跨流域水電廠群遠程集控系統高級功能規劃與應用

田啟榮，胡春林，萬 元,2，魏志鵬，諶斐鳴

（1.五凌電力有限公司，湖南長沙410004；2.中國水利水電科學研究院，北京10038）

跨流域水電廠群遠程集控系統高級功能規劃與應用

田啟榮1，胡春林1，萬 元1,2，魏志鵬1，諶斐鳴1

（1.五凌電力有限公司，湖南長沙410004；2.中國水利水電科學研究院，北京10038）

水電廠大都處于地方偏僻、人煙稀少、交通閉塞的山區，為加快智能水電廠建設進程，提高綜合發電效益，提升運行員工生活品質，五凌公司積極穩妥推進跨流域水電廠群遠程集控系統的建設。在介紹五凌公司電廠群地理分布特征的基礎上，從提高流域綜合發電效益、值班員監控的效率以及水電廠遠程自動化維護等方面出發，重點介紹了跨流域水電廠群遠程集控系統高級功能規劃與應用。

五凌公司；跨流域；水電廠；遠程集控；功能規劃與應用

0 引言

五凌電力有限公司（以下簡稱：五凌公司）全面負責整個沅水流域梯級水電廠開發的規劃、建設、運營及湖南抽水蓄能電廠、湖南核電和部分火電的開發建設，已經先后在沅水流域建成五強溪、凌津灘、洪江、碗米坡、三板溪和掛治六座水電站，在建的有白市、托口兩座水電站；湘江流域已建近尾洲水電廠，資江流域馬跡塘、東坪、株溪口三個水電廠。貴州黔東火電廠已于2008年投產發電，位于長沙市北郊的黑麋峰抽水蓄能電廠已于2010年9月全部投產發電。目前，五凌公司已建在建水電廠13個，1個火電廠，圖1為五凌公司電源開發分布圖[1]。

圖1 五凌公司電源開發分布圖

五凌公司的電廠囊括水電、火電及抽水蓄能等發電類型，其中水電廠橫跨沅水、資水、湘江三大流域，且多遠離長沙總部，處于地方偏僻、人煙稀少、交通不便的山區，為提高自動化管理水平，提升員工生活品質，增加綜合發電效益，五凌公司積極推進跨流域水電廠群遠程集控系統的建設，在長沙總部建立發電集控中心，規劃用2～3年的時間，完成屬下十多個電廠的接入，實行遠方集中控制。本文主要從提高流域綜合發電效益、運行值班員監控的效率以及水電廠遠程自動化維護等方面出發，重點介紹跨流域水電廠群遠程集控系統高級功能規劃與應用。目前，五凌公司跨流域水電廠群遠程集控系統已完成了基本功能的建設，其高級功能正按照規劃逐步實施。

1 五凌公司跨流域水電廠群遠程集控系統結構

五凌公司跨流域遠程集控系統采用開放分層分布無主式系統結構，可分為控制層、非控制層、生產信息查詢層和接入層，相應的集控系統也由4個局域網組成，分別是：生產控制網（安全I區）、生產非控制網（安全II區）、生產管理信息網（安全III區）和接入網。各安全區之間的安全防護措施滿足國家電監會關于“電力二次系統安全防護”的規定。系統的總體結構見圖2[1]。

生產控制層采用以太網雙網結構，控制網上的服務器和工作站等設備均采用熱備用冗余配置方式，各冗余設備間能無擾動自動切換，集控系統不會因為部分設備的故障而失去功能。其中歷史服務器與磁盤陣列主要實現13個電廠海量數據的存儲，應用服務器主要完成各電廠AGC軟件的運行。

