“區域值班員”模式關鍵技術研究與工程應用

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 100038）

0 引言

五凌電力有限公司（以下簡稱：五凌公司）主要負責沅水流域梯級電廠開發的規劃、建設、經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，沅水流域在建的有白市、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。位于長沙市北郊的黑麋峰抽水蓄能電廠于2010年9月全部投產發電，另有開發建設的位于貴州省的黔東火電廠。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。

圖1 五凌公司電源開發分布圖

顯然，五凌公司的電廠具有“絕對數量多，地域分布廣，跨流域、跨調度機構，電源類型多樣”的特點，為了提高發電運行人員的工作效率，在積極建設跨流域遠程集控系統的同時，五凌公司在國內創新性地提出了“區域控制”與“區域值班員”的概念，由一個值班員實現多個水電廠的遠程監控，突破傳統遠程集控中“一人一席一廠”的模式，實現五凌特有的“一人一席多廠”的“區域值班員”模式，本文重點介紹“區域值班員”模式的集控系統若干關鍵技術的研究思路。

1 五凌公司集控系統結構

1.1 總體結構

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，可分為生產信息查詢層、控制層、非控制層和接入層，相應的集控系統也由四個局域網組成，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[1]。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。

圖2 五凌跨流域遠程集控系統總體結構圖

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。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[1]。

1.2 集控數據網

集控數據網絡（結構見圖3）用于集控中心與各電廠之間計算機監控系統、泄洪閘門監控系統、電能量計量系統、水情及水調自動化系統、繼電保護運行及故障信息管理系統、消防監控系統等實時、非實時數據交換。集控數據網絡采用主、備用通道傳輸數據。電力光纖傳輸通道作為主通道，電信光纖傳輸通道作為備用，優先級低于電力光纖傳輸通道。當電力2 Mbps點對點光纖傳輸通道中斷時，電信光纖傳輸通道在設計時間內切換為主運行通道運行，一旦電力2 Mbps點對點光纖傳輸通道恢復正常時，電信光纖傳輸通道將自動還原為備用。

圖3 五凌集控數據網網絡結構

集控數據網劃分為實時VPN和非實時VPN，實時VPN傳輸發電、泄洪閘門等實時數據，非實時VPN傳輸水情、水調、電能計量、故障錄波等非實時業務數據，優先保證實時數據傳輸。正常情況下，實時VPN數據通過主用電力光纖專用通道傳輸，非實時VPN數據通過備用電信光纖專用通道傳輸。

2 “區域值班員”模式及其關鍵技術

2.1 “區域控制”與“區域值班員”的概念

為了實現高效的遠程控制，滿足五凌公司多流域集控系統建設的具體要求，提出“區域控制”與“區域值班員”的概念，即將五凌公司的水電廠群劃分為若干個“區域”，一個“區域”包含多個電廠，任意區域均被視為一個調度和控制的整體，由一個運行值班員（“區域值班員”）實現對“區域”內所有電廠的遠程監視與集中控制，從而突破了傳統遠程集控中“一人一席一廠”的模式，實現了“一人一席多廠”的水電廠管控模式。

要實現“區域值班員”模式，不僅要求生產管理制度上的創新，還要求突破若干關鍵技術問題。具體包括：①“區域”劃分策略；②“區域值班員”模式下人機交互平臺、運行報表、事件及報警篩選等的優化設計；③“區域”上下游電廠經濟匹配運行模型。

2.2 “區域”劃分策略

根據“區域控制”的概念，結合五凌公司實際情況，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。

表1 “區域”包含的電廠及機組臺數

區域劃分不是各個子電廠簡單組合，而是按照效益最大化、上下游水庫梯級調度、控制可靠性最高、自然環境最適宜，廠間匹配最便利等要求的有機整合。區域劃分根據電廠地理位置的相關性、相鄰近及易于綜合調度等特征，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。

