向家壩水電站計算機監控系統設計及關鍵技術

李 力，羅 云

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南省長沙市 410014）

1 概述

向家壩水電站是金沙江下游河段規劃的最末一個梯級，位于四川省宜賓市和云南省水富縣交界的金沙江下游河段上。

電站裝機共8臺，單機容量為800MW，總裝機容量6400MW。電站分為左岸壩后廠房、右岸地下廠房。兩岸廠房各裝4臺機組，各設一個500kV開關站，每個開關站2回出線接入系統。

向家壩水電站計算機監控系統龐大牽涉面廣，除左右岸廠房外，與水情測報、大壩閘門控制系統、梯級調度系統、國家電力調度中心及四川省調等有信息交換。

2 網絡結構

電站計算機監控系統采用全分布式冗余結構，大體分為廠站層和現地控制層。廠站層又分為廠站控制層、廠站信息層和生產信息發布層，對應網絡為電站控制網、電站信息網和生產信息發布網，總體為三網四層的結構。[1]

電站控制網采用冗余雙網結構，在左岸計算機室、壩頂集中控制室、右岸計算機室和右岸地下廠房主變洞輔助屏柜室各配置2臺電站控制網交換機，并通過2路單模光纜互連構成1000Mb雙環主干網；左、右岸各現地控制單元（LCU）柜內分別配置2臺小交換機通過光纜就近接入控制網交換機，廠站控制層各計算機通過2路網絡雙絞線或光纖接口就近接入控制網交換機，網絡傳輸速率100Mb。全廠控制網構成雙千兆主干環網加雙百兆星型接入網的混合網絡結構。

電站信息網采用冗余雙網結構，在左、右岸計算機室分別配置2臺電站信息網交換機，并通過2路單模光纜互連構成1000Mb雙鏈路聚合主干網；廠站層計算機采用2路網絡雙絞線或光纖接口就近接入信息網交換機。在右岸地下廠房主變洞輔助屏柜室配置1臺信息網子交換機，該交換機通過單模光纜接入右岸電站信息網交換機；每個LCU各配置1臺信息網交換機，就近接入電站信息網交換機或信息網子交換機。

電站信息發布網采用單網結構，在右岸地面副廠房計算機室布置1臺電站信息發布網交換機，并通過1000Mb網絡雙絞線接口接入1臺套信息查詢數據服務器集群、2套Web發布服務器等電站信息發布層計算機。計算機監控系統網絡結構見圖1。

3 監控系統配置

向家壩電站計算機監控系統采用北京中水科水電科技開發有限公司的H9000 V4.3系統，由主控級與現地單元控制級組成，實現數據采集、數據處理、控制與調節、全廠自動發電控制（AGC）、全廠自動電壓控制（AVC）、系統通信、系統時鐘同步、運行管理及指導、系統自診斷及自恢復、軟件開發、人員培訓等功能。其中控制調節功能主要包括各機組單步或連續開/停機控制及機組工況的轉換、機組事故停機及緊急停機控制、各機組有功/無功調節、500kV斷路器、隔離開關、接地開關、10kV斷路器、400V廠用電進線和母聯斷路器的操作、各機組和主變壓器的輔助設備的控制、各機組進水口閘門的操作、全廠公用設備的控制等。

3.1 主控級硬件配置

主控級配置有4套數據采集服務器、1套歷史數據庫服務器集群、2套應用程序服務器、5套操作員工作站、2套移動操作員工作站、2套工程師工作站、2套培訓工作站、4套調度通信服務器、2套廠內通信服務器、2套報表及電話語音工作站、1套電站生產信息查詢服務器集群、2套Web發布服務器、2套調度數據網接入設備、2套成都梯調接入設備、1套電網申請檢修工作站、1套衛星時鐘同步系統、1套模擬屏、4套UPS電源系統、2套組合液晶屏、8套控制網主干光纖環網交換機、4套信息網主干網交換機、1套防水淹廠房保護系統、打印機、操作臺等設備。

3.2 現地單元控制級的配置

現地單元控制級設16套LCU，包括8套機組LCU、2套公用設備LCU、2套500kV開關站LCU、2套廠用電LCU、1套壩頂LCU、1套模擬屏驅動LCU。

各LCU主要由雙機熱備Unity Quantum系列PLC、各種I/O模件、出口繼電器、液晶顯示觸摸屏、雙電源裝置、通信管理裝置、時鐘同步光纖盒、ProfiBus/MB+網橋、Profibus光電收發器、雙套控制網交換機、1個信息網交換機等組成。機組LCU還包括手動和自動準同期裝置、交流采樣裝置、有功/無功功率變送器、機組有功/無功電能計量表。遠程I/O柜主要由各種遠程I/O模件、出口繼電器、電源裝置等組成。

