梯級水電站集控中心智能報警系統設計與應用

許利文，劉 鄧，何堯璽，李大領，段堯彬

(1.三峽水利樞紐梯級調度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

隨著中國水電建設的發展，各流域上已形成越來越多的梯級水電站群，梯級電站的管理模式由原來的現場管理逐步轉變為“遠方集控+現場值守”管理模式[1]，集控中心越來越多地承擔電站設備的調度、監視、控制職責。接入集控中心的電站規模越大、數量越多，需要監視處理的信息量越大。利用監控系統高質量地監視報警及事件信號進而為電力突發事故(事件)處理提供決策支持，是集控中心保障梯級電站安全的關鍵環節。

國內對電站或集控計算機監控系統開展了相關研究。唐杰陽等[2]提出了結合深度學習和規則推理的計算機監控系統綜合智能告警方法；高國[3]通過篩選出能夠反映水輪發電機組及其輔助設備運行狀態和故障現象等的特征數據，進行了設備運行趨勢分析、故障分析及故障輔助決策研究；張明君等[4]提出了針對巨型電站“調控一體化”的智能報警技術；張東峰等[5]提出了智能化處理機電設備故障信息、濾掉無效報警、自動快速識別和定位故障的智能報警。但是，此類研究仍存在不足，例如劃分信號等級標準不一、綜合性虛擬點的對象選擇及合成策略需要進一步改進發電計劃的報警較少、報警視覺化不強、事故(事件)處置步驟的指導性不強等問題。

本文以烏東德-白鶴灘梯級水電站昆明集控中心監控系統為例，設計了集控中心監控系統的智能化報警功能，可為智慧水電站建設提供一定參考。

1 工程概況

烏東德水電站位于四川省涼山州會東縣和云南省昆明市祿勸縣交界的金沙江河道上，單機容量世界第二、電站規模世界第七。電站左右岸各6臺水輪發電機組，單機額定容量850 MW，總裝機容量10 200 MW，多年平均年發電量389.1億kW·h。烏東德水電站上送到昆明集控中心“四遙”的信號量達近20萬個。

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣交界的金沙江河道上，單機容量世界第一、裝機容量世界第二。電站左右岸各8臺水輪發電機組，單機額定容量1 000 MW，總裝機容量16 000 MW，多年平均年發電量624億kW·h。白鶴灘水電站上送至昆明集控中心“四遙”的信號量達近30萬個。

2 報警實用性分析

當前，各梯級電站的集控中心監視電站設備狀態以專位、人工監屏為主，對監屏人員的素質、分析判斷能力、精神狀態要求很高；客觀上也存在信號量大、重要信號容易被淹沒等問題，特別是發生應急事件時，易造成監屏人員漏監視現象。即使部分集控中心運用了語音報警功能，但出于對報警全覆蓋的考慮，選擇的語音報警數量過多，加之報警策略不完善因此未能充分發揮語音報警的作用。在緊急情況下，易出現因缺乏詳細的指導而處置不當的現象。

基于上述情況，烏東德-白鶴灘集控中心監控系統按照“全面監視、重點報警、快速響應、應急支持”的原則，提出了優化監控系統智能報警設計思路：對全部報警及事件信號進行分級，將主設備狀態變化、發電計劃執行作為報警重點，以語音播報、畫面推送、動效顯示、顏色變化等多種形式呈現報警信號，并提供主設備典型故障應急處置措施。通過一系列合理的設計和組織，使報警等級劃分更加合理，播報語音數量更加優化，報警重點更加突出，決策支持更加精準，從聽覺、視覺雙重感官上傳達報警信息，達到智能促安全的目標。

3 智能報警設計

3.1 報警及事件信號等級劃分

監控系統通常設置2個信號監視窗口[6]，分別是報警一覽表和事件一覽表。報警一覽表用于監視報警信號，一般設置一、二、三級；事件一覽表用于監視全部信號，一般設置一、二、三、四、五級；兩表相同級別信號一致，具體級別數可根據實際監視需求，對監控系統進行設置。基于上述級別設置，根據信號的重要性劃分等級，級別數值越小，越重要，具體的劃分原則如下。

