二郎壩梯級水電站集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

吉隆朝，戚永建，曹 波

（二郎壩水力發(fā)電公司，陜西 漢中 724400）

針對某河段上的各梯級水電站，設(shè)置梯級調(diào)度中心 （簡稱梯調(diào)中心），利用計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)動和通信技術(shù)，對各級水電站 （包括梯級聯(lián)合開關(guān)站、變電站）進(jìn)行集中監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)梯級水電站的科學(xué)經(jīng)濟(jì)調(diào)度和自動經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。梯級水電站之間，一般水流關(guān)系十分緊密，其出力、過流面及水頭等運(yùn)行參數(shù)相互間有許多相關(guān)約束因數(shù)，只有以整個梯級電站為對象，通過集中監(jiān)控，聯(lián)合實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度、自動經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，才能做到充分利用水能資源，最大限度地提高各級水電站的運(yùn)行效率。

1 二郎壩梯級水電站概況

二郎壩水力發(fā)電公司轄有3座梯級電站和一座水庫樞紐，梯級電站有四個發(fā)電運(yùn)行車間，三個戶外變電站，共有三條35kV出線 （臥天聯(lián)絡(luò)線、臥寧線、臥Ⅰ臥Ⅱ線），兩條110kV出線（臥陽線、臥王線），公司距水庫樞紐38km，其間分布著三個梯級電站。水庫樞紐總庫容7760萬 m3，興利庫容 5250萬m3，年調(diào)節(jié)水量 2.14億m3。梯級電站裝機(jī)共10臺，總裝機(jī)容量為5萬kW，其中一級站天生橋電站為3×4000kW，二級站二郎壩電站為3×2500kW，三級站臥龍臺Ⅰ期電站 2×4000kW，臥龍臺Ⅱ期電站為 2×11250kW。除臥龍臺Ⅰ期電站外，其它電站監(jiān)控系統(tǒng)均按照 “計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主，常規(guī)為輔”的原則進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)和設(shè)備選型。梯級電站工程建設(shè)分為兩個階段完成，一期工程臥龍臺Ⅰ期電站兩臺機(jī)組于1988年底建成發(fā)電，控制方式為常規(guī)控制；二期工程8臺機(jī)組于1999年底建成發(fā)電，控制方式為計(jì)算機(jī)控制為主，常規(guī)控制為輔。梯級電站的主接線如圖1所示。

2 梯級水電站集中監(jiān)控設(shè)計(jì)方案

2.1 總體方案

依據(jù)二郎壩水力發(fā)電公司梯級電站實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控的要求，并結(jié)合各梯級電站設(shè)備的實(shí)際和充分考慮投資回報(bào)等情況分步實(shí)施技改，因此首先應(yīng)建立梯級電站集中監(jiān)控中心系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與配置，然后逐級進(jìn)行被控電站自動化的改造，實(shí)現(xiàn)對被控電站集中監(jiān)控的目標(biāo)。

根據(jù)二郎壩水力發(fā)電公司梯級電站的特點(diǎn)，按梯級電站集中控制、被控電站 “無人值班 （少人值守）”進(jìn)行規(guī)劃，用3至5年的時(shí)間分步實(shí)施技改，逐步實(shí)現(xiàn)梯級電站集中監(jiān)控的目標(biāo)。

（1）梯調(diào)設(shè)辦公樓內(nèi)，按集中控制設(shè)計(jì)，梯調(diào)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)直接與各梯級電站的現(xiàn)地單元聯(lián)系，系統(tǒng)可采用PLC直接接入總線，此方式可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，避免PLC經(jīng)過一體化接入以太網(wǎng)的瓶頸，使各個設(shè)備具有安全獨(dú)立性。梯調(diào)的主控層以太網(wǎng)采用光纖以太網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)通信通道熱備用冗余，突出系統(tǒng)高可靠性。梯級調(diào)度系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動發(fā)電控制 （AGC）、 自動電壓控制 （AVC）、有功功率聯(lián)合控制、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 （EDC）趨勢分析、人工智能故障分析，以及完成事故處理、仿真培訓(xùn)等任務(wù)。

