蘇帕河多流域梯級電站集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

趙勇飛,王淼,王飛,王崢瀛,梅林,郭潔,彭光瓊

(1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司,北京100038；2.中國水利投資集團公司,北京100053；3.云南保山蘇帕河水電開發(fā)有限公司,云南保山678000)

云南保山蘇帕河多流域梯級包括保山市龍陵縣蘇帕河流域和保山市騰沖縣龍川江流域。目前蘇帕河流域梯級已建成投產“一庫四級”水電站，包括茄子山水庫及一級茄子山電站、二級象達電站、三級烏泥河電站、四級阿鳩田電站，龍川江流域包括龍川江一級電站和騰龍橋二級電站。

蘇帕河多流域梯級電站集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)將完成云南保山蘇帕河水電開發(fā)有限公司集控中心對于梯級各電站的遠程監(jiān)控，即對蘇帕河流域四級電站、龍川江一級和騰龍橋二級電站的遠程計算機監(jiān)控。

1 系統(tǒng)設計原則

蘇帕河多流域梯級電站集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)對蘇帕河流域和龍川江流域梯級水電站的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制、經濟調度、流域EDC、自動電壓調整、數(shù)據(jù)存儲和網絡發(fā)布等，并滿足上級調度部門對各水電站的監(jiān)視控制。

多流域集控中心監(jiān)控系統(tǒng)采用成熟先進的全分布、開放式H9000V4.0監(jiān)控系統(tǒng)，具有高可靠性和可擴充性。多流域集控中心監(jiān)控系統(tǒng)設計遵循以下原則:

(1)監(jiān)控系統(tǒng)按無人值班(少人值守)的原則設計；

(2)監(jiān)控系統(tǒng)的各項指標均滿足相關規(guī)定要求；

(3)監(jiān)控系統(tǒng)采用冗余硬件結構；

(4)監(jiān)控系統(tǒng)采用先進、成熟的技術和系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全、可靠；

(5)監(jiān)控系統(tǒng)采取分層分布式體系結構；

(6)進行數(shù)據(jù)管理與挖掘；

(7)開展多流域經濟調度控制。

2 系統(tǒng)硬件構成

蘇帕河多流域梯級電站集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)基于網絡實現(xiàn)，由接入以太網和骨干以太網組成，配置系統(tǒng)服務器、操作員站、通信服務器、各種工作站等設備。系統(tǒng)中節(jié)點設備通過冗余配置的網絡連接，以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

監(jiān)控系統(tǒng)集控數(shù)據(jù)網采用二層結構，核心層設在集控中心，采用高性能的核心交換機；接入層在各個電站，每個電站配置兩個接入交換機。交換機的接口配置及協(xié)議轉換功能根據(jù)網絡主、備用通道的要求配置相應接口和協(xié)議轉換模塊。集控數(shù)據(jù)網絡系統(tǒng)拓撲結構見圖1。

接入以太網，采用100M以太網雙網結構，傳輸介質為超5類線，采用國際標準網絡協(xié)議TCP/IP。網上掛有2臺互為備用的通信服務器，2臺互為備用的網絡交換機。本網絡通過網絡交換機接入集控數(shù)據(jù)網絡，通過集控數(shù)據(jù)網絡的主、備用通道與蘇帕河流域及龍川江流域各梯級電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)通信，通過通信服務器和骨干以太網交換信息。

骨干以太網，采用1000M以太網雙網結構，傳輸介質為超5類線，采用國際標準網絡協(xié)議TCP/IP。網上掛有2臺互為備用的通信服務器、2臺系統(tǒng)服務器、2臺操作員工作站、1臺工程師/維護工作站、1臺數(shù)據(jù)處理工作站、1臺語音報警服務器、1臺通信網關機、1臺物理隔離設備、2臺互為備用的網絡交換機、2臺打印機。集控數(shù)據(jù)網主用通道采用電力光纖通道，備用電信通道。

