中小水電集控系統總體方案探討

龔傳利，張　海，陳曙東，諶斐鳴

中小水電集控系統總體方案探討

龔傳利1，張海2，陳曙東2，諶斐鳴2

（1.北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038；2.五凌電力有限公司水電集控中心，湖南 長沙 410004）

著重從兩個方面講述了中小水電集控系統總體方案，一方面是中小水電系統總體設計方案，從系統設計原則、結構模式和層次結構進行詳細介紹；另一方面是數據網設計方案，從網設計原則、總體設計、通道規劃和水情信息傳輸方式進行詳細闡述。文中的方案在五凌電力中小水電建設中得到應用，取得很好效果，這些方案對于其他中小水電集控系統建設有一定借鑒意義。

中小水電；集控系統；集控數據網

1　引言

我國中小水電資源十分豐富，中小支流遍布全國，廣泛分布于全國一千五百多個山區縣。水能資源的分布特性決定了大多數中小水電處于偏遠山區，電力系統減員增效和職工改善工作環境需求，促使中小水電遠程集控系統建設迫在眉睫，計算機技術和通信技術發展，使中小水電集控系統建設成為可能。

中小水電集控應以電站“無人值班，少人值守”為原則設計，要求技術先進、功能完備、可靠性高、系統安全、可擴充性、開放性等。兼顧監控可靠性和運行成本兩方面，實現企業最大的經濟效益。

2　系統總體設計方案

2.1集控系統設計原則

區別于大型流域梯級集控系統，根據中小水電特點，以經濟、效益為目標，堅持有用、實用原則，現代中小水電集控監控系統設計應遵循如下原則：

（1）技術先進，可靠性高；

（2）簡潔實用，功能完善；

（3）實時性；

（4）人機界面友好；

（5）可擴充性；

（6）開放性；

（7）可維護性；

（8）系統安全性。

2.2系統結構模式

目前水電站實行的集控系統結構中，常見的典型模式有梯級集控調度模式、擴大廠站模式（一廠多站總控制模式）兩種。

2.2.1梯級集控調度模式

梯級集控調度方式一般多采用租用電力、電信部門的網絡專用通道作為電站監控系統與集控系統之間的數據傳輸通道，電站經專用數據通信網與集控中心通信，實現數據交換。通道帶寬要求一般不低于2M，在鏈路上應充分考慮布置網絡安防設備，確保計算機監控系統數據傳輸的安全。該模式中，采用電站層獨立配置通信工作站直接與集控中心監控系統通信，集控中心通信主機與各廠站監控系統集控通信機間采用星型網組網通信。通過各廠站獨立配置的集控通信工作站上送采集數據，接收控制指令并經各廠站計算機監控系統網絡控制到各電站機組及其他主要設備。集中控制系統與廠站級監控系統多采IEC61850-5-101、IEC61850-5-104規約進行通信。

（1）梯級集控調度模式特點

集控側與電站側監控系統通信，不直接連接現地LCU，各系統的功能及分工明確，對各電站監控系統的本體設計要求較少，比較容易實現系統之問的互聯。

（2）梯級集控調度模式優點

電站脫離集控后可由現地監控系統控制，可自成體系。

（3）梯級集控調度模式缺點

投資相對較高，調度權審批較繁瑣。

（4）梯級集控調度模式適用情況

電站相對分散，數量眾多，距離較遠，交通不便，不易快速到達現場。另外對于已經建成的老電廠，電廠已經有監控系統，也適合采用該模式。

其結構圖如圖1所示：

圖1　梯級集控調度模式系統結構圖

2.2.2擴大廠站模式

擴大廠站式的網絡通道一般選擇由用戶獨立架設專用光纖通道。該模式中，集控中心監控系統網絡可直接與電站監控網絡集聯，構成星型或環型網絡，集控中心監控系統直接與各電站層PLC通信，直接讀取電站各套LCU的相關數據，并直接將控制命令下達到LCU中，完成對受控各站的監控，通信協議一般采用電力通信標準規約要求的MODBUSRTU、MODBUSTCP/IP協議。此模式下，可取消各電站中控室上位機系統，由集控系統進行統一監視和控制。其結構圖如圖2所示：

圖2　擴大廠站式集控模式系統結構圖

（1）擴大廠站式集控模式特點

集控側與現地LCU直接通信，電站側可以選擇不設監控系統上位機操作員站、通信服務器等。

（2）擴大廠站式集控模式優點

減少機房建設和設備費用，減少了設備維護量，節省監控系統投資。電站位置相對集中，數量相對較少，可等值為同一電源點，調度等值為一廠，可方便、快速地現場維護，同時可精簡人員結構。