(1) 一級信號，定義為可直接導致主設備跳閘的事故報警信號和反應事故情況下主設備狀態變化的虛擬信號點，觸發時分別進入報警一覽表和事件一欄表。這類信號主要包括：引起主設備跳閘的保護動作信號(電氣量保護、非電氣量保護、水機后備保護等)、安控裝置動作信號、解列裝置動作信號以及主設備開關跳閘虛擬信號。

(2) 二級信號，定義為不引起主設備跳閘但對主設備正常運行有較大影響的故障報警信號，觸發時分別進入報警一覽表和事件一欄表。這類信號主要包括：主設備保護、安控、解列等裝置異常、閉鎖、告警故障報警信號；不引起跳閘的保護動作信號如輕瓦斯保護、軸電流保護、轉子一點接地保護，開關低油壓、低氣壓閉鎖，刀閘、地刀三相不一致，三部軸承瓦溫、油溫過高、油位過高/過低開關量信號，調速/勵磁系統嚴重故障，模擬量越上上限、越下下限、復上上限、復下下限信號等。

(3) 三級信號，定義為非主設備故障信號、主設備一般性故障信號以及順控流程故障信號，觸發時分別進入報警一覽表和事件一欄表。這類信號主要包括：調速系統、勵磁系統一般性故障信號，輔助設備、廠用電、公用系統、泄水設施等故障信號，順控流程超時退出信號，模擬量越上限、越下限、復上限、復下限信號。

(4) 四級信號，定義為除一、二、三、五級外的其他信號，觸發時進入事件一欄表。這類信號主要包括：全部設備的狀態正常變化信號，順控流程正常啟動、停止信號等。

(5) 五級信號，定義為備用信號點，觸發時進入事件一覽表。

遇到比較模糊的信號點時，則需要根據實際情況，對具體信號作具體分析。

3.2 語音報警信號點和報警形式選擇

語音報警對值班員監視電站設備信號起輔助作用，語音報警信號點的選擇和語音報警形式的選擇極為重要。語音報警一般分為警鈴和播報語句兩種，二者可以結合使用[7]。為不漏監視信號并避免頻繁報警，主要選取以下語音報警信號點。

(1) 主設備正常情況下狀態變化信號點，比如開關、刀閘、地刀分位/合位信號點，泄水閘門開啟/關閉信號點；采用播報語句的報警形式。

(2) 通過邏輯計算獲得的故障、異常情況下主設備開關跳閘虛擬信號點；采用關鍵字命名+播報語句+警鈴的報警形式。

(3) 發電計劃接收、下達時產生的事件信號點；采用播報語句的報警形式。

(4) 發電計劃執行時，用于提醒曲線拐點調整實時出力的信號點，以及計劃執行過程中實時出力與計劃出力偏差過大的信號點；采用播報語句的報警形式。

(5) 主設備保護裝置閉鎖、異常、故障、通道異常信號點，以及不引起跳閘的保護動作信號點；采用播報語句的報警形式。

(6) 安控、失步解列裝置動作、通道異常信號點；采用播報語句的報警形式。

(7) 調速、勵磁系統對發變組正常運行影響較大的點；采用播報語句的報警形式。

(8) 500 kV刀閘、地刀三相不一致的信號點；采用播報語句的報警形式。

(9) 庫水位越限、出入庫流量、500 kV母線電壓/頻率越限信號點；采用播報語句的報警形式。

(10)其他信號點，比如順控流程開機/停機流程超時、緊急/快速停機流程啟動或超時，AGC、AVC投入/退出等；采用播報語句的報警形式。

3.3 虛擬報警信號點計算策略

虛擬報警信號點[8]是監控系統暫不存在、需要將已有信號點通過一定的邏輯計算才能獲得的點。客觀上，對于值班員而言，快速掌握故障或異常情況下的主設備狀態變化和確保發電計劃正確執行是監視重點，在制作虛擬報警信號點時，應著重制作開關跳閘虛擬信號點和輔助發電計劃正確執行的虛擬信號點。

3.3.1 主設備開關跳閘虛擬信號點計算策略

制作主設備開關跳閘虛擬信號點存在2個優點：① 把引起某開關跳閘的信號點通過邏輯計算后，合成為一個信號點，能有效減少語音報警信號數量、提高語音報警質量；② 可作為推送畫面和動效定位跳閘開關的觸發信號。這兩個優點在主設備跳閘應急處置時會傳遞給值班員更有價值的信息。

