基于嵌套模型的多級集控監控系統設計

倉義東，劉振龍

（1.南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211106；2.新疆額河水電有限公司，新疆維吾爾自治區北屯市 836000）

基于嵌套模型的多級集控監控系統設計

倉義東1，劉振龍2

（1.南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211106；2.新疆額河水電有限公司，新疆維吾爾自治區北屯市 836000）

隨著中國水電站的不斷建設，同一河流、同一流域多級水電站的情況屢見不鮮，集控中心由于能夠充分發揮流域各水電站資源優勢，這些年也在不斷的發展中，由早期的常規集控到如今的大型集控甚至全流域集控，集控中心正以雨后春筍般的速度不斷涌現。在集控中心建設的過程中，時常會遇到一個大型集控中心控制的某個電站本身也是個小型集控中心的情況，形成了多級集控控制方式。本文從最基本的集控類型開始分析，使用嵌套模型設計思路，由淺入深的論述了多級集控監控系統的設計思路。

多級集控系統；擴大廠站；嵌套模型；控制權

1 引言

經過多年的不懈努力，我國各流域水電公司已先后建立了梯級集控中心自動化系統，實現流域梯級水電資源的優化控制管理，流域梯級電站監控、水情水調、機組狀態監測、繼電保護、電能量、大壩監測等自動化系統獲得廣泛的應用，為流域各電站實現“無人值班（少人值守）”，提高流域梯級水電站的安全運行和自動化管理水平發揮了重要作用。

集控監控系統根據控制對象及控制方式不同可以分為擴大廠站模式及集控監控模式兩種。本文使用嵌套模型的方式，分析兩種集控監控模式組合情況下的邏輯關系及控制權設計，從中查找規律，借此為更復雜類型的集控監控設計提供參考。

2 擴大廠站模式介紹

2.1 模型建立

電站側監控系統LCU除與電站側上位機系統進行通訊，還與擴大廠站側上位機系統進行通訊。電站上位機與擴站上位機為橫向并列運行關系，本文中將此種集控類型定義為類型A，其模型見圖1。

2.2 數據交換方式

電站LCU與電站上位機之間使用上下位機通訊規約進行通訊，向電站上位機上送遙信、遙測信號，并接收電站上位機發送的遙控、遙調信號。

電站LCU采用相同方式與擴站上位機系統進行通訊，實現數據收發。

圖1 擴大廠站模式（類型A）模型圖

2.3 控制權設計

擴大廠站控制方式控制權切換點定義在電站LCU中。一般情況下，為避免各系統之間相互沖突，要求同一時刻只允許一套系統操作，其邏輯關系如下所示：

式中：Local表示LCU控制權，KZ_YX表示擴站允許標志，LCU_TJ表示LCU操作條件，DZ_TJ表示電站上位機操作條件，KZ_TJ表示擴站操作條件。

2.4 優劣分析

擴大廠站控制方式由于直接控制電站側LCU，運行穩定度高，數據響應速度快。

擴大廠站與電站監控上位機之間為并列運行關系，一套系統異常不會影響另一套系統工作。

擴大廠站控制方式為確保數據傳輸的速率及安全性，要求從擴站上位機到電站監控系統之間使用專用光纖，且一般不允許監控以外的系統使用。

擴大廠站控制方式由于需要直接與電站側LCU進行通訊，因此一般要求擴站上位機與電站監控系統為同一廠家的產品，以便于接入及維護。

擴大廠站方式由于以上方面的要求，一般應用于距離較近的電站之間，擴站中心一般也靠近其中一個電站。

3 集控監控模式介紹

3.1 模型建立

在電站原有系統結構下，新增集控上位機系統與電站上位機系統進行通訊，電站上位機與集控上位機之間為串行運行關系。本文中將此種集控類型定義為類型B，其模型見圖2。

圖2 集控監控模式（類型B）模型圖

3.2 數據傳輸

電站LCU與電站上位機之間的傳輸方式同擴站方式。

電站上位機與集控上位機之間使用站間通訊規約進行通訊，向集控上送遙信、遙測信號，并接收集控下發的遙控、遙調令，并經由上下位機驅動下發至LCU。

3.3 控制權設計

集控監控模式下控制權切換點定義在電站上位機系統中。一般情況下，為避免各系統之間相互沖突，也要求同一時刻只允許一套系統操作，其邏輯關系如下所示：

式中：Local表示LCU控制權，JK_YX表示集控允許標志，LCU_TJ表示LCU操作條件，DZ_TJ表示電站上位機操作條件，JK_TJ表示集控操作條件。

3.4 優劣分析

集控控制模式與擴大廠站方式的優劣剛好相反，數據傳輸效率慢、穩定性低，集控監控系統的運行依賴于電站監控系統的支持；但是也因為有了電站監控系統的中間中轉，一方面使得數據傳輸的安全性要求降低，另一方面也使得集控監控軟件的選擇上沒有了電站的限制。

集控監控模式由于以上方面的原因，因此應用的范圍最廣，是目前集控中心最常采用的模式。

4 嵌套模型分析

4.1 類型A相互嵌套

4.1.1 邏輯關系

在擴大廠站控制模型基礎上，新增一套擴大廠站控制模型，3套上位機系統都與LCU直接通訊，嵌套后的邏輯關系見圖3。

圖3 類型A相互嵌套邏輯關系圖

4.1.2 控制權設計

控制權允許標志定義在電站LCU中。正常情況下，同一時間只允許一套系統具備操作權限，其邏輯關系如下所示：

式中：Local表示LCU控制權，KZ1_YX表示擴站1允許標志，KZ2_YX表示擴站2允許標志，LCU_TJ表示LCU操作條件，DZ_TJ表示電站上位機操作條件，KZ1_TJ表示擴站1操作條件，KZ2_TJ表示擴站2操作條件。

