关于抽水蓄能电站监控系统LCU设计研究

关于抽水蓄能电站监控系统 LCU设计研究

周怡伶 张冰冰 庞新

华东宜兴抽水蓄能有限公司 江苏 宜兴市 214205

摘要：介绍了某抽水蓄能电站计算机监控系统现地控制单元(LCU）回路的电源、网络结构、水机回路等设计。此设计满足了某抽水蓄能电站对电站安全、高效的生产要求，为抽水蓄能电站监控系统国产化奠定了坚实的基础，同时为国内大型抽水蓄能电站监控系统的设计提供参考。

关键词：抽水蓄能；电站；监控系统；LCU；设计

0引言

抽水蓄能电站在电力系统中主要承担“削峰填谷”作用，随着国内大型火电厂特别是核电站在电网中所占的比重越来越大，助力实现“碳达峰”“碳中和”的目标，兴建大规模抽水蓄能电站是现代电网的必然要求。国内近几十年来兴建了一批大型抽水蓄能电站，但这些电站的计算机监控系统基本是从国外进口。为了打破国外的技术壁垒，降低抽水蓄能电站的建设投资，提高抽水蓄能电站运行维护和服务水平，充分发挥抽水蓄能电站对电网安全运行的作用，必须实现大型抽水蓄能电站计算机监控系统的国产化。本文着重介绍某抽水蓄能电站监控系统现地控制单元(LCU）的回路设计。

1电站的组成和设备布置

某抽水蓄能电站总装机容量1000MW，电站工程由上水库、下水库、输水系统、地下厂房、地面开关站和中控楼等组成。

输水系统按发电流向由引水系统和尾水系统两大部分组成。引水系统由上水库进出水口、引水隧洞和压力钢管组成，采用“二洞四机”的布置方式。尾水系统由尾水隧洞、尾水调压井和下水库进出水口组成，采用“一洞四机”的布置方式。每台机组的尾水支管上均设有事故检修闸门。

地下厂房由主副厂房、主变洞、母线洞、尾闸洞和高压电缆井等洞室组成，厂内装设4台单机容量为250MW的可逆式水泵水轮机—发电电动机组。

电站主接线采用发变组单元接线，发电电动机与主变压器间接有换相闸刀和发电机出口断路器。发电电动机工况转换时的换相和机组并入系统的同期均在主变低压侧进行。发变组采用一机一变接线方式，500kV侧采用内桥接线方式，电站以两回线路接入500kV变电站。

水泵水轮机—发电电动机组及其附属设备布置在主厂房内。其中，机组和主变保护柜、LCU控制柜、调速器电气柜和励磁控制柜等布置在发电机层（地面一层）；发电机主引出线、中性点设备、机械刹车控制柜和调速器及其油压装置等布置在中间层(地下一层）；进水阀控制柜及其油压装置、技术供水控制柜和调相压水系统柜等布置在水轮机层(地下二层）；进水阀、机组技术供水系统设备、蜗壳和锥管等布置在蜗壳层(地下三层）。

连接发电电动机和主变压器的主回路离相封闭母线及其分支、电压互感器柜、发电机出口断路器、换相闸刀、电气制动开关柜、励磁变压器柜、启动回路隔离开关等布置在母线洞内。

主变压器和变频启动装置及其附属设备布置在主变洞内。其中:主变压器、启动回路电抗器、断路器、起动回路离相封闭母线等布置在主变层（地面一层）；500kV地下气体隔离开关(GIS）、变频启动装置及其附属设备等布置在地下GIS层（地面二层）。

2计算机监控系统现地控制单元(LCU）

监控系统LCU共9套，其中:机组4套(LCU1~LCU4），机组公用设备(LCU5）、全厂公用设备(LCU6）、500kV开关站(LCU7）、上水库(LCU8）、下水库及中控楼(LCU9）各1套。LCU采用微机监控装置，核心部件为智能可编程逻辑控制器(PLC），采用双机热备、直接联网方式，具有较高的系统运行可靠性。PLC远程输入/输出(I/O）采用冗余通信方式，具有较高的系统运行安全性。LCU采用研华工控机作为现地人机接口，各LCU间采用100Mbit/s及以上冗余双网连接。

