巨型梯級水電站群遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

譚 華，張明君，劉 俊，洪 浩，翟少軍，曾旭川，海 晨

（三峽梯調(diào)通信中心成都調(diào)控中心，四川 成都 610041）

金沙江河段全長約783 km，落差約729 m，下游河段水量大、落差集中，是金沙江流域乃至長江流域水能資源最豐富的河段，由上至下依次規(guī)劃建設(shè)烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4個梯級大型水利樞紐，4個梯級樞紐總裝機容量約4000～4600萬kW，年發(fā)電量約1960億kW·h，是我國重要的水電能源基地。

通過對國內(nèi)、外流域梯級水電站調(diào)度管理模式的調(diào)研、分析、比較，結(jié)合溪洛渡、向家壩水電站的調(diào)度運行特點及生產(chǎn)管理方式，中國三峽集團公司提出在成都建立遠程集中調(diào)控中心，采用 “調(diào)控一體化”調(diào)度管理模式，實現(xiàn)梯級電站安全、經(jīng)濟運行和科學(xué)管理。如何結(jié)合當今先進的科學(xué)技術(shù)在可靠、安全的前提下，構(gòu)建好一個創(chuàng)新、高效、全面的超大型梯級水電站群集中監(jiān)控系統(tǒng)以保障梯級電站 “調(diào)控一體化”調(diào)度管理模式的順利實施，是需要深入研究的重要課題。

1 成都遠程集控中心系統(tǒng)建設(shè)的特點和難點

（1）所轄電站規(guī)模龐大，系統(tǒng)地位突出。成都調(diào)控中心所調(diào)控的金沙江下游梯級樞紐溪洛渡電站設(shè)計裝機容量1386萬kW，向家壩電站設(shè)計裝機容量640萬kW，均為超大型水電站，其安全、穩(wěn)定運行直接影響國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，系統(tǒng)地位極為突出。

（2）數(shù)據(jù)通信規(guī)模龐大。溪洛渡水電站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信測點規(guī)模預(yù)計為15萬點，向家壩電站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信測點規(guī)模預(yù)計為5萬點，成都調(diào)控中心監(jiān)控系統(tǒng) （以下簡稱:成都監(jiān)控系統(tǒng)）數(shù)據(jù)通信點的規(guī)模將超過20萬點，海量的數(shù)據(jù)通信對系統(tǒng)的實時性、運行監(jiān)視和歷史數(shù)據(jù)的存取均提出了全新的挑戰(zhàn)。

（3）“調(diào)控一體化”調(diào)度管理模式。為了保證“調(diào)控一體化”調(diào)度管理模式的可靠運行，成都監(jiān)控系統(tǒng)以 “信息上得來、信號看得住、設(shè)備控得穩(wěn)”的技術(shù)要求為主線，全面滿足梯級樞紐電站遠程集中監(jiān)視、控制、調(diào)度對可靠性、實時性、安全性、準確性的高度要求。

（4）復(fù)雜的調(diào)度運行要求。成都監(jiān)控系統(tǒng)在滿足 “調(diào)控一體化”的基本要求 “調(diào)度、監(jiān)視和重點控制”的同時，還要面對溪洛渡電站 “一廠兩調(diào)”、“孤島運行”以及向家壩樞紐苛刻的航運要求等眾多復(fù)雜難題。

2 設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 功能設(shè)計

成都監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)是對梯級樞紐內(nèi)各電站及泄洪閘等設(shè)施的運行情況進行遠方監(jiān)視及控制，并按照上級調(diào)度指令，對梯級樞紐的泄洪、蓄水、發(fā)電等進行統(tǒng)一聯(lián)合調(diào)度，對梯級樞紐實行統(tǒng)一的調(diào)度管理。成都監(jiān)控系統(tǒng)采用全開放的分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，全分布式無主對等數(shù)據(jù)庫管理體系，系統(tǒng)各節(jié)點功能應(yīng)能靈活地分配與調(diào)整，即監(jiān)控系統(tǒng)功能分布在系統(tǒng)不同的功能節(jié)點計算機中，每個功能結(jié)點嚴格執(zhí)行指定的任務(wù)，并通過局域網(wǎng) （LAN）實現(xiàn)聯(lián)結(jié)。對于重要的功能節(jié)點，計算機采用冗余配置。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖1。

2.2 主要技術(shù)實現(xiàn)

