基于嵌套模型的多级集控监控系统设计

仓义东，刘振龙

（1.南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211106；2.新疆额河水电有限公司，新疆维吾尔自治区北屯市 836000）

基于嵌套模型的多级集控监控系统设计

仓义东1，刘振龙2

（1.南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211106；2.新疆额河水电有限公司，新疆维吾尔自治区北屯市 836000）

随着中国水电站的不断建设，同一河流、同一流域多级水电站的情况屡见不鲜，集控中心由于能够充分发挥流域各水电站资源优势，这些年也在不断的发展中，由早期的常规集控到如今的大型集控甚至全流域集控，集控中心正以雨后春笋般的速度不断涌现。在集控中心建设的过程中，时常会遇到一个大型集控中心控制的某个电站本身也是个小型集控中心的情况，形成了多级集控控制方式。本文从最基本的集控类型开始分析，使用嵌套模型设计思路，由浅入深的论述了多级集控监控系统的设计思路。

多级集控系统；扩大厂站；嵌套模型；控制权

1 引言

经过多年的不懈努力，我国各流域水电公司已先后建立了梯级集控中心自动化系统，实现流域梯级水电资源的优化控制管理，流域梯级电站监控、水情水调、机组状态监测、继电保护、电能量、大坝监测等自动化系统获得广泛的应用，为流域各电站实现“无人值班（少人值守）”，提高流域梯级水电站的安全运行和自动化管理水平发挥了重要作用。

集控监控系统根据控制对象及控制方式不同可以分为扩大厂站模式及集控监控模式两种。本文使用嵌套模型的方式，分析两种集控监控模式组合情况下的逻辑关系及控制权设计，从中查找规律，借此为更复杂类型的集控监控设计提供参考。

2 扩大厂站模式介绍

2.1 模型建立

电站侧监控系统LCU除与电站侧上位机系统进行通讯，还与扩大厂站侧上位机系统进行通讯。电站上位机与扩站上位机为横向并列运行关系，本文中将此种集控类型定义为类型A，其模型见图1。

