流域梯級水電站“無人值班、關門運行、綜合自動化”的新模式和新內容——火溪河流域電站綜合自動化系統的設計與實踐

曹 偉

(四川華能涪江水電有限責任公司,四川成都 610041)

1 概 述

20世紀 90年代初期,基于我國水電站裝備制造能力的水平,流域梯級水電站實現“無人值班、關門運行、綜合自動化”的主要瓶頸還是計算機監控系統和基礎自動化設備,綜合自動化涉及的范圍有限,其時要實現“無人值班、關門運行”的途徑復雜、代價大、周期長。進入新世紀,隨著水電站裝備制造水平的全面提升,計算機網絡和通訊技術的快速發展,為流域梯級水電站“無人值班、關門運行、綜合自動化”的實現提供了新的思路和手段。2002年開工建設的華能火溪河流域梯級電站利用現代網絡、通訊、自動化監控等科技產品的進步,通過合理確定技術路線、整體規劃、分步實施,在短短 5年時間內實現了流域四個電站的“無人值班、關門運行”和全流域的綜合自動化,創建了新的實現模式,賦予了新的實現內容。

流域梯級電站實現“無人值班、關門運行”除了必須具有穩定可靠的計算機監控系統和基礎自動化設備外,綜合自動化其他各子系統也不可或缺,如工業電視系統、火災自動消防報警系統、周界安全防范系統是實現“無人值班、關門運行”不可缺少的輔助手段,水情測報系統對于電站防洪和梯級優化運行意義重大,電能量采集系統、保護管理信息系統為技術管理的集中和高效提供了有力幫助。綜合自動化各子系統還需有機聯系、共享數據、相互聯動,才能實現“無人值班、關門運行”的高度自動化和高度可靠性。

2 傳統實現模式的缺點分析

要實現“無人值班、關門運行”的高度自動化和高度可靠性,必須仔細分析按傳統模式實現流域梯級水電站 “無人值班、關門運行、綜合自動化”的不足之處,并在此基礎上提出新的實現模式。傳統模式重點著眼于提高計算機監控系統和基礎自動化設備的可靠性,對于實現“無人值班、關門運行”必不可少的其他子系統建設缺乏統一規劃和有效實現手段,如系統建設初期只考慮計算機監控系統的網絡建設,系統間的通訊和數據共享最多也僅考慮到監控系統和調速器、勵磁等自動裝置的接口,對綜合自動化其他子系統雖然也有建設計劃和通訊接口、數據共享的設想,但由于沒有有效的技術手段,致使其實現途徑復雜;又如梯級電站建設初期,由于缺乏統一規劃,僅為監控系統單獨設置了通訊通道,雖然實現了監控系統在流域內的局域網互聯,但隨后建設的工業電視系統則不得不重建光纖通道,并在實際使用中獨占光纖通道,隨后建設的其他子系統也面臨類似問題。通訊通道的重復建設造成投資大、決策審批時間長、建設周期長,導致綜合自動化系統整體開發完成時間大大延長。傳統模式在實現系統互聯、數據共享、系統聯動方面沒有很好的解決辦法,最終運行的各子系統是一個個孤立的系統,從而使綜合自動化系統的自動化水平大打折扣。因此其建設成本高、周期長、子系統之間技術標準不統一、數據共享難、聯動性差、自動化水平不高,這些均是傳統模式實現“無人值班、關門運行、綜合自動化”的缺點,也使流域梯級電站“無人值班、關門運行”的實現周期變長,運轉效率不高。

3 火溪河流域電站“無人值班、關門運行、綜合自動化”實現的新模式

2002年開始建設的火溪河流域梯級電站以全新的思路和模式建設了流域梯級電站綜合自動化系統,通過該系統的高效構建、輔以可靠的機電設備運行和先進的生產管理模式,最終實現了全流域電站的“無人值班、關門運行”和成都遠控。

系統的建設首先根據該流域四個電站地理位置相對集中(40km范圍內、各個梯級電站彼此之間的距離均在 10～15km內)、裝機規模不大(總裝機容量 400MW)、電站之間交通方便(九環線公路經過全部四個電站)的特點,提出了“無人值班、關門運行、數字電站、網絡控制”的建設目標,并確立了全新的“擴大廠站”模式,即將流域四個梯級電站視為一個物理距離擴大的廠站,梯級內的各個電站取消了常規模式中設置在電站內的中控室和各自獨立的電站辦公、現場生活設施、庫房、機修車間等,各種保護、控制等二次設備均布置在一次設備和現地附近,取消了副廠房,集中設置了流域維護管理中心并將其作為流域總控室,負責流域電站的集中監控和流域電站集中管理、維護、辦公和生活基地,對流域內的四個梯級電站進行日常的運行、管理工作。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。

