流域梯级小型水电站群集中监控系统的研究与实践

何照

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004）

流域梯级小型水电站群集中监控系统的研究与实践

何照

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004）

摘要：小水电机组运行管理与大、中型电厂相比有其自身的特点，其设备改造项目必须结合自身的特点进行，符合“改造投入少,产出效益高”的原则。四川理县华成水电开发公司充分利用自身力量完成机组监控系统改造，迈出了梯级水电站集控建设开发的重要一步。

关键词：小水电监控系统；改造；自行实施

五凌电力四川分公司所辖理县华成水电开发公司流域共规划了5个梯级水电站，分别为红叶一级电站、毕棚沟一级和二级水电站、梭罗沟一级、（二级电站正在建设中），由于各厂系同一流域，相互之间距离较远，为了便于电厂管理，同时提高机组自动化管理水平，实现流域梯级水电站集中控制，达到“少人值班，远方集控”的要求，四川分公司提出了梯级远方集中控制系统建设的设想。针对设备目前状况，首先从机组设备改造入手，分别有监控系统改造、工业电视系统改造、电量计量系统改造等，到2014年底为止，已完成了红叶一级水电站和毕棚沟二级水电站的机组监控系统改造。

图1　电站分布示意图

电站位于四川省阿坝州理县境内，系杂谷脑河二级支流梭罗沟中下游上开发的径流引水式电站，水电站由首部枢纽、引水隧洞和厂区枢纽组成。红叶一级电站装机2×8.5MW。毕棚沟二级水电站电站处于已建成的毕棚沟一级水电站和红叶一级水电站之间，装机2×3.2MW。

1　建设目标

1.1水电站群远程集中控制系统

建设结构合理、功能完善、接口开放的水电站群远程集中监控系统，为理县梯级水电站群搭建稳定、统一、开放的流域调度底层统一平台和开放的第三方接口。系统可实现梯级所属多个水电站的四遥功能（遥测、遥信、遥控、遥调），可同时对梯级所有水电站进行实时监视、控制、自动发电控制（AGC）以及自动电压控制（AVC）。系统在节点配置和软件架构体系上具备良好的可扩展性，可在不影响系统正常运行的情况下接入新投运电站，并且能够满足各类高级应用软件的要求。

1.2统一、可扩展网络体系

针对集控中心建设中存在的地域空间跨度大、基础通信设施相对薄弱、水电站级数多、项目建设周期长等众多特点，规划并建成适合理县梯级水电站群的安全可靠、合理高效的广域、局域网络体系。该网络体系必须符合国家电力安全管理规范，稳定可靠、具备十分良好的开放性结构，以便在新电站陆续建成时能够对系统方便地进行扩容和升级。

1.3统一、开放数据平台

传统点对点应用通讯方式存在开发、维护难度大、数据一致性难以保证的缺点，因此，集控中心有必要搭建系统集成度、数据整合度较高的统一开放数据平台。数据平台提供数据采集、数据处理、数据存储、数据访问、数据发布、安全管理等基础功能。平台具备良好的可扩展性，能够满足3方面的扩展性要求：①不断增长的数据管理需求；②不断增长的终端用户需求；③不断增长的功能类型需求。平台提供多种标准的外部访问接口，能够方便地与生产管理系统、办公自动化系统等外部系统实现对接。在建设开放数据平台的过程中要充分考虑电力系统网络分区的特点，确保符合电力系统安全管理规范。

1.4水资源高效安全利用

根据理县梯级水电站群的具体特点、实际需求以及今后的发展趋势，综合运用通信、计算机、控制、水电等领域成熟可靠的先进技术，进行科学、合理的系统规划和设计，借助先进的项目管理理念及严格的项目实施控制，确保集控中心建设成为有竞争优势的流域集中管控中心，建成后能够对理县梯级水电站群实施有效的调度和控制，最终实现流域水资源的合理调配和综合利用，提高水资源的利用效率。