（3）擴大廠站式集控模式缺點

集控退出后，電站如無監控系統則設備不可控，不適宜接入大量電站。由于綜合自動化產品廠家眾多，設計標準、配置、接口等不同，對于電站監控與集控系統是不同供應商時，直接采集接入時廠站監控需做較大改動。

（4）擴大廠站集控模式難點

采用直采方式將加大電站PLC系統的CPU負載率，對通訊網絡設備也提出了更高的要求，因此監控系統PLC設備的選型尤為重要，必須充分考慮硬接點數量、與各輔助系統設備通訊點數等對CPU的影響，選用先進產品以保障監控設備的安全、穩定運行。

（5）擴大廠站集控模式適用情況

電站位置相對集中、距離較近、數量較少，可近視等值為同一電源點，可方便、快速地現場維護。

2.3集控系統層次結構

（1）系統設備層次

監控系統設備分電廠層和集控層（見圖3），電廠層分為電廠控制層和現地控制層，集控層分為集控控制層、集控信息層和信息查詢層。根據集控中心結構模式特點，擴大廠站模式取消電廠控制層，現地控制層直接接入集控控制層。

現地控制層由全廠按設備單元分布的各LCU構成，按被控對象單元分布。完成指定設備的數據采集與現地監控，并接受廠站層或集控層的控制指令，實現中控室集中監控。各LCU根據具體情況，可靈活采用現場總線技術。

電廠控制層由數據采集服務器、操作員站、通信網關通信服務器等構成，完成全廠設備的實時信息采集處理、監視與控制任務。

集控信息層由歷史數據服務器、培訓仿真站、語音報警服務器及報表打印服務器等構成，完成全廠設備運行信息管理和整理任務。

生產信息查詢層由機組狀態分析WEB數據服務器、WEB發布服務器及相關網絡安全設備構成，實現有關集控實時和歷史信息查詢、機組狀態分析和WEB發布等功能。

（2）網絡層次

網絡分電廠控制網、集控接入網、集控信息網和信息發布網。

電廠控制網：主要連接現地控制層和廠站控制層有關設備。與現場實時監控有關的信息主要由電廠控制網傳輸，如LCU上行信息和控制命令等。

集控接入網：主要連接集控與電廠的網絡，如果采用擴大廠站模式，集控直接連接現地LCU。

集控信息網：連接集控控制層與集控信息層設備。

信息發布網：主要連接信息發布層有關設備，如設備狀態監測趨勢分析服務器、WEB瀏覽服務器、瀏覽數據服務器及瀏覽終端等。通過網絡安全設備與PInet連接。

采用上述分層結構，使不同性質的信息分類在不同的網絡通道上傳輸，避免相互之間的干擾，確保系統控制的實時性、安全性和可靠性。

對于LCU內部，則根據具體需要和選擇的設備情況，靈活采用現場總線技術。由于僅涉及LCU內部，有的LCU采用現地總線，有些則沒有，故未將LCU內部的現場總線網歸結為系統總體結構的層次之中。

圖3　集控系統層次結構圖

3　系統數據網方案設計

3.1集控系統數據網設計原則

集控中心至各廠站光纖通道應充分考慮業務及擴展需求，實時與非實時業務應以電力光纖通道為主用，備用通道可根據廠站實際情況在不同通信運營商間選擇。同時，應盡量選擇具有雙路由直達廠站端的通信運營商。

（1）系統的設計符合目前電力系統通信的技術水平和發展方向，本著技術先進、安全可靠、高速暢通和經濟可行的原則進行設計。

（2）系統的設計滿足區域調度數據、圖像、語音信號傳輸的需要。

系統的設備選型應滿足高可靠、高冗余、故障自我隔離、可拓展、較少的時延和良好可控性的原則，采用的設備必須取得信息產業部檢測入網許可證，嚴格控制使用在電力系統中沒有成功運行經驗的設備，所有輔材也必須符合安全、穩定、可靠的技術要求。

3.2集控系統數據網總體設計

根據電力系統相關網絡安全的要求，集控數據網按照所傳輸信息的不同分為生產調度數據網和綜合業務數據網兩個部分，該兩個網完全獨立，其中調度數據網用于傳輸網絡安全分區中I區和II區的應用業務，綜合業務數據網用于傳輸網絡安全分區中III區和IV區的應用業務。