3 系統(tǒng)軟件設計

為提高系統(tǒng)的實時性及可靠性，蘇帕河多流域梯級電站集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)在結構、軟件設計上，采用分層分布式系統(tǒng)結構。系統(tǒng)進行節(jié)點角色定義，實現(xiàn)信息的分流，使主站系統(tǒng)與集控站系統(tǒng)實現(xiàn)一體化管理。

兩臺操作員站均以主用方式并行工作，同時監(jiān)控各集控電站的設備，處理及完成相關趨勢報告和規(guī)定的計算，對各種數(shù)據(jù)進行分析和處理，執(zhí)行監(jiān)視和事件報警、越/復限檢查、過程監(jiān)視、狀態(tài)變化監(jiān)視、趨勢分析和異常狀態(tài)在線實時監(jiān)視、事故和報警報告、設備控制、參數(shù)調整、EDC多流域優(yōu)化經濟運行，并對本站正在操作的設備設置鎖定標志，命令操作完成時進行解鎖，在滿足監(jiān)控系統(tǒng)對多流域電站同步監(jiān)控的同時，保證設備操作的唯一性和安全性。

圖1 集控數(shù)據(jù)網絡系統(tǒng)拓撲結構

兩臺通信機以主/熱備方式并行工作，負責各電站實時數(shù)據(jù)的采集、設備控制命令的發(fā)送，并進行通信狀態(tài)報警和命令發(fā)送返回報告。

兩臺系統(tǒng)服務器以群集方式工作，負責存儲監(jiān)控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理工作站進行歷史數(shù)據(jù)的維護、處理，負責用戶客戶端程序的運行、數(shù)據(jù)存盤，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

工程師站主要用于系統(tǒng)軟件、人機接口應用軟件的開發(fā)、系統(tǒng)仿真、操作人員的培訓及系統(tǒng)管理，同時也具有操作員備用工作站的功能，必要時，可對各電站設備實現(xiàn)監(jiān)視和控制。

語音報警服務器主要用于實時狀態(tài)語音報警，ON-CALL電話語音報警、查詢，短信報警、查詢。

通信網關機負責對外數(shù)據(jù)通信工作等，并預留同遠方控制中心等的接口，提供同大屏幕、水情等系統(tǒng)的通信接口。

WEB服務器通過建立數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)安全WEB服務及與MIS系統(tǒng)的通信接口。

系統(tǒng)時鐘接口上，通過接收GPS裝置的NTP時鐘信號，實現(xiàn)網絡上各個節(jié)點的時鐘同步。

各項功能分布在系統(tǒng)的相關節(jié)點上，每個節(jié)點嚴格執(zhí)行指定的任務，通過系統(tǒng)網絡與其他節(jié)點進行通信。監(jiān)控系統(tǒng)采集、管理各類實時數(shù)據(jù)，接收監(jiān)控系統(tǒng)以外的其他廠內外系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，對采集的每種數(shù)據(jù)進行相應的處理，控制各相關設備，以支持系統(tǒng)完成監(jiān)視、控制和記錄功能。本方案加強了系統(tǒng)的處理能力，提高了整個系統(tǒng)的可靠性和響應速度，合理分解與協(xié)調整個系統(tǒng)的功能。

4 系統(tǒng)通信功能

集控數(shù)據(jù)網絡用于集控中心與各電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、電能量計量系統(tǒng)、水調自動化系統(tǒng)、電力交易系統(tǒng)等實時、非實時數(shù)據(jù)交換。

監(jiān)控系統(tǒng)通過通信功能，實現(xiàn)整個系統(tǒng)資源、數(shù)據(jù)共享、運行高效、實時。系統(tǒng)通信規(guī)約基于TCP/IP及UDP協(xié)議，遵循開放系統(tǒng)規(guī)則。