為了提高綜合效益與值班員的控制可靠性，“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。

結合以上原則，五凌公司“區域控制”模式下“區域”的劃分主要按照以下幾個方面考慮：

（1）各個“區域”內機組數目分配基本合理，其中三-掛-白區域 10臺（4+3+3），托 -洪區域 12臺（4+2+6），五 -凌區域14臺（5+9），東-株-馬區域11臺（4+4+3），碗-近-黑區域10臺（3+3+4）。除了五-凌區域的機組臺數稍偏多以外，其他“區域”機組臺數分布較為均勻，從而各“區域”的“區域值班員”對電廠遠程監控難度差距不大。

（2）在沅水流域干流上，主要根據電廠在流域上的順序、水庫的調節特性、上下游水力聯系來確定其所屬“區域”，具體原因包括：①當五凌公司實現“遠程集控”后，由于按照沅水干流的順序劃分“區域”，同“區域”的電廠彼此位置鄰近，便于水電廠實現“無人值班，關門運行”后，在“區域”的居中位置建立“區域檢修中心”；②為了便于電廠間匹配經濟運行，優化流域綜合調度，提高發電效益，在“區域”的劃分時，盡量考慮上下游電廠的水力聯系與聯合匹配經濟運行的可能性，一般，“區域”上游水庫為“月調節、季調節、年調節甚至多年調節水庫”的大型水庫，“區域”下游水庫為“日調節或周調節”的小型水庫，這樣“區域”內上游水庫的下泄流量，能夠直接指導制定“區域”下游水庫電廠的發電計劃，從而有利于水庫間的匹配運行與聯合優化調度。

（3）東坪電廠、株溪口電廠、馬跡塘電廠均分布在湖南資江流域上（單個流域上），三個電廠位置非常鄰近，且全部為“日調節”性能水庫，當上游柘溪水電廠下泄流量確定時，該三廠被劃成一個“區域”，便于聯合調度與優化控制，有利于聯合制定最優的發電計劃，同時所有三廠的機組類型均為“低水頭燈泡貫流式”機組，機組特征及結構差異不大，有利于“區域值班員”高可靠的監視與控制。

（4）碗米坡電廠屬于沅水支流酉水流域，近尾洲電廠屬于湘江流域，黑麋峰電廠為抽水蓄能電廠，雖然電廠間關聯性相對較弱，基本不存在水力聯系，且電廠間位置也比較遠，但以上三廠均屬于湖南省調或省調委托地調調度，調度關系較為單一，且三個電廠中碗米坡電廠與近尾洲電廠屬于常規水電廠，控制難度較小，而黑麋峰為抽水蓄能電廠，工況切換多，控制難度大，三個電廠形成“區域”后與其他“區域”相比綜合控制難度相差不大，基于以上考慮，將該三個電廠劃分成一個“區域”。

2.3 “區域值班員”模式下人機交互平臺

人機交互平臺是實現“區域控制”與“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：

（1）為提高“區域值長”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；

（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。

2.4 “區域值班員”模式下報表優化設計

“區域值班員”要求對“區域”內多個電廠進行遠程監視與控制，因而“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，包括發電量、綜合廠用電量等信息；

（2）設計能反映“區域”內所有電廠機組的特征運行參數的報表，包括所有發電機定子電壓、定子電流，母線電壓，勵磁電流等在某一階段的最大值、最小值與平均值等。

（3）為了滿足對輔助設備運行健康狀態評價的需要，設計對“區域”內電廠輔助設備啟、停規律進行統計的報表，具體對“區域”電廠的高壓氣機、低壓氣機、GIS氣機、各機組的調速器壓油泵、各機組調速器漏油泵、滲漏排水泵、大壩廊道排水泵、檢修排水泵、廠區排水泵、頂蓋排水泵等的在一段時間內的運行時間、停止時間間隔進行統計，并生成體現某段時間內輔助設備運行時間、停止時間間隔最大值的報表，“區域值班員”能利用報表對輔助設備的健康狀態進行評價，提高了“區域”電廠的自動化維護水平。

2.5 “區域值班員”模式下事件及報警查詢優化

提高水電廠事件的查詢效率，有利于提高值班人員監視與控制的可靠性，本文研究了“區域值班員”模式下事件顯示與查詢的優化設計方法，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。

