水電廠自動化技術新進展

王德寬，劉同安，楊葉平，龔傳利，陳小松，陶 林

（北京中水科水電科技有限公司，北京 100038）

0 引言

我國水電廠自動化事業從無到有，從進口到自主知識產權的技術和產品，從常規單機自動化到流域梯級集中控制，為三峽、瀑布溝、溪洛渡、向家壩等巨型電站提供成套自動化裝備，走向國外，在硬件技術、軟件技術和應用水平等方面已居國際領先行列。與此同時，電站運行管理模式也從“無人值班”（少人值守）向無人值班、調控一體化的目標邁進，智能水電廠也已成為業內熱門話題，為水電廠自動化技術的發展提出了新的目標。

本文主要介紹北京中水科水電科技有限公司（以下簡稱：中水科技）近年在水電廠計算機監控系統、水輪發電機調速器以及智能化水電廠等領域新技術研發與推廣應用情況。

1 H9000 V4.0與三峽右岸電站計算機監控系統

H9000 V4.0系統是針對三峽右岸等巨型水電站而開發的高端水電站計算機監控系統。該系統在廣泛吸收國內外先進技術的基礎上，借鑒了三峽左岸電站監控系統和三峽梯調自動化系統的優點，獨立自主地構建了完全自主知識產權的三網四層系統總體結構（見圖1），研制了全新的H9000 V4.0應用軟件系統。該系統于2007年6月在三峽右岸電站順利投運，2008年10月全部12臺機組投運，2012年5月三峽地下電站6機組全部投運。到目前為止，系統已穩定運行5年多。運行情況表明，H9000 V4.0系統操作維護方便，實時性好，可靠性高，人機聯系友好，得到三峽運行及維護人員的一致好評。和左岸進口的監控系統相比，右岸系統技術上毫不遜色，在很多方面甚至超越了進口系統，比國外產品更符合中國國情。系統總體達國際同期先進水平，在系統總體結構設計、系統可靠性設計、人機聯系、數據通訊、自動發電控制等方面居國際領先水平，代表了當今國際水電站計算機監控技術和應用的最高水平。獲得2010年度大禹水利科學技術一等獎。

H9000 V4.0系統已經在三峽右岸、瀑布溝、溪洛渡、向家壩、梨園、青海積石峽、緬甸瑞麗江、緬甸耶瓦等60多個電站、金沙江下游梯級成都區調、五凌電力等流域梯級集控系統、廣東清遠抽水蓄能電站等工程獲得應用，顯示了該系統廣闊的推廣應用前景。溪洛渡、向家壩、金沙江下游梯級成都區調三大自動化系統構成目前世界上巨型機組臺數最多、裝機容量最大的梯級電站群遠方實時控制系統，三峽集團公司的目標是實現梯級調控一體化，梯級集控中心為主控模式。為了實現調控一體化的目標，H9000 V4.0系統在三峽右岸電站監控系統成果的基礎上，進一步升級創新，開發了一系列新功能，努力滿足巨型梯級電站遠方調控一體化對實時性、安全性和可靠性的要求，提高系統的可維護性。

圖1 三峽右岸及地下電站計算機監控系統結構圖

H9000 V4.0系統的主要技術進步體現在以下幾方面。

1.1 強大的數據采集與智能數據處理報警功能

針對特大型電站海量數據的高可靠與高實時性采集，H9 000V4.0系統采取的主要技術措施包括：同時采用主進程、多子進程及多線程技術；按數據類型的多重TCP/IP連接并行工作模式；PLC數據掃描周期的多重數據傳送請求與處理；采用PLC冗余優化策略，實現網絡和LCUCPU的快速自動切換。

在數據處理方面的主要改進包括：高精度、寬數據表示范圍；數據屬性更加豐富；三態點的處理更加靈活；數據記錄區的分類更加合理；利用條件閉鎖系統，實現了分區報警和智能報警，將前臺報警信息精簡到最少，信息直觀綜合，提高事故判斷的速度和準確性，減輕運行人員的勞動強度；完善重復報警處理機制以及數據趨勢報警功能等，使系統使用更加符合運行人員的習慣，操作更加便捷。