集控側通信服務器完成對梯級各電站數(shù)據(jù)掃描和監(jiān)視、安全校驗、工程值轉換、模擬量和開關量的變化檢測、控制命令發(fā)送，自動統(tǒng)計通道誤碼率、源代碼監(jiān)視、故障時間、運行狀態(tài)等，形成日志文件保存。

集控側和電站側各兩套通信服務器設置為成對的主備通道，當主通信口出錯率高于設定值或通信中斷時自動切換為備用通信口運行。通道切換由軟件完成，實現(xiàn)通道的軟切換,通道也可進行人工切換。

為滿足實時性要求并確保各電站數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩涂煽浚⒎乐乖陔娬倦姎馐鹿是闆r下，出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)信號在信道上擁擠，軟件對各站計算機監(jiān)控系統(tǒng)所有上送數(shù)據(jù)進行加密和壓縮，并采取優(yōu)先級傳送方式，避免發(fā)生數(shù)據(jù)在通道內堵塞。

電站側通信機同時與省調系統(tǒng)、水情系統(tǒng)、保山地調系統(tǒng)、集團系統(tǒng)等通信，進行數(shù)據(jù)交互，命令接收。

控制模式上，集控側和電站側設置廠站控制權，集控控制權的投入權限設置在廠站層,切除權限兩側均可進行操作。電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)中的每一個LCU設置一個“集控/廠站控制權”軟開關，切換權在電站層，實現(xiàn)集控對電站的安全控制。

5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理

集控計算機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)包括實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)和實時數(shù)據(jù)共享中心。

5.1 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

實時數(shù)據(jù)庫用于反映監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)點的實時值、狀態(tài)以及各項屬性、參數(shù)等信息，包括電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)和管理所需要的全部數(shù)據(jù)項。

實時數(shù)據(jù)庫的定義采用交互式環(huán)境，完成數(shù)據(jù)庫定義的錄入、修改、驗證等過程。它對外提供一整套接口，外部模塊或程序可通過連接實時數(shù)據(jù)庫獲取相應數(shù)據(jù)點的各項數(shù)據(jù)。H9000實時數(shù)據(jù)庫為網絡型全冗余分布式數(shù)據(jù)庫，所有數(shù)據(jù)共享都通過網絡通信來實現(xiàn)。廠站層各節(jié)點工作站服務器均具有完整的系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫，各LCU站點一般只保留與本節(jié)點功能有關的實時數(shù)據(jù)庫。

H9000實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供一套完整的數(shù)據(jù)庫接口函數(shù)，各應用程序可非常方便地進行數(shù)據(jù)庫查詢。H9000 RTDB數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)支持快速存取和實時處理，采用常駐內存技術確保訪問和處理速度。

5.2 歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用Mysql數(shù)據(jù)庫，由兩臺SUN公司服務器FireV490和一個StorageTek6140光纖通道陣列柜組成硬件環(huán)境，通過SunCluster建立群集操作系統(tǒng)，兩個群集節(jié)點均為運行相應進程的獨立服務器，進程間彼此通信，對網絡客戶機形成一個單一系統(tǒng)，協(xié)同起來提供歷史數(shù)據(jù)庫和應用程序訪問功能，以提供增強的系統(tǒng)可用性和可伸縮性，適應模塊化增長的容量，減少由軟件或硬件故障引起的系統(tǒng)停機時間，確保數(shù)據(jù)安全和可用性。

歷史數(shù)據(jù)記錄包括秒級數(shù)據(jù)、一分鐘數(shù)據(jù)、整點數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、事件與命令等，對數(shù)據(jù)庫實體進行保存以供調用。

監(jiān)控系統(tǒng)通過歷史事件記錄、歷史數(shù)據(jù)、歷史曲線及歷史報表等功能，實現(xiàn)與歷史數(shù)據(jù)的交互。5.3實時數(shù)據(jù)共享中心

