金沙江下游成都調控中心電調自動化系統研制與實施

王崢瀛，韓長霖，劉德龍

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

金沙江下游成都調控中心電調自動化系統研制與實施

王崢瀛，韓長霖，劉德龍

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

摘要：基于H 9000CAS系統平臺開發的金沙江下游成都調控中心電力調度自動化系統，歷經近4年的研制與實施，開創了三峽公司金沙江下游區域巨型機組電站群遠程“調控一體化”與電站接機發電同步實施，并且無一例誤操作發生的歷史。本文對該系統的實施過程、設計思路、原則以及主要特點進行了介紹，并對未來梯級集控技術的發展方向進行了探討。

關鍵詞：梯級調控中心；電力調度自動化系統；H9000CAS；調控一體化

0　引言

金沙江下游成都調控中心電調自動化系統是一個規模龐大的系統工程，從2007年起開始可行性研究，在系統初步設計階段即多次組織國內外本行業專家進行方案評審及咨詢，吸取專家同行的建議，并結合我們多年在水電控制領域積累的經驗，針對成都調控中心實現“調控一體化”及與電站同步接機發電的特點，我們研制開發了H9000CAS梯級調度自動化系統，本文對這一研制成果及實施過程進行了簡要的介紹。

1　工程介紹

金沙江下游河段水量大、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，河段全長約783 km，落差約729m，由上至下依次規劃建設烏東德、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4 000~4 600萬kW，年發電量約1 960億kW·h，是我國重要的能源基地。根據三峽集團公司計劃安排，在成都設立金沙江下游梯級調度中心電調自動化系統，對金沙江下游的溪洛渡樞紐電站、向家壩樞紐電站和重慶河段電站進行遠方集控和調度。此外在重慶河段還計劃建設小南海、石硼和朱楊溪的3個梯級電站。

溪洛渡水利樞紐電站位于四川省雷波縣與云南省永善縣交界的金沙江干流上，距下游宜賓市約184 km（河道里程），電站分設左、右岸2個地下廠房，各布置9臺770MW混流式水輪發電機組。左岸電站接收國家電力調度中心及備調、華中網調和四川省調及其備調的調度,右岸電站接受南方電網總調度中心及備調、云南省調及備調的調度。電站總裝機1386萬kW，為世界第三大水電站。工程于2005 年12月正式開工，2013年6月首臺機組發電，2014 年7月全部機組投入商業運營。

向家壩水電站是金沙江下游梯級開發中最末的一個梯級，壩址位于川滇兩省交界的金沙江下游河段上，左岸為四川省宜賓縣，右岸是云南省水富縣。電站下距宜賓市區33 km。向家壩水電站的開發任務以發電為主，兼顧防洪、改善通航條件、灌溉，同時具有攔沙和為溪洛渡水電站進行反調節等作用。電站左右岸各裝機4臺單機容量80萬kW的混流式水輪發電機組，為世界上最大的水輪發電機組，總裝機容量640萬kW。工程于2006年11月主體工程正式開工，2012年首批機組發電，2014年7月全部機組投入商業運營。

金沙江下游成都調控中心電調自動化系統采用北京中水科技開發的H9000CAS系統。本項目的主要內容包括成都區調中心電調自動化系統、統一時鐘平臺、電源系統、機房動力與環境監視系統、KVM系統、電力二次安全防護體系等系統軟硬件的設計、制造、集成、安裝、調試、投運工作。

其中，電調自動化系統為實現金沙江下游電站群遠方“調控一體化”的核心組成部份，包括：主站監控平臺、對外通信平臺、應用與培訓平臺、離線調試平臺、廠站信息同步平臺、內部數據交換系統、上級調度接入系統、大屏幕顯示系統等。統一時鐘平臺通過GPS時鐘與北斗時鐘互為熱備，為成都區調所有自動化系統（包括：水情、氣象、電量、安穩、保護、相角、行波測距等系統）提供統一的高精度授時功能。KVM系統對各自動化系統服務器、工作站、網絡設備等進行集中統一管理和訪問。電源系統為各自動化系統提供不間斷電源供給。機房動力與環境監視系統為各自動化系統機房提供運行環境及用電環境檢測。電力二次系統安全防護體系建設為各自動化系統提供了完整的信息安全防線。

