五凌電力多流域梯級電站集中監控系統設計與應用

魏志鵬，萬 元

（五凌電力有限公司，湖南 長沙 410007）

0 概述

五凌電力有限公司（簡稱五凌電力）先后在沅水流域建成五強溪、凌津灘、洪江、碗米坡、三板溪和掛治六座梯級水電站，在建的白市、托口兩座水電站見表1。沅水流域已建在建電廠的總裝機容量435萬kW，湘江流域已建近尾洲水電廠6.3萬kW，資江流域的馬跡塘、東坪、株溪口水電廠共20.15萬kW。貴州黔東火電廠（2×60萬kW）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（4×30萬kW）于2010年10月投產發電。公司目前共有13座大壩，14個電廠，已投產容量579.46萬kW，在建裝機容量125萬kW。

沅水全長1 050 km，落差1 035 m，流域面積90 000 km2，多年平均降雨量1 440 mm，年徑流量643億m3，徑流量年際變化大，年徑流量最大達1 012億m3，最小僅363億m3，同時年內來水分配不均，主汛期5～7月來水占全年的50%，月平均流量最大達4 363 m3/s，而最小僅為589m3/s。資江、湘江和澧水流域水文特性與沅水相似，對充分利用水能資源影響很大。

表1 五凌電力流域梯級電站特性表

1 建設必要性和可行性

五凌電力梯級水電站分散分布在湖南、貴州兩省及沅水、資江、湘江流域，大都處于偏遠山區，交通不便，員工回長沙基地路途較遠。為改善員工工作條件，整合人力資源，提高企業凝聚力，實現流域電廠集中調度，提高經濟效益，有必要實行電廠“無人值班、遠程集控”的管理模式。五凌電力集控中心設置在公司總部長沙市，選擇條件較好的碗米坡電廠作為試點，積累經驗后再逐步推廣，爭取5年內全部接入。

國內從上世紀90年代中期開始進行“無人值班”（少人值守）水電站的建設與推廣工作至今，經過十幾年的建設和發展，“無人值班”技術已趨于成熟，電站基礎自動化程度得到明顯提高，越來越多的電站已具備按照“無人值班”（少人值守）的運行管理模式運行。近年來，隨著流域電站光纖通信系統的建設，梯級電站與公司總部的電力或電信光纖通信帶寬和可靠性得到了保證。目前，為充分利用水能，提高發電效益，減輕運行值班人員勞動強度，提高安全可靠運行水平，三峽調度中心、黃河上游、湖北清江、貴州烏江梯級、云南瀾滄江、四川田灣河、國電大渡河等流域水電公司已先后建立了梯級集控中心或梯調中心，實現遠方集中監控或調度，電站現場實現“無人值班”（少人值守）。

五凌電力梯級電站（除馬跡塘電廠外）在設計上按“無人值班”（少人值守）進行設計，發變電設備運行穩定，自動化設備運行可靠，從電站投產發電以來一直實行“機、電、水”一體化運行值班。公司母體電站五強溪水電廠1999年12月通過國家電力公司“無人值班”（少人值守）驗收，2000年9月被命名為“全國一流水電廠”。五凌流域梯級電站具備實施“無人值班、遠程集控”良好的基礎，系統建設借鑒流域水電公司先進的經驗，并有一定創新，取得了顯著成效。

2 集控中心工作定位與目標

五凌電力梯級電站集控中心按照華中網調，湖南省調，衡陽、益陽地調的調度要求以及沅水、資江、湘江多流域梯級電站“無人值班、遠程集控”管理模式進行設計與應用，實現對黔東火電廠遠程安全監視；代表公司與水文部門、氣象部門、防汛部門、電信運營商等單位聯系、協調；向中電投集團公司報送各類生產運營信息以及各類生產報表。系統建設預留小水電、風電等接入接口。

通過完成集控中心計算機監控系統、通信系統、電廠接入系統等的建設，實現對電廠信息的實時采集與處理、運行監視和遠方集中控制，滿足電廠現場“無人值班”，遠方實時安全監控、經濟運行和日常運行管理需要。2010年11月，碗米坡電廠率先實現了“無人值班、遠程集控”，爭取在三年內公司所屬13座水電廠實現“無人值班、遠程集控”，電站實現少人值守，夜間關門運行。