4 監控系統關鍵技術

4.1 系統可靠性設計

電站在系統中的重要地位，使得監控系統的可靠性要求非常高。向家壩水電站監控系統廣泛運用了可靠性理論及其設計方法，對系統的各部分進行可靠性分配，對于可靠性較低的元件或者關鍵設備采用了冗余設計、降額設計等關鍵技術。

4.1.1 冗余設計技術

4.1.1.1 冗余設計原則

電站監控系統冗余設計遵循如下原則：

（1）冗余設計技術要與設備性能、成本等進行綜合權衡，重要而失效率高的關鍵部位優先考慮冗余設計。

（2）充分考慮各部件的可靠性，避免由于冗余設計增加設備反而降低系統整體可靠性的情況。

（3）冗余部件的工作狀態可以檢測。

（4）根據冗余件的故障模式采用相應的冗余方式，采用了結構冗余、功能冗余、參數冗余和信息冗余等方法。

4.1.1.2 系統結構冗余設計

（1）網絡結構冗余。電站控制網絡、電站信息網絡結構均采用冗余設計，網絡型式上組成了雙環網或雙星型網，傳輸介質上采用了雙路光纖。冗余網絡的狀態可以由接入系統的主機及時檢測，并通過軟件及時由故障部分網絡切換到冗余的正常網絡。

（2）主控級設備冗余。電站主控級的關鍵設備如數據采集服務器、歷史數據服務器、通信服務器均采用冗余設備，設備工作在熱備狀態，并采用心跳檢測技術，單臺設備故障或維護時不影響系統的正常工作。

（3）與調度設備通信冗余。與國網調度中心及省網調度中心均采用冗余通信設備和通信通道，與三峽成都梯調中心采用冗余設備，多重冗余通信通道。[2]

（4）LCU的冗余。LCU中可編程控制器采用雙CPU、雙機架背部、雙I/O總線、雙電源模塊、雙通信模塊等冗余設計，構成高可靠性現地控制系統。雙CPU熱備方式運行時相互之間采用心跳檢測，在線運行的備用控制器同步接收數據，并與主用控制器之間采用內存映射技術同步內存中的數據，一旦主控制器出現故障，備用控制器立即執行控制任務，使整個系統的控制流程不會發生停頓，控制指令也不會重復或遺漏。各LCU與主控級網絡之間的網絡通信設備、通信通道也采用冗余設計。

（5）電源冗余。主控級的UPS電源采用冗余技術，配置2臺主機及3段配電母線，第1段和第2段母線分別接自對應的UPS主機輸出回路，給具備冗余電源模塊的主控級設備或機柜分別供電，第3段母線由第1段和第2段母線雙路切換供電，為單設備、單模塊的主控級設備供電。

現地控制單元供電電源采用冗余方式，對控制設備CPU、機架采用雙高頻開關電源、雙電源切換器、雙供電母線設計；對觸摸屏、交換機、I/O回路等采用雙高頻開關電源、單電源切換器、單供電母線設計。水機保護采用獨立的直流電源供電。

（6）其他冗余結構。在主控級設備、LCU的設備的設計及選用中，還有其他許多結構冗余的形式，比如單臺計算機的冗余CPU、冗余內存、冗余電源、冗余風扇、冗余接口等；主控級設備存儲設備采用RAID0、1、5等冗余存儲技術；LCU與外部通信回路構成環路，形成冗余通道；在壩頂設置冗余的控制室，保證水淹廠房時對大壩閘門設備及其他設備的控制；在機組流道閘門設置冗余的閘門關閉控制設備等。

4.1.1.3 功能冗余設計

（1）機組緊急關閉功能的冗余技術。針對水電站機組水力機械事故、電氣事故等嚴重故障，監控系統中設計了多重化的保護功能。在LCU的控制器中，設置了機組電氣事故停機功能、水力機械事故停機功能，另外配置了獨立的水力機械事故停機功能的繼電器回路，完成冗余的自動保護功能。在機組LCU、右岸控制室、左岸中控室均設置了手動緊急關機按鈕，與中控室操作員站、壩頂操作員站的手動操作形成多部位的冗余手動關機功能。