2　實施過程

項目合同于2010年12月6日簽訂，由于本項目為國內首次對如此規模巨型機組群實現遠程全面調控，需要根據項目的需求，對H9000CAS系統從性能提升、智能化、人性化等各方面進行全面的升級完善，所以，公司以技術開發部骨干為核心組建了項目小組，項目正式啟動。

系統研制過程中，歷經3次設計聯絡會及多次專家交流及方案評審會，尤其是2011年5月至10月，成都區調、溪洛渡電廠、向家壩電廠3個單位的技術骨干集中在北京參與項目的聯合開發，為系統功能的切合實際需求打下了堅實的基礎，并為一年后高強度的現場調試、投運過程做好了充足的準備。

2011年10月25日，系統按時通過出廠驗收，新一代面向“調控一體化”的H9000CAS監控系統正式推出，緊張而有序的現場安裝調試工作也隨即拉開帷幕。2011年11月21日設備抵達現場，開始現場安裝調試，2011年12月23日設備開始帶電運行。

2012年8月，與向家壩電站監控系統同臺、同步調試工作啟動，2012年11月5日，向家壩首臺機組7號機投入商業運營，11月12日交付成都區調調控。2014年7月7日，最后一臺機組交付成都區調調控。

2013年6月，與溪洛渡電站監控系統同臺、同步調試工作啟動，2013年7月15日，溪洛渡首臺機組13號機投入商業運營，7月25號交付成都區調調控。2014年6月30日，最后一臺機組交付成都區調調控。

期間，成都區調中心在“邊調試、邊運營、邊完善”的復雜環境中，平均每半個月接入一套現地控制單元（LCU），每個月實現1.2臺巨型機組遠程全面調控，調控中心全面參與從無水調試、有水調試、并網發電到接入在線系統運營的全過程，其遠程監控覆蓋范圍及接管速度開創歷史之先河，并且，無一例安全事故發生，安全保障的技術及管理措施為類似項目的實施提供了寶貴的經驗。

在項目的設計、開發和實施完善過程中，我們針對巨型電站群“調控一體化”的高可靠性、安全性、實時性及海量采集數據的需求，廣泛采用高可靠的系統冗余技術、負載均衡技術、海量數據處理技術、多重控制閉鎖技術及智能平臺管理技術進行系統總體設計和研究開發，經過三年多的不懈努力，系統功能及性能得到了全面的升華。在高可靠性集群通信系統、海量數據處理、智能報警、廠站配置信息實時同步、控制中心與廠站同步調試、梯級自動發電控制以及對向家壩水利樞紐下游發電航運實時優化控制等方面實現了重大技術突破，全面解決了巨型機組電站群遠程集控在安全可靠性及系統實時性能等方面的技術難題，為巨型機組電站群實現遠程“調控一體化”運行管理提供了堅實的技術保障。

3　項目特點

該項目有著以下幾個特點：

1）所轄電站規模龐大，系統地位突出

金沙江下游梯級成都區調中心所轄的溪洛渡水利樞紐電站設計裝機容量1 386萬kW，年發電量640億kW·h，向家壩水利樞紐電站設計裝機容量640萬kW，多年平均發電量352億kW·h。這兩個電站的安全、穩定運行關乎國網和南網的穩定，系統地位極為突出。

2）“調控一體化”調度管理模式

“調控一體化”模式要求區調中心能通過電調自動化系統及時、全面、準確獲得電站的信息。原則上成都區調中心應具備電站現地的實時性及控制范圍，同時由于遠程監控及多廠站監控的要求，“防誤”及智能報警等功能較電站監控系統有著更高的要求。

