跨流域水电厂群远程集控系统高级功能规划与应用

2011-05-16田启荣胡春林魏志鹏谌斐鸣

水电站机电技术 2011年2期

关键词：值班员水电厂梯级

田启荣，胡春林，万元,2，魏志鹏，谌斐鸣

（1.五凌电力有限公司，湖南长沙410004；2.中国水利水电科学研究院，北京10038）

跨流域水电厂群远程集控系统高级功能规划与应用

田启荣1，胡春林1，万元1,2，魏志鹏1，谌斐鸣1

（1.五凌电力有限公司，湖南长沙410004；2.中国水利水电科学研究院，北京10038）

水电厂大都处于地方偏僻、人烟稀少、交通闭塞的山区，为加快智能水电厂建设进程，提高综合发电效益，提升运行员工生活品质，五凌公司积极稳妥推进跨流域水电厂群远程集控系统的建设。在介绍五凌公司电厂群地理分布特征的基础上，从提高流域综合发电效益、值班员监控的效率以及水电厂远程自动化维护等方面出发，重点介绍了跨流域水电厂群远程集控系统高级功能规划与应用。

五凌公司；跨流域；水电厂；远程集控；功能规划与应用

0 引言

五凌电力有限公司（以下简称：五凌公司）全面负责整个沅水流域梯级水电厂开发的规划、建设、运营及湖南抽水蓄能电厂、湖南核电和部分火电的开发建设，已经先后在沅水流域建成五强溪、凌津滩、洪江、碗米坡、三板溪和挂治六座水电站，在建的有白市、托口两座水电站；湘江流域已建近尾洲水电厂，资江流域马迹塘、东坪、株溪口三个水电厂。贵州黔东火电厂已于2008年投产发电，位于长沙市北郊的黑麋峰抽水蓄能电厂已于2010年9月全部投产发电。目前，五凌公司已建在建水电厂13个，1个火电厂，图1为五凌公司电源开发分布图[1]。

图1 五凌公司电源开发分布图

五凌公司的电厂囊括水电、火电及抽水蓄能等发电类型，其中水电厂横跨沅水、资水、湘江三大流域，且多远离长沙总部，处于地方偏僻、人烟稀少、交通不便的山区，为提高自动化管理水平，提升员工生活品质，增加综合发电效益，五凌公司积极推进跨流域水电厂群远程集控系统的建设，在长沙总部建立发电集控中心，规划用2～3年的时间，完成属下十多个电厂的接入，实行远方集中控制。本文主要从提高流域综合发电效益、运行值班员监控的效率以及水电厂远程自动化维护等方面出发，重点介绍跨流域水电厂群远程集控系统高级功能规划与应用。目前，五凌公司跨流域水电厂群远程集控系统已完成了基本功能的建设，其高级功能正按照规划逐步实施。

1 五凌公司跨流域水电厂群远程集控系统结构

五凌公司跨流域远程集控系统采用开放分层分布无主式系统结构，可分为控制层、非控制层、生产信息查询层和接入层，相应的集控系统也由4个局域网组成，分别是：生产控制网（安全I区）、生产非控制网（安全II区）、生产管理信息网（安全III区）和接入网。各安全区之间的安全防护措施满足国家电监会关于“电力二次系统安全防护”的规定。系统的总体结构见图2[1]。

生产控制层采用以太网双网结构，控制网上的服务器和工作站等设备均采用热备用冗余配置方式，各冗余设备间能无扰动自动切换，集控系统不会因为部分设备的故障而失去功能。其中历史服务器与磁盘阵列主要实现13个电厂海量数据的存储，应用服务器主要完成各电厂AGC软件的运行。

生产非控制层为以太单网结构，用以连接报表管理工作站、远程维护和诊断服务器等。生产管理信息层配置千兆以太网交换机，主要连接WEB发布服务器、WEB数据服务器及梯级水调自动化系统外网交换机等有关设备，并通过防火墙与管理信息系统连接，实现远程集控系统WEB发布。为实现信息安全，生产控制网与生产非控制网使用防火墙隔离，生产管理信息网则通过网络安全隔离设备与生产控制网连接。

接入层包括与调度数据网及远程电厂的接入网，均采用百兆以太网双网结构，为了确保远程通信安全，在集控中心站与通信对侧（远程水电厂、电网调度）均安装了纵向加密认证装置。为了保证信息交互的高可靠性，采用双通道冗余结构方式组建电厂接入数据网，其中电力光纤通讯作为主通道，电信光纤通讯作为备用通道。在正常状况下，集控中心站与各电厂通过电力光纤通信实现互联，只有在电力光纤通信出现故障而中断的情况下，才启用电信光纤通信作为主通道，同时主通道与备用通道间可完全实现无扰动自动切换[1]。