集控生產調度數據網是專為集控中心實現各廠站集中控制服務的，是一個專用的核心骨干數據網絡。網絡主要承載生產調度數據，以數據業務為主，以SDH通道為傳輸載體，不進行話音、視頻、多媒體等業務的傳輸。主要包括以下數據業務：

計算機監控系統；

水調自動化系統；

電能量計量系統；

故障錄波系統；

安全穩控系統；

機房動力環境監測系統；

其他生產調度系統。

集控綜合業務數據網是為集控中心實現集中管理各廠站生產信息、視頻會議、工業電視、行政通訊和辦公自動化等綜合計算機應用系統服務，是一個綜合的核心骨干數據網絡。本網絡承載數據業務、話音、視頻、多媒體等，一般通過運營商通道以VPN廣域網為傳輸載體，條件允許的地區也可采用SDH傳輸方式，主要包括以下業務：

生產信息管理系統；

視頻會議系統；

工業電視系統；

行政通訊系統（或NGN軟交換系統）；

辦公局域網各子系統；

其他綜合管理應用系統。

3.3集控系統通道規劃

就目前通信技術，集控數據網絡可采用光纖、微波、衛星及電力線載波等通信方式，但衛星與電力線載波傳輸速率較低，不能滿足集控中心綜合傳輸網絡的要求；微波通信須建多個微波中繼站，存在中繼站位置選擇較困難、通信電源難以解決、投資較大、今后運行維護困難等缺點，目前已很少采用；光纖通信方式具有容量大、傳輸質量高、投資省、建設快的特點，特別是在電力系統建設光纖通信系統，可以利用電力桿路架設特種光纜，在減少了投資的同時也增加了光纜線路的安全性，因此光纖通信系統較微波通信系統具有更大的傳輸容量和更高的可靠性。

根據集控系統所承載的業務類型，通信系統現狀及通信技術的發展，不宜采用微波通信。通常電力光纖、電信運營商通道情況較好，優先選用電力光纖通道主用、電信運營商通道備用。中小水電需綜合考慮電力光纖通道租用與自建光纖通道相結合的方式進行，并根據工程實際情況進行光纜的選擇及施工方式的選擇，根據業務需求配置具體光纖的纖芯數量，一般常用的光纜有光纖復合架空地線（OPGW）、全介質自承式光纜（ADSS）和層絞式鎧裝光纜（GYTS）等，施工方式主要有架空、管道、直埋方式等。采用GYTS光纜時工程設計應注意鋼絞線等主要配套材料的數量配置。

3.4水情信息采集傳輸方式

對于水情信息采集量比較少的電站，對于采用梯級集控調度模式的集控中心，由電站計算機監控系統采集水情信息后，通過電站計算機監控系統與集控數據網系統送集控中心計算機監控系統；對于擴大廠站模式，水情信息由集控計算機監控系統采集。

對于水情信息采集量比較大且配置有水情系統的電站，電站水情采集系統位于安全分區II區，電站與集控通信劃分出非實時通道，水情系統信息通過非實時通道上送集控系統。對于新建水情系統的集控，可以統一建一套水情系統，梯級所有水情信息由集控采集，如果電站需要水情信息，可以在集控中心將數據送至監控系統，由集控監控系統與電站監控系統通信通道將數據送至各電站。

4　結語

中小水電實現遠程集控是大勢所趨，一個健壯、經濟實用的集控系統是關鍵，根據中小水電特點，除了實現實時系統集中監視控制外，還需接入于非實時生產數據和生產管理數據進行數據比較。文中對于集控系統總體設計方案和數據網設計進行探討，并在五凌電力實施應用，取得很好效果，文中介紹的方案，對于其他同類集控系統建設有一定借鑒意義。

[1]龔傳利，鄧鵬程，魏志鵬，等.五凌集控計算機監控系統關鍵技術[J].水電站機電技術，2011，34（3）：67-69.

[2]田啟榮，萬元，諶斐鳴，等.“區域集控”模式在五凌集控計算機監控系統中的應用[C]//中國水力發電工程學會梯級調度控制專委會2010年年會，2010.

[3]魏志鵬，萬元.五凌公司多流域水電廠群集中監控系統的整體規劃與建設[C]//中國水力發電工程學會梯級調度控制專委會2010年年會，2010.

[4]王德寬，王桂平，張毅，等.水電廠計算機監控技術三十年回顧與展望[J].水電站機電技術，2008，31（03）.

TV736

A

1672-5387（2016）08-0034-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.010

2016-06-29

龔傳利（1975-），男，博士，高級工程師，從事水電站監控系統研究及軟件開發工作。