杨 涛

（安徽省响洪甸蓄能发电有限责任公司，安徽省六安市 237335）

基于XDPS-400分散控制系统在响洪甸抽水蓄能电站的应用

杨 涛

（安徽省响洪甸蓄能发电有限责任公司，安徽省六安市 237335）

主要介绍了XPDS-400分散控制系统的技术特点、技术指标；结合在响洪甸抽水蓄能电站的首次应用，重点分析了该计算机监控系统在实现机组背靠背启动的独特控制方式，为国产DCS系统广泛应用在新建大容量抽水蓄能机组上提供了可行性。

XPDS-400；计算机监控系统；背靠背

0 引言

分散控制系统（Distribiuted Control System，DCS）是20世纪70年代中期推出的一种计算机综合型控制系统。系统设计采用了先进的大系统理论和四C（Computer Commiunication CRT Control）技术。上海新华公司自主研发的XDPS（xinhua distribiuted processing system）系统将独立控制系统、分散控制系统DCS、监控和数据采集系统SCADA融为一体，完成实时数据采集、过程控制、高级控制、过程监视、报警检测等操作。响洪甸抽水蓄能电站针对原计算机监控系统存在的问题，2004年将原NARI监控系统改造为上海新华公司的XDPS-400系统，该系统采用分层分布设计、应用最先进的计算机网络通信和控制技术，集测量、控制、通信和管理等功能于一体，系统组态灵活、功能齐全、结构简单可靠、具有很强的可扩展性和兼容性。

1 XDPS-400分散控制系统技术特点

XDPS 系列的最大特点是系统的开放性，硬件、软件与通信都采用了国际标准或主流工业产品，构成开放的工业控制系统。

硬件——硬件跟随计算机发展潮流。人机接口（MMI）采用标准工业PC机，分布处理单元DPU采用标准工业PC总线结构。

软件——Windows系统软件，以及基于Windows实时多任务操作系统RMX-X。方便直观的符合IEC-1131-3的DPU图形组态软件、图形显示、报表、控制、记录统计的生成工具软件。

通信——采用成熟的计算机网络通信技术，构成高速的冗余实时数据网，符合IEEE802.3标准，通信速率10Mbps/100Mbps。

显示——高分辨率显示，分辨率1280×1024或1600×1200，窗口显示及三维空间的显示画面。

一体化——通过以太网（Ethernet）与其他信息网络联接，从工业生产过程控制、测量、生产管理信息一体化。

汉化——全汉化显示、支持中英文显示界面。

网络——实时数据网（A网、B网）冗余网络，传递实时数据，支持1～250个网络节点。信息数据网（C网）实现数据库文件与打印共享，传递系统非实时性文件信息。

容量——分布实时数据库，对网上各节点透明，全局数据容量达6400点模拟量，64000点开关量。

实时性——1s内可更新所有全局点，1s内调出任何图形显示，50ms的控制周期。

灵活——除可接上海新华公司的I/O模块外，通过标准的通信协议（如DNP3.0、Modbus、SC1801等），还可接其他常用的I/O系统、各种PLC、厂级MIS和其他控制系统。

发展——硬件与软件跟随国际工业主流产品同步发展。

功能——集过程控制、顺序控制、数据监视和记录于一体。

可靠性——系统经可靠性设计，采用冗余技术，容错技术，双路电源供电，保证系统MTBF≥150000h。

备件——标准化与系列化，备件种类大大减少。

维护——通道级的自诊断程序，CRT自动报警与显示，可实现快速带电更换，MTTR＜5min。

接地——系统要求单独接地，接地电阻≤2.5Ω。

2 XDPS-400分散控制系统技术指标

技术指标一览如表1所示。

表1 技术指标一览

序号指标具体指标一览5容量全局实时数据库容量：6400点模拟点，64000点开关点；历史数据库容量：16000点，典型 3个月，最长可无限；实时画面数量：无限；每幅画面动态刷新点数量：无限；系统网络节点数量，总数250个：工程师站（ENG）／操作员站（MMI）：40个；分布式处理单元（DPU）：80个；报表：基于Excel，数量与容量没有6系统负荷率操作员站（MMI）：＜40%；分布式处理单元（DPU）：＜40%；系统网络：＜30%7可靠性措施冗余电源；冗余分布式处理单元（DPU）；冗余系统网络；冗余I/O模块；带电更换扳件；模出保持（系统不失电）；系统可靠性评价：系统平均无故障工作时间（MTBF）和可用率：系统MTBF不低于150000h；系统可用率不低于99.95%