根據(jù)《電網和電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)及調度數(shù)據(jù)網絡安全防護規(guī)定》，應保證安全級別最高的計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的安全可靠性，與安全級別較低的其他系統(tǒng)有足夠的安全隔離。在WEB服務器建立“實時數(shù)據(jù)共享中心”，系統(tǒng)通過電力專用隔離裝置，將處于計算機監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息單向遷移至WEB服務器，遷移的信息包括圖形報表、電站機組參數(shù)模型、實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等。非電力監(jiān)控系統(tǒng)通過訪問實時數(shù)據(jù)共享中心獲得計算機監(jiān)控系統(tǒng)的信息，實現(xiàn)企業(yè)網絡范圍內數(shù)據(jù)共享的需求。

通過實時數(shù)據(jù)共享中心獲取計算機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對外WEB發(fā)布，實現(xiàn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)的安全WEB服務。通過監(jiān)控系統(tǒng)畫面的自動轉換，WEB瀏覽界面在風格與計算機監(jiān)控系統(tǒng)內部圖形一致，實現(xiàn)免維護功能,發(fā)布信息包括圖形、報表、實時數(shù)據(jù)、歷史曲線、告警信息、統(tǒng)計信息等。WEB瀏覽具有完善的權限管理功能，在合理實現(xiàn)信息共享的同時避免信息泄漏。

通過實時數(shù)據(jù)共享中心，計算機監(jiān)控系統(tǒng)預留與電能量計量系統(tǒng)(EMS)、MIS系統(tǒng)等數(shù)據(jù)交換接口，保證各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。

6 多流域經濟調度控制EDC

多流域梯級水電站所處的自然優(yōu)勢明顯，多流域經濟調度控制EDC具有較大意義。

蘇帕河流域一庫一級電站茄子山水庫是蘇帕河流域梯級電站的龍頭水庫，二、三、四級電站水庫的入庫水量均由上一級電站的發(fā)電下泄流量和區(qū)間流量兩部分組成。一級電站水庫庫容較大，具有梯級電站的年調節(jié)能力，二、三、四級電站水庫庫容很小，調節(jié)能力有限，各級電站區(qū)間來水量變化較大，龍川江流域庫容較小，區(qū)間來水量變化較大，各流域必須考慮區(qū)間來水問題,由此導致了多流域的經濟調度控制約束條件的復雜多變性。

多流域梯級發(fā)電優(yōu)化調度，目標主要有兩個:其一是調度期內發(fā)電量最大，其二是調度期末各梯級水庫蓄能最大。EDC負責對多流域梯級所屬電站實施聯(lián)合經濟調度，各梯級水電站相互配合，在遵循電網安全約束條件和機組本身各項限制條件的前提下，根據(jù)調度初期水庫水位、調度期各時段區(qū)間來水以及調度期梯級各時段應發(fā)負荷，實時將梯級發(fā)電總負荷在各電站間進行優(yōu)化和經濟的合理分配，以梯級水電站各級水庫計算期末總蓄能量最大為原則優(yōu)化分配站間負荷，盡量減少發(fā)電用水，保持各級電站在較高的水頭下運行，增加梯級系統(tǒng)蓄能,并避免負荷的較小變動導致機組的頻繁啟停、負荷大規(guī)模轉移以及站間聯(lián)合避開機組振動區(qū)。在滿足電力調度發(fā)電控制要求的條件下，考慮到電力市場條件下的電價等因素，實現(xiàn)多流域梯級水電站發(fā)電優(yōu)化控制和聯(lián)合經濟運行，能提高梯級水電站群的總體經濟效益。

7 結束語

多流域梯級電站集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)的投運，將為梯級各電站最終實現(xiàn)無人值班(少人值守)創(chuàng)造有利條件，極大地提高整個流域的安全、經濟運行及綜合自動化水平，充分挖掘各梯級電站潛力，發(fā)揮水庫的調節(jié)能力，顯著提高經濟、社會效益和梯級調度系統(tǒng)技術和管理水平。

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