小山口梯級水電站集中監控系統設計與實踐

趙鵬飛

（江河機電裝備工程有限公司，北京 100070）

0 水電站集中監控技術發展及項目背景

水電站計算機監控技術在歐美等一些工業發達國家得到較早和廣泛采用。其基本理論是將計算機監控技術與水電站自動控制功能等技術相結合運用到水電站生產管理中，其特點是集成度高，能夠提高電站安全運行管理水平，有效降低水電站的運行成本。近年來在國內新建項目上普遍應用，隨著技術成熟和設備價格大幅下降，早期建成投產的水電站也逐漸進行改造或升級換代。

自20世紀70年代水電站采用計算機監控系統以來從國內外水電站計算機監控系統幾十年的變化情況看，它的系統結構經歷了一個從簡單到復雜、從低級到高級、從集中式控制向分布式控制發展、從單計算機系統向多計算機系統發展、從單層網絡向多層網絡發展等。依據當前水電站現狀，普遍認為水電站計算機監控系統的網絡結構模式主要分為集中式計算機監控、分散式計算機監控和分層分布式計算機監控系統3種形式。因早期計算機比較貴多應用集中式計算機監控系統。一般只能設1臺計算機對全廠進行集中監控，稱作集中式監控系統。這種系統的基本特點是簡單、不分層、不設采用計算機的現地控制級設備，較易于實現。當時，一切計算處理都要在集控機上進行，所有信息都要送到集控機，所有操作、控制命令都要從集控機發出，因此一旦集控機出現故障整個控制系統將面臨癱瘓的危險，只能改為手動控制運行。這是集中監控系統的致命弱點。其次，由于所有信息都要送到集控機，現場需要敷設很多電纜，機組臺數越多，電纜也越多，這不但增加了投資，而且降低了系統的可靠性，電纜及其接頭容易發生故障。現已經不大采用，一般只在機組臺數較少、控制功能簡單、總裝機容量在2 000 kW以下的小型水電站上采用。

第2類為分散式計算機監控。隨著計算機價格的下降以及水電站對監控系統可靠性要求的提高，為了克服上述集中式監控系統的缺點，出現了功能分散式監控系統（Decentralized System）。對水電站的全部監控任務不再由1臺計算機來完成，而是由多臺計算機共同完成。各臺計算機只負責完成某一項或一項以上的任務。如數據采集計算機、控制調節計算機、事件順序記錄計算機、通信計算機等。這是一種橫向的分散、功能的分散，當某一臺計算機出現故障時，只是某一功能受到影響，其他功能仍可以實施，可靠性在某種程度上有所提高。功能分散使得每臺計算機的負載可以減少，從而出現了多微機系統，即用多臺微機代替原來1臺高性能計算機去完成監控任務，經濟上也是合算的。但是，功能分散式計算機監控系統仍沒有解決集中式監控系統的所有問題，從某種意義上說仍然屬于集中式監控系統。如某個功能裝置計算機出現故障則全廠的這部分功能均將喪失，影響較大，而且要用電纜將所有信息集中到一處所帶來的電纜連接復雜問題仍然沒有解決，系統可靠性仍然不是很高，而投資卻增加很多。因此功能分散式監控系統目前已經很少采用。

第3類為分層分布式計算機監控。其控制形式是一個典型的正置三角形：中央——地方金字塔式、帶有一定程度中央集權性質的系統。從水電站必須執行的操作，如執行網調的調度命令、正常及事故時電站操作員的操作控制、全站各臺機組的成組控制以及現地閉環控制等來看，采用分層控制結構是符合水電站的生產特點的。目前廣泛應用的為分層分布式計算機監控。分層分布式系統可有效克服危險集中、電纜敷設和連接復雜等缺點。典型的分層分布監控系統結構及網絡見圖1。

圖1

大、中型水電站計算機監控系統多采用分層分布式計算機監控系統，系統基本功能有：數據采集、數據處理、控制調節、人機聯系、系統通信、遠動、系統自診斷、恢復、運行管理統計及多媒體功能等。需滿足實時性、可靠性、安全性、可維護及擴充等性能要求。