LCU主要完成对被监控设备的就地数据采集及监控功能，由控制器、通信卡、输入/输出接口模块及相应软件组成。LCU回路的设计应保证当其与电站控制级系统脱离后仍然能在现地实现对有关设备的监视和控制功能，当其与电站控制级恢复联系后又能自动地服从电站控制级系统的控制和管理。

某抽水蓄能电站的主要作用是为电网承担调峰、填谷、调频、调相和事故备用任务，所以某抽水蓄能电站监控系统LCU的设计必须遵循安全可靠的原则。同时，随着计算机技术的飞速发展，电站LCU的设计较以前更加人性化、自动化且便于操作，只有这样才能真正减少维护人员的工作量，为电站带来更大的效益。

3LCU电源回路设计

(1) LCU的外部供电

以机组LCU为例，其外部供电接线电站提供如下电源:3路交流220V电源和3路直流220V电源。其中:2路交流220V电源和2路直流220V电源供给柜内的电源模块，分别将电源转换成24V和48V直流电源供控制系统模件使用；1路交流220V电源供给柜内辅助设备(照明、风扇和门控），1路直流220V电源供给水机保护电源。电源引入回路首先经过小型断路器，该小型断路器布置在与控制柜相邻的配电柜内。

(2)LCU主要设备采用冗余供电模式

PLC作为LCU的核心部件，其CPU采用直流24V冗余供电模式，由柜内4个独立的电源模块（输入为2个直流220V，2个交流220V，输出为直流24V）经过电源分配器供电。

4LCU网络结构设计

LCU间通过冗余双环网连接，网络主要设备选用高可靠性工业级以太网交换机。采用了环网结构，当网络上的任何一个节点断开，由于环网的自愈功能，仍可以进行正常的数据采集和数据交换。即使一条链路的多个节点出现故障，仍可以无扰动地切换到另一条链路上，确保了系统的通信安全。

5LCU与外部控制设备的连接

(1)机组LCU与外部设备的连接为水泵水轮机、发电电动机、水机保护系统、励磁、交流采样装置、主变和机组400V自用盘信号、电调系统等。

(2)机组公用LCU与外部设备的连接为中低压气系统、检修排水系统、水淹厂房系统、400V公用配电系统和地下厂房220V 直流系统。

(3)全厂公用LCU与外部设备的连接为静止变频器、地下500KV GIS系统、400V照明配电系统、400V保安配电系统和400V主变洞公用配电系统等。

(4)500kV开关站LCU与外部设备的连接为500kV开关设备、500kV母线、线路保护、220V直流电源装置、400V开关站配电系统、柴油发电机等。

(5)上水库LCU与外部设备的连接为上库水位测量系统、上库闸门系统、400V上库配电系统和上库直流系统的数据采集及控制等。

6结束语

(1)紧急停机开入信号动作后，主PLC与紧急停机PLC同时执行紧急停机流程，使机组迅速可靠停机，紧急停机PLC在紧急停机流程中不执行电制动流程。

(2)主PLC死机通过2个继电器开出至紧急停机PLC，为提高可靠性，2个继电器来自2个不同的开出模件，当紧急停机PLC监视到主PLC死机后则启动紧急停机流程。

(3)主PLC执行事故停机时通过一路继电器开出至紧急停机PLC，信号为常开信号。另外，从该继电器接一对常开接点信号至主PLC用于监视继电器工作状况，主PLC执行事故停机时常闭接点接通，当紧急停机PLC监视到有事故停机总信号但主PLC未启动事故停机流程时，启动紧急停机流程。

参考文献

[1]彭煜民，吴云峰.本质安全型抽水蓄能电站计算机监控系统设计探讨[J].信息技术与网络安全，2018，37(03）:11-14.

[2]周旭磊.抽水蓄能电站计算机监控系统的设计与实现[D].厦门大学，2017.