（2）機組流道閘門關閉的冗余技術。與機組緊急關閉功能類似，也實際了多重化的保護功能。在LCU的控制器中，設置了事故關閉閘門功能，另外配置了獨立的關閉閘門功能的繼電器回路，在閘門控制柜中設置了冗余的事故關閉控制設備和回路，完成冗余的自動保護功能。在機組LCU、右岸控制室、左岸中控室均設置了手動關閉閘門按鈕，與中控室操作員站、壩頂操作員站的手動操作形成多部位的冗余手動關門功能。

（3）冗余調節功能。針對機組的有功、無功調節，設置了冗余調節功能，一方面可通過控制器I/O接點逐步調節機組轉速/機組功率，勵磁電流/無功功率；另一方面通過控制通信方式實現同樣的功能。

（4）輔助設備的冗余控制。全廠輔助設備如供氣系統、排水系統均為完整的閉環控制系統，由于輔助設備控制器設備檔次不高，故障幾率大，監控系統在采集信號的基礎上，實現了部分關鍵的控制功能，實現冗余控制。

（5）關鍵信息采集功能冗余。一方面，監控系統通過LCU和主控級數據采集服務器采集全廠數據信息，在操作員站上可以對全廠進行監視；另一方面，監控系統設置獨立的模擬屏信息采集回路，設置了模擬屏LCU及其遠程I/O，從各個主設備采集關鍵數據，并顯示在中控室模擬屏上。關鍵信息采集冗余功能，使得關鍵數據在操作員站和模擬屏上的信息冗余顯示，互為校核。

4.1.1.4 信息冗余技術

為避免由于基本數據信息錯誤而導致錯誤的控制策略，在監控系統和其他配套系統的設計時，關鍵信息采用冗余技術。

（1）集水井水位信息。滲漏排水及檢修排水的水位信號分別采用投入式液位開關和壓力式液位傳感器，監控系統分別采集兩種不同原理的水位信號，互為驗證，實時監視和報警，避免出現集水井水位過高造成水淹廠房事故。

（2）機組事故停機信息。監控系統LCU分別使用SOE模板及DI模板采集繼電保護裝置的電氣事故停機信號，跳GCB、跳直流滅磁開關分別從不同的DO開出板卡輸出至單獨的繼電器，兩個繼電器的第一路接點信號串聯后接入GCB和滅磁開關的第一路跳閘回路，兩個繼電器的第二路接點信號串聯后接入GCB和滅磁開關的第二路跳閘回路，形成信號的“串聯-并聯”冗余。

（3）機組軸瓦溫度信息。監控系統使用兩組RTD冗余信息實現軸瓦的溫度保護，LCU的PLC控制器分別采集每個軸瓦的RTD溫度采集量，如果同一軸承的任意2個RTD溫度同時超標，將執行減負荷、事故停機。監控系統水機保護回路使用另外單獨的RTD溫度量，在每部軸承的+X，+Y，-X，-Y設置單獨的RTD傳感器，水機保護回路將4個溫度信號2并2串，任意2個RTD溫度同時超標，執行減負荷、事故停機。

（4）導葉開度信息。機組LCU一方面采集來自調速器的導葉開度信息；另一方面使用獨立的磁致伸縮型接力器位移傳感器采集導葉開度信息，兩組信號互為驗證。

（5）機組電氣量信息。監控系統采用兩種類型的元器件（變送器、交流采樣裝置）對機組的有功功率、無功功率進行采集，獲取定子電流、功率因數、定子電壓、轉子電流、轉子電壓等關鍵信息，另外又從調速器、勵磁系統獲取同樣的信息，保證重要電氣信息的冗余輸入，不會丟失。

（6）其他信息冗余。其他如直流系統、調速系統、勵磁系統、輔助控制系統的重要信息都同時以I/O信號和通信方式獲取，保證重要信息的完整性。

4.1.2 降額設計技術

降額設計是工程設計中常用的提高可靠性的方法。工程經驗證明，大多數電子元器件在低于額定承載能力條件下工作時，其故障率較低，可靠性較高。集成電路芯片的電路單元很小，在導體斷面上的電流密度很大，因此在有源結點上可能有很高的溫度。高結溫是對集成電路破壞性最大因素，集成電路降額的主要目的在于降低高溫集中部分的溫度，延長器件的工作壽命。集成電路降額的主要參數是電壓、電流或功率以及結溫。

為保證監控系統的高可靠性，在設備選型方面進行了相關降額設計。

（1）主控級計算機的降額設計。設計要求計算機CPU平均負載率不大于30%，最大負載率不大于50%；內存的使用率不應大于80%。以上數據統計周期不大于1s。磁盤的平均使用率不超過50%（5min統計周期）。