生產非控制層為以太單網結構，用以連接報表管理工作站、遠程維護和診斷服務器等。生產管理信息層配置千兆以太網交換機，主要連接WEB發布服務器、WEB數據服務器及梯級水調自動化系統外網交換機等有關設備，并通過防火墻與管理信息系統連接，實現遠程集控系統WEB發布。為實現信息安全，生產控制網與生產非控制網使用防火墻隔離，生產管理信息網則通過網絡安全隔離設備與生產控制網連接。

接入層包括與調度數據網及遠程電廠的接入網，均采用百兆以太網雙網結構，為了確保遠程通信安全，在集控中心站與通信對側（遠程水電廠、電網調度）均安裝了縱向加密認證裝置。為了保證信息交互的高可靠性，采用雙通道冗余結構方式組建電廠接入數據網，其中電力光纖通訊作為主通道，電信光纖通訊作為備用通道。在正常狀況下，集控中心站與各電廠通過電力光纖通信實現互聯，只有在電力光纖通信出現故障而中斷的情況下，才啟用電信光纖通信作為主通道，同時主通道與備用通道間可完全實現無擾動自動切換[1]。

2 系統功能規劃

目前，國內大型流域發電企業均積極開展梯級水電廠遠程集控系統的建設，四川國電大渡河公司[2]，云南瀾滄江公司[3]，貴州烏江公司[4]，青海黃河上游水電公司[5]等均已建成梯級遠程集控系統，概括起來，梯級遠程集控系統的基本功能概括起來主要包括以下幾個部分[2,3,4,5,6]。

（1）數據采集、監視和控制（SCADA）；

（2）對梯級水電廠的集中控制與遠程調節，防誤動閉鎖功能；

（3）實時數據及歷史數據處理，運行監視與報警處理，運行數據統計等；

（4）自動發電控制與經濟調度（AGC/EDC）與自動電壓控制（AVC）；

（5）運行指導管理，安全運行分析；

（6）與其他系統信息共享；

（7）系統安全、自診斷與自恢復

五凌公司的電廠群在流域分布（沅水、資江、湘江三大流域）與電源類型（水電、火電、抽水蓄能三種類型）上均呈現出復雜性，如何對所有電廠進行集中監視和綜合管理，提高電力生產的自動化管理水平，如何充分地利用水資源，提高發電效益，均是五凌公司在建設跨流域水電廠群集控系統過程中亟須解決的問題，基于此，針對五凌公司跨流域水電廠群遠程集控系統建設過程存在的上述問題，對遠程集控系統的高級功能進行規劃與設計，并建立相應的數學模型與分析模型，目前，五凌公司正按照整體規劃、分步實施的原則，在遠程集控系統的基本功能全部實現并確保長期穩定、可靠運行的基礎上，逐步擴展集中監控系統的高級功能，最大程度地優化流域調度，提高綜合發電效益，同時提高跨流域水電廠群的自動化維護管理水平。

3 系統高級功能及實施方法

3.1 “區域值班員”模式

由于五凌公司的電廠群數目眾多，為了提高運行值班員的工作效率，提出了遠程集控的“區域值班員”的模式，即將五凌公司劃分成若干區域，區域內的所有電廠被視為一個集控的整體，由相應的“區域值班員”實現其集控。從而突破了傳統的遠程集控所廣泛采用“一人一席一廠”的模式，實現五凌公司特有的“一人一席多廠”的區域集控模式。

在技術上，遠程集控的“區域值班員”模式需要解決以下關鍵技術問題主要包括①“區域”的優化劃分策略；②人機交互平臺優化設計；③事件、報警的查詢預設篩選；④綜合運行報表的生成等。

（1）“區域”的優化劃分策略

遠程集控的“區域值班員”模式下“區域”的劃分不是電廠簡單組合。而是根據電廠地理位置的相關性、相鄰近及易于綜合集控等特征，在充分考慮不同電廠發電機組類型的差異，按照效益最大化、控制可靠性最高的原則，對電廠進行有機整合[7]。