成都監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能有:數(shù)據(jù)采集及處理、安全監(jiān)視與智能報警、控制與調(diào)節(jié)、發(fā)電調(diào)度與經(jīng)濟運行、系統(tǒng)通信、系統(tǒng)診斷、離線開發(fā)與仿真培訓(xùn)等。

2.2.1 多通道、多規(guī)約、多數(shù)據(jù)源的集群通信技術(shù)

成都監(jiān)控系統(tǒng)與梯級電站面對近20萬個點的數(shù)據(jù)通信需求，以及近萬點的控制命令的巨型規(guī)模要求，結(jié)合金沙江梯級巨型電站海量數(shù)據(jù)的特點，在國內(nèi)率先提出了 “多通道、多規(guī)約、多數(shù)據(jù)源”集群通信技術(shù)，以保證海量數(shù)據(jù)的安全、高效、可靠地傳輸，在大幅提高通信可靠性的同時，節(jié)約了投資成本上百萬元。監(jiān)控系統(tǒng)集群通信結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 成都監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

（1）多通道。成都監(jiān)控系統(tǒng)采用多通道與溪洛渡電站、向家壩電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信:兩條主用通道 （即A/B通道）采用金沙江光傳輸環(huán)網(wǎng)的兩條完全獨立的傳輸通道，帶寬100 Mb/s光纖通道，信息傳輸采用100 Mb/s以太網(wǎng)接口；備用通道采取租用四川省電力通信網(wǎng)帶寬的方式，且租用電路所使用光纜與金沙江光傳輸網(wǎng)采用不同路由，租用的帶寬獨立于金沙江光傳輸網(wǎng)運行，稱之為C通道，帶寬100 Mb/s光纖通道，信息傳輸采用100 Mb/s自適應(yīng)以太網(wǎng)接口；應(yīng)急通道采用集團公司內(nèi)部組建衛(wèi)星通信系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，將溪洛渡、向家壩電站和成都調(diào)控中心之間的數(shù)據(jù)信息實時進行傳遞，稱之為D通道，即衛(wèi)星通道，采用IEC60870-5-104規(guī)約，信息通過網(wǎng)口傳輸。正常情況下，值班通道作為主通道傳送數(shù)據(jù)，備用通道做為主用通道的比較數(shù)據(jù)，用于和主用通道數(shù)據(jù)進行校驗糾錯，當主用通道中斷時，該通道數(shù)據(jù)即升級為主用數(shù)據(jù)。

（2）多規(guī)約。成都監(jiān)控系統(tǒng)與所屬梯級電站監(jiān)控系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信A/B主用通道采用IEC60870-5-104規(guī)約，備用C通道采用TASE.2規(guī)約，衛(wèi)星應(yīng)急通道采用IEC60870-5-104規(guī)約。

（3）多數(shù)據(jù)源。主通道數(shù)據(jù)作為成都監(jiān)控系統(tǒng)的工作數(shù)據(jù)源，其他通道數(shù)據(jù)做為備選數(shù)據(jù)源。

（4）數(shù)據(jù)采集服務(wù)器集群技術(shù)。對每一數(shù)據(jù)源定義一組不同的服務(wù)器隊列，正常情況下由隊列中的第一臺服務(wù)器完成通信功能。當其故障時，依次由隊列中的服務(wù)器接替工作。這樣將同一廠站不同通道和不同廠站的通道動態(tài)均分在多臺服務(wù)器上以實現(xiàn)負載均衡。各臺服務(wù)器同時工作，分擔負荷，相互熱備。

2.2.2 智能監(jiān)視與報警技術(shù)

金沙江梯級電站有效監(jiān)視點將近20萬，規(guī)模巨大，如按傳統(tǒng)做法對事件與報警信息不采取智能措施，出現(xiàn)遺漏重要信息的可能性很大，對梯級電站調(diào)控一體化的運行管理將帶來極大的不安全因素。對此，針對遠程監(jiān)視的安全職責要求，以及對海量數(shù)據(jù)，特別是重要信號的有效監(jiān)視要求，同時又滿足減輕值班人員值班監(jiān)視的勞動強度要求，成都監(jiān)控系統(tǒng)采取多種技術(shù)和措施，如監(jiān)視分級、自動巡檢、智能報警、智能檢索、動態(tài)著色、流程監(jiān)視、工況識別、事故回放等，來完善值班人員對設(shè)備運行的安全監(jiān)視職能。