1.2 高可控性的無主設計

H9000 V4.0系統采用國際上獨一無二的無主設計概念，各硬件節點之間并不存在相互依賴的邏輯上的主機，使系統具有無與倫比的可控性。

系統的電站控制層具有多臺計算機節點，重要硬件節點均采用冗余配置，可靠性就已經相當高。采用無主設計后，當任何一個硬件節點（包括冗余節點）故障時，通過自動切換或授權調整可進行功能的重新分配，用其它節點替代某故障的節點（如該節點雙機均故障）。如正常運行時，工程師站不具備現場設備的操作控制權，但經過權限修改后，即可具有操作員站的權限進行控制操作。由此可見，三峽右岸電站監控系統的計算機同時出現故障的概率近似等于零，可以認為H9000系統永遠是可控的，系統自2007年投運以來系統可用率保持為100%。成都區調與溪洛渡、向家壩電站間通信通道的可靠性在梯級調控一體化系統的可靠性方面舉足輕重，關系到系統的成敗，梯調與電站之間通道不僅考慮冗余專用光纖高速通道，還設有衛星通道，在地面通道全部故障的情況下，仍可通過衛星通道實現監視和控制。

1.3 完善的安全性與可靠性措施

為確保系統高可靠性，各層的重要設備均采取雙重冗余配置。冗余配置時，主備之間應可實現無擾動自動切換。并采用負荷平衡管理與互備冗余技術，正常運行時，各數據采集服務器雙機熱備，各承擔50%的負荷；系統異常時，一套服務器可承擔全部數據采集負荷。因此，與常規的主備冗余配置相比，系統的可靠性得到進一步提高。針對特大型電站控制設備多和操作分散的特點，增加了操作員站控制范圍設定功能及操作對象鎖定功能。控制命令均增加了時標閉鎖條件檢查。

1.4 用戶友好的人機聯系系統

采用最新的GTK圖形標準，程序代碼運行效率高，同一源程序可在Unix和Windows平臺下運行，不僅保持了H9000應用圖形系統兼容的特點，而且實現了源代碼級的跨平臺兼容。

新版OIX軟件界面新穎美觀大方，人機界面非常友好，保持了H9000系統面向對象操作的特點，支持多屏、多窗口顯示，全鼠標驅動，圖形可無級縮放，支持矢量漢字，數據狀態等信息可采用豐富的色彩庫、三維符號圖形庫、字符庫、動態曲線、表格等方式表示，立體三維、實時動畫等多媒體圖形功能更加豐富多彩，還可方便地采用模擬儀表、發電機P-Q圖、閘門水位圖等專業圖形。

針對特大型電站信息量大的特點，報警處理記錄充分考慮運行人員的習慣，將事故信息與其他信息自動分開顯示，并提供多種跟蹤查詢搜索功能及調試手段。在重要設備操作時，不僅可以進行有關操作過程監視，而且可以通過邏輯圖直觀地監視影響這些操作的條件。增加了控制對象數據類型，在操作員站上可以很方便完成設備控制操作，查看到與控制對象相關的所有實時信息。

1.5 自動發電控制

針對AGC調頻方式難以給出確定的頻差系數的問題，調頻和調壓采用自適應系數，具有自學習、自適合的功能，可有效確保系統安全調節穩定；對于超大型機組AGC有功調節的安全性問題，采用功率跟蹤和功率補償措施；負荷曲線方式引入分步調節算法，減少對電網沖擊；能根據水頭－出力－效率－流量曲線盡可能提高電廠效率；對于電廠效率優化問題，采用修正等容量比例負荷分配。這些措施提高了電廠運行效率，保證了電網安全。2007年9月20日，三峽右岸電站AGC正式投運，標志著國產監控系統AGC首次成功應用于700 MW水電機組。

1.6 開放的報表定制技術

HReport報表子系統以Microsoft Excel自動化技術、OleDb數據庫訪問技術以及XML技術為基礎，用.Net構建Excel插件，利用Excel完成報表靜態部分的編輯，通過將查詢變量關聯到Excel的樣式，完成表格動態數據格式的定制。報表定制簡單，用戶界面友好，管理查閱方便。報表與Excel電子表格和SVG文檔兼容，可通過Excel訪問，或通過WEB信息發布系統向外發布。

1.7 歷史數據管理系統

HistA子系統完成H9000 V4.0系統的歷史數據存儲、查詢與維護管理功能，以Oracle等為后臺數據庫，B/S與C/S相結合的體系結構，不僅可提供各類報表日志，而且可形成各類報警記錄歷史數據，如各類報警信息、溫度趨勢分析記錄、相關量記錄信息、重要運行工況轉換記錄、各種歷史曲線等。

2 DVG2000系列水輪機調速器

DVG2000系列（原型號為CVT系列）水輪機調速器是中水科技（水科院自動化所）于1999年在研制成功的基于快速開關閥的邏輯插裝式水輪機調速器。該調速器在國際上獨家采用高速開關閥（也稱數字閥）和邏輯插裝閥為核心部件，由高速開關閥實現先導級的控制，實現全容錯與直接數字控制，在可靠性、可控性、靈活性等方面實現突破性的變革。

