基于無線移動技術的低壓水電站綜合自動化系統

周忠育

（浙江省瑞安市林溪水電站，浙江溫州325213）

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基于無線移動技術的低壓水電站綜合自動化系統

周忠育

（浙江省瑞安市林溪水電站，浙江溫州325213）

摘要：針對目前很多低壓水電站的自動化系統結構復雜、系統技術落后、無法實現“無人值班、少人值守”等問題，開展了基于無線移動技術的設計與研究，將無線移動技術應用到低壓農村水電站技術監控、上位機監控、LCU監控等，實現了移動手機與上位機的信息通訊。該系統應用于浙江省瑞安市林溪水電站，取得很好的效果，值得其他農村水電站的遠程監控借鑒。

關鍵詞：低壓水電站；無線移動技術；綜合自動化系統；LCU

1　引言

隨著云技術、移動信息化技術、互聯網技術等的發展，低壓的農村水電站有望首先實現“無人值班、少人值守”的運行模式。實現對小水電的可移動遠程四遙（遙測、遙信、遙控、遙調）；可遠程對小水電進行發電計劃設置；對小水電內部重要信號進行告警，及時通知相關人員進行處理；實現對小水電發電數據的統計和分析，給運維提供指導等。

但是總體設計需要遵循以下一些原則：①遵循小水電監控系統的要求［1］，充分利用現有的工作基礎，減少系統建設過程中的工作量。②在遠程集中監控運維系統建設過程中，系統平臺采用基于統一模式的全局管理，并且在整個分布的通信節點上采用授權方式，豐富系統管理方式，提高系統的易用性和安全性。③按照“全局規劃，分步實施”的設計原則，在系統平臺設計上充分考慮系統的開放性、可靠性、安全性和可擴展性，采用分層分布式體系結構。④系統數據庫模型基于統一信息模型建立，規范化的系統模型為系統信息的提取提供有力的手段，方便在其上進行導入導出工作。系統的功能模塊按照組件框架設計，支持在SOA總線之上獲取服務及接口。⑤系統按照通用平臺的思路設計，將管理層接口和數據獲取層接口按照一定的標準開放，使系統的通用性和可接入性大大增強，不再局限于僅能接入某個廠家的小水電監控系統。⑥前置設計了規約基類和通訊設備基類，規約和通訊設備的實現在基類的基礎上繼承，并以動態接口庫的方式給出。系統給出“插槽”，新增設備和規約都可以實現即插即用。⑦使用非常靈活，易于擴展。系統對接入的小水電系統提供了有效的保護，以后所有其他系統同該小水電系統數據交互的需求都通過遠程監控和運維系統完成，有效的消除了小水電系統在同其他多個系統進行數據交互時所帶來的額外負擔和安全隱患。

2　總體構架

本系統主要包含網絡通訊管理機、網絡、服務器和工作站4個部分（如圖1所示）。其中網絡通訊管理機是小水電系統到集中監控平臺的適配器［2］，他將各個異構的小水電監控系統配到統一的集中監控平臺，從而讓平臺能夠屏蔽同各種不同的小水電監控系統的差異，以統一的方式進行管理，提高了系統的效率和安全性。網絡部分主要解決以太網傳輸和通過移動網絡（GRPS/CDMA/3G/4G等）進行傳輸問題，為系統的通信提供一個統一的管理方式，保證數據的可靠傳輸。服務器是系統的數據核心，具體來說包括前置服務器、通信服務器、SCADA服務器、數據庫服務器、報表服務器等，所有的平臺采用分布式構架，所有的服務器功能可以部署到一個或者多個物理節點上。工作站是系統平常工作的人機界面，從工作角色上，可劃分為維護工作站（對系統本身的運行狀態進行信息收集和維護）、管理工作站（對系統進行操作和管理）、報表工作站（制作、生成、打印系統報表）。

圖1　總體構架圖

3　主要功能

水電站計算機監控的上位機、LCU等傳統的功能已有很多文獻介紹，本文只介紹一些特色功能。

3.1運行工況監視

主接線圖、計算機系統設備運行狀態圖；電站廠用電、控制電源電氣接線圖、輔機工況圖（機組、進水閥及其油、氣、水系統實時狀態模擬圖）、公用部分監視圖、機組開、停機過程狀態轉換順序流程圖（帶轉換時間）、機組監控圖、實時溫度總匯圖、報警記錄、歷史曲線、棒圖、電度統計畫面、各查詢統計表、操作指導畫面包括正常操作和事故操作指導，如根據電站主設備運行狀態［3］，提出運行操作和調整的指導性意見畫面，電站主設備異常或出現事故時，提出對策和操作的指導性意見畫面，運行及生產管理方面的顯示畫面等。