3）測點規模

向家壩規模為8萬點，溪洛渡規模為16萬點，成都區調的規模在30萬點左右，海量的數據對系統實時性、歷史數據存取、有效信息智能篩選等技術提出了新的挑戰。

4)“邊調試、邊運營、邊完善、高強度”工作模式

系統投運將伴隨溪洛渡、向家壩電站的高強度接機發電過程（溪洛渡電站從首臺機組投運至18臺77萬kW機組全部投運僅13個月時間），如何保證在高強度、多工作面的調試過程中，不影響到運營機組。并且，隨著處理信息量的增加，需求的調整，系統軟件也需進行相應的調整、完善、優化，這一工作模式對電調自動化系統實施過程中的管理水平、技術手段提出了極高的要求。

5）分屬國網、南網調度

由于溪洛渡左、右岸電站分屬國網、南網調度，成都區調中心需要同時接受國網及南網的調度指令，為流域優化調度工作提出了新的挑戰，也給調度員的工作增加了復雜度。

6）世界一流的總體目標

按三峽總公司的規劃，成都區調中心應建設成為世界一流的梯級調度控制中心，作為實現這一目標的重要組成部分，電調自動化系統的建設對設備提供商提出了極高的要求。

4　系統設計原則與關鍵問題

針對金沙江下游巨型機組電站群，遠方“調控一體化”以及與所轄電站同步投運對電調自動化系統的要求，在充分識別項目特點及難點的基礎上，提出面向巨型機組電站群“調控一體化”的新一代電調自動化系統的設計原則和開發方向。

4.1需研究解決的關鍵技術問題

根據本項目的特點和難點，成都區調電調自動化系統需重點研究解決的關鍵技術問題包括：

1）基于多重冗余技術的軟、硬件架構，以滿足“調控一體化”高可靠性的需求，所有關鍵節點均應實現冗余，不存在單點故障；

2）高可靠性廠站通信系統，以滿足海量數據采集的可靠性、實時性、優先級傳輸，并能應對“邊調試、邊運營、邊完善、高強度”的工作模式；

3）海量數據的處理能力，解決海量數據傳輸、歷史存儲的問題；

4）海量信息的智能篩選和可視化技術，解決海量信息在人機界面的分類展示問題，將最有價值的信息及數據分析結果推送給用戶，避免運行人員湮沒在海量信息中；

5）安全控制，在集控中心遠程對電站群進行控制、調節，防止誤操作的設計較之在電站本地操作更加重要；

6）梯級AGC/AVC及優化調度，對于同一河流上的梯級電站，水力聯系緊密，聯合經濟調度能實現水能利用最大化，同時避免機組頻繁調節，提高機組的運行效率；

7）水、電調自動化系統無縫銜接，“調控一體化”模式下，優化調度計劃、閘門操作計劃以及水頭等參與實時控制的信息由水調系統制作或采集，由電調系統實時或計劃執行，其數據及命令交換的實時性、可靠性也是一個研究重點；

8）主、廠站數據定義的同步，本項目的實施伴隨溪洛渡、向家壩兩廠的高強度投產發電過程，調試及投產初期數據定義等配置將時常改變，一旦主、廠站定義不一致，將引發不可預測的后果；

9）眾多軟、硬件維護，本項目涉及軟、硬件品類、數量繁多，維護人員有限，如何及時發現軟、硬件故障乃至實現預警功能，建設跨平臺涵蓋各類型設備健康狀態的管控平臺也是研究重點之一。

4.2系統設計原則

根據設計規范以及“調控一體化”的需求，結合我們的工程經驗，我們認為成都區調電調自動化系統的設計應遵循下列原則：

1）成都電調自動化系統應具備電廠監控系統具有的所有功能；

2）電站數據按全采全送設計；

3）電站數據采集服務器按集群方式配置；

4）成都電調自動化系統數據刷新頻率應接近電廠監控系統；

5）成都電調信息規模龐大，為避免主要信息湮沒于大量次要信息中，電調自動化系統應采用有效的智能報警等手段突出重要信息；

6）為確保系統安全、穩定運行，應采用成熟、先進的技術和系統；

7）系統硬件配置先進合理，主站、網絡及服務器的性能協調一致，具有良好的可擴充性和可變性，并具有一定的先進性。具有足夠的安全冗余度，重要環節均按雙重或多重冗余配置；