具體特點如下：（1）取消了主配壓閥、電液轉換器等部件，利用插裝閥優化組合，實現主配壓閥的功能，無需“中間位置”，耐油污，從結構上消除了調速器發卡的機理。（2）采用標準件，元器件的互換性好，密封可靠，無連接桿件、管路，無泄漏現象。（3）運行穩定，調節質量高，調整方便，實現了免維護。（4）快速開關閥動作時間為3～5 ms，調節迅速可靠，精度高，實現了速度和精度的完美協調統一，有利于發揮大型機組在電網安全穩定中的作用。（5）油壓裝置油泵動作次數明顯減少，啟動間隔時間比目前其它最好的調速器平均長20倍以上，具有顯著的節能、降耗、增壽、環保等優點。（6）設備緊湊，可根據現場條件靈活設計布置，如將調速器、事故配壓閥、分段關閉閥等組合成一體結構，安裝調試十分便捷。

2004年5 月水利部科技司對該產品組織了技術鑒定，認為成果首次提出了全新的機械液壓柜模式，其核心部件為高速開關閥和邏輯插裝閥，由邏輯插裝閥組件實現主配壓閥的功能、無需“中間位置”、而作為先導級的控制元件則由高速開關閥組件實現，實現了全容錯、直接數字控制，取消了傳統的電液轉換元件，在設計理念上是一次根本的變革，使調速器技術取得了突破性進展。鑒定委員會一致認為該項技術達到了國際領先水平。該技術2000年獲國家實用新型專利授權。2005年獲大禹水利科學技術二等獎。

表1 不同電站機組接力器尺寸(容量）比較

DVG2000系列調速器的研制成功，得到廣大業內人士的矚目和首肯，業績已由2001年的黑河西溝電站18 MW的小機組，發展到2008年福建水口電站200 MW的大型軸流機組，已在柘溪、鳳灘、水口、新安江等電廠300多臺機組獲得成功應用，并出口到緬甸、越南、土耳其及巴拿馬、敘利亞等國，總裝機臺數已近400臺套，有口皆碑，產品系列已涵蓋了混流、軸流、沖擊、貫流等機型。2010年在敘利亞迪士林（Tishrin）水電站6臺105 MW水電機組獲得應用，成功解決了困擾該廠10多年的抬機問題。黑河西溝電站調速器自2001年改造后從未檢修，2009年預防性檢查發現閥門磨損僅為預估量的20%，目前運行仍正常。表1列舉了幾個采用DVG2000系列調速器的電站以及三峽左岸電站機組調速器特性參數的比較。

3 OTS2000培訓仿真系統

隨著水電流域滾動開發和水電建設不斷發展，水電廠新員工的培訓任務越來越重。如何在不影響發電生產的前提下，使新員工能有更多的實際操作機會，提高培訓效率，降低培訓成本，早日上崗，水電站培訓仿真系統是一個重要技術手段。目前國內培訓仿真系統技術的總體發展水平仍十分落后，遠未形成標準化的產品與系統，設計開發周期長，運行維護修改困難，與水電建設蓬勃發展的局面不相適應，與水電廠的監控系統在總體設計思路上也差距甚遠。

為了解決上述水電建設過程中存在的問題，中水科技自主研發了OTS2000操作員培訓仿真系統。該系統首先建立了一套標準化的水電站計算機監控系統被控對象的仿真模型，并定義了被控對象的描述語言SimuLog，開發了仿真語言的編譯系統SimuGen和仿真器SimuEngine，實現了水電廠現場設備的仿真。SimuLog語言不僅可以仿真簡單的狀態量變化過程，也可仿真連續系統和非線形系統，并支持仿真任務的監視、管理與調度。OTS2000系統以H9000系統為前臺，完成所有的人機聯系，SimuEngine仿真器為后臺，完成所有的發電生產過程的仿真。

OTS2000系統可以作為H9000監控系統的一個獨立功能子系統，也可成為獨立的培訓仿真系統。根據系統的硬件結構，可分單機和多機模式。根據仿真器的配置情況，可分為純數字仿真、現場仿真兩種模式。如圖2所示。

圖2 OTS2000系統的配置模式示意圖

純數字模式的仿真器功能包括現場及LCU仿真，不需要另配LCU設備。現場仿真模式的仿真器只仿真現場設備的特性，仿真器以I/O的方式與LCU及監控系統進行互動。

純數字仿真又包括分布模式和集中模式。分布模式是指仿真器按被仿真對象單元分布，如按機組單元、開關站單元以及廠用電及公用系統單元分別設置仿真器。集中式是指全廠設備的仿真均由一臺仿真器完成。

