流域梯級集控中心自動化系統智能化建設總體規劃設計

王德寬，張 毅，余江城，張建明，孫建會，余 茜

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

1 概述

經過多年的不懈努力，我國各流域水電公司已先后建立了梯級集控中心自動化系統，實現流域梯級水電資源的優化控制管理，流域梯級電站監控、水情水調、機組狀態監測及遠程診斷、繼電保護、大壩監測、計量等自動化系統獲得廣泛應用，技術已趨于成熟，為流域各電站實現“無人值班”(少人值守），提高流域梯級水電廠的安全運行和自動化管理水平發揮了重要作用，為智能化建設打下了良好的基礎。

流域智能化水電廠建設涉及生產、運行、維護管理等各個方面，組織開展流域智能化建設總體規劃設計，明確下一步的重點規劃工程和實現目標，梳理存在的問題和技術難點，對有效實現流域各系統的智能化建設與管理，保證智能化建設的高起點和高水平，避免重復建設，提高流域水資源效益是十分必要和有意義的。

流域智能化建設通過先進的傳感和測量技術、網絡通信技術、可靠的硬件設備以及高度智能化的決策支持系統的應用，實現流域水電機組狀態檢修、梯級水電站群經濟運行、大壩安全監測、電站自動化系統、梯級遠方集控中心自動化系統、基礎自動化、通信網絡等方面的智能化，實現各系統之間的無縫連接，建立一體化系統信息平臺，實現數據共享與互動，不僅能全面提升流域的安全穩定經濟運行水平，實現發電廠安全、可靠、經濟、高效和環境友好的目標，提升電網、電廠智能協調水平，同時又能為我國水電廠的智能化建設積累寶貴經驗，必將對我國水電自動化技術進步產生深遠的影響。

目前智能化已成為水電廠自動化系統技術發展趨勢，隨著智能化技術的成熟、水電廠智能化設備和系統的研制開發，建設全流域信息統一數據平臺，實現信息資源整合共享，集中管理并綜合運用的需求將越來越強烈。開展流域梯級集控中心自動化系統智能化建設，實現水庫群聯合調度、流域梯級水電廠遠方集中控制、機組優化運行，對于提高流域整體安全穩定運行管理的智能化決策水平，提高經濟效益，意義十分重大。

2 流域梯級水電廠智能化建設規劃目標

根據流域智能化建設需求和現狀，立足于解決目前流域水電建設中存在的問題和不足，統一規劃設計，以建設流域梯級數據一體化平臺為中心，全面提高流域發電生產及管理的智能化程度，提高設備的安全穩定運行水平，提高流域經濟效益，加強廠網協調控制和與智能電網的互動，實現梯級電站遠方智能集中控制、梯級水庫智能化聯合調度，提高流域洪水控制、防汛管理及經濟運行水平，實現對發電一次設備及水工建筑物的在線狀態監測診斷，以及主設備的狀態檢修與遠程診斷。

流域梯級集控中心自動化系統智能化的主要任務是：

（1）組建流域梯級集控中心調度數據專網，實現與各梯級電站和相關系統的可靠通信連接；

（2）實時采集與處理流域各梯級電廠設備運行，發電控制，以及各梯級電站控制流域的水文、水情、氣象、庫區環境、樞紐建筑物運行工況等信息；

（3）建設流域梯級水電廠數據統一平臺，實現信息資源整合共享，集中管理并綜合運用；

（4）滿足流域梯級水電廠現地無人值班，遠方集中監視、控制和優化運行管理需要；

（5）實現流域梯級水電廠的統一聯合優化調度與智能決策。

3 流域梯級水電廠智能化建設總體架構

3.1 流域梯級水電廠自動化系統總體結構

根據目前現有的流域水電廠運行方式，流域水電廠自動化系統采用分層、分區的模塊化總體架構設計，由一系列具有特定功能的智能化應用系統的有機集成構成全流域分層分區的系統總體結構，其中分層是從系統總體架構上進行劃分，分區則是根據系統安全防護的等級進行劃分。

從系統總體架構的角度，自下而上，流域梯級自動化系統總體結構上可分為三個層次，即：流域集控中心層、廠站層和設備現地層。在控制層面上可分為：上級調度部門控制、集控中心控制、水電站監控系統控制和設備現地控制四個層次。

電監安全《電力二次系統安全防護總體方案》，將電力企業基于計算機和網絡的應用系統原則上劃分為生產控制大區和管理信息大區，生產控制大區又分為控制區（又稱安全區I）和非控制區（又稱安全區II）。

