天花板水電站監控系統設計

仇雅靜，劉書玉，宋 男

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

1 工程概況

天花板水電站位于云南省昭通市境內，是牛欄江中下游梯級規劃的第7級水電站。電站為混合式開發，主要由碾壓混凝土攔河拱壩、引水系統、岸邊式電站廠房等組成。電站以發電為主，總裝機容量為180 MW （2×90 MW），機組型式為混流式，額定水頭89 m，多年平均發電量8.295億kW·h，年發電利用小時數4 608 h。電站主接線為單母線接線，以一回220 kV出線并入云南電網。工程等別為三等工程，工程規模為中型。

2 監控系統設計原則

天花板水電站按 “無人值班” （少人值守），按云南省調遙控的運行管理模式進行設計，符合以下設計原則：①加強對主要設備的安全監視，提高水電廠的安全生產水平和運行可靠性；②保證供電電能質量；③提高水電廠的經濟效益和管理水平；④提高水電廠的自動化水平，為實現 “無人值班”（少人值守）提供保證；⑤在設計時對梯級電站流域集中控制工況予以考慮。

3 系統結構與功能

天花板水電站計算機監控系統采用開放分層分布式結構，主要設備采用冗余配置，監控系統分設電站控制級和現地控制單元級。電站控制級 （簡稱電站級）的監控通過工作站實現，采用南瑞公司的SSJ-3000型水電廠計算機監控系統。各現地控制單元 （LCU）以Quantum系列 PLC為控制核心，機組輔助設備及公用控制系統以PLC為控制核心，構成相對獨立的子系統。監控系統結構詳見圖1。

3.1 電站控制級

天花板水電站的電站控制級負責電站主要運行設備的數據采集和處理、安全運行監控、生產控制操作、事件順序記錄、故障報警等功能；并實現與電力調度中心的通信，發送上行信號，接受電力調度中心下行的控制調節命令，實現對機組的AGC/AVC控制；實現對220 kV開關站的斷路器、隔離開關、重要的接地開關的遠程監控和操作，是整個電站的控制核心。電站控制級主要設備配置及功能如下：

圖1 天花板水電站監控系統結構示意

（1）2臺套SCADA服務器 （兼歷史數據服務器）及光纖磁盤陣列主要完成實時數據庫 （監控系統數據庫的SCADA部分）的數據采集與管理；開關量報警處理、模擬量越限檢查、數據庫數據的指定計算、實時數據傳播到其他服務器和工作站等任務；實現電站AGC、AVC運行；歷史數據的存儲、管理。兩臺數據服務器互為熱備用，存儲相同的實時、歷史數據庫，并配置光纖磁盤陣列等存儲裝置。

（2）2臺套操作員工作站主要實現運行人員對電站的監視和控制，如電站運行工況監視、越限告警、事故告警、控制調節、發電機啟停和運行應用軟件并顯示執行結果等。

（3）1臺套工程師兼培訓工作站主要完成對電站監控設備的運行維護管理與開發，程序下載等工作并兼做電站運行人員的培訓工作站。

（4）2臺套調度通信服務器主要負責與云南省調及省備調的調度通信，2臺服務器一用一備。

（5）1臺套站內通信服務器 （兼生產信息查詢服務器）主要負責用于電站生產管理、狀態檢修用途的數據采集、處理、歸檔、歷史數據庫的生成、轉儲等，并為MIS系統提供數據；并實現與電站水情測報系統、電能量采集系統等之間的數據通信。

（6）1臺套ON-CALL語音報警服務器完成電站語音 （在報警條件下向操作員發出中文語音報警信號）/電話報警、電話查詢、事故自動尋呼（ON-CALL）及手機短信報警，并兼做報表制作等工作。

（7）1套GPS時鐘裝置。

3.2 現地控制單元級

天花板水電站共設5套現地控制單元（LCU），各LCU直接面向生產過程，相對獨立于電站控制級，能夠獨立或按電站控制級的命令實現各自生產過程的實時數據采集及預處理、被控設備的狀態監視、控制和調整等功能。各LCU經其I/O接口、通信接口與生產過程相連，各LCU控制器通過光口直接與網絡連接，實現與電站控制級交換信息。

5套LCU布置為機組2套，開關站1套，公用1套，壩區1套。機組1～2 LCU主要實現對機組及其附屬設備 （勵磁、調速等）、主變、發變組保護等設備的監視和控制；開關站3 LCU主要實現對220 kV出線線路、220 kV開關站GIS、220 kV母線和線路繼電保護、故障錄波、全廠安自裝置、電能計費等設備的監視和控制；公用4 LCU主要實現對主、副廠房內公用設備、廠用變壓器、10 kV及400 V配電裝置、廠房220 V直流電源系統、火災報警、消防系統及全廠通風空調系統等設備的監視和控制；壩區5 LCU主要實現對水庫水位、大壩滲漏排水系統、閘門啟閉機控制系統以及壩區配電樓的電氣柜、柴油發電機組、直流電源裝置等設備的監視和控制。

3.3 網絡結構

天花板水電站計算機監控系統為星形網絡拓撲結構，采用全分布開放式冗余以太網。網絡主干選用2套MOXA公司的PT7728-S-HV網絡交換機，電站級各工作站直接與2套交換機通過網絡雙絞線電纜連接。兩臺主干交換機分別連接到各LCU，實現10/100 M光纖雙以太網絡連接。各現地控制單元以現場總線和串行通信等方式與部分被監控設備連接。

4 系統安全

4.1 電源配置

為保證電站監控系統的可靠運行，電站控制級即上位機和網絡交換機等設備由2套互為熱備用的容量為10 kV·A的不間斷電源 （UPS）供電。現地控制單元采用交、直流雙路供電方式，當一路電源消失時，另一路電源可以無擾動切換。

4.2 冗余配置

為提高監控系統的可靠性，監控系統各關鍵設備均采用互為熱備用的冗余設計。主要措施如下：①上位機各關鍵節點如主機、操作員工作站等均采用雙機熱備配置；②冗余網絡配置；③各現地控制單元 （LCU）均配置雙CPU、雙電源、雙通信模塊。

4.3 二次安全防護

根據國家電監會的要求，天花板水電站監控系統的二次防護方案如下：

（1）2套主機工作站共配備2套核心系統防護產品。

（2）調度通信服務器配置兩套縱向加密認證裝置，分別作為與省調和省備調的通信安全防護。

（3）站內通信服務器配置2套硬件防火墻和2套電力專用安全隔離裝置 （正向單比特、反向單比特各1套），用于與電站MIS系統交換數據的安全隔離。

詳細二次防護方案見圖2所示。

5 結語

2011年2月26日天花板水電站首臺機組試運行順利結束，并于2月28日正式進入商業運行，現場運行情況良好，監控系統操作方便、穩定可靠，基本實現了設計意圖。就裝機容量而言，天花板水電站是典型的中型常規水電站，本文以天花板水電站計算機監控系統設計方案為例，旨在為中小型水電站的監控系統設計提供參考，為智能化電網的建設提供技術上的支持。