2　建设要求

2.1技术先进

系统应采用通信、计算机、控制、水电等领域的最新技术成果，采用先进的平台技术和系统模型，采用分布式处理技术、集群技术、双机热备冗余技术等先进成熟技术，具备完善的跨平台和混合平台的能力。整个系统应该能够在较长时期内保持国内领先水平。

2.2功能完备

根据集控中心实现水电站群流域水资源的合理调配和综合利用，提高水资源的利用效率的最终目标，对集控中心总体功能、各子系统的结构组成、功能体系、及各类高级应用软件进行全面综合考虑，形成一整套完备的水电站群水电联合优化调度与远程控制体系，确保各子系统和系统总体功能完备。通过制定长期建设计划，分期先后实现各项功能。

2.3可靠性高

在设计阶段进行全面的系统可靠性分析与设计，并坚持以下原则：系统内部件故障不影响其他部件正常工作，不影响整个系统正常工作；某个子系统故障不影响其他子系统正常功能；各功能出现故障时，可通过人工方式快速处理，避免中断相关的整个业务流程；监控系统和调度系统自身故障不影响电站机电设备支持运行；系统具备相当的自诊断、自恢复能力，并且具备运行日志、故障自动报警、记录等功能，便于在系统出现故障时，维护人员能够快速定位和排除故障。

2.4系统安全

系统满足《电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定》（中华人民共和国国家经贸委第30号）和《电力二次系统安全防护规定》（国家电力监管委员会5号令）对电网计算机监控系统和系统之间互联的安全要求。系统配置并正确应用正向隔离装置、反向隔离装置、纵向加密认证装置和硬件防火墙，并采用IP映射、访问控制列表（ACL）、用户口令加密与认证等软件技术手段，最大程度上保证系统的安全。

2.5实时性强

实时性主要体现在梯级水电站群远程监控系统中，由于该系统与各梯级水电站进行通讯中，存在网络结构复杂、地域空间跨度大、路由时间长、广域网络传输速率慢、传输数据量大、数据中转环节多等因素，使得实时性成为系统设计时需要着重考虑的问题。实时性主要反映在数据采集、遥控、遥调、自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）以及与中调远动通讯中。应确保水电站群远程监控系统响应速度能够满足电力系统对梯级各电站监视的实时性要求。尤其要注意的是，当数据采集出现明显滞后时，将可能影响PID、AGC、AVC等功能的正常发挥，给电力生产带来一定的安全隐患。

2.6人机接口

系统提供从总体到局部、多样化的、可组态的监视画面，使运行人员能全面清晰地了解各水电站实时生产状况，辅助运行人员对梯级水电站群进行良好的调度和控制；提供面向对象的可视化控制操作画面，使运行人员快速准确地实施各类操作和调节指令，避免出现误操作；提供各类型统计报表，辅助运行人员进行有效的生产管理和经验总结；提供报警登录界面，辅助运行人员及时掌握运行中出现的异常状况，有效地对梯级主要机电设备、辅助设备以及系统本身进行控制和管理。

2.7可扩充性

系统应该能够满足理县梯级水电站群逐步建设、逐步投运、逐步扩充、逐步升级的需求，满足电力市场发展的需求，满足各类新增高级应用软件的需求。系统能够支持多种类型的计算机硬件设备及多种操作系统平台，软、硬接口符合国际标准，系统可方便地增加新的计算机以及新的应用软件。系统可在正常工作的同时方便地增加新投运水电站，并能够方便地增加新投运水电站的AGC高级应用模块。系统能够方便增加新的水文测站，以及增加新的测量类型。

2.8开放性

系统选用符合现代工业标准、由具有相当生产历史的制造商生产的或软件商开发的、在国际上占有一定比例的主流软硬件产品。系统采用开放体系结构，为调度通讯、各类高级应用软件提供符合国际标准的、统一的、多样化的应用程序接口，便于第三方系统的接入与集成。

2.9可维护性

系统具备高度的可维护性，提供系统运行状态监视告警系统、图模一体化数据库管理工具，备份恢复工具，资源调度管理，故障诊断工具等维护管理工具。系统提供离线和在线两种诊断手段，以便及时发现和排除系统内部的故障，提高系统可利用率。系统具备全面的自诊断与自恢复功能。