因此從系統安全防護等級的角度，流域智能化系統分屬三大安全區域，通過流域通信網絡系統，在統一數據信息平臺的協調下實現互動，實現水電廠生產過程控制、運行決策與生產管理的智能化，使水電廠的經濟效益最大化。

流域集控中心層承擔梯級電站集中控制管理職能，是流域各梯級電站的集中控制、優化調度與經濟運行中心；是設備運行、繼電保護、自動化、通信、信息專業技術管理中心，并通過統一數據信息平臺實現流域電站各應用系統數據共享、集中管理，為各種智能化高級應用提供一體化的支撐平臺，全面提升流域梯級各電廠的智能化和信息化水平，實現安全經濟運行、統一優化調度和狀態檢修。

流域集控中心層主要包括電調自動化系統、水調自動化系統、遠程狀態檢修與故障分析診斷系統、流域公司辦公自動化系統等。其中電調自動化系統屬于生產控制大區中的安全I區，水調自動化系統屬于生產控制大區中的安全II區，遠程狀態檢修與故障分析診斷系統屬于管理信息大區中的安全III區，流域公司辦公自動化系統屬于管理信息大區中的安全IV區。

集控中心水調自動化系統根據梯級電站水流量的平衡性要求進行水庫的優化調度（發電調度、水庫調度、防洪調度），制定短期發電計劃曲線，實現發電與水庫調度的最優組合。電調自動化系統通過綜合數據平臺與水調進行數據交換和共享，接受有關部門的調度決策，實現梯級電站的遠方集中控制、聯合優化調度和經濟運行。

廠站層主要由水電廠各類應用系統（如計算機監控系統、水情水調自動化系統、繼電保護系統、在線狀態監測系統、大壩監測系統等）的廠站上位機系統等組成，完成各應用系統全廠級的功能；設備現地層主要包括水電廠各類設備、傳感器、各類應用系統的現地控制單元等，主要負責現地級指定設備和系統的數據采集、處理與監控功能。

3.2 流域梯級集控通信網絡系統

通信網絡系統是實現流域各梯級電站應用系統互連、數據交換、信息共享的基礎，是建設流域各梯級水電廠統一信息平臺的基礎支撐系統，有必要對計算機通信網絡進行統一規劃設計，以滿足建設流域各梯級水電廠統一信息平臺的需要。

高速光纖網絡和通信系統等基礎支撐系統的建設，應根據梯級電站各應用系統業務的數據傳輸、交換和存儲需求，以及業務類型、功能和性能指標等要求，確定需要的網絡通道和傳輸容量，并配置相應的通信和計算機網絡接口設備，建立跨越三級安全區域的計算機網絡系統，滿足統一信息平臺與各應用系統的數據互連與交換需要。

流域梯級集控中心層與所屬各梯級電站廠站層通過梯級電站專用光纖通信網進行連接；同時通過電力調度數據網與上級網/省調中心互連。

為滿足可靠性和實時性要求，需采用寬帶光纖網絡通信方式，并配置冗余通道。主用通道采用電力光纖組建梯級調度專用數據通信網，備用通道可采用電信光纖傳輸通道通信方式，并根據需要配置衛星應急通信通道。

（1）電力光纖組網通信方式：核心光纖網絡采用基于SDH的MSTP環網結構；

（2）電信光纖傳輸通道通信方式：通過1路或多路E1（G.703）接口形成1或N×2 Mb/s點對點光纖傳輸通道；

（3）衛星應急通信通道，64 kb/s～2 Mb/s。

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。

流域梯級集控中心與所屬各梯級水電廠通信網組網互聯架構圖如圖1：

圖1 流域集控中心與電站監控系統通信組網

3.3 流域智能化梯級水電廠自動化系統總體構成

流域智能化梯級水電廠建設具體體現在一系列高度智能化的生產過程控制、運行決策和生產輔助管理自動化系統的建設。這些系統相對獨立，功能明確，界限清晰，完成各自的特定功能，相互之間又有機互聯，通過統一規劃的一體化信息平臺實現數據共享互動配合，完成全流域智能化目標。

流域智能化梯級水電廠自動化系統總體構成如圖2所示。

三大安全區域各有一個數據共享平臺，負責整合本區各自動化系統，實現數據互聯、共享和互動。

系統間互聯初期可在具備條件的系統間采用IEC 61850規約，后期應逐步推廣采用IEC61850規約和統一規范的數據模型，實現無縫連接。

圖2 流域智能化梯級水電廠自動化系統總體構成示意圖

3.4 流域智能化梯級水電廠自動化系統層次結構

流域智能化梯級水電廠建設涉及生產、運行、維護管理等各個方面，具有規模大、結構復雜、研發內容多、技術難度大、建設周期長等特點，是一項開創性的系統工程，需要研究解決的技術關鍵問題很多，為保證智能化建設的高起點和高水平，有效實現全廠各系統的統一運行管理，避免重復建設，必須進行統一部署，按照“統一規劃、分步實施”的建設原則，對流域智能化建設進行總體規劃。