為了提高綜合效益與值班員的控制可靠性，總結出“區域控制”模式下“區域”劃分應遵循三個原則：

1）“區域”內各電廠一般存在直接的水力聯系，便于電廠間經濟匹配運行；

2）各“區域”所含的發電機臺數不宜差距過大；

3）“區域”內各電廠的地理位置盡量鄰近，有利于水電廠真正實現“無人值班，關門運行”后，“區域檢修中心”位置的選擇。

基于此，將五凌公司電廠初步劃分為5個區域，分別為五-凌區域、三-掛-白區域、托-洪區域、碗-近-黑區域以及東-株-馬區域，黔東火電廠近期只實現監視，不進行遠程控制，另外考慮其他中小水電監控接入。各區域所包含的電廠及“區域”內機組臺數見表1所示[7]。

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（2）人機交互平臺優化設計

人機交互平臺是實現遠程集控“區域值班員”模式的關鍵技術之一，其設計必須盡量參考水電廠運行值班員的實際經驗，并根據運行值班人員的需求不斷更新與優化，“區域值班員”模式下的人機交互界面不僅要求美觀大方，還必須要求在監視信息量大的環境中，做到操作便利，界面之間切換簡單，因此，“區域值班員”模式下人機交互平臺優化設計應遵循以下原則[7]：

1）為提高“區域值班員”的遠控機組及設備的效率，存在對“區域”所有機組進行負荷調整，遠程開/停機等操作，重要開關操作的綜合界面，綜合界面上應采用“去繁就簡”的設計思路，對于其他應用于線路或機組檢修狀態的設備則不予顯示；

2）反映“區域”運行狀況的界面應囊括“區域”內所有電廠的重要信息量，且重復信息少，信息展示方式合理；

3）盡量降低“區域”內部各電廠之間界面的切換難度與步驟。

圖3為已完成設計的五凌公司“碗-近-黑”區域主接線界面。

（3）報表優化設計

“區域值班員”模式下報表設計的基本原則是在最大程度上降低“區域值班員”的勞動強度，提高“區域值班員”的勞動效率，因此，按照以下原則優化設計“區域”內電廠的報表系統。

1）在“集控層”與“電廠層”之間設置“區域層”，“區域層”的報表能反映“區域”內所有電廠的重要運行信息量。

2）統計“區域”內電廠輔助設備啟、停規律，并形成相應報表，使“區域值班員”能利用報表對輔助設備的健康狀態進行評價。

（4）事件、報警顯示與查詢優化

為提高水電廠事件的查詢效率，有利于提高“區域值班員”監視與控制的可靠性，對“區域值班員”模式下事件顯示與查詢的方法必須進行優化，優化策略具體包括以下幾個方面：

1）在“集控層”與“電廠層”之間設置“區域層”，“區域值班員”不僅能根據廠站名、設備邏輯名等方式，還能根據“區域”名實現對事件及報警進行查詢；

2）支持事件模糊智能匹配查詢方法，不需要輸入事件的全部名稱，僅需要部分字段便能對事件進行定位；

3）智能提示重復報警信息，“區域值班員”可根據需要取消重復報警信息的顯示，防止在一段時間內重復報警占滿整個報警窗口。

3.2 梯級電廠聯合AGC/EDC

為了提高梯級水電廠的聯合發電效益，有必要對梯級電廠進行聯合AGC/EDC調節，以達到“節水增發”的目的，主要是在具有月調節及以上的水電廠之間進行梯級聯合AGC調節。以兩級電廠為例，一般以兩級電廠的發電消耗的最低總蓄能為目標函數[8]，設兩個電廠分別w廠和k廠，w廠有I臺機組，k廠有J臺機組，建立如下梯級聯合AGC模型如（1）～（4）所示[8]。