3 系統具有功能

集控中心功能主要包括對流域內各梯級電站的運行進行遠方監視、控制和日常運行管理，各電站總負荷的經濟分配（站間AGC/EDC功能），水資源的優化調度等。

集控中心自動化系統主要包括集中監控系統和流域梯級水調自動化系統，流域梯級水調自動化系統主要根據梯級來水情況及防洪、航運等其他要求，實現梯級水庫的水務綜合管理、流域水文預報、水庫聯合調度、梯級經濟運行等。集中監控系統主要實現流域梯級電站的信息采集與處理、運行監視和控制（SCADA）、經濟調度EDC、梯級AGC，自動電壓調整（AVC）等，滿足水電站操作控制、生產調度、集中監控需要；并滿足有關調度部門通過本系統完成梯級各水電站的五遙（遙信、遙測、遙調、遙控和遙視）功能；接受上級調度下發的控制指令，實現梯級水電站及水電站群發電實時優化調度。

3.1 監視與控制

3.1.1 數據采集及處理

（1）直接采集各現地單元級LCU的各類實時數據，每個電廠側配置兩臺集控接口通信機，集控接口通信機與電廠操作員站配置成一個采集隊列，優先級高的負責采集并在局域網內廣播，所有工作站網絡同步接收，保證數據采集實時同步。電廠側集控接口通信機通過IEC60870-5-104規約將采集到的數據送至集中監控系統遠程通信機，遠程通信機收到數據后在局域網內廣播，操作員工作站等同步接收。

（2）自動生成各種實時數據庫、歷史數據庫。

（3）事件自動記錄處理。對各種事故進行自動辨識與記錄，并將辨識的事故通過報警、報表等方式實時反饋給值班人員。

3.1.2 安全監視

能夠對公司所屬水電廠的水輪發電機組、機組輔助設備、調速器系統、勵磁系統、變壓器、斷路器、隔離開關及接地開關、線路保護、公用設備、廠用電、進水口閘門、計算機監控系統設備及通信通道等的運行狀態進行全面監視。

3.1.3 控制與調節

集控中心可實現遠程開停機，負荷調整，開關、刀閘分合及重要輔助設備、AGC/AVC等控制與調節。

3.1.4 區域集控

集控中心設置五個操作員站，根據需要須實現13個電廠（設計達20個以上）監控功能,因此采用“區域集控”模式。考慮上、下游電站水力聯系及效益最大化、電站裝機臺數、控制可靠性最高等要求，集控中心對現已建、在建13個水電廠擬分成五個區域進行集控：

1）三、掛、白區域：負責三板溪、掛治、白市電廠

2）托、洪區域：負責托口、洪江電廠

3）五、凌區域：負責五強溪、凌津灘電廠

4）東、株、馬區域：負責東坪、株溪口、馬跡塘電廠

5）碗、近、黑區域：負責碗米坡、近尾洲、黑麋峰電廠

集控中心的“區域值班員”對“區域”內的電廠進行遠程集控，實現“一人一席一廠”到“一人一席多廠”的轉換，集中監控系統的人機交互界面、綜合報表、事故顯示及篩選的設計均按照“區域集控”模式實施，功能上完全滿足“區域集控”的要求。

3.2 系統通信

（1）與電力調度通信中心的通信

調度通信中心與集控系統實現信息交互，集控中心將各個電廠的運行信息實時地反饋給電力調度通信中心，并且接受調度通信中心的AGC、AVC及其他控制指令。

（2）與單元級各LCU進行通信

與梯級電站LCU通信，實現“遙測、遙信、遙控、遙調”功能。

（3）與其他系統通信

實現與流域梯級水調自動化系統、繼電保護運行及故障信息管理系統、電能量計量系統、安全穩定控制管理系統、發電及檢修計劃決策系統、狀態監測及分析系統、集中式生產管理系統等各總站系統通信，實現信息交互與共享。

與視頻監控系統通信實現“遙控”與“遙視”智能聯動。

3.3 集控AGC/AVC

根據電網調度機構指令，對集控電廠機組的有功/無功出力進行自動分配，實現經濟優化運行。

集控AGC有三種方式：

（1）調度下達電廠總負荷到集控中心，集控AGC分配負荷至機組，集控系統下發到電廠機組執行。五強溪、三板溪等網調直調電廠采用此方式實現。

（2）調度下達電廠總負荷直接到電廠，電廠AGC分配負荷到機組，集控中心負責電廠AGC的操作（如AGC功能、機組成組的遠程投/退等操作）。碗米坡、掛治等省調直調電廠采用此方式實現。

（3）調度下達流域總有功到集控中心，集控EDC/AGC分配負荷到流域各電廠機組，集控系統將指令下發到各電廠機組執行。遠期擬采用此方式。

集控AVC有如下兩種方式：

1）調度下達電廠母線電壓給定值等指令到集控，集控AVC分配無功值到機組，集控系統下發到電廠機組執行。五強溪、三板溪等網調直調電廠采用此方式實現。

2）調度下達各電廠母線電壓給定值等指令直接到各電廠，電廠AVC計算分配無功值到機組，集控中心負責電廠AVC遠程投/退等操作。碗米坡、掛治等省調直調電廠采用此方式實現。

