流域梯級小型水電站群集中監控系統的研究與實踐

何照

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

流域梯級小型水電站群集中監控系統的研究與實踐

何照

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

摘要：小水電機組運行管理與大、中型電廠相比有其自身的特點，其設備改造項目必須結合自身的特點進行，符合“改造投入少,產出效益高”的原則。四川理縣華成水電開發公司充分利用自身力量完成機組監控系統改造，邁出了梯級水電站集控建設開發的重要一步。

關鍵詞：小水電監控系統；改造；自行實施

五凌電力四川分公司所轄理縣華成水電開發公司流域共規劃了5個梯級水電站，分別為紅葉一級電站、畢棚溝一級和二級水電站、梭羅溝一級、（二級電站正在建設中），由于各廠系同一流域，相互之間距離較遠，為了便于電廠管理，同時提高機組自動化管理水平，實現流域梯級水電站集中控制，達到“少人值班，遠方集控”的要求，四川分公司提出了梯級遠方集中控制系統建設的設想。針對設備目前狀況，首先從機組設備改造入手，分別有監控系統改造、工業電視系統改造、電量計量系統改造等，到2014年底為止，已完成了紅葉一級水電站和畢棚溝二級水電站的機組監控系統改造。

圖1　電站分布示意圖

電站位于四川省阿壩州理縣境內，系雜谷腦河二級支流梭羅溝中下游上開發的徑流引水式電站，水電站由首部樞紐、引水隧洞和廠區樞紐組成。紅葉一級電站裝機2×8.5MW。畢棚溝二級水電站電站處于已建成的畢棚溝一級水電站和紅葉一級水電站之間，裝機2×3.2MW。

1　建設目標

1.1水電站群遠程集中控制系統

建設結構合理、功能完善、接口開放的水電站群遠程集中監控系統，為理縣梯級水電站群搭建穩定、統一、開放的流域調度底層統一平臺和開放的第三方接口。系統可實現梯級所屬多個水電站的四遙功能（遙測、遙信、遙控、遙調），可同時對梯級所有水電站進行實時監視、控制、自動發電控制（AGC）以及自動電壓控制（AVC）。系統在節點配置和軟件架構體系上具備良好的可擴展性，可在不影響系統正常運行的情況下接入新投運電站，并且能夠滿足各類高級應用軟件的要求。

1.2統一、可擴展網絡體系

針對集控中心建設中存在的地域空間跨度大、基礎通信設施相對薄弱、水電站級數多、項目建設周期長等眾多特點，規劃并建成適合理縣梯級水電站群的安全可靠、合理高效的廣域、局域網絡體系。該網絡體系必須符合國家電力安全管理規范，穩定可靠、具備十分良好的開放性結構，以便在新電站陸續建成時能夠對系統方便地進行擴容和升級。

1.3統一、開放數據平臺

傳統點對點應用通訊方式存在開發、維護難度大、數據一致性難以保證的缺點，因此，集控中心有必要搭建系統集成度、數據整合度較高的統一開放數據平臺。數據平臺提供數據采集、數據處理、數據存儲、數據訪問、數據發布、安全管理等基礎功能。平臺具備良好的可擴展性，能夠滿足3方面的擴展性要求：①不斷增長的數據管理需求；②不斷增長的終端用戶需求；③不斷增長的功能類型需求。平臺提供多種標準的外部訪問接口，能夠方便地與生產管理系統、辦公自動化系統等外部系統實現對接。在建設開放數據平臺的過程中要充分考慮電力系統網絡分區的特點，確保符合電力系統安全管理規范。

1.4水資源高效安全利用

根據理縣梯級水電站群的具體特點、實際需求以及今后的發展趨勢，綜合運用通信、計算機、控制、水電等領域成熟可靠的先進技術，進行科學、合理的系統規劃和設計，借助先進的項目管理理念及嚴格的項目實施控制，確保集控中心建設成為有競爭優勢的流域集中管控中心，建成后能夠對理縣梯級水電站群實施有效的調度和控制，最終實現流域水資源的合理調配和綜合利用，提高水資源的利用效率。