其次,根據當時的技術發展水平和流域規劃特點,制定了合理的技術路線和實現途徑。計算機網絡和光通信技術的迅猛發展和日益融合,為我們提供了制定“統一規劃、分步實施”的技術基礎,以 IP為代表的計算機網絡技術和以 SDH為代表的光通訊傳輸技術一直以來是不相融合的兩個專業,其在電力系統中的應用亦有嚴格的區分,IP技術用于組建以太網絡,支持所有基于 TCP/IP協議的應用,對應用系統具有很好的兼容性和很廣泛的適用性,但其在長距離組網方面必須依賴光端機和獨立的光纖及網絡設備,一個應用系統就要占用一對獨立光纖和一套網絡設備,資源消耗很大,對于光纖資源有限的流域電站靠這種方式難以建完所有的子系統;另外,以太網的不確定性和無保護功能不能保證實時性要求很高的語音、視頻應用的使用效果和整個系統的可靠性。SDH技術可為每個應用提供獨立的、以 2M電路為基礎的傳輸通道,并且所有電路均可以復用,具備了建立統一傳輸平臺、提供確定性傳送品質和保護功能的能力,卻不支持 TCP/IP協議,限制了其很多應用。火溪河流域電站建設初期,出現了一種被稱為 MSTP、能承載 IP應用的 SDH傳輸技術,該技術既能全面支持基于 TCP/IP協議的應用,還具備 SDH可提供統一傳輸平臺、具有確定性和保護功能的優勢,能滿足流域電站所有綜合自動化系統的傳輸要求。我們認識到這是實現流域梯級綜合自動化的有力手段,通過與設計院、相關廠家進行充分論證,確定了建設構建于流域光纖環網之上的 MSTP傳輸網絡,并以此網絡作為綜合自動化各子系統的統一傳輸平臺,“建設以MSTP技術為基礎的統一傳輸平臺,各應用子系統基于 TCP/IP協議開發”成為火溪河綜合自動化系統建設的主要技術路線。

在技術路線確定后,我們利用 220kV送電線路的 OPGW光纜、并沿已有的 35kV施工線路桿塔新建了 ADSS光纜,構建了連接流域各電站、電站大壩和梯級控制中心的流域光纖環網,依托該光纖環網,建設了流域計算機監控系統網絡和 2.5GMSTP多業務傳輸網絡(節點遍布各電站廠房、大壩、集控中心),除計算機監控系統獨占一對光芯組成環網外,將火溪河流域的四個梯級電站和白馬寨梯級集控中心各綜合業務作為一個整體進行統一規劃、實施完整的綜合自動化系統。與傳統的流域梯級電站綜合自動化系統建設過程中各子系統獨占光纖通道建設成本高、建設周期長所不同,該系統首先建設了全流域公用傳輸平臺,該平臺構建于兩對光纖環之上,形成了具備 1+1保護的流域光通訊環網,各子系統建設不需獨占光纖,只需利用傳輸設備提供的標準接口及通過網管劃分的帶寬,新應用即可立即實現全流域組網;另外,該系統除具有 SDH技術支持 TDM業務、具備完整保護功能外,還能有效承載諸如IP、VPN等各種新業務,支持 TCP/IP協議的應用能很容易地組網傳輸,而 TCP/IP協議是國際公開開放協議,幾乎綜合自動化系統涉及到的所有應用都支持該協議,在子系統的建設中不用特別考慮應用的組網、傳輸需求。因此,利用 MSTP技術作為綜合自動化各子系統的傳輸平臺,具有接口公開透明、接入成本低、接入周期短的優勢。正是由于采用了該項技術,使火溪河流域電站在短短 5年內全面實現了綜合自動化。

4 火溪河流域電站“無人值班、關門運行、綜合自動化”的新內容

火溪河流域電站綜合自動化系統除了成功建成計算機監控、工業電視、水情測報、火災報警、電話通訊等子系統外,還賦予了流域綜合自動化系統新的內容:為適應無人值班的需要,建設了周界安防及門禁系統;為響應節能減排、切實降低廠用電,建設了智能照明系統;利用在全流域無處不在的網絡,建設了涵蓋水電站生產管理各個環節的辦公自動化和生產管理信息系統;依托發達的信息網絡和數據公開共享的網絡結構,充分發揮流域梯級總負荷調度的優勢,建設了流域梯級優化調度系統以及電量采集、繼電保護信息管理、網絡電話、巡檢系統等。