近年來，新開發的水電站項目多在老、少、邊窮的地方，隨著社會進步，人們工作、生活觀念發生了巨大的變化。傳統的單一水電站管控模式的弊端日益突出。①電站生產管理隊伍不穩定,直接影響安全發電；②監督保護手段落后和維護檢修及時性不夠；③每個電站配齊相應人員管理成本較高。隨著計算機控制技術、通訊技術和管理要求的發展，探索實踐電站群集中控制的建設和應用已經成為電力企業發展的必然選擇。實施水電站集群監控，可在各分電站項目建設初期對計算機監控系統、電力調度系統、辦公區建設等方面進行統一規劃，將各個分散的電站監控系統集中起來進行有效的資源整合，大大降低投資成本。目前電力市場已經實施峰谷、豐枯分段電價和競價上網的電力市場機制，多元投資主體（混改）的改革也在電力行業先行先試，向管理要效益的形勢在全社會正在推進。

因此通過流域（區域）集中調度，合理利用水資源，可以有效提高水能利用效益。通過采用集中監控，可以提高自動控制水平，實現優化調度和減人增效、穩定隊伍的目標。

新疆巴州新華水電開發有限公司（以下簡稱：巴州新華公司）已投產水電站項目有4個：分別為小山口水電站、小山口二級水電站、小山口三級水電站和哈爾莫墩水電站，4座電站均位于開都河流域，巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內。電站相鄰之間距離在4～10 km內，為了充分利用小山口梯級電站特有的地理優勢和水文特點，降低運行成本、提高發電效益，提高員工歸屬感和隊伍的穩定，公司申請提出了對流域4座電站進行集中監控的需求，并得到上級公司批準。該項目《新疆小山口梯級水電站集中控制系統設備采購及安裝工程》主要分為計算機監控系統、微機五防系統、繼電保護與故障分析系統、電能量計量系統、視頻監控系統、生產運行管理系統及網絡通道建設7大部分。該工程于2012年開始進行可行性研究及設計工作，于2014年11月8日簽訂合同。2015年12月20日整個項目完工，歷時3年余。

1 建設目標

項目建設初期規劃在新疆小山口水電站建立集中運行管理中心，對4座電站實行集中監控和管理，達到“無人值班、少人值守、網絡控制、統一調度”建設目標。初期系統建成后，通過逐步完善，遠期實現在庫爾勒遠程集中控制的目標。通過不斷優化完善集控運行方案，最大限度地發揮工程投資效益，穩定隊伍，提高管理水平和管理效率，為地方電網的安全、經濟、運行服務。同時為集團公司對各區域公司所屬電站，特別是對偏遠電站實現遠程管理、集中控制提供經驗借鑒。

2 系統總體設計

小山口水電廠共管理小山口梯級4座電站，4座電站首尾相連，一級站距四級站13 km，共裝機11臺水電機組，總裝機容量163.5 MW。電廠管理為總廠管理，一廠管4站。一期系統工程設計主要實現將哈爾莫墩水電站（2×7.5 MW）、小山口三級水電站（3×16.5 MW）、小山口二級水電站（3×16.5 MW）以及小山口水電站（3×16.5 MW）各大系統接入小山口水電站集控中心，實現對4個電站的集中監控。

其主要內容包括網絡通道、系統結構以及擴大的廠站模式設計等。遠期實現在庫爾勒市對4座電站及周邊電站的集中監控、遙控。根據小山口“一庫四站”獨特的地理位置優勢、各站之間距離在4～10 km內等特點，系統通訊網絡通道設計，優先選用了開放式雙環網結構設計，雙環網結構是目前工業應用中非常先進、安全可靠的網絡結構之一，為保證數據高效的傳輸，各電站配置2臺千兆三層骨干網交換機，分別通過光纖連接，數據傳輸速率≥1 000 Mb/s，其中一路光纖是沿10 kV施工變線路自架的24芯ADSS光纖通道，該電纜是一種全絕緣介質的自承式架空光纜，它的結構中不含任何金屬材料；熱膨脹系數較小，在新疆地區溫度變化很大時，光纜線路的弧度變化較小，且其重量輕，履冰和風荷也較小。另一路是選用原110 kV線路OPGW光纜備用芯，兩路光纖通道互為備用，構成了具有高冗余、高可靠、高安全等特性的雙環網結構，如圖2所示。

