巨型機組水電廠計算機監控系統及關鍵技術

張 毅，王德寬，文正國

（中國水利水電科學研究院/北京中水科水電科技開發有限公司，北京市 100038）

1 概述

2003年，隨著三峽左岸電廠首臺700MW機組投運，我國水電進入巨型水輪發電機組時代。巨型機組主輔設備多、控制流程復雜，對電力系統安全運行影響大，其控制系統必須具有極高的安全性、可靠性與實時性。計算機監控系統是水電廠安全穩定運行的關鍵設備，基于我國當時的技術水平，三峽左岸電廠采用引進國外成熟的系統和設備的方式。項目實施過程中，中國水科院自動化所作為分包商，參與并分包引進系統部分硬件及軟件的開發與供貨，三峽電廠和國內研發、設計等單位參與了系統的聯合開發，對確保三峽左岸電廠計算機監控系統的順利實施，迅速掌握巨型機組及電站控制系統關鍵技術，提高我國在該領域的技術水平，發揮了十分積極作用。

2007年，三峽右岸、龍灘等一批700MW巨型機組水電廠相繼發電投運，均采用了國產計算機監控系統。特別是三峽右岸電廠采用了北京中水科水電科技開發有限公司H9000計算機監控系統，成功實現了對三峽右岸及地下電站18臺700MW巨型機組及開關站、公用系統的實時監控。自2007年5月投運的運行情況表明，該系統結構合理，功能完善，穩定可靠，操作方便，性能更加優良，得到了運行維護人員的歡迎和好評。2009年，由院士和業內專家參加的技術鑒定表明：該系統在眾多關鍵技術和性能上均超越了國外系統，系統總體技術已居國際領先水平[1]。

2011年，溪洛渡（18臺770WM機組）、向家壩（8臺800WM機組）兩電廠計算機監控系統及由兩電廠構成的金沙江梯級成都電調自動化系統繼續采用了H9000計算機監控系統。中國長江三峽集團公司提出了“調控一體化”運行管理的新要求，即溪洛渡、向家壩電廠的水庫調度、電力調度與實時控制均在三峽成都調控中心完成。為此，H9000系統完成了眾多新功能的開發，進一步提升了系統功能和性能，滿足了“調控一體化”的運行與管理要求，為巨型機組特大型梯級水電廠的遠方“調控一體化”提供了安全、可靠的技術手段，使我國在巨型機組水電廠計算機監控領域的技術與應用繼續居國際領先水平。

2 分層分布式總體結構模式研究

經過30年的發展，我國水電廠計算機監控系統技術已經成熟，根據水電機組按單元分布的特點一般均采用分層分布式總體結構，分為廠站層和按單元分布的現地控制層，系統平臺與設備可根據電廠應用需要靈活配置。

與常規水電廠相比，巨型機組水電廠單機容量大，主輔設備數量多，電壓等級高，對監控系統功能和性能要求極高，監控范圍也更加全面，根據對巨型機組實際數據流與控制命令流的全面分析計算，除與PLC控制器之間的采集與控制報文外，系統廠站層還存在大量的實時與歷史數據的傳輸與共享，系統和網絡負荷較重。采用傳統的結構模式，較難保證系統具有優良的整體性能，有必要突破傳統模式，提升系統的海量數據采集處理與傳輸能力，提升系統的可靠性與安全性，確保電廠及電網安全穩定運行。

因此，在三峽右岸及地下、溪洛渡、向家壩等巨型水電廠計算機監控系統中，均采取諸如多層多網、設備多重冗余、多線程并行處理、負載均衡等措施。多層多網分布式結構模式是在常規單一控制網結構的基礎上，增設了獨立的廠站數據網，將與實時控制無關的原廠站層設備從控制網分離，并將流量最大的廠站層設備間交換與共享數據分流至廠站數據網，凈化了監控系統控制網的運行環境，控制網傳輸數據類型單純、負荷可控，在結構上為監控系統安全控制和海量數據高速采集與傳輸及整體性能的提高提供了保證。同時，控制網與外界完全獨立，為有效解決工業控制領域網絡安全問題提供了非常有利的封閉網絡運行環境[2]。

多層多網分布系統結構同時進一步提高了系統的靈活性與可擴展性，系統功能的冗余分布特征也更加明顯，成為我國巨型機組及特大型水電廠監控系統的一個代表性解決方案。圖1為巨型機組多層多網分布式監控系統典型配置結構圖。

圖1 巨型機組水電廠監控系統典型結構配置圖Fig.1 Typical structure configuration diagram of computer supervisory and control system for hydropower plant with giant units