2.6 “區域”上下游電廠經濟匹配運行模型

在沅水流域干流上，主要根據電廠在流域上的順序、水庫的調節特性、上下游水力聯系來確定其所屬“區域”，因此，對于沅水流域上的“區域”來說，上游水庫一般為“月調節、季調節、年調節甚至多年調節水庫”的大型水庫，“區域”下游水庫一般為“日調節或周調節”的小型水庫，“區域”上下游電廠經濟匹配運行模型主要采用“以水定電”的方式優化下游“小水庫”的運行，即下游電廠根據上游電廠的下泄流量及其他支流的注入流量，結合自身的庫容特性、機組容量、機組振動區特性等，提出最優的運行負荷方案。在上游電廠下泄流量較多時，及時騰空庫容，力爭最大程度的利用水資源。

3 工程應用

目前，五凌公司跨流域水電廠群集控系統采用的“區域值班員”模式已完成“區域”劃分、“區域值班員”模式下人機界面設計與開發等關鍵技術的研究，并投入試運行，本文對其中部分典型人機界面進行展示。

3.1 區域主接線

區域主接線界面主要展示“區域”各電廠的線路拓撲圖，顯示電廠及相應高壓線路、區域內所有機組的運行狀態，顯示電網調度對區域內各電廠的給定負荷情況與電廠AGC/AVC投/退情況，“區域值班員”能使用區域主接線界面在界面上對各電廠一次主接線上的重要開關設備（比如機組GCB、TCB等）進行操作，對區域內所有機組進行開/停機、增/減負荷操作。圖4為五凌公司“碗-近-黑”區域主接線界面。

圖4 五凌公司“碗-近-黑”區域主接線界面

區域主接線界面的設計采用“去繁就簡”的設計思路，僅顯示“區域”內部各電廠主接線的斷路器設備，而對于其他應用于線路或機組檢修狀態的線路刀閘、地刀則不予顯示，從而在確保界面的簡潔性的基礎上，展示最多的內容。同時，區域主接線界面中蘊含了切換到“區域”電廠監控目錄的主按鈕，只需要一步便能從區域主接線界面上切換到“區域”內各電廠的監控目錄，切換步驟少。

3.2 區域運行狀態監視

區域運行狀態監視界面綜合顯示“區域”所含電廠及所有機組的運行狀況，能對“區域”電廠的運行參數（包括總有功、總無功、上/下游水位）及所有機組的基本運行參數（包括開/停機狀態，控制權限，有功，無功，頻率，導葉開度等）進行綜合顯示，便于“區域值班員”在整體上實時了解“區域”的當前運行狀態。圖5為“三-掛-白”區域的運行狀態監視界面。

3.3 區域AGC控制模式

區域AGC控制模式界面體現了“區域”包含電廠的AGC的投/退情況、執行方式，所有機組的AGC控制方式及運行模式。“區域值班員”使用區域AGC控制模式界面能全面了解“區域”內各機組的振動區特性，調度對電廠的考核參數，機組及電廠AGC運行模式等重要信息，并能進行AGC相應的投/退操作。圖6為“五-凌”區域的AGC控制模式界面。

圖5 五凌公司“三-掛-白”區域的運行狀態監視界面

圖6 五凌公司“五-凌”區域的AGC控制模式界面

4 結語

為了提高運行人員的工作效率，在建設跨流域遠程集控系統的同時，五凌公司首次提出了“區域控制”和“區域值班員”的概念，并積極開展其中若干關鍵技術的研究，提出了突破各項關鍵技術的研究思路。目前，五凌公司已完成了“區域值班員”模式下“區域”劃分與人機交互界面設計與開發，并投入試運行，取得良好的應用效果。遠程集控的“區域值班員”模式下關鍵技術的研究不僅成功解決了五凌公司建設多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，也將為其他電廠數目多、分布區域廣闊的發電企業實現“遠程集控”提供一種較好的解決方法。

[1]王德寬，袁宏，王崢瀛，等.H9000 V4.0計算機監控系統計算特點概要[J].水電自動化與大壩監測，2007,31(3)：16-18.

[2]王德寬，王桂平，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，(3):1-8.