3.2電站運行指導

運行指導將電站的一些重要而復雜的操作條件以及進行這些操作形成的專家經驗輸入計算機系統，當進行這些操作時，計算機根據當前的狀態進行條件判斷，提出操作指導意見。主要包括：機組開/停機操作指導、主要隔離刀閘操作聯鎖指導、主要電氣操作票、主要事故、故障原因提示及處理指導。

3.3報警

①報警查詢：實時報警和歷史報警查詢。包括模擬量的越限報警、復限提示以及有關參數的趨勢報警，事故、故障順序記錄，相關量記錄以及監控系統自診斷報警等。②語音報警：發生報警事件時，循環語音播放報警。③短信告警：置外部短信發送模塊。

3.4報表

①報表定制：電度年、月、日報表（同時也可按8 h 或12 h以班組為單位統計電度）、溫度、日報表、電氣報表（電壓、電流等）；②報表打印：對監控畫面、報表、曲線、各種操作、記錄等的打印功能。打印分為：定時打印和召喚打印。

3.5監控系統自診斷

監控系統能進行在線和離線自檢計算機和外圍設備的故障內容并指出故障模件位置，檢測結果應打印記錄。可在線和離線診斷自檢各種應用軟件和基本軟件故障，當程序死鎖或失控時，能自動啟動或發出冗余切換請求，并具備自恢復功能。

3.6數據通信

①數據采集與通訊：監控系統應具有通信工作站與調度實現數據通信［4］。監控系統還應能與水情報系統、電力系統安全自動裝置、電量計費系統等之間實現數據通信。②監控系統時鐘同步：監控系統具有時鐘同步能力，使系統時鐘與衛星時鐘同步。

3.7運行維護管理

電站監控系統能自動統計電站主設備的運行小時數，主要操作、事故和故障次數，主要設備運行參數或狀態等數值，建立歷史數據庫存檔備查。

①操作記錄。對電站主要設備發出的手動或自動操作命令，如機組開、停，斷路器的分、合等操作均進行記錄，并匯總形成當天（或當班）的操作統計記錄，可供運行人員查看，匯總記錄可自動定時打印，也可隨機召喚顯示或打印。②主要動力設備運行統計記錄。a.機組：統計機組開、停機次數，本次運行小時數，累計運行小時數，檢修次數及時間，利用小時數，停機備用小時數，檢修小時數等。b.斷路器：累計合閘次數，正常跳閘次數，事故跳閘次數，斷路器分閘延遲時間的數值等。c.公用設備：排水泵、空壓機等啟停次數及運行時間。d.事故、故障參數越復限統計記錄。對電站的所有事故、故障信號進行記錄，并匯總形成當天（或當班）事故、故障統計記錄，可供運行人員查看設備運行情況，匯總記錄可自動定時打印，也可隨機召喚顯示或打印。

4　核心技術

4.1水電鏈路監控器的開發與應用

該設備負責管理同遠方小水電系統通訊的整體工作，包括建立、維護和中斷同小水電系統的連接。這其中包括所有鏈路（包括主備節點）狀態的監視和控制，同后臺節點的通訊，主備節點上監控子系統由于故障發生的切換和正常通訊。鏈路監控器的主要功能包括：提供一個網絡管理界面控制小水電接入的狀態，動態的定義或刪除一個節點；通知網管代理小水電系統的運行和恢復；提供透明訪問遠方小水電系統；自動選擇變化路徑，避免通訊失敗，自動選擇最優路徑；支持點對點通訊和一點對多點的通訊；自動統計小水電系統狀態。當發生信息傳輸故障或通道故障時，它會根據數據采集器傳送過來的系統運行狀態信息，進行告警或者根據專家庫里的經驗，進行自動化處理；接收變化模擬量、變化開關量、SOE數據等，經過適當處理形成事件發送給數據系統接口，然后保存到系統參考數據庫。接收定時系統信息：電度量、全數據（遙測量、遙信量），經過適當處理形成事件發送給系統接口節點，然后保存到系統參考數據庫［5］。

4.2水電站掃描器的開發與應用

電站掃描器負責執行通訊請求并將獲得的結果轉換后返回到水電監控器，電站掃描器負責通知鏈路監控器鏈路狀態改變。負責統計每個連接上的狀態，包括發送包數目、接收包數目、超時數目、無效包數目、校驗和錯誤的數目，當需要的時候這些狀態將通知到網管代理。

