。调控权限可通过各级的“现地/远方”切换开关或软功能键进行切换和闭锁。原则上，上一层可以要求下一层切换调控权，下一层应按上一层的要求切换调控权，只有当下一层的调控权切换到上一层，上一层才能进行控制和调节。

计算机监控系统能满足上述多种调控方式的要求。为了保证控制和调节的正确性、可靠性，操作步骤按“选择-确认-执行”的方式进行，并且每一步都有严格的软件校核、检错和安全闭锁逻辑功能，硬件方面也采取相应的防误措施。无论在哪种调控方式下，电站计算机监控系统均可将实时数据和运行参数等按各级要求上传至各级调控层。

2.3 监控范围

本电站监控系统的主要监控对象如下：？譹？訛4台水轮发电机组及其附属设备;？譺？訛4台主变压器及其附属设备;？譻？訛机组辅助及全厂公用系统设备;？譼？訛220 kV GIS及出线设备;？譽？訛厂用电系统设备;？譾？訛继电保护系统设备;？譿？訛直流及UPS电源设备;？讀？訛坝区工作闸门及大坝供电设备;？讁？訛通信系统设备。

3 计算机监控系统

3.1 计算机监控系统功能

电站采用计算机监控系统完成对全厂主要机电设备的集中监控任务，主要功能如下：？譹？訛数据采集与处理。自动实时采集电站各主要设备运行工况和参数的开关量、电量模拟量、非电量模拟量信号，对信号数据进行巡回检测、记录、计算、分析、越限报警和显示等。当发生事故时，可进行事件顺序记录及事故追忆。对重要的数据进行整理、归档，存入历史数据库。？譺？訛控制与调节。根据预定的决策原则、运行人员输入指令或上级调度中心调度指令，对电站主要机电设备进行控制与调节，包括机组的工况转换、机组辅助设备和公用设备的控制、斷路器/隔离开关分/合操作、机组及高压开关站断路器同步控制、工作闸门开/闭控制、转速/有功功率调节、电压/无功功率调节、自动发电控制及自动电压控制等。？譻？訛数据通信。实现与上级调度中心自动化系统的数据通信;实现与调速器、励磁系统、微机保护装置、机组辅助设备控制装置、公用设备控制装置、工作闸门控制装置、直流系统监控装置等的数据通信;实现与水情测报系统、大坝安全监测系统、继电保护及故障信息管理系统、电能计量系统、主设备在线监测系统、工业电视系统、火灾报警系统等的数据通信。？譼？訛时间同步。实现全厂所有自动装置的时间同步，包括计算机监控系统、继电保护及故障信息管理系统、电能计量系统、安全自动装置、调速系统、励磁系统、机组辅助设备及公用设备自动控制系统等的时间同步。？譽？訛运行管理及指导。根据运行管理要求，对电站主要设备的各类运行数据进行统计，包括运行时间、动作次数、事故或故障次数、工况转换等，提供电站设备维护和管理所需信息。提供正常操作指导、事故处理指导及其他必要的运行管理指导，包括机组开停机操作指导、倒闸操作指导、机组辅助设备操作指导等，提高电站安全运行水平。？譾？訛人机联系。通过计算机屏幕、键盘、鼠标、扬声器、打印机等人机接口设备，完成电站设备的运行状态监视、控制调节、定值和限值设置、文字或语音事故/故障报警等，并按运行管理需要，自动打印各类图表和文档。？譿？訛其他。具有系统自诊断与自恢复、培训仿真、系统维护及软件开发等功能。07B4C404-5269-4F25-8D20-61617A1618E3

3.2 计算机监控系统结构

计算机监控系统采用开放式分层分布式结构，设置电厂控制级（简称电厂级）和现地控制级，并在营地设置有分控中心。电厂级按功能分别设置不同的服务器及工作站负责全厂主要机电设备的集中监控任务，现地控制级按监控对象分散设置1～4号机组LCU、公用LCU、开关站LCU、坝区LCU，分别完成对4台水轮发电机组及机组附属设备、220 kV开关站设备、公用系统设备（包括油系统、气系统、水系统、通风系统、厂用电系统设备等）和坝区设备的监控任务。计算机监控系统网络采用交换式双星型工业以太局域网络，各节点上的计算机通过双星型以太网相互联结，采用TCP/IP网络传输协议，传输速率为1 000/ 100 Mbps。计算机监控系统结构如图1所示。

3.3 计算机监控系统配置

3.3.1 電厂控制级设备及网络设备

电厂控制级设备主要负责全厂主要机电设备的集中监控（包括数据采集与处理、数据记录与监视、事件顺序记录及事故追忆、控制与调节操作、AGC自动发电控制、AVC自动电压控制）、网络数据通信、系统时钟同步、系统自诊断及自恢复、电站维护管理及拟培训等，主要设备如下。

（1）数据服务器。配置2台机架式服务器，以硬件冗余热备方式工作，主备无扰切换，配有足够的通信接口。数据服务器负责电厂级高级应用软件（AGC、AVC等）的运行及实时数据的采集和处理，并兼做历史数据的存储、归档和检索，数据库生成及管理，运行管理文档的保存和检索等。

（2）操作员工作站。配置3台机架式工作站，其中厂房中控室2台、营地分控中心1台。操作员工作站作为人机接口，负责完成实时的安全运行监视、控制调节和参数设置等操作，但不允许修改或测试各种应用软件。

（3）工程师/培训工作站。配置1台机架式工作站，负责开发监控系统、编制和修改应用软件、建立系统数据库及远程诊断维护等工作，同时负责对运行操作人员进行各类控制操作、维护、软件开发和系统管理等方面的培训。