智能化建設規劃應根據進度要求、現場實際需求、具備的技術條件等，對包括基礎設施、應用支撐平臺、電站各應用系統等建設內容，以及相應的組織管理和技術保障等方面，按照系統總體層次架構進行規劃設計，通過多學科、多技術的相互支撐，整合各子系統，分階段、分層次開發建設，以實現各系統的有序耦合。

基礎設施是完成各類信息從數據采集、傳輸、處理、存儲和展示全過程的軟硬件設備及所需的實體環境，是智能化水電廠建設的基礎。包括數據采集系統、通信系統、計算機網絡系統、數據儲存與管理等系統。

通信網絡系統是各類自動化系統的連接交換平臺，應根據各個應用系統對網絡實時性、安全可靠性和帶寬要求建設計算機網絡。為提高網絡安全性和可擴展性，計算機網絡采用層次化結構，劃分為控制專網、業務內網和業務外網。網絡互聯時通過安全隔離設備實現網絡防護和隔離。

通信系統為計算機網絡系統提供基礎傳輸通道，其性能決定了計算機網絡系統的性能。通信傳輸系統應采用光纖自愈環組網，組網設備采用智能光網絡設備。提高網絡的安全性和先進性。

統一信息平臺為智能化水電廠提供統一的信息支撐管理應用環境，通過統一規范的傳輸規約和網絡接口，整合離散的各個應用子系統，建設數據交換和中心存儲設備，形成全廠數據信息中心，實現全廠監控、信息、通信、水情、監測等跨安全分區的各應用系統之間的數據的統一交換與存儲共享，滿足流域梯級電站遠方集控、水庫聯合優化調度、經濟運行、設備在線監測與狀態檢修等系統、大壩安全監測系統的應用需求。

應用系統是與電廠運行維護管理直接相關的各業務子系統，主要包括：流域梯級集控中心自動化系統、流域各電廠計算機監控系統、水情水調自動化系統、在線監測與狀態檢修系統、大壩安全監測系統以及保護量測等系統，是智能化建設的主要內容。

4 建設內容

4.1 流域梯級電廠集控中心專用數據網建設

組建流域梯級集控中心調度專用數據網，實現集控中心系統與各梯級電廠之間的可靠通信，是集控中心自動化系統實現功能的基礎和保障。實現流域各梯級電站集中控制與聯合優化調度，電廠現地無人值班，意味著在集控中心必須實時監控到電站運行的所有重要信息，數據量非常龐大，可靠性和實時性的要求也很高，因此集控中心系統與各梯級電站計算機監控系統通信宜采用傳輸性能很好的寬帶光纖網絡通信方式才能滿足需要，并盡量采用冗余通道。

應根據流域各梯級電廠的實際情況，靈活采用相應的網絡通信方式實現與集控中心的連接。

4.2 流域梯級水電廠信息統一平臺建設

在完成計算機通信網絡系統、統一信息平臺運行實體環境等基礎支撐系統建設的基礎上，建設流域各梯級水電廠數據交換和中心存儲設備，通過統一規范的傳輸規約和網絡接口，根據工程實際進度進行各應用系統的智能化建設，整合離散的各個子系統，建立滿足二次安全防護要求的流域各梯級水電廠信息統一平臺，形成流域各梯級電廠數據信息中心，實現流域各梯級水電廠監控、信息、通信、水情、監測等跨安全分區的各應用系統之間的數據的統一交換與存儲共享，消滅信息孤島，為智能化水電廠提供統一的信息支撐管理應用環境，滿足流域梯級電站遠方集控、水庫聯合優化調度、經濟運行、設備狀態在線監測與診斷等系統的應用需求，全面提升流域各梯級水電廠自動化運行管理水平和綜合經濟效益。

4.3 流域梯級電廠集控中心電調自動化系統建設

建設流域梯級集控中心電調自動化系統，梯級電調自動化系統采用分層分布式體系結構，整個電調自動化系統分為三層：上級調度層、梯級集控中心層和廠站層。在流域梯級集控中心層設一套梯級電調自動化系統，其下各廠站層分設電站計算機監控系統。