其中，監控系統在設備層次上分為現地控制單元層、廠站控制層、廠站數據層和信息發布層4層；網絡上分為控制網、廠站數據網和信息發布網3層，即整個系統采用三網四層的全冗余分層分布開放系統總體結構，圖中具體設備可根據工程需要靈活配置。

2.1 控制網結構

控制網采用冗余100/1000Mbps雙網結構，與廠站數據網和生產信息查詢網完全隔離，連接LCU及廠站核心控制設備，包括數據采集服務器、操作員站、應用服務器及調度通信網關服務器等，主要傳輸與LCU實時監控有關的信息，主要是LCU上行實時數據采集數據和下行控制命令等。

巨型機組水電廠多采用地下廠房以及左右岸廠房布置，設備分布范圍較廣，應采用千兆雙環型主干網加雙星型接入網的控制網結構，在設備相對集中的位置分別布置控制網主干交換機，如監控機房、地下廠房、左右岸廠房、壩頂等。主干交換機之間采用1000Mbps光纖雙環或鏈路聚合，實現可靠互連。廠站層控制設備和各LCU采用雙星型結構就近接入主干交換機。環型主干網加雙星型接入網是監控系統控制網的優選結構方案，不僅具有星形網簡單靈活、便于施工和運行維護的優點，而且具有環型網的可靠冗余鏈路[3]。

2.2 廠站數據網結構

廠站數據網連接監控系統安全區Ⅰ的所有廠站層設備，傳輸的信息量較大，主要是數據預處理后的廠站層設備實時數據更新、歷史數據及系統管理有關的信息，如全廠模擬量變化數據、報警記錄數據、周期全送數據、歷史數據歸檔查詢備份操作數據、設備管理數據及報表打印數據，以及廠站層設備之間的數據傳輸與共享等。

廠站數據網承擔了監控系統的主要數據流量，具有突發性，因其連接的設備大都位于監控機房，運行環境較好，一般配置冗余商用高性能交換機，采用千兆接口按雙星型結構接入冗余主干交換機，即可滿足巨型機組水電廠海量數據傳輸性能要求。當設備分布在不同區域，如左、右岸時，可按區域分別部署主干交換機就近接入設備，不同區域主干交換機之間采用千兆鏈路聚合，實現可靠互連。

2.3 信息發布網結構

信息發布網位于安全區Ⅲ，通過電力專用物理隔離裝置與廠站數據網連接，單向接收監控系統的實時數據，與控制網無連接。主要用于維護管理人員查詢電站運行的實時和歷史數據，包括Web發布的監控系統畫面、報表、趨勢曲線及其他數據，網絡流量較大，宜采用千兆接口和星型網結構。信息發布網功能相對獨立，可根據工程運行、維護及管理的實際需要選配。

3 系統關鍵技術

巨型機組計算機監控系統領域的技術進步主要是解決了涉及數據采集、傳輸、處理及控制等一系列關鍵技術，確保系統的安全性、響應性與可靠性。

3.1 多線程海量數據并行采集技術

與常規水電機組相比，700 MW及以上巨型機組需要監視控制的對象數據成幾何級數增加，如三峽右岸電站單臺機組中僅RTD溫度量最多的就達800點，且對機組采集性能的要求也更高，除SOE要求1ms分辨率外，對一般開關量的采集處理時間要求在500ms以內，電氣模擬量要求在1s以內。

通過對PLC一個掃描周期內實際數據通信能力的全面分析與測試，采用傳統的單鏈路連接采集模式遠遠無法滿足巨型機組海量數據的高可靠與高實時性采集要求。通過設立研究專項開發多線程高速采集與傳輸技術，采用多通道并行工作的數據采集模式，在PLC一個掃描周期內實現了多個數據傳送請求與處理，性能提升6～8倍，一般開關量的采集處理時間在200ms，電氣模擬量為500ms，較好地滿足了巨型機組海量數據高可靠采集性能要求[2]。

圖2 多線程并行高速采集與服務器負載均衡互備冗余Fig.2 Multi-thread parallel high speed acquisition and server load balancing mutual redundancy

多線程海量數據并行采集技術實施的關鍵是根據各類數據的實時性能要求，對采集的LCU數據按類型進行了優先級規劃，將實時性要求高的開關量、電氣量、控制命令等重要信息定為高優先級，將實時性要求低的溫度量、脈沖累計量等信息定為低優先級，并根據各類數據的實際點數，在PLC性能允許范圍內，為高優先級的數據類型分配相對較多的TCP/IP連接數，通過綜合優化，在確保重要信息具有極高實時性能的同時，也全面保證其他類型數據的采集性能。

