李秀丽 国 栋 辛 红

斐济南德瑞瓦图水电站SCADA系统特点

李秀丽 国 栋 辛 红

斐济南德瑞瓦图水电站按 “无人值班”原则设计，利用水库（堰坝）闸门和电站机组联合自动控制库水位，其SCADA系统在硬件及功能设计上均存在特殊性。

SCADA系统 无人值班 机组/闸门联合控制水位 2.5PID控制

南德瑞瓦图水电站工程位于斐济VitiLevu岛中南部，电站按 “无人值班”原则设计，正常运行时值班人员在FEA办公室或位于本电站送出线路对端之一的VUDA变电站对本电站进行监控。工程主要由拦河 （堰）坝、输水系统、电站厂房、132 kV开关站和送出线路组成。拦河坝上设有3孔溢洪道，安装3个弧形表孔门。电站取水口位于坝的右岸，设有检修门和事故快速门。输水系统包括引水隧洞、调压井、压力管道，隧洞出口装有压力钢管保护阀，压力管道出口设分岔管，分别为2台机组供水，每台机蜗壳进口设有主阀。电站装设2台单机容量为22 MW的立轴五喷嘴冲击式水轮发电机组，发电机与变压器采用单元接线，电站以两回132 kV出线∏接至已有132 kV开关站（VUDA、WAILOA）。

1 SCADA系统结构特点

南德瑞瓦图水电站按 “无人值班”原则设计，SCADA系统选用开放式、全分布系统结构（详见图1）。各工作站（HMI/IPC）在网络中处于平等地位，单一HMI/IPC故障只涉及局部功能，各PLC均能脱离HMI/IPC独立运行。系统具有冗余容错功能，可靠性高；系统配置和设备选型在具有先进性的同时，具有向后兼容性。

图1 SCADA系统布置图

SCADA系统设有1#、2#及堰操作员站共3套，设有1台站PLC、2台机组PLC、3台表孔门PLC、1台堰PLC、1台压力钢管阀PLC，共8套，均接入光纤以太环网。开关站、厂房分设 SEL3332（SCADA RTU，主站）、SEL2032（从站）通信处理器，通信规约为DNP3.0。其中厂房、堰及隔离阀处各设备的控制、保护及运行状态等信息，均集中通过SEL2032送至SEL3332，再由SEL3332与电力系统（Vuda操作员站）进行通信；由于设计选取的SEL3332与SEL2032为主从关系，电力系统下达的调度命令只能单向传输，即通过SEL3332传送至SEL2032，再送至各PLC执行相关操作，保证了调度的安全性。

2 HMI/IPC机控制权限

SCADA系统共在9处设有HMI/IPC，分别为1#、2#操作员站，1#、2#机组PLC盘，堰操作员站，开关站RTU盘，以及位于FEA办公室、Vuda操作员站及SCADA控制中心。值班人员通常在FEA办公室、Vuda操作员站、SCADA控制中心进行监控，并定期到厂房、开关站、堰等处进行巡检。

在1#、2#机组PLC盘及开关站RTU盘的HMI/ IPC上，只监控各自范围内的受控设备。在Vuda操作员站可实现对厂房、开关站和堰各处全部设备的监控。在厂房1#、2#操作员站、FEA办公室的HMI/IPC机、堰操作员及SCADA控制中心均可监视厂房、开关站和堰各处的设备，但其负责的控制对象不同；厂房1#、2#操作员站及FEA办公室的HMI/IPC负责控制厂房和堰的设备，堰操作员负责控制堰内的设备，SCADA控制中心负责控制开关站设备及厂房主变高压侧断路器。所有的HMI数据库统一，画面统一，采用Intouch工业控制组态软件。为保证整个控制系统的安全，对不同的人设置了不同的权限，每一HMI均设有操作密码，且高权限管理者可随时更改。操作权限的发放、收回通过操作票完成，任何人只有获得了操作票，才能在HMI上操作设备。在某一时间只允许一个人在一个HMI上登录上网操作，且此人的权限、操作地点可以显示在所有HMI上。

由于 SEL3332与 SEL2032的主 从关 系，SEL2032无法读取SEL3332的相关信息，厂房1#、2#操作员站及堰操作员站监视开关站设备的信息通道为：厂房MS20交换机—厂房CISCO网络交换机—开关站CISCO网络交换机—开关站RTU盘，FEA办公室监视开关站信息通道为：FEA办公室网络交换机—厂房CISCO网络交换机—开关站CISCO网络交换机—开关站RTU盘，通信规约为Modbus。

3 各PLC功能特点

南德瑞瓦图电站为无人值班电站，水库容量小，汛期短时洪水量大，安全度汛要求高；同时，作为电网中的主力电站，既要保证电网稳定运行、又要最大限度地利用水能，因此，本电站控制功能比较复杂。

3.1 机组PLC功能

机组运行方式分为功率控制、水位控制、正常频率控制及紧急频率控制。其中功率控制通过调速器运行在功率控制模式实现。水位控制通过站PLC统一控制，即：站PLC根据水库水位变化按PID方式计算出机组功率给定值后，下发到机组PLC，再由机组PLC转发给调速器，调速器按功率控制模式运行。功率控制与水位控制的转换由操作员下令实施，正常频率控制模式的投、退由操作员下令或根据频率变化自动完成，紧急频率控制模式由调速器根据频率变化自动投入，当频率恢复到一定值，自动退回到正常频率控制模式，再通过操作员下令，才能转到功率控制或水位控制模式。