引起主設備開關跳閘的直接原因大概分為3類：① 保護(含水機后備保護)動作引起開關跳閘；② 安控裝置動作引起開關跳閘；③ 解列裝置動作引起開關跳閘。為明顯區分這3類跳閘，可在虛擬點名字中加入各動作裝置關鍵字，以便值班員判斷。此外，在保護動作引起開關跳閘時，存在一種特殊情況——線路單瞬故障跳單相開關重合閘動作成功。因此，涉及到線路開關跳閘時，還需要分2個子類，分別是開關某相故障跳閘后重合成功和開關故障跳閘(三相跳閘)。

主設備開關跳閘虛擬信號點采用的計算策略：先查看原有保護、安控、失步解列裝置配置，分析導致目標開關發生跳閘的直接原因，輔以跳閘出口線圈以及開關、刀閘的位置信號，多層運用與、或、非邏輯，并在虛擬信號點命名時加入關鍵字，最終產生目標開關跳閘的虛擬報警信號點。

以烏東德水電站電氣主接線第一串的目標開關5112為例，其具體接線如圖1所示。

圖1 烏東德水電站電氣主接線第一串Fig.1 First string of electrical main wiring in Wudongde Hydropower Station

圖1中，可能引起目標開關5112發生跳閘的相關保護包括發電機出口開關失靈保護、主變保護、 進線短引線保護、中開關保護(目標開關本身保護)、邊開關失靈保護、出線T區保護、線路保護、線路失步解列等。若目標開關發生三相跳閘，則虛擬信號點邏輯計算見圖2；若發生單相跳閘重合成功，則虛擬信號點邏輯計算可見圖3；若發生失步解列裝置動作，則虛擬信號點邏輯計算可見圖4。

圖2 5112開關三相跳閘計算邏輯Fig.2 Calculation logic of three-phase trip 5112

圖3 5112開關A相跳閘重合閘成功計算邏輯Fig.3 A phase trip reclosing successful calculation logic of 5112

圖4 失步解列裝置動作跳5112開關計算邏輯Fig.4 Out-of-step decoupling device action jump 5112 switch calculation logic

同理，按照上述方法，可以獲得其他開關跳閘虛擬信號點。制作虛擬信號點時，為避免遺漏或把握不準，盡量采用監控系統現有的一些總信號點，比如上述圖中的“主變停機總信號”點，其包括了主變保護能引起跳閘的所有電氣量保護和非電氣量保護。

3.3.2 輔助發電計劃正確執行的虛擬信號點計算策略

及時正確執行發電計劃對電網至關重要，也是上級調度考核各電廠的重點。監控系統可設置發電計劃接收/下達提醒虛擬信號點、發電計劃曲線拐點計劃調整提醒虛擬信號點、實時出力與發電計劃偏差告警虛擬信號點。

接收/下達提醒虛擬信號點：當監控系統收到/下達最新的發電計劃時，由系統自動觸發固定語句的虛擬信號點進行播報，提醒值班員及時查看和下發新計劃。

曲線拐點計劃調整提醒虛擬信號點：通過比較最新發電計劃相鄰兩點數值，若差值不等于0，則觸發固定語句的虛擬信號點進行播報，提醒值班員及時調整發電計劃。

實時出力與發電計劃偏差告警虛擬信號點：比較同時刻的實時出力與計劃值形成的偏差值，設定適用于不同時段的單個或多個偏差閾值和報警延時，通過相互間的巧妙配合，滿足條件時觸發固定語句的虛擬報警信號點進行播報，提醒值班員及時作出處理。

3.4 畫面推送和動效報警

為避免值班員漏聽語音報警和使報警更加智能化，可采用畫面推送和動效的方式進行報警。

(1) 畫面推送。當主設備開關發生跳閘時，利用開關跳閘虛擬信號點觸發推送功能，將固定畫面推送至操作員站指定屏幕。在推送畫面的選擇上：由于電站電氣主接線圖基本能夠全部反應主設備狀態，所以將電氣主接線圖作為推送對象。

