流域梯級水電站集中監控設計模式的探索

王勁夫,林峰,李伶

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川成都610072)

1 流域梯級水電站開發的戰略意義

根據中國電力企業聯合會統計信息部2008年1月發布的統計資料顯示，截止2007年底，全國發電裝機容量在2006年達到創記錄的20.3%增長速度，總裝機達到62200萬kW的基礎上，同比繼續大幅增長14.36%，達到71329萬kW。其中，水電裝機達到14526萬kW，占總容量的20.36%，同比增長11.49%；火電達到55442萬kW，約占總容量77.73%，同比增長14.59%；水、火電占總容量的比例同比分別下降0.53和上升0.16個百分點。

發電量的統計數據顯示，2007年發電量為32559億kW·h，同比增長14.44%。其中，水電發電量4867億kW·h，約占全部發電量的14.95%，同比增長17.61%；火電發電量26980億kW·h，約占全部發電量82.86%，同比增長13.82%；核電發電量626億kW·h，約占全部發電量1.92%，同比增長14.05%。

水電裝機占總容量的比例從2004年的24.6%下降到2007年的20.36%，是前幾年高耗能企業產能過剩，電力相對短缺情況下追求短、平、快提高供給能力的結果。國家發改委2007年9月發布了我國的《可再生能源中長期發展規劃》，其中明確水力發電作為目前最成熟的可再生能源發電技術，規劃到2010年，全國水電裝機容量要從2005年的1.17億kW提高到1.9億kW，并在2020年達到2.7～3億kW，約占電力總裝機容量的29%。發電的直接效益相當于節約標準煤4.2億t，可減少排放二氧化碳11.7億t、二氧化硫750萬t以及大量其他有害氣體，對降低大氣污染、減少溫室效應會起到不可估量的作用，具有巨大的環境效益。

大力開發水電，不僅僅是環保、減少溫室效應的需要，更是涉及到中國能源供應安全的戰略問題。我國常規能源探明總資源量約8230億t標準煤，探明剩余可采總儲量1392億t標準煤，約占世界總量的10%，但人均資源量僅為世界的40%，遠低于世界平均水平。能源剩余可采總儲量的構成是:原煤占58.8%為1145億t，原油3.4%，天然氣1.3%，水能36.5%。若按照2020年我國的能源需求預測量估算的話，煤炭、石油和天然氣的資源保證程度則只有30年、5年和10年。中國自1993年成為原油凈進口國以來到2003年，石油進口量達到了9739萬t，比1993年增加了10倍，石油對外依存度不斷增大。中國煤炭消費也已占全球消費總量的40%之高，中國已經由世界第一大煤炭出口國，向煤炭凈進口國逐漸轉變。保障能源安全已是維護經濟安全和國家安全、實現現代化建設戰略目標的必然要求。

同煤炭、石油和天然氣等資源相比，我國水力資源蘊藏量居世界首位，不可謂不豐富。根據2003年的水力資源復核的成果，中國水力資源理論蘊藏量為年發電量6.08萬億kW·h，平均功率為6.94億kW，技術可開發容量5.42億kW，年發電量2.47萬億kW·h，經濟可開發容量4.02億kW，年發電量1.75萬億kW·h。根據《可再生能源中長期發展規劃》，作為可再生能源發展重點的水能、生物質能、風能和太陽能，最主要的開發方式就是可再生能源電力建設的開發。報告提出到2020年水電裝機要達到2.7億kW，也就是開發程度達到68%。目前發達國家水電的平均開發程度已在60%以上，其中美國水能資源開發利用程度約為82%，日本約為84%，法國約為80%，德國約為73%，奧地利約為69%，加拿大約為65%。與這些國家相比，我國水電開發程度仍處于較低水平，尚有較大的開發潛力。

國家能源局自組建以來，就水電發展戰略問題明確表示“優先發展水電，是我國能源發展的重要方針”。而水電發展的方針首要的就是推進水電流域梯級開發，使水電開發率有較大幅度提高。

2 流域梯級集中監控的設計模式

由于資金匱乏，耗電水平相對較低，上世紀90年代以前我國的水電開發主要以單點開發形式為主，僅開發了部分流域上綜合條件較優的個別大電站，未充分考慮流域的梯級整體開發。除了電力市場的電價由政府統一制定且電價未體現豐水期－枯水期、峰－谷電價差異等因素以外，最主要的原因在于政府的過度干預，電站的建設和運營管理主體分離，政府部門用行政的辦法確定電站的建設單位，建成后移交給另一個單位進行運營管理，導致電站的運營管理單位只能是被動地接受建設完成的電站，而不能根據自身的利益選擇何時、何地、何種形式開發建設和運營管理電站。