3.4 歷史數據及WEB、趨勢分析功能

安全I區配置兩套歷史數據庫系統（采用ORACLE 11g），通過數據庫表優化設計及數據壓縮技術，系統能保存一年以上秒級數據量。

安全II區配置報表工作站，安裝HReport報表軟件及SMA2000狀態監測軟件，通過硬件防火墻安全訪問安全I區歷史數據庫。HReport可快速生成電廠生產報表，并對其進行方便、有效的管理及查閱。SMA2000狀態監測分析系統是一個海量歷史數據存儲、管理分析系統，實現電站設備運行狀態的在線監測，故障分析與追憶，及時發現設備可能存在的安全隱患，為檢修決策與故障分析提供依據。

安全III區配置WEB數據服務器及WEB發布服務器，實現web發布功能。系統畫面可自動轉換為SVG格式在WEB站點上展示及動態縮放，可提供多種動態效果。

4 系統總體結構

4.1 系統總體結構設計

五凌電力實現“無人值班、遠程集控”的支撐系統主要包括：通信網絡系統、計算機監控系統、流域水庫調度自動化系統、電能量計量系統、安全穩定控制管理系統、繼電保護及故障錄波管理系統、視頻監控系統、狀態監測系統、集中式生產管理系統等。各系統按照電力二次系統安全防護要求分屬在不同安全區域。其總體結構圖見圖1：

圖1 系統總體結構圖

4.2 集控中心站結構

集控中心計算機監控系統采用開放分層分布式系統結構，可分為生產信息查詢層、控制層、非控制層和接入層，相應的集控中心監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。網絡安全與設置完全滿足國家經貿委與電監會“關于電力系統二次安防”的規定。

生產控制網采用千兆以太網雙網結構，配置2臺千兆以太網交換機，生產控制網內的服務器和工作站等設備采用熱備用冗余配置的方式與兩臺交換機連接。生產非控制網配置1臺1 000 M以太網交換機，用以連接仿真培訓和專家系統站、語音報警及ON-CALL系統工作站、報表管理工作站、遠程維護和診斷服務器及流域梯級水調自動化系統內網交換機等。生產管理信息網配置1臺1 000 M以太網交換機，主要連接WEB發布服務器、WEB數據服務器及流域梯級水調自動化系統外網交換機等有關設備，并通過防火墻與公司管理信息系統連接，實現電站監控WEB發布功能。

為了實現安全隔離與信息安全，生產控制網與生產非控制網配置2套防火墻裝置隔離，生產管理信息網通過網絡安全隔離設備與集控中心生產控制網連接。

接入網包括與調度數據網及遠程集控電廠的接入網，均采用100 M以太網雙網結構，接入交換機共4套，其中2套與中心站遠程通信機相連，實現與遠程集控電廠的數據通信，另外2套分別與遠程調度系統相連，實現與上級調度機構數據通信。為了確保遠程通信安全，在集控中心站與通信對側（遠程集控電廠、電網調度）均安裝了縱向加密認證裝置。集控中心計算機監控系統電站接入網采用主、備用通道傳輸數據，主用通道采用1×2Mbit/s電力光纖專用通道（E1 G.703接口），備用通道采用1×2 Mbit/s電信光纖專用通道（E1 G.703接口）。

作為遠程集控的核心系統，包括實時監視子系統、經濟安全運行子系統、信息交互子系統等。其中：

（1）實時監控子系統--實現對遠程水電廠實時數據采集、綜合數據計算、開/停機控制、順序控制、負荷調節、事故追憶等。

（2）經濟安全運行子系統--根據調度機構的要求，實現水電廠遠程自動發電控制（AGC）與自動電壓控制（AVC）；根據電廠保護信息、機組振動區等，優化機組負荷分配，在確保安全的基礎上，提高經濟效益；力爭實現上下游電廠匹配經濟運行與流域聯合經濟調度。

（3）信息交互子系統--與流域水調自動化系統通信，實現水電廠及流域經濟運行；與集中式視頻監控系統通信，實現“遙控”與“遙視”智能聯動；與狀態監測系統通信，實現數據共享與集成數據分析。