3.2 服務器多機互備冗余與負載均衡技術

在采用分層多網結構后，減輕了控制網的網絡負荷，監控系統性能瓶頸主要集中在PLC控制器網絡模塊通信能力和數據采集服務器處理能力上。對于巨型機組監控系統，在配置高性能PLC控制器的同時，其核心節點數據采集服務器必須突破傳統雙機主備冗余的限制，采用多機互備冗余與負載均衡技術，是提高可靠性并滿足巨型機組數據采集處理性能要求的有效手段。

多機互備冗余與負載均衡技術的核心，是多機同時工作，分擔負荷，相互冗余備用，提高可靠性。即每臺數據采集服務器均作為主機承擔相應的數據采集處理任務，并同時作為其他主機的備用機；當其他主機故障時，依預定的順序接替故障主機的采集處理任務。通過服務器多機互備冗余進一步提高可靠性，通過多機同時工作分擔負荷，提高系統采集處理性能。

服務器多機互備冗余關系是通過系統配置靈活定義的，每個LCU均定義有一組冗余備用的采集服務器隊列。隊列中有一臺為主采集服務器，其余服務器為順序備用關系。當主采集服務器故障時，由隊列中的備用服務器依次接替完成本LCU的采集任務，實現多服務器冗余。通過為不同LCU定義不同的采集服務器隊列，即可實現負載均衡。在極端情況下，只要有一臺采集服務器在運行，就可實現正常的全廠采集功能。采集服務器數量可根據實際工程需求靈活配置，一般配置4～6臺采集服務器，分別部署左、右岸電站，形成異地冗余互備，即可滿足巨型機組特大型電廠的需要。

3.3 全冗余的網絡傳輸技術

監控系統一般采用雙網冗余配置，正常情況下數據在工作網絡傳輸，當故障時會進行切換，將備用網絡升級為工作網絡。但在網絡切換時，常會造成數據傳送延遲，甚至丟失。

為提高數據傳輸的實時性和可靠性，采用全冗余的網絡傳輸技術，對每個數據包進行唯一性編碼標識，雙網同時傳輸，形成兩條全冗余的實時數據傳輸總線，廠站層任何一節點任一網絡正常，即可接收到該數據包，并通過唯一性編碼甄別數據包的重復性。因雙網同時工作，兩網傳輸的數據完全相同，故某一網絡故障時，無需進行網絡切換，網絡切換時間為零。該技術實現了數據的可靠、實時、高效傳輸。

3.4 高效的數據處理機制

監控系統對主要設備的工作狀態和運行參數自動定時進行采集，并作必要的預處理后生成數據包在網絡上傳輸，更新系統實時數據庫，為提高監控系統的實時性，減少數據傳輸量，對實時數據采用“不變不送”加“定時全送”的數據處理方式。

對模擬量設定不同的傳送死區，無變化時不傳送，當變化超過傳送死區或數據品質有變化時立即傳送，通過對重要的模擬量如有功、電流、電壓、頻率等設置較小的死區來保證其更快的實時更新周期；狀態量則是有狀態變位或數據品質發生變化時才傳送。同時當達到設定的定時周期時進行系統全數據傳送，全面更新監控系統實時數據庫，進一步保證的數據一致性。

3.5 智能報警技術

巨型機組每天會產生大量的各類原始報警記錄，必須采取智能報警技術對原始信號進行處理，以減少不必要的報警信息，將有用的報警信息及綜合分析結果提供給運行人員。

首先對各類信息進行了報警分類處理，分別在報警表、事件表、綜合信息表中記錄，其中報警表主要記錄目前發生的事故和故障報警信息，當報警復歸并經運行操作員確認后即從表中消失。在報警表中可及時查看與檢索到重要信息，同時通過靈活定義報警顯示范圍，防止電站各類設備報警信息的相互干擾，便于實現分區值班，防止關注的報警記錄被其他信息淹沒。

同時，通過對象化建模、狀態閉鎖及相關性綜合分析實現報警的智能化處理，將眾多分散的單點報警信息通過相關性分析綜合為明確的設備對象進行報警，并將諸如機組狀態等作為閉鎖條件，從而屏蔽一些與運行狀態不相匹配的誤報警和不必要的報警。通過對設備設定報警的相關性處理策略，可將現場紛亂的信號轉化具體設備故障報警，不僅能大大減少報警記錄，也便于運行人員直接判斷故障。

3.6 安全可靠的控制技術

巨型機組主輔設備多，操作流程復雜，系統配置有完善的防誤操作閉鎖軟件ControlLock，用戶不需編程，只需要將各種操作閉鎖關系按規定的格式填入定義文件，建立相應的控制閉鎖數據庫即可。ControlLock軟件會自動對各項控制指令進行條件判斷，并對運行操作員進行閉鎖原因提示。