8）系統應具有良好的開放性，可維護性與可擴充性。

5　系統總體結構

為了確保電調自動化系統的安全性、可靠性及實時性，系統采用分層、分布、冗余的體系架構（見圖1）。

圖1金沙江下游集控中心電調自動化系統結構圖

系統三個特點各有側重，相互協調配合。

5.1分層

主干網絡，數據交換網絡，應用及培訓網絡三個層次相對獨立，功能各有側重，相對獨立，又能無縫連接，相互協調，完成電調自動化系統的全部功能。

5.2分布

電調自動化系統的功能分布在不同層次的不同設備之中，各工作站/服務器在系統中處于平等地位，單一設備的故障只涉及局部功能，整個系統的復雜性得以降低，可靠性得以提升。

5.3冗余

為了確保電調自動化系統安全可靠運行，各環節采用各種有效的冗余措施，無論是單網故障，還是任意節點故障，都不影響系統功能。主要冗余措施如下：

（1）主站重要節點設備均采用雙機或多機熱備冗余配置

例如：歷史數據服務器、操作員站、應用服務器、外部通信服務器、調度通信服務器等。冗余配置的雙機系統同時運行相同的任務，備機一般不輸出任何數據，互相檢測，相互備用，當檢測發現主機故障時，根據具體情況，備機可自動升為主機運行。其中，具有成都區調特色的是，外部通信服務器由4臺主機組成集群，負責與昆明自動化系統和各梯級電站計算機監控系統的數據交換。這一創新，使得區調在對外通信的實時性、可靠性上得到大幅提升。同時，合理利用這一集群技術將提供極大的調試便利性，對某一廠站/對外系統的通信調試不會影響到區調主站系統的正常運行。

（2）重要網絡均采用雙網冗余結構

兩個網同時工作，相互備用。任意一個網故障都不會影響到系統功能。另外，成都電調自動化系統采用2個主用通道，1個備用通道，1個應急通道。應急通道與向家壩、溪洛渡通信，極大保障了通道的可靠性。

（3）供電的可靠性

①UPS主機采用雙總線結構

兩路UPS供電系統完全獨立工作，確保不存在兩路供電系統的關聯故障。

②主站重要節點均采用雙電源

重要節點的兩路獨立電源分別引自兩路UPS供電系統，單電源供電的次要節點也采用兩路UPS電源通過靜態切換開關（STS）供電，確保電源系統不存在單點故障。

6　H9000CAS系統體系架構及主要特點

H9000CAS系統的架構如圖2所示：

圖2 H9000CAS系統結構圖

限于文章篇幅，H9000CAS系統的功能模塊在此不做具體介紹，以下描述了系統的主要特點。

6.1分層

基礎應用及上層應用，均通過服務總線獲取系統資源，數據層按歷史數據庫、實時數據庫及文件形式存放數據，支持各類主流操作系統及主流硬件架構，通過服務層屏蔽數據層、操作系統層及硬件層的差別，實現應用軟件的平臺透明化。

其中，基礎應用指系統必備的應用，上層應用通常為可選模塊或高級應用模塊。

6.2分布

H9000CAS系統采用對等式結構，不同于客戶/服務器架構，系統中任意一臺服務器/工作站均在本地擁有H9000完整架構，數據源（例如：采集服務器或通信服務器）通過同步服務將數據進行全網同步，確保每臺機數據一致性。這一分布式系統架構保證了各應用不因某關鍵服務器（例如：數據服務器）性能下降而產生影響。