隨著改革的深化，在計劃經濟向市場經濟過渡、政企分開過程中，業主負責制與建設監理制和招標承包制推行開來，企業的經營自主權逐漸得到落實，才可能基于企業的自身發展、發電效益的最大化等目標來合理選擇電站的開發地點、開發方式和開發順序，流域梯級電站的滾動開發也逐漸受到重視并得以推廣。

由同一個業主連續滾動開發的形式，其主要優點包括:

(1)統一規劃、充分利用水能資源，協調電站的選址和負荷分配。

(2)統一規劃使用流域內的輸電走廊、施工及備用電源、通信通道。

(3)統一規劃梯級電站的運行方式及生產、生活設施，以及人力資源。

流域開發由一個業主統一規劃、連續開發的形式，對于投資方和政府都是一種非常好的方式，同時可以做到水資源的充分、有效、合理地利用。近十年來，四川省內部分流域的開發現狀也有力地證明了這一論點。

伴隨著流域梯級電站的滾動開發，現代企業管理理論及應用水平的提高和管理制度的健全和完善，水電站監控方式從“以常規設備為主，計算機為輔的監控方式”(水規機〔1993〕008號文)到“全計算機監控方式”甚至“無人值班(少人值守)”的漸進式發展，以及計算機遠程控制、網絡通信技術的飛速發展和推廣普及，流域梯級電站集中監控的思路逐漸變得清晰，并受到業主單位的重視，得以逐漸推廣。

以下結合我院近十幾年在流域梯級電站集中監控項目上的經驗，就流域梯級電站集中監控的三種設計模式以及當時的技術水平、管理水平進行探索，以期能夠拋磚引玉，共同推動我國流域梯級水電站集中監控設計的發展。

2.1 調度中心模式

最初的流域梯級水電站集中監控中心的稱謂，可能主要是沿用了電網調度的名稱，例如上世紀90年代中后期投運的四川華能寶興河流域梯級調度中心和龔嘴水力發電總廠沙灣調度中心。

寶興河梯級開發一期工程完成了干流上的第五級銅頭水電站(4×20MW)和第八級雨城水電站(3×20MW)的建設，計算機監控系統采用瑞典ABB公司的HPC300系統。同步投運的梯調中心設置在雨城電站附近，采用芬蘭ABB公司的SPIDERMicroSCADA系統。由于受到當時的通信技術水平限制，梯調中心至電站的通信通道采用電力線載波方式，通信速率為1200/600bps，通信規約為RP570。

由于通信帶寬的限制以及其他技術原因，早期的調度中心主要作為電站的總體調度指揮，完成所轄電站的統籌運行和負荷分配等，功能相對簡單，而非電站所有機電設備的全面監測和控制。各梯級電站控制功能相對獨立，上送梯調中心的數據量少。以寶興河梯調中心為例，其輸入/輸出量要求如下:

(1)模擬量

電站發電總有功功率和總無功功率；

發電機有功功率和無功功率；

主要變壓器高壓側有功功率和無功功率；

聯絡變壓器高壓側和中壓側有功功率；

220kV線路的有功功率、無功功率和有功、無功電能量、電流；

110kV線路的有功功率和電流；

發電機有功、無功電能量；

各高壓側母線的電壓和頻率；

各電站上、下游水位、流量等；

閘門的啟、閉過程和開度位置。

(2)開關量的采集和事件順序記錄:

機組運行狀態；

10kV及其以上斷路器的位置；

反映發電機機端電壓及其以上電壓系統運行狀況的隔離開關的位置；

分析事故所需的主要保護及自動裝置動作的信號；

總故障及總事故信號；

影響主設備安全運行的越限信號；

監控系統自身的故障信號；

溢洪閘門的位置信號。

(3)遙控:

梯調系統控制方式:

a)間接控制

梯調人員發命令到廠站級計算機，通過廠站級計算機實現對機組的調控。

b)直接控制

梯調人員直接調控到機組；

斷路器和隔離開關的操作。

(4)遙調:

