智能集控中心系統架構設計與實現

倉義東，茅 偉，衡 旭

（1.南瑞集團公司（國網電力科學研究院），江蘇 南京211106；2.新疆生產建設兵團第八師瑪納斯河肯斯瓦特建設管理局，新疆 石河子832000）

0 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。

隨著智能化水電站的不斷建設，必然對智能化集控提出新的要求。然而在實際的集控建設過程中，受制于一些主客觀因素，系統架構過于復雜，導致故障頻發，大大降低了系統的可靠性及穩定性，增加了維護難度，長此以往，不利于整個集控中心的健康發展。

1 常規集控系統架構及一般優化

在常規集控系統架構中，集控主機經由核心交換機與前置通信機交換數據，前置通信機通過前置交換機、加密裝置、路由器、調度數據網、電站側路由器、加密裝置、前置交換機等與電站側前置通信機交換數據，電站前置通信機再經由電站核心交換機、電站主機與電站終端控制系統交換數據，并經由電站終端控制系統控制電站終端設備，從而實現集控的遠程監視和控制。其典型系統結構如圖1所示。

圖1 常規集控系統結構圖

從圖1中可以看出，在常規集控系統架構中，從集控主機到電站終端設備，所經過的環節多達13個，為確保系統的穩定運行，一般采用全冗余配置，從硬件設備到通信網絡等都采用完全獨立的2套硬件產品或系統。但是由于先天的系統結構復雜缺陷，導致系統穩定性不高；且集控側多設備重復配置，因此，在實際的工程應用中，一般會對系統結構進行部分優化，主要采用如下方法：

（1）簡化：將多套同類型設備簡化為一套，一方面節約投資，另一方面也便于維護。

（2）合并：將作用相同的設備合并為一臺設備，如將前置交換機與路由器合并，進一步減少系統環節，節約投資，同時便于維護。

（3）加強：對于集控與電站之間的薄弱環節進行重點強化，如集控到電站側通信網絡一般是最容易發生故障的地方，因此個別集控中心額外增加第3條衛星網或其他通道。

優化后的系統結構如圖2所示。

圖2 優化后常規集控系統結構圖

從圖2中可以看出，優化后的集控系統架構，較之常規系統架構，一方面減少了相同類型設備，另一方面減少了不必要環節，同時對容易出問題的環節做專項加強，因此實用性較高，在目前的集控系統架構中成為主流。

但優化后的集控系統架構仍然較為復雜，集控仍需要經由多達11個硬件環節才能實現與電站終端設備的數據交換及控制，其中任何一個環節出問題，都會造成監控功能的失敗，且集控運行仍然完全依賴于電站側的系統，一旦電站側系統異常，則整個系統功能全部異常，這一問題也成為了制約集控迅速發展的重要因素。

2 智能化水電站系統架構

智能化水電站是智能化電網建設的重要組成部分，智能化水電站的核心思想為共享、融合、共用，各系統在滿足電力系統二次安全防護要求的前提下，采用統一平臺實現對監視、監測、監控等不同業務的統一管理，避免不同業務之間的條塊分割，實現不同業務的整體設計，達到資源有限整合、信息高度共享的目標，有效提高系統的運行效率。其主體設計理念見圖3。

圖3 智能化水電站系統設計理念

從圖3中可以看出，各系統上位機及現地終端設備運行在統一的現地總線上，從而實現資源的共享和利用。當然，智能化水電站仍需要遵循電力系統二次安防的要求，將各個系統按照規定進行分區，同一分區的多個系統之間網絡相互連通，不同分區的網絡之間通過防火墻、隔離裝置等進行隔離。對于水電站來說，不同系統一般分區如下：

安全I區：監控、輔機、調速、勵磁、保護、五防、振擺、狀態監測等。

安全II區：水情、保信、故障錄波、電能量等。

安全III區：大壩安全監測、動力環境監控、消防監控、視頻監控、WEB發布等系統。

安全IV區：生產管理系統。

3 優化的集控系統架構設計

優化的集控系統架構，在繼承原有集控系統架構各種優點的基礎上，設計符合智能化水電站系統架構要求的系統架構，最主要的特點表現為：集控系統與電站系統在網絡上連通，集控不再依賴于電站側上位機系統，而是與電站側上位機系統并列運行，主要結構見圖4。

圖4 優化的集控系統結構圖

從圖4中可以看出，集控與電站側，除必要的加密裝置外，取消了全部的前置通信服務器、前置交換機、路由器等，并將相關功能整合到核心交換機中，從而將集控核心網與電站核心網直接連接，集控主機可以直接實現對電站終端設備的監視和控制，從而大大提高了數據的傳輸速率，提高了系統運行的穩定性。

這種形式的集控系統架構，同樣適用于常規水電站運行模式。在這種模式下，集控或電站各個系統仍然獨立運行，多個系統共用一套網絡設備，從而既保證了各個系統的獨立性，又提高了網絡的共享性，為以后的智能化水電站改造奠定了基礎。

對于集控安全II區及安全III區系統，也采用相同的方式實現集控與電站直接連接，且在這種情況下，集控可以使用智能一體化管控平臺，將集控側多套系統整合成一個整體，從而真正實現智能化集控。

4 優化的集控系統架構優劣分析

4.1 優勢

優化的梯級集控系統架構大大縮減了集控到電站的物理環節，進一步提升了系統運行的穩定性和效率，節約投資，減小故障概率，降低維護難度，從而使得推廣變得更為易行。

優化的集控系統架構將常規的串行模式改為并行模式，集控功能等同于電站上位機功能，且互為冗余，從而大大提升了集控運行的穩定性。

優化的梯級集控系統架構調度可以直接通過集控上位機直接實現集控多個電站的綜合監控，從而為集控真正實現經濟運行、充分發揮集控系統作用提供了技術基礎。

優化的梯級集控系統既可以使用常規集控方式與電站通信機通信，又可以采用擴大廠站方式直接控制站端設備，因此具有極好的靈活性和兼容性。

優化的梯級集控系統架構與電力系統二次安全防護要求相一致，因此適合于中國的國情，利于大面積推廣應用。

優化的梯級集控系統架構由常規集控系統架構終極優化而來，但主要只是連接方式和實現方式的不同，因此可以適用于所有常規集控中心的升級改造。

優化的梯級集控系統架構既可以用于常規水電站，又可以用于智能化水電站，配合智能化管控平臺軟件，能進一步發揮集控的功效，因此必然成為未來集控中心建設的主流趨勢。

4.2 劣勢

優化的集控系統架構，網絡是核心，因此必須加強對網絡的管理，要按照電力系統二次安防的要求進行隔離，同時還需要設置完備的保護機制，如MAC地址綁定、設置廣播流量限制、關閉多余網絡端口等，以確保網絡的可靠運行。

優化的梯級集控系統架構對日常管理也提出了較高的要求，必須采取有效措施，確保核心骨干網的穩定運行。對于非常重要的系統，可以設置單獨的核心交換機，避免核心網絡設備維護可能造成的其他系統運行異常。

5 結束語

優化的集控系統架構作為對現有系統結構最大可能的優化、簡化和創新，從而產生了量變引起質變的重大網絡結構變化，使之既能夠滿足電力系統二次安防，又能夠滿足智能化水電站及智能化集控建設的需要。從而可以極大的提升集控的運行效率及穩定性，且不管是改造還是新建，成本投入較少，從而為集控的全面推廣創造了技術條件。當然，我們也發現部分產品和軟件還不能完全滿足智能化的要求，因此也希望通過集控建設對產品升級和技術進步起到一個積極的促進作用。