3　总体结构

3.1网络系统

集控中心的局域网均由远程计算机监控系统等组成。各局域网之间按照国家电力监管委员会颁布的《电力二次系统安全防护规定》进行合理的安全区划分，并采用正确的安全措施连接各局域网。广域网则采用地面专用光纤通道，主备冗余双通道，当主通道故障时，可以自动切换到备用通道，并向值班人员作出相应报警。

3.2系统结构

集控中心计算机监控系统采用开放式分层分布系统，全分布式数据库，系统有1套主服务器、1套应用服务器、2套操作员工作站、1套工程师工作站、2套电站通讯服务器、2套调度通讯服务器、1套语音报警及短信寻呼工作站。

集控中心通过梯级各电站LAN网实现对电站所有机电设备的运行情况进行全面监视，对状态检修用途的数据进行采集、处理、归档、历史数据库的生成、网络数据拷贝。此外，集控中心计算机监控系统通过梯级各电站上位机系统，实现对梯级各电站主要机电设备的远程控制和调节。

集控中心设有其监控范围内各电站完整的实时数据和历史数据，各电站也分别设有其监控范围内完整的实时数据和历史数据，当与集控中心系统通信中断时，能保存完整的历史数据，并能在通信正常后响应集控中心系统命令将中断期间的历史数据信息传输到中心系统，以便恢复中心历史数据库。

监控系统局域网按IEEE 802.3设计，采用全开放的分布式结构，网络介质采用光纤电缆，通信规约TCP/IP，网络的传输速率不小于100Mb/s。监控系统完全符合国际标准定义的开放式环境，支持Linux、UNIX、WindowsNT操作系统，编程采用C语言等高级语言。

4　设备改造情况

4.1改造前设备现状

毕棚沟二级电站监控系统为老式纯机械操作式的设计，中控室只有1台纯手动的综合操作台，整个厂房的电气设备监控仅仅依靠现地盘柜和中控室控制台上的少量指示灯和光字牌来实现。全厂保护设备是老式的继电器式动作保护，占用空间大，功能也很有限，接线繁杂而且都是淘汰停产的设备，设备维护和部件更换十分困难。现有监控和保护系统已经不能满足现代水电站的生产效益和安全运行要求。

红叶电站计算机监控系统在2004年进行过上位机系统升级,但由于现地控制单元所用的PLC与上位机系统是通过串行通信口连接的，该型号的PLC串行通信协议效率相对较低，并且当前相应的备品配件购买困难。监控系统是以日本光洋PLC为主体（开入模块每块的开入点为17点，开出17点，模入4点）,现地人机接口为一体化工控机。数据上传是由一体化工控机与PLC及附属设备通过串口通讯后再上传至后台系统。上位机系统使用2台配置比较低的SUN服务器做为冗余备用的运行方式，目前已不能满足现在的图形处理和程序应用的硬件配置要求，必须改造。辅机控制系统采用欧姆龙C200H型的小型PLC，目前仍然可以使用，但由于没有通讯接口，一直没有实现与监控系统的通讯，只有硬接点的信号量上送。

4.2前期准备工作

（1）编写机组监控改造技术方案，编写了《红叶一级电站监控改造厂用电中断预案》，《毕棚沟二级电站监控改造厂用电中断预案》。

（2）参加了南自公司组织的技术联络会，确定了产品型号、屏柜尺寸颜色等需改造的设备。同时要求厂家尽量加快工期，利用机组出线回路上变压器检修期间，抓紧进行改造。

（3）编写改造现场施工方案，编制电缆、端子排等施工材料、工器具的采购计划。

（4）开展现场图实相符核对工作，由于原来设备图纸遗失严重，故要求维护人员到现场核对所需拆除的每一根线，每一个端子，并作好记号，屏柜移位前仔细核对安全措施是否做好，拆除线前必须测量是否带电，并包扎好。