由于电站 “无人值班”，机组PLC正常开、停机过程中出现问题需跳转到相应的控制程序，不能等待人为处理。所以，SCADA系统功能设计时，对正常开机过程中投调速器、投励磁或同期时出现问题，则转入正常停机流程。对正常停机过程中跳发电机出口或主变高压侧断路器均不成功，则退出停机流程，不再继续停机；如调速器出现问题，转速不能降到90%，则关闭进水阀；如其他任何步骤出现问题则报警，继续进行停机操作。

3.2 站PLC控制功能

站PLC主要控制功能包括：根据水库水位自动开、停机组，并完成2台机组间的功率自动分配；向机组PLC发出指令，以实现水位控制；监控机组的运行模式转换，以实现机组/闸门的联合控制。

3.2.1 根据水库水位自动开机

当库水位到达529.5～529.8 m之间，若此时2台机均处于停机状态，则自动开启1台机，运行在水位控制方式，目标水位529.5 m；经一定时间后，如库水位未达到目标值，则再开启第2台机，第2台机启动后仍自动进入水位模式。当有1台机处于运行状态时，无论其运行在功率模式、水位模式还是正常频率模式，若此时库水位上升到529.5～529.8 m，则第2台机自动启动，以便将水位控制在529.5 m。当第2台机启动时，如果第1台机运行在功率模式或水位模式，则第2台机启动后自动进入水位模式；如果第1台机运行在频率模式，则第2台机启动后自动进入功率模式。

3.2.2 根据水库水位自动停机

当库水位大于530.5 m，停所有运行的机组，关隔离阀，关快速门。当库水位降至517.5 m，由操作员选择停机或进入水位模式；如果选择进入水位模式，若水位继续降到517.4 m，则自动停1台机，另1台机可以继续按原运行方式运行。如果水位继续下降到515.7 m，由操作员选择停机或进入水位模式；如果选择进入水位模式，若水位继续降到515.6 m，则停机。无论在水位模式、功率模式还是正常频率模式，当2台机运行，若流量小于7 m3/s，则停1台机，只维持1台机运行。在水位模式下，若机组功率输出小于0.7 MW，则停机。

3.2.3 功率自动分配

当电站总发电功率（如总功率30 MW）大于单台机的额定功率时，首先第1台机启动，并自动加载到20 MW；短延时后，启动第2台机，第2台机首先带2 MW，然后2台机平均分配功率，即第1台机减载，第2台机加载，最后2台机均按15 MW运行。

3.2.4 水位控制

当操作员下令进入水位控制模式时，水位控制目标值就是当前的水位值，站PLC根据水位变化按PID方式计算出机组功率给定值，每计算周期30 s，如果计算值要求机组功率变化值小于5 MW，则30 s向机组下发一次新的功率给定值。如果计算出的输出功率变化值大于5 MW，则每3 min向每台机发出增加或减少5 MW令，分次下发。如果计算值大于单台机的满载功率，则按功率自动分配的方式自动开启第2台机组，并平均分配负荷。

3.2.5 机组/闸门联合控制

当表孔门开启时，机组应保持当前控制方式下运行，但此时如果机组运行在水位模式下，则应转为功率模式，功率设定值为当前值。当表孔门关闭时，机组应恢复到原有的控制模式，包括水位模式。

3.3 表孔门PLC功能

表孔弧门共3孔。每一表孔弧门设一PLC，各PLC均按2.5PID控制方式控制闸门的升、降、停，3孔门中第2孔门首先进行升、降操作，然后再动作第1、3孔门，每次步长为垂直位移30 cm。

3.5 PID的计算公式

P=（当前水位值-设定水位值)×KP

D=(当前水位值-上一次水位值)×KD/时间步长

I=(P+D)×KI×时间步长+上一次的I

通过I计算出下泄流量，进而算出3孔门的总的角度，然后按门的动作顺序计算出各自门的设定开度值。为保证水位测量的准确性，在水库上游设有4个水位计用于表孔弧门控制，每一表孔弧门PLC及堰PLC均采集4个水位信号进行加权平均，作为各自PLC控制用水位值。由于每一表孔弧门PLC都是各自计算，当某孔闸门检修或出现问题，其它2孔闸门仍按计算结果动作闸门，最终控制库水位达到目标值。

当库水位上升到530.2 m时，为减小电机启动容量，3个表孔弧门自动依次开启，分别直接开启到全开位置。当库水位在530.2～529.8 m、且闸门不在全开位，表孔弧门PLC自动进行闸门的升、降、停控制。当库水位在529.8~525 m、且闸门不在全关位，表孔弧门PLC自动进行闸门的升、降、停控制。当库水位小于525 m，闸门不在全关位，表孔弧门PLC只自动进行闸门的降、停控制，不进行开启操作。为减少下泄水流对闸门水封的冲击，当库水位在530.2~525 m，且闸门淹没度 （淹没度是指闸门底部边沿和上游水位之间的距离）大于0.7 m，表孔弧门PLC才按2.5PID进行闸门的升、降、停控制；若淹没度小于0.7 m，在上升过程中则闸门直接开至全开位，在下降过程中则停门。经分析计算，采用2.5PID控制方式可有效控制闸门操作频率，实现对库水位的最优控制。

李秀丽 女 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

国 栋 女 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

辛 红 女 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

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