2.1 系統結構設計

根據小山口流域梯級水電站的設備情況，為小山口集控中心設計建設6個應用系統，即計算機監控系統、微機五防系統、電能量計量子系統、保護信息管理與故障分析子系統、生產運行管理系統以及視頻監控系統，網絡通道建設7大系統相輔相成，構成流域公司集中監控的生產管理和信息化建設管控平臺。

各電站系統之間以流域骨干網為核心，流域骨干網以4個電站為節點，每個電站配置2臺華為S7703千兆以太網三層交換機，集控中心配置2臺華為S7706千兆三層核心交換機，組成雙通道冗余環網結構，4個電站視為地理位置擴大的一個電廠(即擴大廠站的理念)，各個電站根據機組臺數、公用設備和開關站、閘首的設備分布等情況設置現地控制單元LCU，LCU具備其監控范圍內的完整功能，可脫網獨立運行。

2.2 系統組網模式設計

梯級集控中心（以下簡稱集控中心）與各子站的組網方式，受流域內通信通道帶寬、電站自動化水平、廠內監控系統結構以及各設備供應商之間的通信協調性等因素影響，通常有以下幾種模式：

（1）集控中心監控系統直接控制到梯級電站的機組（即擴大廠站模式），此模式的主要特點是流域上距離較近的幾個水電站作為一個獨立的整體電站，單獨設置一套計算機監控系統，通過網絡通道與各梯級水電站的現地LCU單元直接連接。此模式主要適用于水電站位置相對集中，數量不多，可視為同一節點，可方便快速的進行現場維護的電站。

（2）集控中心監控系統通過遠動裝置控制到梯級電站的機組，通常不設或簡化站級計算機，電站內設置有微機遠方終端，通過RTU采集電站的信息上送梯級集控中心監控系統，并將接收到的命令直接下發到各LCU，此種模式因網絡結構復雜、操作繁瑣且通訊傳輸效率低下通常已不采用。

（3）集控中心監控系統與流域梯級各電站監控系統站級計算機通信。采用此方式時集控中心和站級的監控系統分工明確、接線簡單、功能層次分明，需上下級配合協調工作。集控中心通過站級計算機實現對電站的控制，此種模式當水電站脫離集控后，廠站監控系統仍可獨立運行，適用于相對分散、數量較多、距離較遠、交通不便且不易快速到達現場的梯級水電站，但此模式投資較高，調度審批繁瑣。

上述3種方式均有一定的特點，各自適應于一定的地域和電站特點。本系統工程采用第1種方式即擴大廠站模式，各LCU直接受控于流域集控中心計算機監控系統，廠內計算機監控系統和集控中心計算機監控系統同時與現地LCU進行通信，彼此相互獨立又可相互關聯。這種方式既能保證數據傳輸的快速、安全、可靠，又能節約成本，減少數據中間流轉環節。各站數據流示意圖如圖3所示。

圖3 通訊數據流向示意圖

為較好的發揮擴大廠站模式在該流域梯級集中監控系統的作用，早先在最初的一、二、三級水電站監控系統的設計中，就考慮了現地LCU單元的配置，各電站現地LCU單元皆選用互為雙冗余結構的PAC 3I系統PLC，為適應集控要求，哈爾莫墩水電站建設較早，其原單網GE 9030系列PLC本次改造為雙冗余結構的PAC 3I系列PLC，實現4個電站現地LCU單元控制器的一致，為小山口流域梯級集控擴大廠站模式的應用提供了強有力的硬件基礎，集控中心直接控制到各站現地LCU單元示意圖如圖4所示。

另一方面，為避免各電站與集控中心計算機監控系統出現數據不一致，不同步等問題，保證各項參數指標的統一性，采取了以下措施：

（1）哈爾莫墩水電站原YBK-2000工控組態軟件監控系統升級更換為江河股份公司Jtech工控組態軟件V1.0產品；

（2）小山口三級水電站直接采用江河股份公司Jtech工控組態軟件V1.0產品；

小山口水電站和小山口二級水電站原IFIX5.5監控軟件進行程序升級，滿足與梯級集控中心計算機監控系統軟件及數據的同步刷新和一致；

（3）各電站LCU單元根據規劃設計的IP地址和劃分的VLAN區重新進行設定，將PLC程序進行統一升級優化，為實現廠站和集控中心計算機監控系統同時與PLC進行通信建立數據緩沖區，站級監控和集控中心計算機監控系統與PLC通信緩沖區通過國際標準規約TCP/IP通訊方式實現互聯。