（2）被控電站按現(xiàn)地、遠(yuǎn)方監(jiān)控的指導(dǎo)思想進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和配置。電站的所有生產(chǎn)過程的控制由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

（3）各被控電站按 “無人值班，少人值守”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制方式有梯調(diào)控制和現(xiàn)地控制兩種。梯調(diào)控制是主要運(yùn)行方式，在此方式下，電站的日常監(jiān)視、操作由梯調(diào)值班人員負(fù)責(zé)；電站值班人員一般僅負(fù)責(zé)設(shè)備的巡視檢查、日常維護(hù)以及緊急事故處理等?，F(xiàn)地控制是在梯級計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障或被控電站與梯調(diào)失去聯(lián)系的情況下的采用的控制方式，在此方式下，電站日常監(jiān)視操作改由電站值班人員負(fù)責(zé)，電站中央控制室應(yīng)保留必要的監(jiān)控設(shè)備。

（4）梯調(diào)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用雙機(jī)冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，梯調(diào)與被控電站之間的通信通道雙重化。目前各梯級電站之間的12芯單模光纖已鋪設(shè)完成。

（5）梯調(diào)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)嚴(yán)格執(zhí)行國家經(jīng)貿(mào)委 “電網(wǎng)和電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)規(guī)定”和國家電監(jiān)會 “電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定” “電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案”，進(jìn)行安全防護(hù)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置

2.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

梯級調(diào)度的監(jiān)控系統(tǒng)按控制層次和控制對象，分為梯調(diào)控制級和現(xiàn)地控制級。梯調(diào)控制級與現(xiàn)地控制級采用雙星形以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)地控制級為4個電站和1個水庫站?，F(xiàn)地控制級選用高性能的可編程控制器，按被控制對象 （水輪發(fā)電機(jī)組、開關(guān)站、公用設(shè)備、閘門等）由多臺現(xiàn)地控制單元 （LCU）組成，具有獨(dú)立運(yùn)行和監(jiān)控功能。

2.2.2 系統(tǒng)配置

梯調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用雙高速以太網(wǎng)，配置兩臺以太網(wǎng)交換機(jī)，將服務(wù)器、操作員工作站，工程師工作站和通訊工作站有機(jī)地結(jié)合在一起，構(gòu)成按功能分工協(xié)作的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。作為服務(wù)器及操作員站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、報(bào)警、打印及管理、操作與監(jiān)視等功能。

被控電站網(wǎng)絡(luò)采用雙高速以太網(wǎng)，配置網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)2臺和通訊管理機(jī)2臺。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)負(fù)責(zé)將各被控電站的遙信、遙測量傳送至梯調(diào)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，并將接收的梯調(diào)監(jiān)控的遙調(diào)、遙控命令傳送至被控電站。雙以太網(wǎng)配置雙網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，獨(dú)立工作，互為備用。通訊管理機(jī)負(fù)責(zé)完成與現(xiàn)場勵磁系統(tǒng)、調(diào)速器、直流系統(tǒng)、保護(hù)等的數(shù)據(jù)交換。

2.2.3 系統(tǒng)通訊

除系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊外，系統(tǒng)的通訊工作站還可以完成與省調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)動、電量采集系統(tǒng)以及信息管理 （MIS）系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)、水情測報(bào)系統(tǒng)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊任務(wù)，實(shí)現(xiàn)梯級電站綜合自動化。

本系統(tǒng)與其它系統(tǒng)間的通訊方式以及規(guī)約、速率和接口，可根據(jù)具體情況確定。

2.2.4 監(jiān)控流程

各被控電站的通訊管理機(jī)將遙信、遙測、遙調(diào)、遙控量通過SDH單模光纖分別送至網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與梯調(diào)三層交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。梯調(diào)三層交換機(jī)應(yīng)用VLAN技術(shù)根據(jù)不同的MAC地址與服務(wù)器、操作員工作站、工程師工作站和通訊工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路，完成各梯級電站和水庫樞紐的綜合監(jiān)控功能。