（1）運行監(jiān)視分級。成都監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)值班管理的要求，通過權(quán)限的分配設(shè)置，將一部分操作員站應(yīng)用于梯級電站設(shè)備的綜合監(jiān)控與運行管理，另一部分操作員站專用于溪洛渡或向家壩電站設(shè)備監(jiān)控與運行管理，以達到安全、高效的生產(chǎn)管理目標。

（2）自動巡檢功能。值班人員可以根據(jù)生產(chǎn)需要，自定義巡檢內(nèi)容及巡檢周期，主要對值班人員所關(guān)心的重要設(shè)備故障事故報警、控制調(diào)節(jié)操作、人工強置數(shù)據(jù)、測點投退、報警屏蔽等信息進行檢測，并自動生成巡檢記錄。

圖2 成都監(jiān)控系統(tǒng)集群通信結(jié)構(gòu)示意

（3）智能報警平臺。智能報警平臺根據(jù)既定策略對 “前臺報警”信息進行智能化處理，如采用相關(guān)量分析與報警控制策略，首先將生產(chǎn)過程按設(shè)備單元或系統(tǒng)以及服務(wù)對象劃分為組，在組內(nèi)的設(shè)備運行狀態(tài)與參數(shù)信息具有相關(guān)性，這些具有相關(guān)性的信息稱之為相關(guān)量。相關(guān)量分析與報警控制策略即按照設(shè)備監(jiān)控的目的，將相關(guān)信息按照源發(fā)、伴生和結(jié)果進行分類并賦予它們不同的報警控制級別，在一定的時間區(qū)間內(nèi)，報警控制將按照優(yōu)先級別進行 （特別是語音報警），低級別故障信息只進行記錄，從而有效提高報警信息質(zhì)量。設(shè)置專用報警信息窗或報警信息顯示器，僅對值班人員關(guān)注的設(shè)備故障事故信息進行有效報警。

（4）工況跟蹤。機組特性曲線圖畫面可以實時顯示機組的當前運行區(qū)間 （禁止運行區(qū)、限制運行區(qū)和穩(wěn)定運行區(qū)等，自動計算當前機組效率和全廠效率。

目前成都監(jiān)控系統(tǒng)已接入溪洛渡、向家壩電站總數(shù)據(jù)的一半左右，40 min內(nèi)產(chǎn)生監(jiān)視事件6000條，到梯級電站完全投運時，監(jiān)視信息量將在目前基礎(chǔ)上翻倍，實際運行效果良好。

2.2.3 控制與調(diào)節(jié)

成都監(jiān)控系統(tǒng)每天的控制操作將達到上百次，這對系統(tǒng)控制與調(diào)節(jié)功能的安全性、可靠性提出相當苛刻的要求。系統(tǒng)對于所有命令操作，在下發(fā)指令前都要進行控制調(diào)節(jié)權(quán)限判斷。電站側(cè)增加 “廠控/集控”權(quán)限判斷，現(xiàn)地控制單元 （LCU）增加“廠站控制/集控控制/調(diào)度控制”控制權(quán)限及 “廠站調(diào)節(jié)/集控調(diào)節(jié)/調(diào)度調(diào)節(jié)”調(diào)節(jié)權(quán)限判斷。當全廠控制權(quán)切 “集控”，集控可以對控制權(quán)和調(diào)節(jié)權(quán)進行切換。LCU控制權(quán)切 “集控”，集控才能對該機組進行控制；機組調(diào)節(jié)權(quán)切 “集控”，集控才能對機組進行調(diào)節(jié)。控制和調(diào)節(jié)權(quán)滿足后，操作還需進行閉鎖條件判斷，只有閉鎖條件滿足，命令才能下發(fā)。

電站側(cè)通信服務(wù)器接受到集控命令，需進行權(quán)限及閉鎖條件判斷，只有滿足條件的命令，才會下發(fā)到LCU執(zhí)行，如果條件不滿足，該命令被丟棄。

成都監(jiān)控系統(tǒng)以溪洛渡、向家壩梯級電站監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制功能為基礎(chǔ)實施遠程控制和調(diào)節(jié)。其主要控制范圍包括機電設(shè)備中的發(fā)變組及其輔助設(shè)備、GIS及出線；公用排水系統(tǒng)；水工建筑中的機組進水口閘門、泄水閘門。調(diào)節(jié)范圍包括全廠負荷、左/右岸電站負荷、單機負荷 （包括有功和無功）。