3 响洪甸抽水蓄能电站计算机监控系统配置

响洪甸抽水蓄能电站于2004年将原有NARI监控系统改造为上海新华公司XDPS-400计算机监控系统，XDPS-400主要由分布式处理单元DPU、人机操作接口站MMI、前置I/O采集系统、直流开关电源模块以及网络系统组成。DPU采用标准工业PC总线结构；人机接口站采用标准工业PC机；实时数据网具备A、B双网冗余，符合IEEE802.3标准，通过以太网与其他信息网络联接；每个机构具备双处理单元，双路电源供电；硬件采用国际标准或主流工业产品。

3.1 结构配置

控制柜配置如表2所示，I/O卡件配置如表3所示。

表2 控制柜配置

表3 I/O卡件配置

3.2 网络拓扑配置

监控拓扑如图1所示。

图1 响洪甸抽水蓄能电站监控拓扑图

4 响洪甸抽水蓄能电站背靠背启动工况流程的研究

响洪甸抽水蓄能电站装机为2台（5号机组、6号机组）单机容量为40MW/55MW可逆式水泵水轮机，发电机出口母线电压为10.5kV，变压器组单元接线，通过升压后变为220kV，单出线接入崔庄变电站，响洪甸抽水蓄能电站共有23种运行工况，接入系统在线运行的有10种，即发电工况、发电调相工况、高转速水泵工况（SFC/BTB）、低转速水泵工况（SFC/BTB）、高转速水泵调相工况（SFC/BTB）、低转速水泵工况（SFC/BTB），主要以背靠背这一典型工况流程来介绍XPDS-400的独特控制方式，响洪甸抽水蓄能电站电气主接线如图2所示。

4.1 背靠背流程

4.1.1 工况过程

图2 响洪甸抽水蓄能电站电气主接线图

监控流程实现：其中以6号机组对拖5号机组为例，通过5号机组启动方式9—机组静止到水泵工况（BTB）开始背靠背启动，机组拖动启动过程中，主流程调用的子程序较多，涉及到机组停机到水泵调相（BTB）、机组水泵调相到水泵工况、机组停机到启动对拖发电机、机组启动对拖发电机到停机。

（1）机组停机到水泵调相（BTB）阶段。

第一步：状态预置、电气设备操作、辅助设备操作1。

操作：选择5号机组同期装置，置5号机组高转速工况、合5-1DL、合5-3DL、合5-4DL、合52DL、 合45DL、投高压减载油泵、打开主轴密封水电磁阀、打开主用冷却水电磁阀、关闭停机密封供气电磁阀、释放制动风闸。