通訊工作站實(shí)現(xiàn)與被控電站水情測報(bào)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的通訊，根據(jù)省調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)動、電量采集系統(tǒng)的要求，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)加密后送至省調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)“四遙”功能；對生產(chǎn)信息經(jīng)正向隔離裝置送至梯調(diào)信息管理系統(tǒng) （MIS）。梯調(diào)配置一臺大屏幕投影儀，作為系統(tǒng)實(shí)時(shí)畫面監(jiān)視。投影儀可接收通信站信號及視頻信號，實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)畫面或工業(yè)電視視頻信號。

2.2.5 設(shè)備功能

三層交換機(jī)：主要使用其MAC（介質(zhì)訪問控制）地址的VLAN劃分方式，構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)管理人員權(quán)限劃分可訪問區(qū)域，保證整個調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的安全可靠。三層交換機(jī)具有豐富的管理功能，它是整個調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，具有吞吐量大以及支持網(wǎng)關(guān)功能等特點(diǎn)，不但使整個梯級調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更為可靠，而且使局域網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換速度更快。三層交換機(jī)具有高可擴(kuò)性，在連接多個子網(wǎng)時(shí)，子網(wǎng)只是與第三層交換模塊建立邏輯連接，而不是象傳統(tǒng)外接路由器需要增加端口，從而減少了用戶對網(wǎng)絡(luò)的投資，并滿足應(yīng)用快速增長的需要。

主控站 （兼操作員站）：梯級調(diào)度系統(tǒng)對計(jì)算機(jī)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和工作可靠性要求很高，因此主控站采用冗余雙微機(jī)系統(tǒng)，選用國際知名品牌工作站，設(shè)備之間采用雙總線連接。

工程師站：由微機(jī)和開發(fā)運(yùn)行組態(tài)軟件組成，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件參數(shù)配置、數(shù)據(jù)庫修改及維護(hù)、組態(tài)軟件和控制軟件的下載，并可以完成在線運(yùn)行監(jiān)控、管理等功能。

通訊管理站：由微機(jī)和相關(guān)通信軟件組成，主要實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。通訊接口支持RS232、RS422／485、以太網(wǎng)等。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：正常情況下，由上位機(jī)收集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行分析，數(shù)據(jù)處理及儲存則由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實(shí)時(shí)記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)，定期自動完成運(yùn)行日報(bào)表、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)報(bào)表等表格填寫，并存儲為電子檔以備查閱。為保證數(shù)據(jù)安全，可配置磁盤陣列系統(tǒng)，定期轉(zhuǎn)移備份數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場配備網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)，可以完成報(bào)表即時(shí)打印任務(wù)。

視頻監(jiān)控：水庫站、二郎壩電站前池、臥龍臺電站前池及臥龍臺Ⅰ期廠房宜配置監(jiān)控探頭，利用光端機(jī)的視屏接口，將視頻信號傳至梯調(diào)監(jiān)控三層交換機(jī)，由視頻監(jiān)控服務(wù)器采集并儲存各電站的視頻監(jiān)控信息備查，為事故分析和處理提供依據(jù)。

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全分區(qū)

梯調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)嚴(yán)格執(zhí)行電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)的總體原則： “安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”，確保監(jiān)控系統(tǒng)和電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的安全。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)劃分為三級安全區(qū)，安全區(qū)Ⅰ為遠(yuǎn)動終端 （RTU）和測量系統(tǒng) （PMU）的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，安全等級最高；電量和保護(hù)為安全區(qū)Ⅱ；MIS生產(chǎn)信息采集系統(tǒng)和水庫水雨情測報(bào)系統(tǒng)為安全區(qū)Ⅲ。

在生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)之間，應(yīng)設(shè)置獲得國家安全權(quán)威機(jī)構(gòu)安全檢驗(yàn)證明、并通過電力行業(yè)的電磁兼容性檢測的電力專用安全隔離裝置，用于與梯調(diào)中心MIS系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的安全隔離。

電力專用安全隔離裝置是電站監(jiān)控系統(tǒng)與梯調(diào)中心MIS系統(tǒng)之間信息交換的唯一出、入口，可根據(jù)安全策略 （允許、拒絕、監(jiān)測）控制出入網(wǎng)絡(luò)的信息流，其本身具有較強(qiáng)的抗攻擊能力，可以限制內(nèi)部對外部的非授權(quán)訪問，特別是限制安全級別低的系統(tǒng)對安全級別高的系統(tǒng)的非授權(quán)訪問。