2.2.4 梯級AGC/AVC

梯級AGC的主要任務(wù)是根據(jù)上級電力調(diào)度對梯級電站的發(fā)電要求，考慮梯級樞紐各方面綜合利用的要求及梯級各電站的運行情況，在電網(wǎng)允許的負荷變化范圍內(nèi)，對梯級電站的發(fā)電進行優(yōu)化調(diào)度，使梯級發(fā)電總功率在梯級各電站間進行經(jīng)濟合理的分配，給定梯級各電站日發(fā)電曲線或當前時段的發(fā)電總功率或各機組功率，實現(xiàn)梯級發(fā)電的經(jīng)濟運行。梯級AGC包含兩個部分，一部分將梯級總有功分配至各電廠或?qū)⒏麟姀S總有功給定值轉(zhuǎn)發(fā)給電廠，由電廠AGC執(zhí)行；另一部分是將各電廠總有功給定值分配至機組，通過梯調(diào)與電廠通信系統(tǒng)，下發(fā)至機組LCU執(zhí)行。后一部分只有在電廠AGC退出，梯調(diào)AGC直接分配至機組時才會啟用。

梯級AVC（自動電壓控制）用于各梯級電站電壓監(jiān)視節(jié)點的自動調(diào)節(jié)，確保控制點母線電壓在規(guī)定的范圍之內(nèi)。梯級AVC分為兩種方式:①將梯級總無功分配至各廠站或?qū)⒏鲝S站總無功 （母線控制電壓）轉(zhuǎn)發(fā)給電廠，由電廠AGC執(zhí)行 （全站方式）；②將上述各廠站總無功定值分配至機組或按設(shè)定母線電壓控制分配至機組，通過梯調(diào)與電廠通信系統(tǒng)下發(fā)至機組LCU執(zhí)行 （單機方式）。

成都調(diào)控中心梯級AGC所調(diào)節(jié)的負荷容量巨大，AGC的調(diào)節(jié)安全性對國家電網(wǎng)以及南方電網(wǎng)的安全穩(wěn)定影響很大，所以，為了確保安全，采取梯級AGC與電站AGC聯(lián)合運行、梯級AGC單獨運行、遠程控制電站AGC運行等多種運行方式，最終將根據(jù)試運行后的實際情況選擇運行方式。

2.2.5 水電聯(lián)合閘門控制功能

水電聯(lián)合閘門控制主要原則:水調(diào)自動化系統(tǒng)負責閘門命令單的生成，成都監(jiān)控系統(tǒng)負責閘門命令的接收、解析、確認、執(zhí)行與結(jié)果反饋。主要功能框架見圖3。

圖3 水電聯(lián)合閘門控制功能示意

成都調(diào)控中心通過其首創(chuàng)的水電調(diào)聯(lián)合閘門控制功能設(shè)計，成功實現(xiàn)了遠程集控溪洛渡電站7個表孔、8個深孔閘門，向家壩電站12個表孔、10個中孔閘門的能力，通過實際運行效果看，成功率為100%。

2.2.6 應(yīng)急補水控制功能

向家壩樞紐下游航運要求水位小時變幅不能超過1 m，這對向家壩水電站機組負荷大幅變化時如何及時保證下游航運的安全提出了更高的要求。成都監(jiān)控系統(tǒng)為此專門開發(fā)了向家壩水電站機組負荷大幅變化時自動應(yīng)急補水控制功能，即:控制程序平時運行在監(jiān)視狀態(tài)，實時跟蹤電站總出力，根據(jù)出力、耗水率與流量的換算公式計算出電站總發(fā)電流量，并加上閘門的出庫流量計算出電站總出庫流量，再根據(jù)下游流量-水位曲線換算成下游當前計算水位，最后統(tǒng)計出當前30 min內(nèi)最大的出庫流量及對應(yīng)的下游計算水位作為基準流量和下游基準水位。若當前下游計算水位相對于基準水位的下降幅度超過了設(shè)定閾值，或當前出庫流量低于因航運要求需要保障的下游最小流量，即認為需要進行補水操作，程序進入到補水狀態(tài)，計算出補水流量，根據(jù)補水流量和當前閘門狀態(tài)以及一系列閘門分配原則推算出閘門操作預(yù)案 （參與補水的閘門、設(shè)定開度），并自動推出應(yīng)急補水聯(lián)控畫面，將相關(guān)信息和操作預(yù)案等顯示在補水聯(lián)控畫面上，等待運行人員進行修改、確認或取消。