（5）由于现场部分自动化元件还未改造到位，需要手动检查和操作，暂时达不到远方集控的要求，在考虑机组流程设计时不得不将时间延长，防止开停机时间过长，引起流程失败。

4.3试验

监控改造由于所涉及的面非常大,而且机组控制系统大面积的改造大部分员工是第一次参与，所以在设备通电前搞好核对工作是非常重要的,故在设备通电前要求所负责工作面的负责人签字确认自己接线核对无误,并制定了详细的设备通电及启动方案,机组运行、试验及整体验收方案。

4.4机组监控系统改造后的设备配置

（1）厂站控制级系统

2套主机/操作员站，机型：HP高性能计算机Z400；

1套通讯服务器,HP高性能计算机Z400；

1套UPS电源:配置1套UPS（≥6kVA，后备1h）不间断电源与1组60 Ah蓄电池构成电源系统，供计算机系统主控级使用；

1套GPS时钟（包括天线及馈线）；

1台激光打印机。

（2）现地控制单元

2套水轮发电机组现地控制单元LCU1、LCU2开关站及公用设备现地控制单元LCU3。

（3）全套网络设备及网络电缆

上述全套网络设备除上位机及现地控制单元所必要的网卡、交换机、网络电缆等网络设备外，还应包括与调度通信的相关网络设备。

（4）软件:系统软件/支持软件/应用软件

（5）监控系统可分为主控级和现地单元级。主控级设有2台主计算机/操作员工作站、1套通讯服务器、1套语音报警ONCALL装置、1套GPS时钟对时装置、1台激光打印机以及配套的外围设备 (包含UPS系统等)。主控级除完成对电厂的监视控制外，还可实现与电力调度系统等的通信，是整个电厂的控制核心。现地单元级共设3个现地控制单元（LCU），由可编程控制器等组成装置，直接面向生产过程，负责对现场数据的采集和处理，能够独立或按主控级的命令完成对电厂机组及其辅助设备、开关站、公用设备、枢纽等的监视和控制。网络采用快速100M光纤以太网。

（6）采用全分布开放系统结构，主机/操作员工作站/通讯服务器等都使用符合开放系统国际标准的UNIX操作系统，网络软件为TCP/IP、工作站图形系统符合X-Window/Motif标准。上述各计算机都直接接入冗余高速网络，可获得高可靠性、高速通讯和共享资源的能力。

（7）网络上接入的每一设备都具有自己特定的功能，实现功能的分布，每个节点严格执行其规定的功能，并通过网络与其他节点交换信息，既保证了某一设备故障只影响局部功能，又利于今后功能的扩充。网络采用冗余的双光纤以太网，充分保证计算机监控系统网络的可靠性。

（8）系统先进、可靠。冗余化的电源设计和开放式系统结构，使系统既可靠实用、又便于扩充，整个系统性能价格比高。

（9）监控系统配有远程诊断的功能。

（10）系统由电厂层和现地层组成，主机现地层由4台面向生产对象的现地控制单元（LCU）组成，LCU为智能化结构，按取消常规接线和采用现场总线技术设计，采用经PLC直接上网的连接方式；所有I/O模件均采用与CPU同一系列产品，同时配置高档10.4"彩色液晶触摸屏作为现地人机界面。

5　总结

由于在机组监控系统改造前制定了详细的技术方案，机组从设备通电、调试到一次性启动并网成功，两厂的机组监控系统改造从方案设计讨论、改造施工都是自己专业人员亲自动手全方位参与，既锻炼了技术力量，又使专业人员更加熟悉了设备，有一举两得的效果。机组监控系统的成功改造，是设备改造迈出的成功第一步，也是非常关键的一步，为以后实现全流域所有电厂的机组集中控制打下了设备基础，也标志着机组设备管理水平踏上了一个新台阶。

参考文献：

[1]DL/T 1313-2013流域梯级水电站集中控制规程[S].

中图分类号：TV736

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）08-0084-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.025

收稿日期：2015-05-04

作者简介：何照（1975-），男，工程师，从事水电厂机电设备维护检修工作。