2.4 遠(yuǎn)方黑啟動

梯級調(diào)度采用直接監(jiān)控，各被控電站實(shí)行“無人值班”或 “少人值守”，因此，梯調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)對被控電站實(shí)行遠(yuǎn)方黑啟動不僅十分重要而且意義重大。

各梯級電站均具備單機(jī)帶廠用的功能,由于三站的聯(lián)絡(luò)線連接臥龍臺電站、二郎壩電站、天生橋電站，因此可考慮由二郎壩電站單機(jī)運(yùn)行使35kV聯(lián)絡(luò)線恢復(fù)帶電，則三站的廠用均可恢復(fù)運(yùn)行，根據(jù)調(diào)度要求負(fù)荷完成遠(yuǎn)方黑啟動。

2.5 系統(tǒng)電源

梯調(diào)控制級規(guī)劃配置直流系統(tǒng)。正常運(yùn)行方式為直流系統(tǒng)，一方面對蓄電池充電，另一方面通過逆變裝置對設(shè)備供電；事故情況下，蓄電池通過逆變裝置提供設(shè)備電源。

被控電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和LCU均配置有交、直流電源兩路供電，保證事故處理和恢復(fù)運(yùn)行時(shí)正常的用電需求。

2.6 電網(wǎng)故障診斷

故障錄波信息的電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)，兼有故障錄波信息管理和故障錄波信息分析的功能。

每個電站內(nèi)配置一套故障錄波裝置，每套錄波裝置均和現(xiàn)場GPS通訊，實(shí)現(xiàn)全公司錄波時(shí)標(biāo)一致。錄波裝置能夠記錄設(shè)備故障發(fā)生前后電氣量和狀態(tài)變化過程信息，完整地反映故障后的瞬間變化及繼電保護(hù)的動作行為，并有數(shù)據(jù)存檔和數(shù)據(jù)再分析的能力，為事故信息綜合分析和快速處理提供保障。

2.7 GPS時(shí)鐘

系統(tǒng)配置衛(wèi)星時(shí)鐘設(shè)備，以接收全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS的標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)信號，對系統(tǒng)內(nèi)各有關(guān)設(shè)備的時(shí)鐘進(jìn)行校正。

GPS時(shí)鐘與上位機(jī) （包括系統(tǒng)主機(jī)兼操作員工作站等）采用串行通訊方式，與現(xiàn)地控制單元采用脈沖連接對時(shí)。GPS時(shí)鐘向被控電站的微機(jī)自動裝置、微機(jī)保護(hù)裝置、故障錄波裝置等發(fā)送同步信號。

3 結(jié)語

本文根據(jù)小型梯級電站 “無人值班，少人值守”運(yùn)行管理模式的需要和可靠性要求，結(jié)合梯級電站集中監(jiān)控設(shè)計(jì)規(guī)范和小型梯級電站的實(shí)際，提出了二郎壩梯級電站集中監(jiān)控的設(shè)計(jì)方案。據(jù)不完全的統(tǒng)計(jì)，通過對流域內(nèi)中小型水電站群進(jìn)行集中調(diào)度和控制，可以實(shí)現(xiàn)對整個梯級電站進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度，不但能夠提高梯級水電站群的綜合管理水平，而且能夠提高年均發(fā)電量1%～2%，二郎壩梯級電站年均發(fā)電量1.8億kWh，年均發(fā)電量增加180萬kWh至360萬kWh。進(jìn)一步優(yōu)化和提高水能資源利用率，使梯級引水式水電站群生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)能力不斷擴(kuò)大，經(jīng)濟(jì)效益不斷提高。

[1]SL 193-1997小型水電站技術(shù)改造規(guī)程[S].

[2]但富中，溫柳，朱靜華.拉西瓦水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].電力設(shè)備，2008（10）：20-24.

[3]李燦慶.“無人值班”梯級電站遠(yuǎn)方黑啟動方案研究[J].小水電.2009（6）：14-16.

[4]王明貴，尹秀蓮.小水電站群實(shí)現(xiàn)綜合自動化的探討[J].吉林水利，2005（11）：18-19.