（4）调度通信工作站。配置2台机架式工作站，利用光纤通道上送上级调度中心所需的电站信息，满足上级调度中心对电站的数据通信和远方监控的要求。

（5）语音报警及ON-CALL工作站。配置1台机架式工作站作为全厂语音报警及短信寻呼（ON-CALL）系统工作站。负责完成电站语音/电话报警、电话查询、事故自动寻呼及手机短信报警，并兼做报表制作等工作。

（6）大屏幕显示系统。配置1套大屏幕显示系统，作为计算机监控系统、工业电视系统的展示平台。系统采用55寸液晶拼接屏，可将多路计算机信号、视频信号在大屏幕显示系统上进行动态综合显示。

（7）时钟同步系统。全厂设置1套GPS同步钟装置，时钟采用IRIG-B、串口报文、分秒脉冲、NTP等多种授时输出方式为计算机监控系统、励磁系统、继电保护系统、故障录波系统及直流系统设备等进行时间同步校正。

（8）网络设备。电站计算机监控系统局域网采用1 000/ 100 Mbps冗余星形光纤工业以太网络。全厂配置2台电厂级交换机和2台营地接入交换机，各现地控制单元配置冗余的现地级交换机。电厂级设备网络连接介质采用双绞线，现地控制级设备网络连接介质采用光纤。

3.3.2 现地控制级设备（LCU）

现地控制级设备（LCU）以高性能可编程控制器（PLC）为核心，触摸屏为人机接口，主要负责监控对象范围内有关机电设备的现地监控（包括数据采集与处理、数据记录与监视、事件顺序记录及事故追忆、控制与调节操作）及网络数据通信等。主PLC均配置冗余CPU、冗余电源模块、冗余网络模块。

每套现地控制级设备均具备独立运行能力，在脱离电厂控制级时能够独立完成其监控范围内相关设备的实时监视与控制任务，并带有其监控范围内的完整的数据库，实现全开放的分布式系统的分布式数据库管理。

（1）机组LCU（4套）。主要负责1～4号机组范围内设备的数据采集与处理、监视和控制，包括水轮发电机组及其附属设备、励磁系统及调速器设备、调速器油压装置、进水阀、发电机组中引出线设备、发电机电压设备、发电机出口开关等，控制操作主要包括机组正常开停机及同期并网、机组增减负荷、机组事故及紧急事故停机、机组辅助设备远方操作、进水阀远方开/闭、发电机出口断路器、隔离开关远方分合闸等。机组LCU设置有1套微机型单对象自动准同期装置、1套手动准同期装置，用于发电机出口断路器的自动准同期和手动准同期;设置有事故停机按钮及紧急事故停机按钮，动作按钮可直接启动主PLC及水机保护PLC事故停机流程或紧急事故停机流程;另设1套电源及信号均完全独立于LCU的水机保护PLC，当发生重大水机事故，如过速、轴瓦温度过高、事故低油压、按下事故停机按钮或紧急落门按钮等，或LCU冗余系统全部故障或工作电源全部失去时，水机保护PLC能直接动作机组事故停机或紧急事故停机。

（2）开关站LCU。监控对象主要包括4台主变压器及其附属设备、220 kV GIS、220 kV出线设备、220 kV系统保护设备等，控制操作主要包括220 kV断路器、隔离开关、主变中性点地刀、母线PT隔刀远方分合闸等。开关站LCU设置1套微机型多对象自动准同期装置，用于Ⅱ回220 kV线路、4台主变高压侧断路器的自动准同期。

（3）公用LCU。监控对象主要包括厂区高低压厂用电系统、中压及低压气系统、排水系统、全厂通风系统、厂区直流系统设备、尾水水位等，控制操作主要包括10 kV及400 kV断路器远方分合闸、水淹厂房逻辑判断等。

（4）坝区LCU。监控对象主要包括坝区高低压用电系统、表孔工作闸门、底孔工作闸门、库水位、进水口拦污栅差压、坝区柴油发电机、坝区直流系统设备等，控制操作主要包括坝区10 kV及400 kV断路器远方分合闸、表孔工作闸门及底孔工作闸门远方开/闭等。

3.3.3 紧急关阀控制箱

在厂房中控室及营地分控中心分别设置有1个紧急关阀控制箱，动作按钮以硬接线方式直接动作关闭进水阀，同时启动机组LCU主PLC及事故PLC紧急事故停机流程。

4 结束语

布桑加水电站计算机监控系统采用100/1 000 Mbps冗余星型工业以太网络结构，系统配置和设备选型符合计算机发展迅速的特点，充分利用计算机领域的先进技术，系统达到当前的先进水平。系统为全分布、全开放系统，既便于功能和硬件的扩充，又能充分保护应用资源;分布式数据库及软件采用模块化、结构化设计，使系统能适应功能的增加和规模的扩充，并能自诊断;人机接口界面友好、操作方便;系统平均故障间隔时间（MTBF）、平均修复时间（MTTR）及可利用率、实时性等指标均满足相关规程规范要求。

数据服务器、操作员工作站、调度通信工作站均采用冗余热备方式运行，各现地LCU的中央处理单元及工作电源等重要元件均按冗余配置，满足电站安全运行的要求。同时，配置有独立于机组LCU的水机保护专用PLC、事故停机按钮、紧急事故停机按钮及中控室紧急关阀控制箱等。计算机监控系统与各主要设备之间的接口配合良好，当机组投运时，计算机监控系统的主要功能便同步投入运行，为电站安全、稳定、可靠地运行奠定了坚实的基础。

参 考 文 献

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