電站掃描器通過周期性的問答來得到電站上的當前的遙測和遙信數據，自上次掃描后變化的數據將在下次掃描時上報，掃描的時間間隔可以設定。電站掃描器的主要功能如下：根據需要建立和中斷與廠站的通訊連接，進行規約的轉換和處理；根據制定的掃描周期通過建立的連接掃描廠站，維護統計鏈路的狀態；提供規約庫，支持常用的遠動規約（IEC104、SCI 1801、CDT等），通知主機鏈路狀態改變，統計未通過校驗的信息字，并做相應的報警處理。

4.3網管代理技術

網管代理模塊主要是用來維護實時庫，它封裝了實時庫的管理接口，所有有關集中監控系統的鏈路、設備、RTU等實時信息都是通過網管代理來進行更新。網管代理主要功能包括：維護和更新系統配置庫，并負責將更新后的配置庫復制到其他備用服務器上的系統配置庫上，保證整個系統中的所有系統配置庫的一致性和完整性；負責為系統配置人機界面子系統在線的控制和修改系統配置數據庫提供服務接口；負責將從通訊監視器接收到的系統運行狀態信息以及遠動通道的故障及恢復信息通報給報警和事項子系統，以產生警報；周期性地搜集統計數據并將數據存入到系統配置數據庫中；處理數據采集子系統初始化時的下載參數請求。

4.4專家庫技術

專家庫中包含了當前小水電運維管理過程中的經驗信息和專家信息，它被網管代理所完全擁有，所有的管理都是通過網管代理來完成的。專家庫是一個標準的內存數據庫，分為靜態和動態兩部分。靜態部分描述了系統的組態信息，拓撲信息，資產數據等，還包含了它們之間的關系。動態部分包含著這些對象的當前狀態。專家庫是由網管代理來更改的，對復制庫的傳播也是由網管代理來實現的。為了減少傳播的數據量，所以分為靜態和動態兩部分。

5　案例分析

林溪水電站位于瑞安市金潮港支流湖嶺鎮三十一溪上游，水庫集雨面積52.5km2，水庫總庫容1945萬m3（現狀規模為1 450萬m3），屬林溪水庫配套工程，是一座低水頭混流式壩后電站。電站始建于1958年4月，1965年7月竣工投產，當時總裝機為830 kW。2010年9月，正式啟動技改，于2011年12月25日完成所有技改項目。該站現裝機3臺630 kW機組（低壓機組），總容量為1 890 kW，設計平均年發電量達450萬kW·h。

林溪水電站基于無線移動技術的低壓水電站綜合自動化系統按照“無人值班，少人值守”原則進行總體設計和系統配置。該系統按全分布開放式系統結構設計，以計算機監控為主、常規控制為輔，計算機監控系統為容錯設計，任何一臺監控設備發生故障不會引起系統誤操作而降低系統其他性能。設備現地控制LCU單元也不會因主控級發生故障而影響設備各自的監控功能。該系統由站級計算機工作站、設備現地控制LCU單元、微機保護裝置組成。

6　結束語

本系統綜合運用了自動化控制技術、通訊技術，使系統功能齊全、可靠，配置靈活、經濟，操作方便，實現了水電站的“無人值班，少人值守”和安全經濟運行等，從各方面滿足了安全運行的需求。特別是在低壓機組的使用，極大的提高了水電站的自動化水平和穩定運行率，為水電站的日常管理、電力調度、設備保護等提供了更多的保障。

參考文獻：

[1]方輝欽.現代水電廠計算機監控技術與試驗[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]徐金壽，張仁貢.水電站計算機監控技術與應用[M].杭州：浙江科學技術出版社，2007.

[3]徐錦才.小型水電站計算機監控技術[M].南京:河海大學出版社,2005.

[4]胡冬妮,賈劍峰.小型水電站綜合自動化控制裝置的比較與應用[J].小水電，2009(04）：77-79.

[5]譚云廣，譚博元.微機自動化在水電站應用模式及相關設備選型應注意的問題[J].中國水能及電氣化,2008（03）：59-63.

作者簡介：周忠育（1969-），男，工程師，研究方向：水電站運行與管理。

基金項目：浙江省農村水電安全監管監控系統建設可行性研究（RC1421）

收稿日期：2016-01-18

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.005

中圖分類號：TV736

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2016）04-0017-04