補水程序在收到 “確定令”后根據(jù)閘門啟閉約束條件逐一下發(fā)閘門操作命令，并在所有閘門操作結(jié)束后退出補水操作狀態(tài)，清除閘門操作建議，恢復(fù)監(jiān)視狀態(tài)。補水程序在收到 “取消令”后退出補水操作狀態(tài)，清除閘門操作建議，恢復(fù)監(jiān)視狀態(tài)。

2.2.7 一體化維護管理工具

成都監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)新地提出了基于網(wǎng)絡(luò)的、跨平臺的、一體化的管理工具，通過該工具的實現(xiàn)，維護人員不再需要記憶大量的系統(tǒng)命令，通過統(tǒng)一的人機界面，可交互式完成巡檢及維護工作，也可根據(jù)維護人員自定義巡檢內(nèi)容模板完成系統(tǒng)自動巡檢，降低了人為疏忽因素造成的故障，大大地降低了人力成本，使巡檢與維護變得簡單且全面深入，在節(jié)約資源消耗的同時，大大提高了計算機監(jiān)控系統(tǒng)維護工作的可靠性、科學(xué)性、簡便性及全面性。實現(xiàn)了對整個計算機監(jiān)控系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備 （包括主機、交換機、路由器等)的實時監(jiān)控、遠程管理與診斷、操作系統(tǒng)的報警及錯誤日志信息管理及分析、應(yīng)用程序報警及錯誤日志信息管理及分析、數(shù)據(jù)庫報警及錯誤日志管理及分析、應(yīng)用程序的遠程啟動與終止、UPS電源系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)視、UPS電源系統(tǒng)報警及錯誤日志管理及分析、文本及畫面文件的同步、自動巡檢功能等系統(tǒng)維護管理工作，最終達到在局域網(wǎng)內(nèi)任意一臺工作站或服務(wù)器上就能夠完成對整個系統(tǒng)的管理。

3 結(jié) 語

2012年8月，成都監(jiān)控系統(tǒng)與向家壩電站監(jiān)控系統(tǒng)通過IEC104規(guī)約實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信，并實現(xiàn)了與水調(diào)自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換、閘門控制、發(fā)電計劃等功能。2012年9月，成都監(jiān)控系統(tǒng)成功完成了對向家壩電站GIS斷路器、隔離刀閘、接地刀閘的遠方分合試驗以及8F的遠方聯(lián)控試驗。2012年10月成都監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了與國家調(diào)控中心等多個電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)的數(shù)據(jù)交換功能。從2012年11月至2013年7月，成都監(jiān)控系統(tǒng)總共執(zhí)行近2萬次的GIS控制、閘門控制、機組開停機、機組輔助設(shè)備控制以及機組有功、無功調(diào)節(jié)操作等各類操作，期間，沒有出現(xiàn)一起通信數(shù)據(jù)完全中斷、事故情況下數(shù)據(jù)記錄丟失、控制操作錯誤動作等重大事故。

2013年成都監(jiān)控系統(tǒng)還將實現(xiàn)對溪洛渡電站10臺機組、向家壩電站3臺機組的遠方集中監(jiān)控的功能，2014年將全面完成對溪洛渡、向家壩電站的監(jiān)視、控制與調(diào)度功能。

通過對成都監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試、運行的成功實踐與總結(jié)，對超大型梯級水電站群集中監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展有了更深的認識和體會:

（1）建立規(guī)范的國際或國家的流域梯級樞紐集中監(jiān)控技術(shù)的標準，將會有利于減少或消除當前流域梯級樞紐集中監(jiān)控技術(shù)中安全性、實時性、可靠性的瓶頸。

（2）流域梯級樞紐集中監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展將大大提高流域梯級樞紐的綜合效益，同時，也會促進流域梯級樞紐運行管理模式的科學(xué)創(chuàng)新，促進人力資源高效、合理的分配與利用。

（3）積極推動流域梯級樞紐集中控制中心各自動化系統(tǒng)以及與各電站自動化系統(tǒng)之間的一體化系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展，是未來流域梯級樞紐集中控制技術(shù)的可行方向。

（4）在系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)以及實施階段，集控中心與電廠共同組成開發(fā)團隊，按照統(tǒng)一的、標準化的技術(shù)規(guī)范構(gòu)建數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、畫面等，形成整體的安全控制體系，這將極大地降低建設(shè)、調(diào)試與維護成本，并使安全性得到較大提高。