6.3跨平臺

系統采用C/C++語言編寫，在保證實時性的同時，實現了不同平臺間的源代碼級兼容。

6.4開放性

1）支持各種主流的硬件及操作系統，具備在多種硬件和操作系統的混合平臺上正確運行的能力；

2）提供數據、圖形、文件、網絡等資源訪問接口，支持用戶應用軟件的開發，方便與其它系統互聯。

6.5一致性

為分布在不同計算節點上的應用程序提供一致的數據；

6.6可靠性

1）為應用軟件提供主備或集群配置的運行環境，主備或集群節點的自動或手動切換快速、可靠，不發生爭搶、無故障切換等現象;

2）提供應用軟件的看護功能；

3）歷史數據庫故障不影響實時系統運行。

6.7實時性

1）為應用軟件提供的數據、圖形、文件、網絡服務均采用底層引擎開發，滿足實時性要求；

2）主備或集群配置的節點切換時間滿足實時性要求。

6.8系統管理

H9000CAS系統提供豐富的系統管理服務：1）提供主備或集群節點的手動/自動切換服務；2）提供平臺自身及各類應用的運行狀態監視服務；

3）提供系統軟件及應用軟件的運行狀態監視、診斷服務；

4）提供系統硬件資源的運行狀態監視、診斷服務；

5）提供應用軟件統一的日志服務。

7　主要技術成果

通過項目組全體成員三年多的不懈努力，我們取得的主要技術成果如下：

1）在世界上規模最大的梯級水電站之一首次實現遠程調控一體化

目前能實現全面集中控制，現場“無人值班”（少人值守）的多為中小型電站。對于巨型電站因其對系統潮流分布及系統穩定性的影響極大，其遠程控制多限于調度的層面，即由電站上送重要的過程信號、事故信號到調度/集控中心，調度/集控中心執行有無功調節、機組運行工況轉換、下發調度曲線等操作，全廠生產過程的監視、事故處理以及大部分主輔設備的操作仍由現場值班人員完成。本系統實現了26臺770MW以上機組主輔設備、500 kV開關站及泄洪閘門全范圍的遠程控制，現地無人值班，系統運行穩定可靠，電站各類設備遠程調控成功率達100%。

2）提出并研制成功基于多服務器、多規約、多鏈路、相互校驗的集群通訊在集控中心的應用

水電站集控中心通常采用雙通道熱備方式與廠站通訊，當主用通道故障時，切換到備用通道，存在切換時間長、切換過程丟失數據等問題。本系統提出并實現了多服務器、多規約、多鏈路、相互校驗的集群通訊，本項目基于該技術采用了4臺服務器，4條物理通信線路，共16條通訊鏈路，同時與廠站通訊，各鏈路數據冗余傳送，負載均衡、相互校驗，實現通道間無縫切換，并且各條鏈路均可配置不同的通訊規約以防止通訊規約設計不完善造成的系統性風險（本系統采用IEC60870-5-104及Tase.2規約），可靠性大幅提高。

3）在IEC60870-5-104規約通信中利用雙緩存技術實現大規模數據實時上送

在集控側采用接收和處理異步技術，建立接收緩存和處理緩存，在廠站數據發生“雪崩”變化時，集控不會因為處理不及時導致數據阻塞。以溪洛渡電站數據采集為例：開關量近12萬點，模擬量近4萬點。模擬量約200 ms掃查周期，每次掃查周期約1 200個變化報文，在如此海量數據變化的狀態下，總召數據（全部數據逐點上送）作為低優先級背景掃描數據，全部完成的時間在改進前大約需要0.5 h，改進后控制在30 s以內。

4）在IEC60870-5-104規約通信中實現單邊點表

集控與廠站通信軟件建鏈后，集控將發送報文請求廠站通信程序發送通信點表，集控將采用廠站實時發送的點表。這一手段徹底解決了兩側通信點表不一致導致的數據大范圍錯位的隱患。