2　建設要求

2.1技術先進

系統應采用通信、計算機、控制、水電等領域的最新技術成果，采用先進的平臺技術和系統模型，采用分布式處理技術、集群技術、雙機熱備冗余技術等先進成熟技術，具備完善的跨平臺和混合平臺的能力。整個系統應該能夠在較長時期內保持國內領先水平。

2.2功能完備

根據集控中心實現水電站群流域水資源的合理調配和綜合利用，提高水資源的利用效率的最終目標，對集控中心總體功能、各子系統的結構組成、功能體系、及各類高級應用軟件進行全面綜合考慮，形成一整套完備的水電站群水電聯合優化調度與遠程控制體系，確保各子系統和系統總體功能完備。通過制定長期建設計劃，分期先后實現各項功能。

2.3可靠性高

在設計階段進行全面的系統可靠性分析與設計，并堅持以下原則：系統內部件故障不影響其他部件正常工作，不影響整個系統正常工作；某個子系統故障不影響其他子系統正常功能；各功能出現故障時，可通過人工方式快速處理，避免中斷相關的整個業務流程；監控系統和調度系統自身故障不影響電站機電設備支持運行；系統具備相當的自診斷、自恢復能力，并且具備運行日志、故障自動報警、記錄等功能，便于在系統出現故障時，維護人員能夠快速定位和排除故障。

2.4系統安全

系統滿足《電網和電廠計算機監控系統及調度數據網絡安全防護規定》（中華人民共和國國家經貿委第30號）和《電力二次系統安全防護規定》（國家電力監管委員會5號令）對電網計算機監控系統和系統之間互聯的安全要求。系統配置并正確應用正向隔離裝置、反向隔離裝置、縱向加密認證裝置和硬件防火墻，并采用IP映射、訪問控制列表（ACL）、用戶口令加密與認證等軟件技術手段，最大程度上保證系統的安全。

2.5實時性強

實時性主要體現在梯級水電站群遠程監控系統中，由于該系統與各梯級水電站進行通訊中，存在網絡結構復雜、地域空間跨度大、路由時間長、廣域網絡傳輸速率慢、傳輸數據量大、數據中轉環節多等因素，使得實時性成為系統設計時需要著重考慮的問題。實時性主要反映在數據采集、遙控、遙調、自動發電控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）以及與中調遠動通訊中。應確保水電站群遠程監控系統響應速度能夠滿足電力系統對梯級各電站監視的實時性要求。尤其要注意的是，當數據采集出現明顯滯后時，將可能影響PID、AGC、AVC等功能的正常發揮，給電力生產帶來一定的安全隱患。

2.6人機接口

系統提供從總體到局部、多樣化的、可組態的監視畫面，使運行人員能全面清晰地了解各水電站實時生產狀況，輔助運行人員對梯級水電站群進行良好的調度和控制；提供面向對象的可視化控制操作畫面，使運行人員快速準確地實施各類操作和調節指令，避免出現誤操作；提供各類型統計報表，輔助運行人員進行有效的生產管理和經驗總結；提供報警登錄界面，輔助運行人員及時掌握運行中出現的異常狀況，有效地對梯級主要機電設備、輔助設備以及系統本身進行控制和管理。

2.7可擴充性

系統應該能夠滿足理縣梯級水電站群逐步建設、逐步投運、逐步擴充、逐步升級的需求，滿足電力市場發展的需求，滿足各類新增高級應用軟件的需求。系統能夠支持多種類型的計算機硬件設備及多種操作系統平臺，軟、硬接口符合國際標準，系統可方便地增加新的計算機以及新的應用軟件。系統可在正常工作的同時方便地增加新投運水電站，并能夠方便地增加新投運水電站的AGC高級應用模塊。系統能夠方便增加新的水文測站，以及增加新的測量類型。

2.8開放性

系統選用符合現代工業標準、由具有相當生產歷史的制造商生產的或軟件商開發的、在國際上占有一定比例的主流軟硬件產品。系統采用開放體系結構，為調度通訊、各類高級應用軟件提供符合國際標準的、統一的、多樣化的應用程序接口，便于第三方系統的接入與集成。