2 系统功能规划

目前，国内大型流域发电企业均积极开展梯级水电厂远程集控系统的建设，四川国电大渡河公司[2]，云南澜沧江公司[3]，贵州乌江公司[4]，青海黄河上游水电公司[5]等均已建成梯级远程集控系统，概括起来，梯级远程集控系统的基本功能概括起来主要包括以下几个部分[2,3,4,5,6]。

（1）数据采集、监视和控制（SCADA）；

（2）对梯级水电厂的集中控制与远程调节，防误动闭锁功能；

（3）实时数据及历史数据处理，运行监视与报警处理，运行数据统计等；

（4）自动发电控制与经济调度（AGC/EDC）与自动电压控制（AVC）；

（5）运行指导管理，安全运行分析；

（6）与其他系统信息共享；

（7）系统安全、自诊断与自恢复

五凌公司的电厂群在流域分布（沅水、资江、湘江三大流域）与电源类型（水电、火电、抽水蓄能三种类型）上均呈现出复杂性，如何对所有电厂进行集中监视和综合管理，提高电力生产的自动化管理水平，如何充分地利用水资源，提高发电效益，均是五凌公司在建设跨流域水电厂群集控系统过程中亟须解决的问题，基于此，针对五凌公司跨流域水电厂群远程集控系统建设过程存在的上述问题，对远程集控系统的高级功能进行规划与设计，并建立相应的数学模型与分析模型，目前，五凌公司正按照整体规划、分步实施的原则，在远程集控系统的基本功能全部实现并确保长期稳定、可靠运行的基础上，逐步扩展集中监控系统的高级功能，最大程度地优化流域调度，提高综合发电效益，同时提高跨流域水电厂群的自动化维护管理水平。

3 系统高级功能及实施方法

3.1 “区域值班员”模式

由于五凌公司的电厂群数目众多，为了提高运行值班员的工作效率，提出了远程集控的“区域值班员”的模式，即将五凌公司划分成若干区域，区域内的所有电厂被视为一个集控的整体，由相应的“区域值班员”实现其集控。从而突破了传统的远程集控所广泛采用“一人一席一厂”的模式，实现五凌公司特有的“一人一席多厂”的区域集控模式。

在技术上，远程集控的“区域值班员”模式需要解决以下关键技术问题主要包括①“区域”的优化划分策略；②人机交互平台优化设计；③事件、报警的查询预设筛选；④综合运行报表的生成等。

（1）“区域”的优化划分策略

远程集控的“区域值班员”模式下“区域”的划分不是电厂简单组合。而是根据电厂地理位置的相关性、相邻近及易于综合集控等特征，在充分考虑不同电厂发电机组类型的差异，按照效益最大化、控制可靠性最高的原则，对电厂进行有机整合[7]。

为了提高综合效益与值班员的控制可靠性，总结出“区域控制”模式下“区域”划分应遵循三个原则：

1）“区域”内各电厂一般存在直接的水力联系，便于电厂间经济匹配运行；

2）各“区域”所含的发电机台数不宜差距过大；

3）“区域”内各电厂的地理位置尽量邻近，有利于水电厂真正实现“无人值班，关门运行”后，“区域检修中心”位置的选择。

基于此，将五凌公司电厂初步划分为5个区域，分别为五-凌区域、三-挂-白区域、托-洪区域、碗-近-黑区域以及东-株-马区域，黔东火电厂近期只实现监视，不进行远程控制，另外考虑其他中小水电监控接入。各区域所包含的电厂及“区域”内机组台数见表1所示[7]。

（2）人机交互平台优化设计

人机交互平台是实现远程集控“区域值班员”模式的关键技术之一，其设计必须尽量参考水电厂运行值班员的实际经验，并根据运行值班人员的需求不断更新与优化，“区域值班员”模式下的人机交互界面不仅要求美观大方，还必须要求在监视信息量大的环境中，做到操作便利，界面之间切换简单，因此，“区域值班员”模式下人机交互平台优化设计应遵循以下原则[7]：

1）为提高“区域值班员”的远控机组及设备的效率，存在对“区域”所有机组进行负荷调整，远程开/停机等操作，重要开关操作的综合界面，综合界面上应采用“去繁就简”的设计思路，对于其他应用于线路或机组检修状态的设备则不予显示；