式中Hw表示w廠的當前水頭，Hk表示k廠的當前水頭，Qi（Pi,Hw）表示 w 廠第 i臺機組在水頭 Hw、負荷 Pi時發電流量，Qj（Pj,Hl）表示 k 廠第 j臺機組在水頭Hk、負荷Pj時的發電流量，Pwl和Pwh分別表示w廠機組出力的下限及上限，Pkl和Pkh分別表示k廠機組出力的下限及上限，PHw,lm和PHw,hm分別表示w廠機組在水頭Hw下第m個振動區下限及上限，PHk,ln和PHk,hn分別表示k廠機組在水頭Hl下第n個振動區下限及上限。其中，約束條件中（2）式表示兩梯級電廠的總出力限制約束，（3）式表示w廠和k廠各臺機組出力限制約束，（4）式表示表示w廠和k廠各臺機組在水頭為Hw和Hk時的機組振動區約束[8]。目前，計劃使用動態規劃、粒子群算法求解方程通過求解方程，從而便可獲得梯級水電廠的機組負荷實時最優分配方案。

3.3 上下游水電廠經濟匹配運行

對于同流域的上下游電廠，一般存在較為緊密的水力聯系，特別對于上游為月調節及以上水庫、下游為日調節水庫的兩個直接水力聯系的電廠，上游電廠的下泄流量能指導下游電廠制定最優發電計劃，因此，有必要采用上下游電廠的匹配運行方法，以提高發電效益。由于上游電廠下泄流量已知，主要采用“以水定電”的方式優化下游電廠的運行[9]。

以五強溪-凌津灘兩級電廠為例，其中五強溪電廠的水庫為季調節水庫，凌津灘電廠為具有很小調節能力的日調節水庫，假設水流由五強溪到凌津灘的平均流動時間為τ，除五強溪電廠外的其他支流注入流量到達凌津灘的平均流動時間為Δt，五強溪在t時刻的下泄流量為Qww，其他支流注入流量在t+τ-Δt時刻的注入流量為Q0，則在t時刻已記錄Qww時，能夠在t+τ-Δt時刻指導凌津灘電廠制定t+τ時刻的發電計劃。以凌津灘電廠在t+τ時刻處理最大為目標制定發電計劃，優化方程可由（5）計算。

式中 Pj（Qj，Hl）表示凌津灘第 j臺機組在水頭為Hl的情況下，發電流量為Qj時的機組出力，求解該方程便可在t+τ-Δt時刻制定凌津灘電廠t+τ時刻的發電計劃，并上報給調度機構，輔助電網調度機構的調度決策，提高發電效益。

3.4 “遙控”與“遙視”的智能聯動

在集控中心站，“區域值班員”遠程操作設備，操作人員遠方控制某臺機組時，遠離現場設備，在操作某設備時，應通過遠程的視頻監控功能（“遙視”功能）了解相應電力設備的實時運行狀況，因此，五凌公司遠程集控系統建立了“遙控”與“遙視”的智能聯動模型（見圖4所示）。

圖4 “遙控”與“遙視”的智能聯動模型

“遙控”與“遙視”的智能聯動模型中最關鍵是建立專家預定義的“操作-視頻”知識庫，“操作-視頻”知識庫由某項操作的編號與該操作關系最密切相關的視頻畫面的編號組成，存儲在工業電視系統的數據庫中，該知識庫的形成需要有豐富經驗專家或工程師的全程介入，當“區域值班員”向電廠進行遠程操作時，安全Ⅰ區的站內通信機利用已定義的協議向安全Ⅲ區的廣播信息，安全Ⅲ區的工業電視系統對信息進行解碼，然后根據專家預定義的“操作-視頻”知識庫，按照一定的邏輯推理機制，遠程調出與遠程設備操作對應的畫面，使“區域值班員”在遠方能夠實時、直觀的了解到電廠現場設備的運轉狀況。例如，當“區域值班員”啟動五強溪電廠某臺機組時，工業電視系統上顯示該機組大軸的運轉等畫面，供值班人員實時了解機組是否順利開啟以及大軸的運轉狀態，了解相應電力設備的動作是否正常。