2.9可維護性

系統具備高度的可維護性，提供系統運行狀態監視告警系統、圖模一體化數據庫管理工具，備份恢復工具，資源調度管理，故障診斷工具等維護管理工具。系統提供離線和在線兩種診斷手段，以便及時發現和排除系統內部的故障，提高系統可利用率。系統具備全面的自診斷與自恢復功能。

3　總體結構

3.1網絡系統

集控中心的局域網均由遠程計算機監控系統等組成。各局域網之間按照國家電力監管委員會頒布的《電力二次系統安全防護規定》進行合理的安全區劃分，并采用正確的安全措施連接各局域網。廣域網則采用地面專用光纖通道，主備冗余雙通道，當主通道故障時，可以自動切換到備用通道，并向值班人員作出相應報警。

3.2系統結構

集控中心計算機監控系統采用開放式分層分布系統，全分布式數據庫，系統有1套主服務器、1套應用服務器、2套操作員工作站、1套工程師工作站、2套電站通訊服務器、2套調度通訊服務器、1套語音報警及短信尋呼工作站。

集控中心通過梯級各電站LAN網實現對電站所有機電設備的運行情況進行全面監視，對狀態檢修用途的數據進行采集、處理、歸檔、歷史數據庫的生成、網絡數據拷貝。此外，集控中心計算機監控系統通過梯級各電站上位機系統，實現對梯級各電站主要機電設備的遠程控制和調節。

集控中心設有其監控范圍內各電站完整的實時數據和歷史數據，各電站也分別設有其監控范圍內完整的實時數據和歷史數據，當與集控中心系統通信中斷時，能保存完整的歷史數據，并能在通信正常后響應集控中心系統命令將中斷期間的歷史數據信息傳輸到中心系統，以便恢復中心歷史數據庫。

監控系統局域網按IEEE 802.3設計，采用全開放的分布式結構，網絡介質采用光纖電纜，通信規約TCP/IP，網絡的傳輸速率不小于100Mb/s。監控系統完全符合國際標準定義的開放式環境，支持Linux、UNIX、WindowsNT操作系統，編程采用C語言等高級語言。

4　設備改造情況

4.1改造前設備現狀

畢棚溝二級電站監控系統為老式純機械操作式的設計，中控室只有1臺純手動的綜合操作臺，整個廠房的電氣設備監控僅僅依靠現地盤柜和中控室控制臺上的少量指示燈和光字牌來實現。全廠保護設備是老式的繼電器式動作保護，占用空間大，功能也很有限，接線繁雜而且都是淘汰停產的設備，設備維護和部件更換十分困難。現有監控和保護系統已經不能滿足現代水電站的生產效益和安全運行要求。

紅葉電站計算機監控系統在2004年進行過上位機系統升級,但由于現地控制單元所用的PLC與上位機系統是通過串行通信口連接的，該型號的PLC串行通信協議效率相對較低，并且當前相應的備品配件購買困難。監控系統是以日本光洋PLC為主體（開入模塊每塊的開入點為17點，開出17點，模入4點）,現地人機接口為一體化工控機。數據上傳是由一體化工控機與PLC及附屬設備通過串口通訊后再上傳至后臺系統。上位機系統使用2臺配置比較低的SUN服務器做為冗余備用的運行方式，目前已不能滿足現在的圖形處理和程序應用的硬件配置要求，必須改造。輔機控制系統采用歐姆龍C200H型的小型PLC，目前仍然可以使用，但由于沒有通訊接口，一直沒有實現與監控系統的通訊，只有硬接點的信號量上送。

4.2前期準備工作

（1）編寫機組監控改造技術方案，編寫了《紅葉一級電站監控改造廠用電中斷預案》，《畢棚溝二級電站監控改造廠用電中斷預案》。

（2）參加了南自公司組織的技術聯絡會，確定了產品型號、屏柜尺寸顏色等需改造的設備。同時要求廠家盡量加快工期，利用機組出線回路上變壓器檢修期間，抓緊進行改造。

（3）編寫改造現場施工方案，編制電纜、端子排等施工材料、工器具的采購計劃。

（4）開展現場圖實相符核對工作，由于原來設備圖紙遺失嚴重，故要求維護人員到現場核對所需拆除的每一根線，每一個端子，并作好記號，屏柜移位前仔細核對安全措施是否做好，拆除線前必須測量是否帶電，并包扎好。