多機模式下，可以形成多種互動仿真，如教員-學員互動、學員-學員對抗性互動等，使仿真培訓更具有趣味性。

根據用戶需要，OTS2000系統還可配置物理仿真設備，如在仿真系統中一臺機組采用物理仿真，其他采用數字仿真。物理仿真可配置逼真的微型水輪發電機組、調速器、勵磁系統、同期裝置、保護、電網、油水風系統設備等，也可簡化，如發電機用同步發電機代替，水輪機用電動機代替，油水風系統用可編程控制器代替等。采用物理仿真時，監控系統需配置機組現地控制單元一套，采集該機組有關設備的信號，并進行控制調節。

為滿足不同用戶的需求，實際的系統配置模式可以是上述模式的各種任意組合的混合模式。

OTS2000培訓仿真系統已在三峽、白山獲得應用。

4 SMA2000狀態監測分析系統

SMA2000狀態監測分析系統是中水科技2008年最新開發的產品，可作為H9000 V4.0功能子系統，也可與其它廠家的監控系統或監測數據采集設備配套使用。該產品密切結合水電廠安全運行及事故分析的需要，作為電力生產安全監視與記錄的“黑匣子”，可廣泛應用于水電廠、調度中心、火電廠、變電站等電力生產調度部門的安全紀錄與故障分析，為電力系統事故原因分析提供了強有力的技術手段。

該狀態監測分析系統以H9000 V4.0為基礎，以Oracle 10g為后臺數據庫，采用B/S與C/S混合結構。該系統通過各機組、公用及開關站的數據采集監測及分析系統，在線監測設備的運行狀況，分析設備的運行趨勢，提供檢修指導。監測與分析可在電站局域網內進行，也可通過互聯網遠程訪問。具有特征值分析、比較分析、相關量分析、虛擬曲線分析以及數據挖掘技術等數據分析手段。

SMA2000系統在三峽右岸電站、三峽梯調中心等已投入運行（見圖3），以其人機界面靈活友好、海量數據訪問迅速獲得一致好評，已成為三峽電廠運行監視和事故分析的得力幫手。

圖3 SMA2000圖形化數據界面示例

5 BSS-3衛星時鐘同步系統

BBS-3系列衛星時鐘同步系統支持GPS和北斗衛星系統，采用一、二級時鐘系統的方案，支持雙主機、雙CPU配置，可滿足大型發電企業及其他工礦企業對于時鐘同步系統的輸出接口規模及系統可靠性要求，已在三峽、葛洲壩、公伯峽、白山等電站獲得應用，其中葛洲壩電站衛星時鐘管理系統結構如圖4所示。

圖4 葛洲壩電廠全廠BSS-3時鐘管理系統結構

三峽右岸電站監控系統設置一套全廠統一的BSS-3衛星時鐘同步系統，不僅管理監控系統廠站層和各LCU的時鐘同步，還向調速器、勵磁調節器、保護等其它智能設備提供對時信號，在國內首次實現了水電廠眾多智能設備和各種系統的時鐘統一管理。一級時鐘首次采用了雙機熱備冗余配置，在國內首次采用NTP網絡方式完成監控系統有關設備的對時，如電站控制層各服務器、工作站，各LCU PLC的主時鐘等，時鐘精度達到10 ms。各LCU設置一臺二級時鐘，通過光纖接受一級時鐘的時鐘同步脈沖信號，為PLC的SOE提供脈沖編碼和脈沖對時信號，滿足SOE1 ms的要求，同時向調速器、勵磁等其它智能設備提供對時信號。

為了滿足智能化水電廠的技術要求，BSS-3系列衛星時鐘目前開發的基于PTP的網絡精確時鐘對時技術，已在白山電廠智能化改造、800 kV糯扎渡電站至廣東直流輸電工程中獲得應用。

6 結語

近年來，我國的水電自動化事業不斷取得驕人的業績，自主研發完成了以三峽右岸及地下電站為標志的700 MW巨型機組特大型電站計算機監控系統，溪洛渡、向家壩等巨型電站計算機監控系統正在開發的關鍵階段，在水電自動化設計、開發、集成和應用技術方面，我們已經站在了世界水電自動化領域的前沿。但我們必須時刻保持清醒的頭腦，中國的水電建設又迎來了新的建設高潮，“調控一體化”、“水電城市化”、智能化水電等新概念層出不窮，以計算機應用為特征的信息化技術、通信技術、智能技術更是日新月異，未來的競爭仍猶如逆水行舟，不進則退，需要不斷開拓思路，不斷探索創新，加強標準的研究，在水電廠狀態檢修、流域水能資源調度與高效利用、水電站控制新技術等領域進一步突破，為我國的水電建設和現代化事業做出應有的貢獻。