天花板水电站监控系统设计

仇雅静，刘书玉，宋 男

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

1 工程概况

天花板水电站位于云南省昭通市境内，是牛栏江中下游梯级规划的第7级水电站。电站为混合式开发，主要由碾压混凝土拦河拱坝、引水系统、岸边式电站厂房等组成。电站以发电为主，总装机容量为180 MW （2×90 MW），机组型式为混流式，额定水头89 m，多年平均发电量8.295亿kW·h，年发电利用小时数4 608 h。电站主接线为单母线接线，以一回220 kV出线并入云南电网。工程等别为三等工程，工程规模为中型。

2 监控系统设计原则

天花板水电站按 “无人值班” （少人值守），按云南省调遥控的运行管理模式进行设计，符合以下设计原则：①加强对主要设备的安全监视，提高水电厂的安全生产水平和运行可靠性；②保证供电电能质量；③提高水电厂的经济效益和管理水平；④提高水电厂的自动化水平，为实现 “无人值班”（少人值守）提供保证；⑤在设计时对梯级电站流域集中控制工况予以考虑。

3 系统结构与功能

天花板水电站计算机监控系统采用开放分层分布式结构，主要设备采用冗余配置，监控系统分设电站控制级和现地控制单元级。电站控制级 （简称电站级）的监控通过工作站实现，采用南瑞公司的SSJ-3000型水电厂计算机监控系统。各现地控制单元 （LCU）以Quantum系列 PLC为控制核心，机组辅助设备及公用控制系统以PLC为控制核心，构成相对独立的子系统。监控系统结构详见图1。

3.1 电站控制级

天花板水电站的电站控制级负责电站主要运行设备的数据采集和处理、安全运行监控、生产控制操作、事件顺序记录、故障报警等功能；并实现与电力调度中心的通信，发送上行信号，接受电力调度中心下行的控制调节命令，实现对机组的AGC/AVC控制；实现对220 kV开关站的断路器、隔离开关、重要的接地开关的远程监控和操作，是整个电站的控制核心。电站控制级主要设备配置及功能如下：

图1 天花板水电站监控系统结构示意

（1）2台套SCADA服务器 （兼历史数据服务器）及光纤磁盘阵列主要完成实时数据库 （监控系统数据库的SCADA部分）的数据采集与管理；开关量报警处理、模拟量越限检查、数据库数据的指定计算、实时数据传播到其他服务器和工作站等任务；实现电站AGC、AVC运行；历史数据的存储、管理。两台数据服务器互为热备用，存储相同的实时、历史数据库，并配置光纤磁盘阵列等存储装置。

（2）2台套操作员工作站主要实现运行人员对电站的监视和控制，如电站运行工况监视、越限告警、事故告警、控制调节、发电机启停和运行应用软件并显示执行结果等。

（3）1台套工程师兼培训工作站主要完成对电站监控设备的运行维护管理与开发，程序下载等工作并兼做电站运行人员的培训工作站。

（4）2台套调度通信服务器主要负责与云南省调及省备调的调度通信，2台服务器一用一备。

（5）1台套站内通信服务器 （兼生产信息查询服务器）主要负责用于电站生产管理、状态检修用途的数据采集、处理、归档、历史数据库的生成、转储等，并为MIS系统提供数据；并实现与电站水情测报系统、电能量采集系统等之间的数据通信。

（6）1台套ON-CALL语音报警服务器完成电站语音 （在报警条件下向操作员发出中文语音报警信号）/电话报警、电话查询、事故自动寻呼（ON-CALL）及手机短信报警，并兼做报表制作等工作。

（7）1套GPS时钟装置。

3.2 现地控制单元级

天花板水电站共设5套现地控制单元（LCU），各LCU直接面向生产过程，相对独立于电站控制级，能够独立或按电站控制级的命令实现各自生产过程的实时数据采集及预处理、被控设备的状态监视、控制和调整等功能。各LCU经其I/O接口、通信接口与生产过程相连，各LCU控制器通过光口直接与网络连接，实现与电站控制级交换信息。

5套LCU布置为机组2套，开关站1套，公用1套，坝区1套。机组1～2 LCU主要实现对机组及其附属设备 （励磁、调速等）、主变、发变组保护等设备的监视和控制；开关站3 LCU主要实现对220 kV出线线路、220 kV开关站GIS、220 kV母线和线路继电保护、故障录波、全厂安自装置、电能计费等设备的监视和控制；公用4 LCU主要实现对主、副厂房内公用设备、厂用变压器、10 kV及400 V配电装置、厂房220 V直流电源系统、火灾报警、消防系统及全厂通风空调系统等设备的监视和控制；坝区5 LCU主要实现对水库水位、大坝渗漏排水系统、闸门启闭机控制系统以及坝区配电楼的电气柜、柴油发电机组、直流电源装置等设备的监视和控制。

3.3 网络结构

天花板水电站计算机监控系统为星形网络拓扑结构，采用全分布开放式冗余以太网。网络主干选用2套MOXA公司的PT7728-S-HV网络交换机，电站级各工作站直接与2套交换机通过网络双绞线电缆连接。两台主干交换机分别连接到各LCU，实现10/100 M光纤双以太网络连接。各现地控制单元以现场总线和串行通信等方式与部分被监控设备连接。

4 系统安全

4.1 电源配置

为保证电站监控系统的可靠运行，电站控制级即上位机和网络交换机等设备由2套互为热备用的容量为10 kV·A的不间断电源 （UPS）供电。现地控制单元采用交、直流双路供电方式，当一路电源消失时，另一路电源可以无扰动切换。

4.2 冗余配置

为提高监控系统的可靠性，监控系统各关键设备均采用互为热备用的冗余设计。主要措施如下：①上位机各关键节点如主机、操作员工作站等均采用双机热备配置；②冗余网络配置；③各现地控制单元 （LCU）均配置双CPU、双电源、双通信模块。

4.3 二次安全防护

根据国家电监会的要求，天花板水电站监控系统的二次防护方案如下：

（1）2套主机工作站共配备2套核心系统防护产品。

（2）调度通信服务器配置两套纵向加密认证装置，分别作为与省调和省备调的通信安全防护。

（3）站内通信服务器配置2套硬件防火墙和2套电力专用安全隔离装置 （正向单比特、反向单比特各1套），用于与电站MIS系统交换数据的安全隔离。

详细二次防护方案见图2所示。

5 结语

2011年2月26日天花板水电站首台机组试运行顺利结束，并于2月28日正式进入商业运行，现场运行情况良好，监控系统操作方便、稳定可靠，基本实现了设计意图。就装机容量而言，天花板水电站是典型的中型常规水电站，本文以天花板水电站计算机监控系统设计方案为例，旨在为中小型水电站的监控系统设计提供参考，为智能化电网的建设提供技术上的支持。