實時設置各被控電站和機組的有功功率和無功功率的給定值；

調節主變壓器的分接頭位置。

2.2 集中控制中心模式

至21世紀初，全計算機監控已成為水電站監視控制的主流方式，無人值班(少人值守)運行管理模式逐漸得到推廣，《水力發電廠值班方式工程設計導則》(征求意見稿2001.2)的發布更使我們的設計有理可循。信息量少、功能簡單的梯級調度中心模式，已不能滿足流域梯級電站業主對無人值班、減人增效、遠程診斷維護等一系列新的需求。現場總線技術和100 Mbps快速以太網的推廣普及、ADSS和OPGW光纖通信技術的成熟應用，流域梯級電站采用集中控制中心模式逐漸成熟。

在我們的觀點中，集中控制中心模式更像是伴隨通信帶寬和計算機處理能力的增加而對梯調中心的升級，能夠將覆蓋到電站全部機電設備的、相比梯調中心方式更多的信息量采集到流域控制中心，以滿足業主對各電站生產信息的全面掌握，更好地完成對所轄梯級電站的安全監視和操作控制，監控更趨功能完整。與同期的集控中心相比，華能涪江公司火溪河流域的梯級集控具有一定的代表性。

火溪河是涪江上游左岸最大的一級支流，位于四川省綿陽市平武縣西北部。梯級開發方式為“龍頭”水庫下接一系列引水式梯級電站，自上而下為水牛家、自一里、木座、陰坪，4級電站總裝機容量約400MW，全梯級聯合運行保證出力14.69萬kW，多年平均發電量16.33億kW.h。

四個梯級電站集中在40km范圍內，電站和梯級中心之間通過冗余的光纜(包括220kV線路的OPGW和35kV線路的ADSS兩條光纜路由)構成高度冗余可靠的通訊通道，因此我們設計采用了一種基于火溪河流域梯級電站的分層分布式的整體解決方案，總體設計方案如下:

(1)四個梯級電站視為地理位置擴大的一個電廠的理念(即擴大廠站)，各個電站根據機組臺數、公用設備和開關站、閘首的分布等情況設置現地控制單元LCU，LCU具備其監控范圍內的完整功能，可脫網獨立運行，并具有人機界面和較長時間(例如數小時甚至更多)的歷史數據存儲功能。

(2)采用擴大廠站模式，電站控制層與流域梯級集控中心的梯級調度層合并為擴大廠站的電廠級控制層布置在梯級集控中心，各梯級電站內均不設置站級計算機。

(3)設置在梯級集控中心的廠級計算機，主要配置系統服務器、操作員工作站、工程師工作站等，可直接對各梯級電站的所有LCU進行集中監控、管理和水資源調度。

(4)在白馬寨設置梯級集中控制中心(即全廠總控制室)和管理、維護及辦公基地，對流域內的四個梯級電站進行日常的運行、管理工作。

(5)整個流域梯級電站和集控中心的計算機監控系統采用一家公司的系統，以確保整體的兼容性和協調性，同時可以大大降低需配置的其他設備的數量、軟件開發費用、備品備件的數量、系統維護人員的數量和勞動強度等。

采用這種設計方案，白馬寨梯級集控中心與四個梯級電站即構成了一個物理距離擴大的廠站，四個梯級電站按照“無人值班”的運行管理模式，值班人員統一在白馬寨梯級集控中心待命、休息，定期去電站進行巡視檢查、日常維護以及檢修管理等工作。

流域總體的計算機監控系統主要由各個梯級電站的現地控制單元(LCU)，以及梯級集控中心的廠級計算機(系統服務器、操作員工作站、工程師工作站、網關計算機等)設備為主，構成一個全計算機監控的計算機網絡系統。從網絡結構來看，系統采用全數字化的、基于網絡的分層分布式系統結構，從下到上，包括現場級的總線通信網絡、電站級網絡和梯級集控中心的電廠級網絡。

采用現場總線和以太網技術，將LCU中相對較獨立的部分功能例如油壓監控、空壓機監控、滲漏排水監控、廠用電監控、直流系統監視、閘門監控等，從LCU中剝離出來，配以相應的電源、執行元件等單獨構成控制屏、箱，以分布式IO(DIO)和遠程IO(RIO)的形式，直接布置在輔機、公用、啟閉機等設備附近，控制器硬件和編程軟件均統一由計算機監控系統供應商提供。為了同現地控制單元區分，我們將新增加的這一層稱為現場功能控制層。現場功能控制層采用現場總線技術，與對應的上層設備－機組或公用、開關站、大壩等LCU通信，實現信息的采集上送和控制命令的接受。