2）反映“区域”运行状况的界面应囊括“区域”内所有电厂的重要信息量，且重复信息少，信息展示方式合理；

3）尽量降低“区域”内部各电厂之间界面的切换难度与步骤。

图3为已完成设计的五凌公司“碗-近-黑”区域主接线界面。

（3）报表优化设计

“区域值班员”模式下报表设计的基本原则是在最大程度上降低“区域值班员”的劳动强度，提高“区域值班员”的劳动效率，因此，按照以下原则优化设计“区域”内电厂的报表系统。

1）在“集控层”与“电厂层”之间设置“区域层”，“区域层”的报表能反映“区域”内所有电厂的重要运行信息量。

2）统计“区域”内电厂辅助设备启、停规律，并形成相应报表，使“区域值班员”能利用报表对辅助设备的健康状态进行评价。

（4）事件、报警显示与查询优化

为提高水电厂事件的查询效率，有利于提高“区域值班员”监视与控制的可靠性，对“区域值班员”模式下事件显示与查询的方法必须进行优化，优化策略具体包括以下几个方面：

1）在“集控层”与“电厂层”之间设置“区域层”，“区域值班员”不仅能根据厂站名、设备逻辑名等方式，还能根据“区域”名实现对事件及报警进行查询；

2）支持事件模糊智能匹配查询方法，不需要输入事件的全部名称，仅需要部分字段便能对事件进行定位；

3）智能提示重复报警信息，“区域值班员”可根据需要取消重复报警信息的显示，防止在一段时间内重复报警占满整个报警窗口。

3.2 梯级电厂联合AGC/EDC

为了提高梯级水电厂的联合发电效益，有必要对梯级电厂进行联合AGC/EDC调节，以达到“节水增发”的目的，主要是在具有月调节及以上的水电厂之间进行梯级联合AGC调节。以两级电厂为例，一般以两级电厂的发电消耗的最低总蓄能为目标函数[8]，设两个电厂分别w厂和k厂，w厂有I台机组，k厂有J台机组，建立如下梯级联合AGC模型如（1）～（4）所示[8]。

式中Hw表示w厂的当前水头，Hk表示k厂的当前水头，Qi（Pi,Hw）表示 w 厂第 i台机组在水头 Hw、负荷 Pi时发电流量，Qj（Pj,Hl）表示 k 厂第 j台机组在水头Hk、负荷Pj时的发电流量，Pwl和Pwh分别表示w厂机组出力的下限及上限，Pkl和Pkh分别表示k厂机组出力的下限及上限，PHw,lm和PHw,hm分别表示w厂机组在水头Hw下第m个振动区下限及上限，PHk,ln和PHk,hn分别表示k厂机组在水头Hl下第n个振动区下限及上限。其中，约束条件中（2）式表示两梯级电厂的总出力限制约束，（3）式表示w厂和k厂各台机组出力限制约束，（4）式表示表示w厂和k厂各台机组在水头为Hw和Hk时的机组振动区约束[8]。目前，计划使用动态规划、粒子群算法求解方程通过求解方程，从而便可获得梯级水电厂的机组负荷实时最优分配方案。

3.3 上下游水电厂经济匹配运行

对于同流域的上下游电厂，一般存在较为紧密的水力联系，特别对于上游为月调节及以上水库、下游为日调节水库的两个直接水力联系的电厂，上游电厂的下泄流量能指导下游电厂制定最优发电计划，因此，有必要采用上下游电厂的匹配运行方法，以提高发电效益。由于上游电厂下泄流量已知，主要采用“以水定电”的方式优化下游电厂的运行[9]。

以五强溪-凌津滩两级电厂为例，其中五强溪电厂的水库为季调节水库，凌津滩电厂为具有很小调节能力的日调节水库，假设水流由五强溪到凌津滩的平均流动时间为τ，除五强溪电厂外的其他支流注入流量到达凌津滩的平均流动时间为Δt，五强溪在t时刻的下泄流量为Qww，其他支流注入流量在t+τ-Δt时刻的注入流量为Q0，则在t时刻已记录Qww时，能够在t+τ-Δt时刻指导凌津滩电厂制定t+τ时刻的发电计划。以凌津滩电厂在t+τ时刻处理最大为目标制定发电计划，优化方程可由（5）计算。