4.3 集控數據網結構

集控中心與電廠之間利用集控數據網進行數據通信。集控數據網采用二層結構，核心層設在集控中心，采用兩臺高性能的核心路由器；接入層在各個電站，每個電站配置兩個接入路由器。集控數據網絡采用主、備用專用通道傳輸數據，主用通道采用電力光纖1×2 Mbit/s專用通道（E1 G.703接口），備用通道采用電信光纖1×2 Mbit/s專用通道（E1 G.703接口），電信光纖傳輸通道優先級低于電力光纖傳輸通道，當電力專用通道中斷時，電信專用通道在設計時間內切換為主運行通道運行，一旦電力光纖專用通道恢復正常，電信專用通道自動還原為備用。

集控數據網傳輸集控中心與各電廠的計算機監控系統、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子站等業務應用系統。劃分為實時VPN和非實時VPN兩個通道，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（見圖2）。

圖2 集控數據網結構圖

4.4 電站接入系統結構

電廠計算機監控系統通過集控數據網主、備通道與集控中心連接，實現遠程網絡通信。每個電站配置2套遠控通信站（分別為：主用A站與備用B站）、3臺接入網交換機、2臺接入路由器、2臺縱向加密認證裝置、1臺硬件防火墻等設備實現安全接入。其中，縱向加密認證裝置實現實時VPN數據的加密認證，硬件防火墻實現非實時VPN數據的縱向安全隔離。為保證數據傳輸的安全性，電廠接入系統數據傳輸的優先級依次為：A站電力專用通道、B站電力專用通道、A站電信專用通道、B站電信專用通道。

5 系統特點

（1）五凌電力集控中心具有“跨省、跨調度、跨流域、多電源類型”的特點，且電廠數目眾多（共14個電廠接入），在國內沒有任何先例可以借鑒。

（2）采用“區域值班員”的概念，系統共設5個“區域值班員”，單個值班員可監控隸屬不同調度關系的2-3個電廠。

（3）集中監控系統與電站監控系統、泄洪閘門控制系統統一采用IEC60870-5-104規約通信，解決不同電站監控系統（南瑞自控公司EC2000系統、奧地利ELIN公司SAT250系統、西門子SPA-3000系統、ABB公司AdvantOCS控制系統等）及泄洪閘門控制系統的兼容性問題。利用集中監控系統實現電廠泄洪閘門的遠程監控。

（4）系統硬件平臺建立完全遵循國家經貿委及電監會關于“電力系統二次安防”的規定，并以“安全分區，網絡專用，橫向隔離，縱向認證”為原則，核心服務器加裝了UNIX操作系統核心加固軟件，利用硬件防火墻實現安全Ⅰ區、Ⅱ區的隔離，利用正反向物理隔離裝置實現安全Ⅰ、Ⅱ區與安全Ⅲ區的隔離，利用縱向加密認證裝置實現與電網調度和電廠通信的信息加密，提高了系統病毒免疫力，并加上系統本身安全可靠的操作控制策略，從硬件及軟件上保證了系統的安全可靠性。

（5）系統采用多TCP/IP連接并行工作模式及主進程+多子進程+多線程等多種技術，具有強大的SCADA數據采集功能、安全可靠的操作控制策略與完善的系統應用功能，滿足電網以及電廠各種需求；擁有靈活的智能報警功能與完善的重復報警處理機制，所有系統內計算機間通過通信協調完成系統全部任務，降低了單個計算機設備軟件維護與管理的復雜度。

（6）集控中心操作員站采用高可靠性的無主對等模式，集控中心與電站通信機采用雙機冗余熱備用及電力、電信雙冗余專網通道；全冗余的雙光網絡通信，通過自動冗余切換實現主備設備間安全無縫切換，保證集控任何節點只要有一個網絡正常即可實時收到全部數據和控制，確保了整個集中控制系統的穩定性和可靠性。

（7）首次采用粒子群人工智能模型進行AGC/EDC有功優化分配及采用自適應自學習算法求解有功頻率調差系數和無功電壓調差系數等方法，提高發電效率3%以上。

6 總結

五凌電力多流域梯級電站集中監控系統采用分層分布式結構，易于擴充與維護，與多個生產信息系統通信，實現信息共享與集成。采用高可靠性無主對等集成模式，確保單個系統發生故障時其他系統不受其影響。系統具有“跨省、跨調度、跨流域、多電源類型”的特點，2010年4月，完成集控中心站軟硬件系統安裝調試，2010年5月至8月，相繼完成碗米坡、三板溪、掛治、五強溪等電廠接入設備安裝與初步調試工作。碗米坡、掛治、三板溪水電廠分別于2010年11月、2011年4月、2011年5月實現“無人值班、遠程集控”試運行。預計2012年五凌電力所屬13個水電廠全部實現遠程集控功能后，共可減人130余人，在實際應用過程中將取得了良好的運行效果。

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