（2）控制網網絡負載率不超過50%。

（3）PLC的降額設計。PLC兩個CPU以主/熱備用方式運行，每個CPU負載率不大于50%（負荷率統計周期為1s）。

（4）高頻開關電源降額設計。所有電氣盤柜內的交流開關電源、直流開關電源的額定容量選取最大可能負載的1.5倍。

（5）UPS電源降額設計。所有UPS的平均負載不大于50%。

4.2 GIS智能化控制技術

4.2.1 系統結構

向家壩以智能匯控柜替代了傳統的匯控柜。智能匯控柜以智能控制裝置為核心，通過智能控制裝置實現GIS斷路器、隔離開關、接地開關、TA、TV等本體設備的監視、控制、閉鎖功能，并將每個斷路器間隔的信號匯總到智能裝置。

電廠設有1套開關站GIS保護監控系統，見圖2。左、右岸電站分別組建GIS保護監控系統雙控制網，分別設置1套GIS操作員工作站、1套GIS維護工程師站、1套遠動通信裝置。開關站斷路器、隔離開關、接地開關位置信號，斷路器、隔離開關、接地開關的分/合閘命令，保護動作信息和測量信息等均通過遠動通信裝置與計算機監控系統數據采集服務器對接。計算機監控系統主控級負責發操作命令和監視GIS設備狀態，GIS保護監控系統完成操作的軟件閉鎖、操作過程及設備狀態的反饋[3]。

4.2.2 GIS保護監控系統與電站計算機監控系統接口方案

（1）電站計算機監控系統負責全站級的聯鎖邏輯的實現（如保護信息的聯鎖），GIS智能控制裝置利用各開關位置接點實現聯鎖邏輯，并能將連鎖結果上送電站計算機監控系統。

（2）GIS智能控制裝置實現操作過程中產生的信息及結果的反饋（反饋遙控操作是否成功，遙控不成功反饋出遙控失敗的原因）。

（3）GIS智能控制裝置實時將同期方式狀態控制字（檢同期合、檢無壓合）反饋給電站監控系統。

（4）500kV開關站各斷路器均設為同期點，在電站監控系統中選擇同期方式并確認后，智能控制裝置執行同期操作。

4.3 應急補水技術

向家壩水電站處于金沙江通航河段，由于切機或大范圍負荷變動，會造成下游水位的波動幅度過大，不利于通航建筑物及船舶安全。為保證航運安全，監控系統開發了應急補水功能。在下泄流量急劇減少的時候，迅速開啟閘門向下游補水，及時補償發電流量的減少，限制下游水位的下降幅度，延緩水位的下降速度。

應急補水技術實現的關鍵是提前判斷下游水位的變化趨勢，在實際運行中引入了計算水位的概念，即通過實時跟蹤電站總出力，根據出力、耗水率與流量的換算關系計算出電站總發電流量，并加上閘門的當前下泄流量計算出電站當前總出庫流量。根據下游流量—水位曲線換算出下游水位。根據計算水位的變化能夠準確判斷下游水位的變化趨勢及可能的變化幅度，從而能夠及時判斷是否需要進行補水。然后根據當前閘門狀態以及閘門分配原則等邊界條件形成閘門開啟策略，包括參與補水的閘門、各扇閘門的設定開度等，在自動形成閘門開啟策略時，需要考慮下游消力池的流態，確保泄水建筑物安全，盡量減輕下游振動等限制因素。

監控系統自動推送出閘門補水建議方案和畫面，在畫面上顯示當前運行方式、上下游水位、總流量、補水流量及擬開啟的閘門組合及開度等相關信息和操作方案，等待運行人員進行確認。運行人員可在聯控畫面上對計算出的閘門開啟策略進行審核，必要時可根據需要對預案進行修改，調整參與補水的閘門組合、修改開度等，確認無誤后下發執行指令，也可根據實際情況直接取消補水操作。

應急補水功能經過聯動模擬試驗后投入運行。2014～2017年，由于電網換流站故障、送出線路意外短路而導致電廠多臺機組同時甩負荷，應急補水功能成功投入，保證了下游航道安全[4]。

5 結束語

向家壩水電站是我國已投運的第三大水電站，在系統中有著舉足輕重的地位，計算機監控系統是電站的中樞神經，以電站水工結構特點為依托的三網四層分布式網絡結構，冗余設計及降額設計技術的采用，GIS智能化匯控柜的研發及應急補水功能的投入，為電站安全穩定運行提供了有力的技術支撐，取得了良好的經濟效益和社會效益，有助于推動國內大型水電站監控系統設計水平的提高，對在建的同類特大型水電站的建設具有借鑒意義。