式中 Pj（Qj，Hl）表示凌津滩第 j台机组在水头为Hl的情况下，发电流量为Qj时的机组出力，求解该方程便可在t+τ-Δt时刻制定凌津滩电厂t+τ时刻的发电计划，并上报给调度机构，辅助电网调度机构的调度决策，提高发电效益。

3.4 “遥控”与“遥视”的智能联动

在集控中心站，“区域值班员”远程操作设备，操作人员远方控制某台机组时，远离现场设备，在操作某设备时，应通过远程的视频监控功能（“遥视”功能）了解相应电力设备的实时运行状况，因此，五凌公司远程集控系统建立了“遥控”与“遥视”的智能联动模型（见图4所示）。

图4 “遥控”与“遥视”的智能联动模型

“遥控”与“遥视”的智能联动模型中最关键是建立专家预定义的“操作-视频”知识库，“操作-视频”知识库由某项操作的编号与该操作关系最密切相关的视频画面的编号组成，存储在工业电视系统的数据库中，该知识库的形成需要有丰富经验专家或工程师的全程介入，当“区域值班员”向电厂进行远程操作时，安全Ⅰ区的站内通信机利用已定义的协议向安全Ⅲ区的广播信息，安全Ⅲ区的工业电视系统对信息进行解码，然后根据专家预定义的“操作-视频”知识库，按照一定的逻辑推理机制，远程调出与远程设备操作对应的画面，使“区域值班员”在远方能够实时、直观的了解到电厂现场设备的运转状况。例如，当“区域值班员”启动五强溪电厂某台机组时，工业电视系统上显示该机组大轴的运转等画面，供值班人员实时了解机组是否顺利开启以及大轴的运转状态，了解相应电力设备的动作是否正常。

3.5 跨流域综合集成自动化

目前，五凌公司已建成了跨流域梯级水调自动化系统[10]，跨流域大坝安全监测系统[11]等，跨流域水电厂群远程集控系统正处于研制过程中，为了对“电调”、“水调”、“大坝安全状态”等多方面信息的综合分析，最终形成最优的发电决策，有必要建立跨流域综合集成自动化平台，其结构框架见图5。

由图5可知，由跨流域大坝安全监测系统提供坝体变形度、大坝渗水度、面板裂缝程度等大坝安全信息，由跨流域水调自动化系统提供电厂入库流量、洪水预报、上库水位信息等水情信息，由跨流域水电厂远程集控系统提供电厂机组运行状况、机组实时出力、电网调度出力给定等“电调”信息，通过高可靠的多维信息融合与有机集成技术，实现多维信息的综合分析，最终形成最优发电决策，在确保电厂机组安全运行的基础，尽力增大发电效益，并通过远程集控系统最终实现各流域梯级水电厂的优化控制。

3.6 水电厂设备远程诊断和分析

跨流域水电厂远程集控系统几乎收集了水电厂机组及辅助设备运行的状态数据，目前，对于国内已建成的远程集控系统主要是为实现水电厂的远程实时控制，没有对状态进行评价分析，只能给出实时报警或者一些简单信息的趋势分析，这无疑造成了信息的浪费。因此，有必要对远程集控系统收集的信息实施深层次的分析，以评价水电厂机组及辅助设备的运行状态，最终实现远程故障诊断，提高水电厂的自动化维护水平[12]。

水电厂设备远程诊断和分析的具体原理见图6所示。

主要通过以下两个步骤实现水电厂设备远程诊断与分析。

（1）结合专家经验、现地试验结果、典型案例分析结果等信息，采用关联分析、对比分析等多种策略，对集控系统的历史数据库进行离线分析与总结，抽像出水电厂设备远程诊断的运行特征提取策略与远程分析与诊断策略。

2）利用运行特征提取策略从集控系统的实时数据库中提取反映机组运行健康状态的特征信息，利用分析与诊断策略对提取的特征进行计算与分析，最终评价水电厂设备的运行健康状态，实现故障诊断。

图7为已建立的水电厂设备远程诊断与分析硬件平台。

数据分析服务器为实现水电厂设备远程诊断与分析的物质基础，其与站内通信服务器通过正向隔离装置互联，实现对远程集控系统实时数据库的访问，与WEB数据服务器同处于安全III区，通过对WEB数据库服务器中历史数据的访问，实现运行数据的离线分析。