(2) 動效報警。在電站電氣主接線圖中各開關處嵌置動效圖標。正常情況下，動效圖標隱藏不可見；當主設備開關發生跳閘時，開關跳閘虛擬信號點觸發隱藏的動效圖標，與推送的電氣主接線圖共同顯現在操作員站指定屏幕上，提醒值班員具體的跳閘開關和設備。

3.5 典型主設備故障跳閘應急處置步驟

主設備故障跳閘時，需要考慮的細節多，處置的過程較復雜，值班人員相對緊張，特別是值班人員還在開展其它工作時，可能會出現處置不當的現象，因此設置典型事故(事件)處置步驟指導畫面非常有必要。處置步驟可根據電網、電站規程規定以及歷史經驗擬定。典型事故(事件)處置步驟指導畫面主要包括發電機保護動作跳閘處置、安控裝置動作切除發電機處置、主變跳閘處置、母線跳閘處置、高抗跳閘處置、線路跳閘處置、開關跳閘處置、突發事件信息報送要求畫面等。除上述畫面外，還可將與其相關的異常、故障處置的周邊畫面組織起來，在后期的不斷完善過程中形成應急處置參考資料庫。

3.6 畫面組織設計

在實現流域梯級水電站智能報警的過程中需要制作監控畫面，主要包括開關跳閘虛擬信號點計算邏輯畫面和主設備典型故障跳閘應急處置步驟畫面。前者可以幫助值班員快速查找出雙套或多套配置的保護是否均動作，也有利于后續對策略的維護和完善；后者可以為值班員提供故障應急處置參考，幫助其準確快速并且周全地進行應急處置。在監控系統中進行畫面具體組織時，可將畫面分為兩層——索引畫面和下一層級子畫面。索引畫面包含各開關跳閘虛擬點名稱按鈕(按鈕帶鏈接以及動作時點亮功能)和處置步驟名稱(按鈕帶鏈接功能)，在索引畫面中點擊相應按鈕可跳轉至對應子畫面，子畫面也需設計返回索引畫面或其他子畫面的快速鏈接。

4 應用案例

2021年10月26日11：02，烏東德右岸電站10號發電機組跳閘。

聽覺方面。監控系統播報的具體語句包括：“烏東德10F∶GCB分位，動作”“烏東德12F∶210開關跳閘，動作”“烏東德右岸3號母線電壓，越下限”“烏東德右岸3號母線頻率，越下限”“烏東德右岸出力偏差過大”，根據設定的播報速度，整個播報事件約25 s。

視覺方面。監控系統推送梯級電站主接線圖至操作員站指定屏幕，并水波紋動效定位發生跳閘的210開關；此外，梯級電站發電棒圖右岸偏差值超過下下限值變成紅色，詳見圖5～6。

圖5 電站電氣主接線圖局部Fig.5 Partial main electrical wiring diagram of the power station

圖6 電站發電棒圖局部Fig.6 Partial power generation bar diagram of the power station

故障處置方面。發生故障后，值班員調出事先預錄進監控系統的典型事故處置步驟進行處置。

通過聽覺、視覺上的提醒和根據事故(事件)處置步驟，值班員快速定位故障設備、確定損失出力、按步驟處理事故。該智能報警設計在整個事故(事件)處理中發揮主導作用，助力電站、電網的安全穩定運行。

5 結 語

該智能報警設計在烏東德-白鶴灘梯級水電站昆明集控中心監控系統中已投入使用，獲得了較好效果。

這項設計相對于原監控系統報警有了極大改善，通過優化報警及事件信號等級劃分，使繁雜的報警信號更加清晰明了；合理的報警點和報警形式選擇，更能引起值班人員的警覺；虛擬報警計算策略的設計能極大減少故障設備跳閘的語音報警信號數量，定位故障跳閘設備；處置步驟指導畫面的設置，為值班員快速周全處置故障、保障電網、電站安全提供了幫助，后續也將在實踐過程中不斷對其進行優化升級。

該集控中心監控系統智能報警設計不僅提高了故障處置效率，降低了人員勞動強度，提升了生產力，同時也對其他流域梯級水電站集控中心智能報警建設具有一定借鑒作用，并推動智慧水電站建設。