（5）由于現場部分自動化元件還未改造到位，需要手動檢查和操作，暫時達不到遠方集控的要求，在考慮機組流程設計時不得不將時間延長，防止開停機時間過長，引起流程失敗。

4.3試驗

監控改造由于所涉及的面非常大,而且機組控制系統大面積的改造大部分員工是第一次參與，所以在設備通電前搞好核對工作是非常重要的,故在設備通電前要求所負責工作面的負責人簽字確認自己接線核對無誤,并制定了詳細的設備通電及啟動方案,機組運行、試驗及整體驗收方案。

4.4機組監控系統改造后的設備配置

（1）廠站控制級系統

2套主機/操作員站，機型：HP高性能計算機Z400；

1套通訊服務器,HP高性能計算機Z400；

1套UPS電源:配置1套UPS（≥6kVA，后備1h）不間斷電源與1組60 Ah蓄電池構成電源系統，供計算機系統主控級使用；

1套GPS時鐘（包括天線及饋線）；

1臺激光打印機。

（2）現地控制單元

2套水輪發電機組現地控制單元LCU1、LCU2開關站及公用設備現地控制單元LCU3。

（3）全套網絡設備及網絡電纜

上述全套網絡設備除上位機及現地控制單元所必要的網卡、交換機、網絡電纜等網絡設備外，還應包括與調度通信的相關網絡設備。

（4）軟件:系統軟件/支持軟件/應用軟件

（5）監控系統可分為主控級和現地單元級。主控級設有2臺主計算機/操作員工作站、1套通訊服務器、1套語音報警ONCALL裝置、1套GPS時鐘對時裝置、1臺激光打印機以及配套的外圍設備 (包含UPS系統等)。主控級除完成對電廠的監視控制外，還可實現與電力調度系統等的通信，是整個電廠的控制核心。現地單元級共設3個現地控制單元（LCU），由可編程控制器等組成裝置，直接面向生產過程，負責對現場數據的采集和處理，能夠獨立或按主控級的命令完成對電廠機組及其輔助設備、開關站、公用設備、樞紐等的監視和控制。網絡采用快速100M光纖以太網。

（6）采用全分布開放系統結構，主機/操作員工作站/通訊服務器等都使用符合開放系統國際標準的UNIX操作系統，網絡軟件為TCP/IP、工作站圖形系統符合X-Window/Motif標準。上述各計算機都直接接入冗余高速網絡，可獲得高可靠性、高速通訊和共享資源的能力。

（7）網絡上接入的每一設備都具有自己特定的功能，實現功能的分布，每個節點嚴格執行其規定的功能，并通過網絡與其他節點交換信息，既保證了某一設備故障只影響局部功能，又利于今后功能的擴充。網絡采用冗余的雙光纖以太網，充分保證計算機監控系統網絡的可靠性。

（8）系統先進、可靠。冗余化的電源設計和開放式系統結構，使系統既可靠實用、又便于擴充，整個系統性能價格比高。

（9）監控系統配有遠程診斷的功能。

（10）系統由電廠層和現地層組成，主機現地層由4臺面向生產對象的現地控制單元（LCU）組成，LCU為智能化結構，按取消常規接線和采用現場總線技術設計，采用經PLC直接上網的連接方式；所有I/O模件均采用與CPU同一系列產品，同時配置高檔10.4"彩色液晶觸摸屏作為現地人機界面。

5　總結

由于在機組監控系統改造前制定了詳細的技術方案，機組從設備通電、調試到一次性啟動并網成功，兩廠的機組監控系統改造從方案設計討論、改造施工都是自己專業人員親自動手全方位參與，既鍛煉了技術力量，又使專業人員更加熟悉了設備，有一舉兩得的效果。機組監控系統的成功改造，是設備改造邁出的成功第一步，也是非常關鍵的一步，為以后實現全流域所有電廠的機組集中控制打下了設備基礎，也標志著機組設備管理水平踏上了一個新臺階。

參考文獻：

[1]DL/T 1313-2013流域梯級水電站集中控制規程[S].

中圖分類號：TV736

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）08-0084-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.025

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：何照（1975-），男，工程師，從事水電廠機電設備維護檢修工作。