3.5 跨流域綜合集成自動化

目前，五凌公司已建成了跨流域梯級水調自動化系統[10]，跨流域大壩安全監測系統[11]等，跨流域水電廠群遠程集控系統正處于研制過程中，為了對“電調”、“水調”、“大壩安全狀態”等多方面信息的綜合分析，最終形成最優的發電決策，有必要建立跨流域綜合集成自動化平臺，其結構框架見圖5。

由圖5可知，由跨流域大壩安全監測系統提供壩體變形度、大壩滲水度、面板裂縫程度等大壩安全信息，由跨流域水調自動化系統提供電廠入庫流量、洪水預報、上庫水位信息等水情信息，由跨流域水電廠遠程集控系統提供電廠機組運行狀況、機組實時出力、電網調度出力給定等“電調”信息，通過高可靠的多維信息融合與有機集成技術，實現多維信息的綜合分析，最終形成最優發電決策，在確保電廠機組安全運行的基礎，盡力增大發電效益，并通過遠程集控系統最終實現各流域梯級水電廠的優化控制。

3.6 水電廠設備遠程診斷和分析

跨流域水電廠遠程集控系統幾乎收集了水電廠機組及輔助設備運行的狀態數據，目前，對于國內已建成的遠程集控系統主要是為實現水電廠的遠程實時控制，沒有對狀態進行評價分析，只能給出實時報警或者一些簡單信息的趨勢分析，這無疑造成了信息的浪費。因此，有必要對遠程集控系統收集的信息實施深層次的分析，以評價水電廠機組及輔助設備的運行狀態，最終實現遠程故障診斷，提高水電廠的自動化維護水平[12]。

水電廠設備遠程診斷和分析的具體原理見圖6所示。

主要通過以下兩個步驟實現水電廠設備遠程診斷與分析。

（1）結合專家經驗、現地試驗結果、典型案例分析結果等信息，采用關聯分析、對比分析等多種策略，對集控系統的歷史數據庫進行離線分析與總結，抽像出水電廠設備遠程診斷的運行特征提取策略與遠程分析與診斷策略。

2）利用運行特征提取策略從集控系統的實時數據庫中提取反映機組運行健康狀態的特征信息，利用分析與診斷策略對提取的特征進行計算與分析，最終評價水電廠設備的運行健康狀態，實現故障診斷。

圖7為已建立的水電廠設備遠程診斷與分析硬件平臺。

數據分析服務器為實現水電廠設備遠程診斷與分析的物質基礎，其與站內通信服務器通過正向隔離裝置互聯，實現對遠程集控系統實時數據庫的訪問，與WEB數據服務器同處于安全III區，通過對WEB數據庫服務器中歷史數據的訪問，實現運行數據的離線分析。

目前，已設計的水電廠設備遠程診斷和分析的功能包括以下幾方面。

（1）結合機組水頭、負荷等運行狀態，對油泵、備用油泵、漏油泵、技術供水泵、取水泵、各種氣泵、各種排水泵等啟/停時間的統計，根據泵啟/停時間及專家定義的閾值，對泵的運行狀態進行自動診斷。

（2）在油泵啟動過程中，對油位上升速度進行分析，以評價油泵的健康狀態；在油泵停止過程中，分析壓油槽油位的下降速度，以檢測是否存在漏油故障；根據高壓油箱補氣過程中油壓上升速度，以評價氣泵的補氣性能，根據高壓油箱非補氣過程中油壓的下降速度，診斷是否存在嚴重的漏氣故障；