反馈：5-1DL在合位、 5-3DL在合位、5-4DL在合位、52DL在合位、 45DL在合位、主轴密封冷却水投入、高压减载油泵投入、制动风闸退出。

第二步：置励磁、压气系统。

操作：置励磁为高转速水泵工况、打开转轮室压水充气电磁阀、打开转轮室压水保气电磁阀、打开消水环管密封电磁阀。

反馈：5号机组灭磁开关合位置、转轮室压气水位为转轮下1.4M、消水环管密封电磁阀投入。

第三步：同期装置启动。

操作：同期装置发令合5DL。

反馈：出口开关5DL在合位。

第四步：辅助设备操作2。

操作：分45DL、退高压减载油泵、打开主轴密封水电磁阀、打开转轮室压水充气电磁阀、关闭转轮室压水保气电磁阀。

反馈：机组转速大于或等于95%额定转速、45DL在分位、高压减载油泵退出，励磁系统无故障、水泵调相工况保护投入。

（2）机组水泵调相到水泵工况阶段。

第一步：辅助设备操作1。

操作：退调速器接力器锁锭、打开蝴蝶阀。

反馈：蝴蝶阀全开、调速器接力器锁锭拔出、导叶在全关位置。

第二步：辅助设备操作2。

操作：打开转轮室压水排气电磁阀、打开转轮室均压排气电磁阀、关闭转轮室压水充气电磁阀、关闭转轮室压水保气电磁阀、置水泵工况开导叶令。

反馈：压水充气阀退出、导叶后压力监视118SP、120SP动作。

第三步：开机操作。

操作：关闭止漏密封水电磁阀、关闭压水排气电磁阀、关闭均压排气电磁阀、关闭消水环管密封电磁阀、发调速器开机令。

反馈：导叶40%开度位置、压水排气电磁阀退出、均压排气电磁阀退出、消水环管密封电磁阀退出。

第四步：信号复归。

操作：机组启动信号送拖动系统。

反馈：水泵工况保护投入。

（3）机组停机到启动对拖发电机。

第一步：状态预置、电气回路操作、辅助设备操作、释放制动风闸。

操作：置调速为对拖发电工况、合6-2DL、6-5DL 6-6DL、 63DL、 6DL、打开主轴密封水电磁阀、打开主用冷却水电磁阀、打开止漏密封冷却水电磁阀、打开调速器接力器锁锭、释放制动风闸、打开蝴蝶阀、投高压减载油泵、关闭停机密封供气阀。

反馈：蝴蝶阀全开、高压减载油泵投入、调速器油压设备正常、调速器接力器锁锭拔出、制动风闸退出。

第二步：置励磁。

操作：励磁启励，置励磁系统为对拖发电工况。

反馈：6号机组灭磁开关合位置。

第三步：送调速器开机。

操作：调速器开机操作。

反馈：6号机组低转速大于或等于95%、5DL合闸位置。

第四步：退高压减载油泵。

操作：退高压减载油泵。

反馈：高压减载油泵退出。

根据联合国粮农组织最新统计，中国大蒜出口约占世界大蒜贸易量的90%，在国际市场上具有较强的竞争力[1]。大蒜的使用价值使得人们越来越重视大蒜的种植；但是，由于大蒜不规则的外形，使得蒜农很难实现大蒜的种植要求。我国大蒜的播种还是以人工为主，主要采用锄头或者犁开浅沟、人工点播蒜种和覆土等播种方式，虽然这种方式有利于大蒜的生长，但是劳动强度大、效率低，需要耗费大量的工时，生产成本大大提高，达不到农民的合理收益[2-4]。