同時，站級監控和集控中心計算機監控系統同時監控現地LCU單元，彼此相互獨立又互相關聯，通過軟硬結合的方式實現三級控制權限的切換操控模式，現地LCU單元具有最高控制權限，其次是站級、集控級。當現地級將權限切換至廠站級后，廠站級可將權限切換至集控中心，此時集控中心可進行操控，直接下發命令至現地LCU單元，廠站級不能進行控制操作，但可將控制權限切回廠站，而當控制權限切回至廠站級時，集控中心只能進行數據監視不能進行操控，也不能對控制權限進行切換，廠站級可進行操控。同時在任何情況下，無論在集控級、廠站級、現地級，現地LCU單元都可直接將控制權限切回現地級，由現地LCU單元進行獨立操作，以實現高安全、高可靠的控制方式。

圖4 集控中心直接控制到現地LCU單元示意圖

圖5 控制權限示意圖

集控中心計算機監控系統直接與各電站層LCU通信，直接讀取電站各套LCU緩沖區中的數據，并直接將控制命令下達到LCU緩沖區中，完成對受控電站的監控，通信協議采用電力標準MODBUS TCP/IP通信協議，實現電力監控系統的“四遙”功能，同時各子系統也與各電站層對應設備直接通訊，可讀取和修改站內各子系統的數據，集控中心各系統都是直接作用到對應設備單元，與站內監控系統互不干擾，皆可獨立運行。

3 系統實踐及經驗

該系統工程的實施按照“統籌規劃，分步實施”的原則進行，基本沒有影響電廠的正常安全生產。各電站根據發電計劃，合理安排具有針對性的系統實施方案，同時依據不斷發生變化的電站發電計劃，在滿足正常生產前提下及時修正工程實施措施和方案，確保了安裝調試任務高效優質的完成，工程建設中，沒有發生影響電廠安全生產的事件，項目實施安全圓滿完成。

該工程總體劃分為5個部分：

（1）系統網絡通道規劃設計、建設，集控中心平臺搭建；

（2）小山口水電站以及哈爾莫墩水電站設備升級改造及接入集控中心；

（3）小山口二級水電站升級改造和小山口三級水電站接入集控中心；

（4）各站與集控中心設備聯合試驗、聯調和試運行；

（5）系統試運行及工程驗收。

網絡通道完成建設和測試后，將4個電站各系統按劃分的VLAN（IP規劃）分配到各站連接到集控中心對應的終端設備上，集控中心監控系統及各子系統網絡可直接與電站計算機監控網絡集聯，構成兼有雙星型和雙環型網絡結構。2015年12月，小山口集控中心已完成建設，系統試運行安全、穩定、可靠，2016年9月通過驗收。該項目的實施，為后期規劃建設庫爾勒遠程集控中心奠定了堅實的基礎。

總結項目實踐經驗，為未來同類項目優質、高效開展工作，以下幾點供同行借鑒：①應盡早排查各電站自動控制元件、系統軟硬件兼容性并進行深度調查研究，對不符合控制要求的設備等提前進行優化、改造，滿足集控中心對電站現地控制設備的性能要求，可以有效縮短項目建設時間；②此類項目多數地處偏遠，應重視廠內調試和驗收，嚴格按試驗大綱中的項目和標準進行，減少電站現場調試時間；③重視設計咨詢和選擇可靠、穩定的GPS網絡校時系統，集中監控系統結構復雜、電力系統對系統時鐘的一致性要求很高，保證保護、監控（含視頻監控）、故障錄波等控制單元時鐘一致性對保障系統設備安全運行和故障分析準確尤為重要。

4 結束語

新疆小山口流域梯級集中監控系統工程的計算機監控系統采用了江河股份公司自主研發的梯級集控Jtech 2.0工控組態監控軟件，該軟件滿足用戶“無人值班、少人值守、網絡控制、統一調度”的要求。項目的實施，大大的減輕了電站運行人員的勞動強度,優化了電站人力資源配置。通過梯級集中調度，有效的挖掘了發電潛力，穩定了隊伍，提高了勞動生產率。同時為電站安全生產打下堅實的基礎，項目的實施具有一定的經濟和社會效益，對國內中、小水電站規劃和建設集控中心具有一定的借鑒意義。

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