（3）結合振動擺度測量裝置，分析在各種水頭、機組負荷下，機組大軸擺度、上下機架及定子鐵心振動、尾水壓力及渦殼壓力等信息量的特性，診斷機組是否存在運行穩定性故障。

（4）在機組運行時，自動計算上導油箱油位、下導油箱油位、水導油箱油位，推力油箱油位每日的下降速度，診斷是否存在相應設備的漏油事故；在機組運行時，當頂蓋排水泵處于停泵狀態下，計算頂蓋積水水位的上升速度，檢測頂蓋密封情況，統計頂蓋排水泵工作過程中，頂蓋水位的消落速度，評價頂蓋排水泵的排水性能。

（5）建立機組溫度分析策略，實現測溫回路故障的自動診斷功能，分析機組定子鐵心及線圈溫度、導軸承溫度等與機組視在功率的關系，完成溫度異常的自動診斷。分析主變繞組與主變視在功率的關系，比較在同視在功率下主變繞組的溫度變化趨勢，實現主變故障的有效診斷。

目前，已建立了壓油泵、備用壓油泵異常啟停與故障的對應關系。具體見表2所示[12]。

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因此，實時采集壓油泵、備用壓油泵啟停時間，根據表2中列出的壓油泵、備用壓油泵異常啟停的與故障對應關系，便可有效診斷機組相應的故障。

4 結語

鑒于五凌公司的電廠群在流域分布 （沅水、資江、湘江三大流域）與電源類型（水電、火電、抽水蓄能三種類型）上呈現出的復雜性，從提高值班員監控的效率、綜合發電效益，水電廠遠程自動化維護等方面出發，對正處于建設階段的五凌公司跨流域水電廠群遠程集控系統的高級功能進行了統一規劃，并建立了相應的模型與計算方法。這些高級功能實現不僅成功解決了五凌公司建設跨流域遠程集控系統過程中面臨的電廠數量多、分布跨流域等難題，提高了綜合發電效益，也為其他電廠數目多、分布區域廣闊的發電企業實現“遠程集控”提供了新的思路。目前，部分高級功能已經在五凌公司跨流域水電廠群遠程集控系統得以應用，并取得了良好的應用效果。

[1]魏志鵬，萬元.五凌公司多流域水電廠群集中監控系統的整體規劃與建設[C].中國水力發電工程學會梯級調度控制專委會2010年年會，2010.

[2]楊忠偉，楊華蓉.國電大渡河流域電站集控中心監控系統設計[J].水電站機電技術，2008，31（3）.

[3]刁東海，吳正義.瀾滄江流域梯級電站集控中心監控系統的實現[J].水電廠自動化，2008，29（4）.

[4]戴建煒，張樹京.貴州烏江流域梯級遠程集控中心計算機監控系統工程設計[J].水電廠自動化，2005，（1）.

[5]王德寬，等.黃河上游梯調梯級中心電調自動化系統的實現及意義[J].水電廠自動化，2005，（1）.

[6]王德寬，王桂平，張毅，等.水電廠計算機監控技術三十年回顧與展望[J].水電站機電技術，2008，31（3）.

[7]田啟榮，萬元，諶斐鳴，等.“區域集控”模式在五凌集控計算機監控系統中的應用[C].中國水力發電工程學會梯級調度控制專委會2010年年會,2010.

[8]馮迅，龔傳利.黃河上游梯級水電站調度自動化系統AGC優化策略[J].水電自動化與大壩監測，2007，31（5）.

[9]張高峰,權先璋,陳建國.三峽梯級水電站自動發電控制[J].水電自動化與大壩監測,2002,（2）.

[10]魏志鵬.五凌公司流域梯調系統建設經驗點滴[J].水電站機電技術，2008，31（3）.

[11]譚文勝，魏志鵬，徐潤明等.五凌公司大壩安全管理信息系統開發與應用[J].水電自動化與大壩監測，2009，33（4）.

[12]趙晶.水輪機調速油系統狀態監測與分析[D].碩士學位論文，華中科技大學圖書館，2007.

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1672-5387（2011）02-0022-06

2011-02-14

田啟榮（1964-），男，高級工程師，研究方向：水電廠綜合自動化控制。