目前，已设计的水电厂设备远程诊断和分析的功能包括以下几方面。

（1）结合机组水头、负荷等运行状态，对油泵、备用油泵、漏油泵、技术供水泵、取水泵、各种气泵、各种排水泵等启/停时间的统计，根据泵启/停时间及专家定义的阈值，对泵的运行状态进行自动诊断。

（2）在油泵启动过程中，对油位上升速度进行分析，以评价油泵的健康状态；在油泵停止过程中，分析压油槽油位的下降速度，以检测是否存在漏油故障；根据高压油箱补气过程中油压上升速度，以评价气泵的补气性能，根据高压油箱非补气过程中油压的下降速度，诊断是否存在严重的漏气故障；

（3）结合振动摆度测量装置，分析在各种水头、机组负荷下，机组大轴摆度、上下机架及定子铁心振动、尾水压力及涡壳压力等信息量的特性，诊断机组是否存在运行稳定性故障。

（4）在机组运行时，自动计算上导油箱油位、下导油箱油位、水导油箱油位，推力油箱油位每日的下降速度，诊断是否存在相应设备的漏油事故；在机组运行时，当顶盖排水泵处于停泵状态下，计算顶盖积水水位的上升速度，检测顶盖密封情况，统计顶盖排水泵工作过程中，顶盖水位的消落速度，评价顶盖排水泵的排水性能。

（5）建立机组温度分析策略，实现测温回路故障的自动诊断功能，分析机组定子铁心及线圈温度、导轴承温度等与机组视在功率的关系，完成温度异常的自动诊断。分析主变绕组与主变视在功率的关系，比较在同视在功率下主变绕组的温度变化趋势，实现主变故障的有效诊断。

目前，已建立了压油泵、备用压油泵异常启停与故障的对应关系。具体见表2所示[12]。

因此，实时采集压油泵、备用压油泵启停时间，根据表2中列出的压油泵、备用压油泵异常启停的与故障对应关系，便可有效诊断机组相应的故障。

4 结语

鉴于五凌公司的电厂群在流域分布（沅水、资江、湘江三大流域）与电源类型（水电、火电、抽水蓄能三种类型）上呈现出的复杂性，从提高值班员监控的效率、综合发电效益，水电厂远程自动化维护等方面出发，对正处于建设阶段的五凌公司跨流域水电厂群远程集控系统的高级功能进行了统一规划，并建立了相应的模型与计算方法。这些高级功能实现不仅成功解决了五凌公司建设跨流域远程集控系统过程中面临的电厂数量多、分布跨流域等难题，提高了综合发电效益，也为其他电厂数目多、分布区域广阔的发电企业实现“远程集控”提供了新的思路。目前，部分高级功能已经在五凌公司跨流域水电厂群远程集控系统得以应用，并取得了良好的应用效果。

[1]魏志鹏，万元.五凌公司多流域水电厂群集中监控系统的整体规划与建设[C].中国水力发电工程学会梯级调度控制专委会2010年年会，2010.

[2]杨忠伟，杨华蓉.国电大渡河流域电站集控中心监控系统设计[J].水电站机电技术，2008，31（3）.

[3]刁东海，吴正义.澜沧江流域梯级电站集控中心监控系统的实现[J].水电厂自动化，2008，29（4）.

[4]戴建炜，张树京.贵州乌江流域梯级远程集控中心计算机监控系统工程设计[J].水电厂自动化，2005，（1）.

[5]王德宽，等.黄河上游梯调梯级中心电调自动化系统的实现及意义[J].水电厂自动化，2005，（1）.

[6]王德宽，王桂平，张毅，等.水电厂计算机监控技术三十年回顾与展望[J].水电站机电技术，2008，31（3）.

[7]田启荣，万元，谌斐鸣，等.“区域集控”模式在五凌集控计算机监控系统中的应用[C].中国水力发电工程学会梯级调度控制专委会2010年年会,2010.

[8]冯迅，龚传利.黄河上游梯级水电站调度自动化系统AGC优化策略[J].水电自动化与大坝监测，2007，31（5）.

[9]张高峰,权先璋,陈建国.三峡梯级水电站自动发电控制[J].水电自动化与大坝监测,2002,（2）.

[10]魏志鹏.五凌公司流域梯调系统建设经验点滴[J].水电站机电技术，2008，31（3）.

[11]谭文胜，魏志鹏，徐润明等.五凌公司大坝安全管理信息系统开发与应用[J].水电自动化与大坝监测，2009，33（4）.

[12]赵晶.水轮机调速油系统状态监测与分析[D].硕士学位论文，华中科技大学图书馆，2007.