5）提出并研制成功電站-集控中心配置信息在線同步平臺，實現廠站、集控配置信息實時同步

傳統廠站、集控通信，需要兩側分別維護通信點表，以及各自的數據庫點定義、畫面、定值，巨型電站“調控一體化”將面臨幾十萬點量級的維護量。項目研制在線同步平臺，利用單獨組建的配置同步網絡，實時同步各項配置到集控中心，經維護人員確認后自動進入監控系統，本項技術的應用極大降低集控側配置信息維護工作量，減少人工修改產生的失誤，確保廠站、集控之間配置信息高效同步。本系統同步的內容包括：數據庫描述文件、通信點表、畫面、報表、計算庫、閉鎖庫以及通用的文件同步。

6）采用廠站同步接機調試技術，實現電站與集控同時具備現場自動控制能力

目前，在水電站集控中心的建設中，通常在電站監控系統成功運行一段時間后，集控中心與電站進行聯合調試。之后，將主要設備的控制權移交集控中心。本項目為適應“調控一體化”同步接機模式，組建獨立的接機調試網絡，與電站同步、同臺進行接機調試，提高集控接機效率。實現世界上同類系統最快的移交速度，最廣的控制范圍，并且無一例誤操作事故發生。

7）面向設備對象、基于相關量分析的實時智能報警技術取得良好成效

在世界上測點最多的控制中心（20萬點以上）進行全部設備的監視控制，如何讓運行人員不湮沒在海量信息中，是需要解決的關鍵問題之一。本系統在常規生產信號全部采集的基礎上，將信號按設備對象分組，并通過組態軟件在信號間、設備對象間建立關聯，實現智能分析，運行人員可只查看設備對象或對象組產生的總信號，從而實現在監控系統大大減少報警信號、而不遺漏任何重要報警的目的。

8）實現遠程多電站閘門群成組預校驗聯控

傳統多孔閘門操作方式為運行人員對單孔逐一操作的方式，本項目首次實現梯級多電站閘門群成組預校驗聯控下令，經過閘門聯控命令單預校驗后，實時下發成組控制指令，同時動態監測閘門動作過程，自動實時檢測操作結果，當發現閘門動作過程與下達指令不符時，第一時間停止該命令單操作。命令單預校驗技術提高了閘門成組操作的成功概率。成組聯控技術、動態監測技術、自動反饋技術在提升閘門遠程控制自動化程度的同時，有效保障了遠程操作的安全。

9）在水電站集中控制中心實現水利樞紐發電航運多目標實時優化控制

通過發電航運優化調度軟件，在發電流量急劇變化時，采取半自動或人工的方式，迅速對稱開啟可用閘門向下游進行泄流，實時控制樞紐下游水位變幅，變非恒定流為準恒定流。另外，通過發電航運優化調度軟件與自動發電控制軟件（AGC）相互配合，對未來短期機組流量進行短期預測，盡量減少棄水，這些技術手段在保障下游航運的同時，綜合考慮了水工建筑物的安全和發電效益的綜合利益。目前，在大江大河上實現此類遠程實時自動控制功能尚屬首例。

10）實現梯級巨型電站“調控一體化”多調度、多廠站AGC聯合應用

在分屬國家電網、南方電網多調度模式下，以梯級消耗水勢能最小為優化目標，采用多進程確保各電廠指令安全，采用雙適應度粒子群算法作為優化算法，采用協同進化技術解決梯級優化調度中復雜約束問題，在尋優空間加以約束。在尋求發電效益最大化的同時，解決優化中廠間負荷大幅度轉移等問題。

8　結束語

在本系統的研制及實施過程中，我們不斷通過技術創新、管理創新為高強度接機調試與安全運行保駕護航，開創了巨型機組電站群遠程調控與電站接機發電同步完成的歷史，實現了業主提出的“無缺陷、長周期、不間斷”安全運行的目標。系統在實時性、準確性、功能的完善性等方面取得的成績，以及現場調試人員表現出的專業精神得到了用戶的高度評價。該項目的成功研制和實施，標志著我國“調控一體化”技術的研制和實施水平已邁入國際一流水平，必將推動我國該領域技術的長足發展。

中圖分類號：TV736

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）07-0023-06

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.007

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：王崢瀛（1974-），男，高級工程師，從事水電站及梯級集控計算機監控系統研制開發工作。