針對電廠本地控制、遠程梯級集中控制、電網調度控制以及AGC/AVC自動程序控制等運行方式，系統提供了安全可靠的命令處理機制確保運行方式的無擾切換。為減少命令處理的各種中間環節，降低命令傳輸延時提高可靠性，在涉及控制命令的操作員站、應用服務器、電網調度網關機、集控通信服務器上，均配置有完整的防誤操作閉鎖庫，所有命令均在本機進行閉鎖判斷，滿足條件的命令通過建立網絡連接直接下發至LCU，不通過主機轉發。

3.7 自動發電與自動電壓控制技術

自動發電控制（automatic generation control，簡稱AGC）與自動電壓控制（automatic voltage control，簡稱AVC）是巨型機組水電廠實現“無人值班”（少人值守）關鍵功能，是必不可少的高級應用軟件。由于巨型機組水電廠規模巨大，劇烈的負荷調整對于機組及電網都是十分危險的。在AGC/AVC軟件設計、開發與調試中，根據巨型機組電廠的具體情況和調度運行要求，應全面考慮運行約束條件和系統各類參數，采用分步插值和提前調節等平滑調節策略以及自適應的控制調節技術，避免總負荷變化過大，使負荷和母線電壓均勻過渡，實現電廠的自動、穩定、高效、可靠運行。

AGC/AVC功能對于提高發電生產自動化水平、改善電能質量、減輕運行操作員的勞動強度、提高電廠經濟效益、確保發電生產安全起到了非常重要的作用。

4 無主設計的系統軟件平臺

H9000系統采用無主設計，系統運行不依賴任何主機，不會因為主服務器故障導致整個系統崩潰，具有傳統的客戶/服務器（C/S）模式不可比擬的優點。無主設計的特點是，各節點均配置具有完整的監控系統功能軟件包，并根據不同的授權實現設定的功能，既可獨立運行也可協同工作，能很方便地適應不同應用需要。系統基于本地實時數據庫實現分布式環境下高效的實時數據訪問，無須配置主服務器，系統軟件配置完整一致，功能按需靈活分布，非常便于實現負載均衡和冗余互備。

H9000系統實時數據庫采用獨具特色的全冗余分布式結構，廠站層所有計算機均具有完整的全廠實時數據庫，實時數據庫常駐本機內存，可在線修改和生成，存取訪問均是內存操作效率極高，且所占內存空間及系統資源極少，普通配置的計算機均可滿足要求。實時數據庫通過全冗余的全廠實時數據傳輸總線實現同步刷新，并采用數據庫復制和定時全數據召喚傳送等技術手段，保證廠站層數據的同步與一致性。各節點通過本地實時數據庫實現監控功能，極大提高了系統海量數據的處理能力，有效地避免了C/S模式中實時數據集中存放帶來的可靠性和通信瓶頸等問題[3]。

無主設計的系統軟件結構清晰簡潔，功能軟件可以靈活部署在任意節點上，并可在任意節點上迅速恢復，在多機環境下監控系統同時故障的概率幾乎是零，因此H9000系統具有極高可用率和很好的可擴展性。

系統功能的靈活配置也為現場調試帶來了方便，如在機組調試初期，該機組LCU可與移動操作員站組成與全廠系統獨立的調試系統，通過移動操作員站完成該機組的調試，系統聯調試驗時再將該LCU接入監控系統網絡，這樣可有效減少調試機組對系統正常運行的干擾，上述過程只需調整功能配置無需修改任何軟件。

5 結束語

過去的十多年里，我國巨型機組水電廠監控技術取得了長足的發展，成功走過了一條引進、吸收、自主研發、創新、國產化的道路，取得了豐碩成果，有關成果已被納入電力行業標準DL/T 1626《700MW及以上機組的水電廠計算機監控系統基本技術條件》，該標準已于2016年12月由國家能源局發布，為巨型機組水電站計算機監控系統的設計、制造和試驗、驗收等提供依據，具有重要的指導意義和促進作用。

展望未來，隨著大數據、云計算、互聯網+和人工智能技術的發展和應用，我國水電廠計算機監控技術必將進入智能時代。智能一體化平臺是水電廠智能化的重要技術基礎。通過一體化平臺，實現全廠的信息共享和互動，實現智能調控、狀態檢修、智能分析決策等各種智能應用的開放接入，必將全面提高水電廠生產運行管理的智能化水平，進一步減輕運行維護人員的勞動強度[4]。