4.2 類型A、類型B嵌套

4.2.1 邏輯關系

在原有擴大廠站類型的基礎上，新增一級集控中心，或者在原有集控中心基礎上，新增一級擴大廠站控制，兩種邏輯關系見圖4。

圖4 類型A、類型B嵌套邏輯關系圖

4.2.2 控制權設計

控制權允許標志定義在電站LCU中。正常情況下，同一時間只允許一套系統具備操作權限，其邏輯關系如下所示：

式中：Local表示LCU控制權，KZ_YX表示擴站允許標志，JK_YX表示集控允許標志，LCU_TJ表示LCU操作條件，DZ_TJ表示電站上位機操作條件，KZ_TJ表示擴站操作條件，JK_TJ表示集控操作條件。

4.3 類型B相互嵌套

4.3.1 邏輯關系

在原有集控基礎上新增一級集控中心，該集控中心可以與原集控并列運行，也可以串行運行，其邏輯關系見圖5。

4.3.2 控制權設計

圖5 類型B相互嵌套邏輯關系圖

控制權允許標志定義在電站上位機中,一般要求同一時間只允許一套系統進行操作，其邏輯關系如下所示：

式中：Local表示LCU控制權，JK1_YX表示集控1允許標志，JK2_YX表示集控2允許標志，LCU_TJ表示LCU操作條件，DZ_TJ表示電站上位機操作條件，JK1_TJ表示集控1操作條件，JK2_TJ表示集控2操作條件。

5 嵌套模型邏輯關系分析總結

通過對4種嵌套模型5種邏輯關系的分析，不難看出：

類型A相互嵌套強化了類型A的全部優缺點，一方面數據響應最快，穩定性最高，各上位機系統獨立運行；另一方面對于網絡結構、軟件選擇上也提出了更高的要求。

類型B相互嵌套同樣強化了作為類型B的全部優缺點，一方面數據響應最慢，穩定性差，高級別的集控系統對低級別的系統形成依賴關系；另一方面也相應的對數據安全性的要求進一步降低，集控監控系統軟件可以多樣化。

類型A、類型B相互嵌套則繼承了類型A和類型B的優點，同時盡量避免了缺點，因此在多級集控設計中，一般建議使用這種模式。下一節將結合典型案例具體闡明。

不管使用哪種模式，對于控制權的設計方式是相同的，都是確保同一時間只允許一套上位機系統進行操作（當然，事故停機、緊急停機等不在此列），同時在有條件的情況下，建議都在LCU中實現控制權的定義、處理和上送。

6 典型案例介紹

新疆某水電公司幾個電站由于同屬一個流域、兩個水電站群上下水庫相連，有著得天獨厚的水庫調度和聯合發電的優勢。多級電站集中控制可優化負荷分配，合理利用水能，提高水輪機使用效率。

該集控中心在設計的時候，充分考慮了各電站實際情況，采用了集控中心與擴大廠站嵌套的多級集控監控系統結構，既保證了新的集控系統運行的需求，又兼顧了現有電站的運行要求。其系統結構見圖6。

圖6 新疆某集控中心監控系統結構圖

從圖中可以看出，電站1通過擴大廠站方式控制電站3，為類型A；電站2上位機與集控中心通訊，為類型B；集控中心通過電站1控制電站3，為類型B嵌套類型A，電站2既受集控中心控制，又受電站1擴站控制，為類型A嵌套類型B，調度通過集控中心“控制”電站2電站則為類型B嵌套類型B。

一張系統結構圖幾乎囊括了所有的嵌套類型結構。了解了嵌套類型，對于數據傳輸方式、控制權切換方式自然一目了然了，由于文字關系，在此不再單獨表述。

7 結束語

不管多復雜的集控系統體系架構，其基本的邏輯架構都是由以上兩種基本類型通過嵌套組合獲得，各自的優缺點也一目了然，在實際的多級集控監控系統設計中，在條件允許的情況下建議首選類型A相互嵌套的方式，避免類型B相互嵌套的情況，或至少保證類型A、B相互嵌套的方式。

[1] 王勁夫，林峰.中型梯級水電站實現“無人值班”集控監控的技術討論［J］.水電站設計，2006，（2）：54-60.

[2] 王德寬，張毅，余江城，等.流域梯級集控中心自動化系統智能化建設總體規劃設計［J］.水電站機電技術，2012，35（3）：1-4.

倉義東（1983—），男，工程師，主要研究方向：水電廠自動化。E-mail：cangyidong@sgepri.sgcc.com.cn

劉振龍（1973—），男，高工，主要研究方向：水電廠自動化。E-mail：635lzl@163.com

The Design of Multistage Control System Based on the Nested Model

CANG Yidong1, LIU Zhenlong2
(1. Nanjing NARI Group Corporation, Nanjing, 211106，China; 2. Xinjiang Irtysh River Hydropower Co. Ltd., Beitun,836000,China)

With the continuous hydropower station construction in China, it is often seen. A multistage hydropower station in the same river, centralized control center can give full play to the due to river basin hydropower station resource advantage, these years also in the unceasing development. Centralized control center can give full play to the resource advantage of river basin hydropower station, these years also in constant development,by the conventional set early control to large set now control even whole basin centralized control, centralized control center is constantly building.In the process of establishment of centralized control center, often encounter a large centralized control of a power station control center itself is a small center of control situation.The formation of multi-level set control method.In this paper, from the most basic of centralized control type to analyze, using the design ideas from the shallower to the deeper nested model, discusses the design idea of multilevel centralized control monitoring system.

Multi centralized control system； expand the station； nested model； control