通過流域梯級集控中心電調自動化系統的建設，實現對流域梯級樞紐內各電廠及泄洪閘等設施的運行情況進行遠方監視及控制，與南方電網等電力調度部門的通訊等功能，并按照上級調度指令，對梯級樞紐的泄洪、蓄水、發電等進行統一聯合調度，對梯級樞紐實行統一的調度管理。

根據梯級水電廠現地無人值班的任務要求，電調自動化系統應具有對梯級各廠站子系統進行數據采集與處理、安全運行監視、運行調度、操作控制和管理等功能，同時負責接受上級調度系統下達的各項指令，向上級調度傳送所需的數據，以便對整個梯級樞紐進行有效的遠方集中監視、調度、控制、聯合優化調度及管理。

4.4 流域梯級電廠集控中心水調自動化系統建設

建設流域梯級集控中心水調自動化系統，系統采用分布式結構，分為水調主系統、防汛/水文接口子系統等部分。系統各功能分布在網絡的各節點上，每個節點嚴格執行指定的任務并通過網絡與其它節點進行通信。水調主系統實現水情測報信息采集、數據存儲、水文預報、水庫調度規劃及與南方電網等電力調度部門的通訊等功能，屬于安全Ⅱ區。水調主系統與防汛/水文接口子系統之間通過綜合數據平臺實現安全連接，完成數據交換功能。

通過集控中心水調自動化系統建設，及時、準確地自動采集流域水情測報信息，收集梯級水庫調度所需要的水情信息、氣象信息、樞紐運行信息、防汛指揮部門的防洪調度信息、電力調度部門的電調信息和航運部門的航調信息。對這些信息進行計算、分析和綜合處理。根據水情和氣象信息，作出水文預報。根據水情信息和水文預報，按照樞紐綜合利用的要求，進行水庫調度方案（發電調度、水庫調度、防洪調度）的計算和分析比較。在保證流域防洪要求和各樞紐本身安全的前提下，進行水庫的優化調度，制定短期發電計劃曲線，實現發電與水庫調度的最優組合，為水庫調度提供決策支持。以滿足運行人員工作需求，減輕勞動強度，實現智能監測、智能預報、智能調度、智能管理的梯級經濟運行目標。

4.5 流域梯級電廠自動化系統的智能化建設規劃設計

流域梯級電廠自動化系統的智能化建設規劃主要包括：基于IEC61850標準體系和建模原則，完成智能化自動控制系統總體設計；根據水電廠內各種設備和系統的物理特性抽象出物理和信息模型，建立智能化水電廠信息模型；通過采用先進的傳感器、電子、信息、通信、控制、智能分析軟件等技術，建設新一代水電廠自動控制系統平臺。

通過流域梯級電廠自動化系統的智能化建設，可全面提升智能化水平，提升發電站的安全穩定經濟運行水平、提高機組的可觀可控可調性，實現并網接入快速化、安全化、標準化和智能化，強化電廠對電網的支撐能力，提升網廠智能協調水平。

4.6 流域遠程狀態監測與故障分析診斷自動化系統

以流域梯級電廠機電主設備為實施對象，建立流域發電廠設備遠程狀態監測、故障診斷與狀態檢修決策系統，具有智能化功能，簡稱流域發電廠遠程故障診斷中心。根據在建與已規劃發電廠的設備布置方位及配置、機型特點、機組參數、廠站間通信狀況及在電網中的地位等因素，以及國內外設備狀態監測技術發展水平，確定系統的結構體系、網絡結構體系以及監測對象、監測手段，選擇具有國內或國際先進技術水平的硬件、軟件系統平臺，通過在線監測與離線監測（或巡檢）以及測試數據的有機結合，實現對設備運行狀態的遠程實時在線監測與分析。

4.7 應急調度指揮系統智能化建設

建設流域應急調度指揮系統，配套相應的指揮調度場所，包括：指揮調度大廳、會商室、機房和值班室，提供實體運行環境，安裝部署基礎軟件、數據庫軟件，并根據應急調度指揮需求開發應用軟件，通過應急通信系統、計算機網絡系統、圖像監控系統、視頻會議系統等硬件基礎支撐系統的建設，實現應急系統與信息統一平臺和其它系統的無縫連接，為全面提升流域預防和處理突發事件能力提供完善的技術保障和工具。

5 結束語

在實現流域電廠智能化的同時，開展流域梯級集控中心自動化系統智能化建設，通過全流域統一的數據一體化平臺，實現水庫群聯合調度、流域梯級水電廠遠方集中控制、機組優化運行，對于提高流域梯級電廠運行管理的智能化決策水平，減輕運行人員勞動強度，提高經濟效益，意義十分重大。