系統具有遠程診斷和維護功能。可以診斷到全系統任意一個CPU卡、通訊通道、I/O板的使用狀況和運行情況，直至通道一級。對于典型的故障還可提出維修建議，可以在線修改、下載參數和下載控制程序。

同時，由于信息量的完整和集中，能夠通過在集控中心配置水電聯合優化調度軟件包，對梯級電站的多庫聯合調度運行，實現對所轄電站的優化調度和經濟運行。

同期我院完成的類似工程項目還有白水江流域集控中心、美姑河流域集控中心、田灣河流域集控中心、中水公司成都集控中心等。集控中心的系統配置已不僅僅局限于計算機監控系統，還包括大屏幕顯示系統、水情自動測報系統、水電聯合優化調度系統(或軟件包)、繼電保護及故障錄波信息管理系統、電能量采集和報(競)價系統、工業電視系統、消防監控系統等多個生產系統，以滿足電站日常運行和檢修維護的需要。

2.3 運營管理中心模式

上述兩種流域梯級集中監控，主要以滿足梯級電站生產的迫切需要，隨著相關領域的技術進步而發展起來的集控模式。而隨著中國與西方發達國家的交流日益增多，大量國外先進的管理知識被介紹到國內，一些先進的企業管理制度和管理理念被部分規范化發展的大公司所采納，以期能在今天全球化的市場競爭中立于不敗之地。在這種背景下，流域梯級集控中心的任務已不再滿足于單純的電力生產，而是在計算機監控系統,大屏幕顯示系統、水情自動測報系統、水電聯合優化調度系統(或軟件包)、繼電保護及故障錄波信息管理系統、電能量采集和報(競)價系統、工業電視系統、消防監控系統等多個生產系統基礎之上，通過對多個生產子系統的信息共享和挖掘，使生產、營銷、人力、財務能夠有效整合的運營管理中心模式。

運營管理中心除了配置必要的各個生產子系統之外，還有大量的管理、決策子系統－類似大壩及水工建筑安全監測系統、生產報表管理及Web發布系統、發電及檢修計劃決策系統、報價決策系統、狀態檢修及備品備件管理系統、管理信息系統，以及人力資源管理、財務管理等系統。

運營管理中心模式是為了滿足公司管理決策的需要而發展起來的一種全新模式，在滿足電力生產的同時，通過公司生產物資管理、電量計劃及營銷、財務管理、信息統計等手段，實現對所轄梯級電站的安全監視、經濟運行、統一管理、優化決策。運營管理中心模式通過采用先進的管理措施，提高公司的盈利能力，提升公司的競爭能力。

運營管理中心模式作為梯級集控設計模式的一種新生事物，尚存在諸多的技術難點，例如如何有效整合從各系統獲取的數據、如何根據獲取的數據反映出企業的整體運營狀況、如何提高各項業務決策的及時性和準確性等，目前還未有一致公認的、成熟的解決辦法，可喜的是已有部分企業在相關行業上有類似的、局部的應用，包括采用IEC 61850-7-410、IEC61970等標準和中間件等技術的案例。

就目前來說，我們建議在運營管理中心的設計項目上，根據各業主的流域規模、管理水平等，進行統一規劃、系統性地配置，在實施過程中根據各子系統成熟狀況、實施條件分期分批實施。

我院目前正在設計實施的運營管理中心項目包括華能四川水電有限公司成都區域水電控制中心、國電大渡河流域水電開發有限公司大渡河流域集控中心、二灘水電開發有限責任公司雅礱江流域集控中心，其中部分生產子系統已招標采購并投入試運行。

3 結束語

回顧我院近十多年在流域梯級水電站的設計歷程，我們首先要感謝一個個項目的業主，正是由于他們在管理層面和技術層面的不斷提出高的要求，才驅使我們不斷的創新和前進；同時，也要感謝國內外計算機監控系統的集成商，由于他們及時地將各種成熟的技術、產品引入到流域集中監控這個領域，才能使我們的設想一步步成為現實。

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[5]林峰,李伶.中型梯級水電站實現“無人值班”集中監控模式的技術探討〔A〕.第一屆水力發電技術國際會議論文集〔C〕.

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