與傳統模式各子系統通訊接口、通訊規約不一致、數據格式不統一、數據共享難、系統之間聯動性差所不同,新模式下由于各子系統均構建于以太網上,均支持 TCP/IP協議,通訊接口、通訊規約一致,數據交換、數據共享容易,系統間聯動的實現較為簡單。目前,除了完整地建設了綜合自動化各子系統外,還通過建設綜合聯動平臺,實現了工業電視、火災報警、周界安防及門禁、智能照明等子系統的聯動,進一步提高了“無人值班、關門運行”的自動化水平;實現了水情測報、計算機監控、優化調度系統的數據交換和數據共享,完善了各子系統的功能,提高了系統的整體性能。通過建設完善的二次安全防范系統,使各子系統按二次安防規范嚴格布置于相應分區,各分區間按要求通過安全裝置互聯,確保了系統的安全性。

除了在系統級構建的模式上與傳統模式不同之外,新模式下子系統的建設也有所創新。作為系統核心的計算機監控系統,傳統模式是流域開發的首批電站和流域梯調中心監控系統選用一個廠家的系統,而其后續電站由于建設周期和招投標等因素往往選用不同的系統;輔機監控鑒于當時的技術水平所限并出于成本考慮,選用了不同于主機監控的系統,造成了同一個流域(電站)多套系統并存、不同系統的互聯接入成本高、維護難度、成本加大、備件儲備成本大、生產數據集中度差、運行人員監視操作難度大等弊病。新模式下的計算機監控主輔機系統統一設計、統一采購、選用同一廠家同一系列產品,整個流域所有電站和集控中心、遠控中心計算機監控系統統一規劃、統一招標、分批采購,從而極大地確保了全流域只使用一套系統,產品型號集中、備件儲備量大大減少,少量的維護人員只需掌握一個電站的維護技能就能開展全流域所有電站的維護工作,降低了人員成本和維護難度,更不存在傳統模式下不同系統的互聯接入成本。傳統流域電站設立了單獨的消防值班室,消防報警信息僅送本站值班室,而在新模式下實現了消防監控系統全流域組網,消防報警信息除送本站消防值班室外,還上送集控中心和遠控中心,運行人員對全流域電站的消防報警進行 24h不間斷監視,輔以與工業電視、智能照明、門禁安防系統高度自動化聯動,確保了流域電站“無人值班、關門運行”的正常運轉。

優化調度和生產管理信息系統不屬于傳統模式下綜合自動化的范疇。新模式下,由于流域范圍內網絡無處不在,數據共享和數據交換更容易實現,這兩個系統成為了系統發展的自然延伸。隨著綜合自動化的完整實施、“無人值班、關門運行”的高效實現,水電企業追求管理現代化以達到生產過程的安全可控和水能資源的充分利用已成為更高的需求,憑借已實現的綜合自動化系統的有力支撐,流域梯級優化運行和生產管理信息化的實現也就水到渠成了。火溪河流域電站投運之初,電站的調度方式是由四川省調分別對每一個電站下達單獨的負荷,但由于省調值班員難以對每個流域電站的水情、水庫水位、設備狀況情況做到及時、詳細的掌握,致使火溪河流域各電站下達的負荷經常不太匹配,運行中機組效率不高、水庫棄水壓力大,電站運行人員要花費大量精力、時間向調度申請負荷調整,但往往是申請調整比較困難,既使申請到也經常錯過最佳調整時機。面對這一難題,我們通過仔細調研,發現火溪河流域四個電站由兩回 220kV線路送出,兩回線路接入電網的并網點在同一個變電站——江油天明變電站,如果電網對流域四個電站下達總負荷,流域電站總出力只要滿足總負荷要求,將不影響電網潮流的分布,不影響電網安全穩定運行,同時,流域集控中心對流域水情和設備運行情況能夠及時詳細掌握,可以將總負荷及時、合理地分配到每個電站。基于這一認識,通過我們積極促進和各方的共同努力,2007年 8月,電網同意火溪河流域四個電站開始實施流域總負荷調度,通過總負荷調度,電站的運行效率得以提高,設備運轉安全壓力和汛期棄水壓力降低,水能資源利用率得到了進一步提高。而最初的總負荷調度采用運行人員人工分配的方式,人工工作量較大,受人工經驗和計算能力限制,負荷分配的及時性和機組運轉效率的提高相對有限,從 2008年開始,我們著手開發了年調節水庫和總負荷條件下的流域梯級水電站優化調度系統,系統不僅對龍頭水庫全年的蓄水、消落按全流域電站發電收益最大化進行中長期規劃,更利用了總負荷調度的優勢,對調度下達的總負荷根據流域來水、水庫水位、電站設備狀況,按每日發電后梯級蓄能最大化的原則,由計算機根據預先制定的策略,迅速計算出分配到各電站的實時負荷,依托計算機的強大計算能力和預置策略的全面性、科學性和穩定性,較人工分配方式下機組運轉的效率更高,負荷分配更及時、更合理,使水資源得到了更充分的利用(根據模擬運行結果,優化程度優于人工分配 3%以上),也更能發揮總負荷調度和年調節水庫的優勢,從而確保了優化調度中長期規劃目標的落實。