（4）机组启动对拖发电机到停机。

第一步：电气设备操作。

操作：分6DL、63DL、发调速器停机、投二段关闭电磁阀、投高压减载油泵、退励磁系统（逆变灭磁）。

反馈：6DL在分位、63DL在分位、导叶全关位置、45DL在分位、二段关闭电磁阀打开、高压减载油泵投入、6号机组灭磁开关在分位。

第二步：投机械制动。

操作：投制动风闸。

反馈：制动风闸投入。

第三步：辅助电气设备操作。

操作：退高压减载油泵、关闭主轴密封水电磁阀、关闭主用冷却水电磁阀、关闭止漏密封冷却水电磁阀、关闭二段关闭电磁阀、投调速器接力器锁定、打开停机密封供气电磁阀。

反馈：调速器接力器锁定投入、高压减载油泵退出，主轴密封冷却水关闭、二段关闭电磁阀退出、停机密封供气电磁阀投入。

第四步：电气回路复归。

操作：分6-2DL、分6-5DL、分6-6DL，置保护为电制动工况、置保护为停机倒送电工况。

反馈：6-2DL在分位、6-5DL在分位、 6-6DL在分位置，保护为停机倒送电工况模式。

4.1.2 监控软件实现

响洪甸抽水蓄能电站背靠背启动流程步序控制模块采用条件触发、故障超时保护，每一步的触发条件为上一步序的反馈信号（具体各步命令及反馈见背靠背启动流程），其中各步故障超时时间设定，机组停机到水泵调相（BTB）流程：第一步为5000s，第二步为5000s，第三步为5000s，第四步为5000s；机组水泵调相到水泵工况流程：第一步为3000s，第二步为3000s，第三步为3000s，第四步为2000s；机组停机到启动对拖发电机流程：第一步为5000s，第二步为5000s，第三步为5000s，第四步为5000s；机组启动对拖发电机到停机：第一步为2000s，第二步为2000s，第三步为2000s，第四步为2000s；背靠背流程顺控执行框图如图3所示。

图3 背靠背流程框图

4.1.3 当今几个主流监控系统对比

据不完全统计，目前大多数抽水蓄能电站主要以安德里茨、南瑞监控为主，应用较为成熟，但造价昂贵，维护费用较高，尤其对于在背靠背启动方面，国外设计要求非常严格，步序严谨，但是对于国内自主研发的DCS，新华控制在实现背靠背方面有着自己独特的一面。

（1）流程清晰、步序紧凑，采用上海新华公司自主研发的步序控制模块，尤其应用于背靠背启动中的STEP模块，严格执行内部程序进行控制，在国外监控系统中并不多见。

（2）采用高性能的逻辑模块，进行简单的逻辑运算，将复杂的程序软件集成为可视化的编程模块，对实现特殊的功能采用特定模块，编程画面更加人性化，便于各站监控人员编程应用，各个模块匹配紧凑，相对于国外的监控系统，查找故障更加容易。

（3）控制精准，实现简单，对于抽水蓄能电站来说，背靠背启动要求比较高，需要拖动机与被拖动机各个方面的配合，匹配的好坏将直接影响启动的成功率，新华监控系统采用独特的内部计算算法，对背靠背启动时两台机组的瞬时数据进行采集计算、反馈，控制精度达到毫秒级，可靠性非常高。

该蓄能电站计算机监控系统编程的可视化、模块化使得控制流程结构更为清晰明了，极大的方便了操作人员及时准确地了解流程的进行情况。该系统自2004年5月在响洪甸抽水蓄能电站投入运行以来，让该电站在安徽电网中的作用得到更充分的发挥，进一步提高了电站在系统中的稳定性和可靠性。

5 结束语

XDPS-400系统首次应用在抽水蓄能机组中，其运行的稳定性和优良的调节品质，使机组各项技术经济指标都达到优良水平，为国产DCS系统广泛应用在新建大容量抽水蓄能机组上提供了可行性，不仅可以降低工程造价，而且由于组态软件及界面完全汉化，方便了电站运维人员的操作工作。

[1] 刘淑平，李大中，梁树英.XDPS-400计算机分散控制系统[J].电力设备，2003，4（1）．

[2] 汪军，张红芳，张启明.大中型抽水蓄能电站控制与保护设备的国产化研究.2004年全国抽水蓄能学术年会论文集，2004.

[3] 刘景民．响洪甸抽水蓄能电站计算机监控系统的研究．大连理工大学，2007．

[4] 新华控制工程有限公司.中国人自己的DCS系统—国家重点新产品XDPS-400.机电新产品导报，2000，（7-8）．

[5] 汪军，张红芳，周庆忠.我国抽水蓄能电站计算机监控技术评析.水电自动化与大坝监测，2002，26（1）．

杨 涛（1990—），男，大学本科，助理工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站电气维护。E-mail：yt19900318@163.com

The Application of XPDS-400 Distributed Control System in XiangHongDian Pumped-storage Power Station

YANG Tao
（Anhui province Xiang HongDian energy storage power generation co.，LTD，Liuan 237335，China）

Mainly introduced the XPDS-400 distributed control system technicalcharacteristics，technical indicators；Xiang HongDian pumped-storage power station in rang the first application of the computer monitoring system are emphatically analyzed in unique control mode to start the back-to-back，for domestic DCS system is widely used in large capacity of pumped storage unit provides a new feasible.

XPDS-400；distributed control system；BTB