管理的現代化離不開管理的信息化,依托無處不在的網絡,我們建設了一套生產管理信息系統,可使相關人員共享生產管理信息,生產管理的各項制度和要求也通過系統預置的流程、權限得以落實和保證,大多數生產活動留下的痕跡可以有效追述;建立了設備全壽命周期的動態臺帳,設備的技術資料、運轉狀況可動態管理;通過與計算機監控等其他子系統進行數據交換、數據共享,可有效開展技術管理的自動化和信息化。

5 火溪河流域電站綜合自動化實現新模式、新內容的意義

火溪河流域電站建設探索的“流域梯級電站無人值班、關門運行、綜合自動化新模式和新內容”具有其較為深遠的影響和意義:首先,節約了工程造價,降低了建設成本。通過采用“擴大廠站”模式,電站取消了副廠房及各站單獨配置的生活設施、生產配套設施,取消了計算機監控上位機系統,利用已有的 OPGW光纖和 35kV線路桿塔構建流域光纖環網,綜合自動化各子系統共用通訊平臺等創新手段達到該目的;其次,創新了建設模式,有別于傳統模式綜合自動化各子系統孤立建設,新模式對整個系統“統一規劃、分步實施”,跟蹤通訊、自動化新技術,選擇了合適的技術路線,建成了統一的傳輸平臺,實施模塊化設計,標準化接口,方便各子系統的接入、組網,大大加快了系統完建的速度;第三,兼顧了企業的經濟效益和社會效益。新模式下,綜合自動化系統的建設更容易,“無人值班、關門運行”的自動化水平更高,實現更便捷。火溪河流域電站 2002年開建,2008年就完全實現了“無人值班、關門運行和成都遠控”,生產人員的生活基地建在大都市,運行人員在成都遠控中心運行值班,電站現場僅保留少量必要的維護人員,且維護人員生產、生活采用大倒班,生產人員多數時間在都市工作、生活,實現了都市水電,改善了職工工作、生活條件,穩定了職工隊伍;智能照明和總負荷模式下優化調度系統的投運,一方面降低了企業成本、增加了企業收入,更為重要的是響應了“節能減排、建設節約型社會”的號召,節約了能源,充分利用了水能資源,履行了企業應盡的社會責任;第四,拓展了流域梯級水電站綜合自動化的內涵。新模式下的“無人值班、關門運行”通過綜合自動化系統整體快捷完建,也變得易于實現。“無人值班、關門運行”不再是水電企業通過綜合自動化系統追求的終極目標,而是將系統拓展到更能提升企業價值的流域優化調度、生產管理信息化、現代化、設備狀態檢修專家支持等的應用上;第五,新模式在流域梯級電站建設中具有一定的推廣價值:流域電站在接入系統規劃中,應盡量爭取全流域電站一點接入電網,以便為今后爭取流域總負荷調度和真正實現流域實時優化調度創造條件;流域電站綜合自動化宜統一規劃,有條件的流域可采用“擴大廠站”的模式;計算機網絡和通訊技術日新月異、發展很快,跟蹤新技術的發展,選擇合適的技術路線,將使無人值班和流域綜合自動化的實現事半功倍;流域綜合自動化傳輸平臺的建設,形成無處不在的網絡,方便形成了流域電站從建設到生產全過程的管理信息化。