2.2 数据交换方式

电站LCU与电站上位机之间使用上下位机通讯规约进行通讯，向电站上位机上送遥信、遥测信号，并接收电站上位机发送的遥控、遥调信号。

电站LCU采用相同方式与扩站上位机系统进行通讯，实现数据收发。

图1 扩大厂站模式（类型A）模型图

2.3 控制权设计

扩大厂站控制方式控制权切换点定义在电站LCU中。一般情况下，为避免各系统之间相互冲突，要求同一时刻只允许一套系统操作，其逻辑关系如下所示：

式中：Local表示LCU控制权，KZ_YX表示扩站允许标志，LCU_TJ表示LCU操作条件，DZ_TJ表示电站上位机操作条件，KZ_TJ表示扩站操作条件。

2.4 优劣分析

扩大厂站控制方式由于直接控制电站侧LCU，运行稳定度高，数据响应速度快。

扩大厂站与电站监控上位机之间为并列运行关系，一套系统异常不会影响另一套系统工作。

扩大厂站控制方式为确保数据传输的速率及安全性，要求从扩站上位机到电站监控系统之间使用专用光纤，且一般不允许监控以外的系统使用。

扩大厂站控制方式由于需要直接与电站侧LCU进行通讯，因此一般要求扩站上位机与电站监控系统为同一厂家的产品，以便于接入及维护。

扩大厂站方式由于以上方面的要求，一般应用于距离较近的电站之间，扩站中心一般也靠近其中一个电站。

3 集控监控模式介绍

3.1 模型建立

在电站原有系统结构下，新增集控上位机系统与电站上位机系统进行通讯，电站上位机与集控上位机之间为串行运行关系。本文中将此种集控类型定义为类型B，其模型见图2。

图2 集控监控模式（类型B）模型图

3.2 数据传输

电站LCU与电站上位机之间的传输方式同扩站方式。

电站上位机与集控上位机之间使用站间通讯规约进行通讯，向集控上送遥信、遥测信号，并接收集控下发的遥控、遥调令，并经由上下位机驱动下发至LCU。

3.3 控制权设计

集控监控模式下控制权切换点定义在电站上位机系统中。一般情况下，为避免各系统之间相互冲突，也要求同一时刻只允许一套系统操作，其逻辑关系如下所示：

式中：Local表示LCU控制权，JK_YX表示集控允许标志，LCU_TJ表示LCU操作条件，DZ_TJ表示电站上位机操作条件，JK_TJ表示集控操作条件。

3.4 优劣分析

集控控制模式与扩大厂站方式的优劣刚好相反，数据传输效率慢、稳定性低，集控监控系统的运行依赖于电站监控系统的支持；但是也因为有了电站监控系统的中间中转，一方面使得数据传输的安全性要求降低，另一方面也使得集控监控软件的选择上没有了电站的限制。

集控监控模式由于以上方面的原因，因此应用的范围最广，是目前集控中心最常采用的模式。

4 嵌套模型分析

4.1 类型A相互嵌套

4.1.1 逻辑关系

在扩大厂站控制模型基础上，新增一套扩大厂站控制模型，3套上位机系统都与LCU直接通讯，嵌套后的逻辑关系见图3。

图3 类型A相互嵌套逻辑关系图

4.1.2 控制权设计

控制权允许标志定义在电站LCU中。正常情况下，同一时间只允许一套系统具备操作权限，其逻辑关系如下所示：

式中：Local表示LCU控制权，KZ1_YX表示扩站1允许标志，KZ2_YX表示扩站2允许标志，LCU_TJ表示LCU操作条件，DZ_TJ表示电站上位机操作条件，KZ1_TJ表示扩站1操作条件，KZ2_TJ表示扩站2操作条件。

4.2 类型A、类型B嵌套

4.2.1 逻辑关系

在原有扩大厂站类型的基础上，新增一级集控中心，或者在原有集控中心基础上，新增一级扩大厂站控制，两种逻辑关系见图4。

图4 类型A、类型B嵌套逻辑关系图

4.2.2 控制权设计

控制权允许标志定义在电站LCU中。正常情况下，同一时间只允许一套系统具备操作权限，其逻辑关系如下所示：

式中：Local表示LCU控制权，KZ_YX表示扩站允许标志，JK_YX表示集控允许标志，LCU_TJ表示LCU操作条件，DZ_TJ表示电站上位机操作条件，KZ_TJ表示扩站操作条件，JK_TJ表示集控操作条件。

4.3 类型B相互嵌套

4.3.1 逻辑关系

在原有集控基础上新增一级集控中心，该集控中心可以与原集控并列运行，也可以串行运行，其逻辑关系见图5。

4.3.2 控制权设计

图5 类型B相互嵌套逻辑关系图

控制权允许标志定义在电站上位机中,一般要求同一时间只允许一套系统进行操作，其逻辑关系如下所示：

式中：Local表示LCU控制权，JK1_YX表示集控1允许标志，JK2_YX表示集控2允许标志，LCU_TJ表示LCU操作条件，DZ_TJ表示电站上位机操作条件，JK1_TJ表示集控1操作条件，JK2_TJ表示集控2操作条件。

5 嵌套模型逻辑关系分析总结

通过对4种嵌套模型5种逻辑关系的分析，不难看出：

类型A相互嵌套强化了类型A的全部优缺点，一方面数据响应最快，稳定性最高，各上位机系统独立运行；另一方面对于网络结构、软件选择上也提出了更高的要求。

类型B相互嵌套同样强化了作为类型B的全部优缺点，一方面数据响应最慢，稳定性差，高级别的集控系统对低级别的系统形成依赖关系；另一方面也相应的对数据安全性的要求进一步降低，集控监控系统软件可以多样化。

类型A、类型B相互嵌套则继承了类型A和类型B的优点，同时尽量避免了缺点，因此在多级集控设计中，一般建议使用这种模式。下一节将结合典型案例具体阐明。

不管使用哪种模式，对于控制权的设计方式是相同的，都是确保同一时间只允许一套上位机系统进行操作（当然，事故停机、紧急停机等不在此列），同时在有条件的情况下，建议都在LCU中实现控制权的定义、处理和上送。

6 典型案例介绍

新疆某水电公司几个电站由于同属一个流域、两个水电站群上下水库相连，有着得天独厚的水库调度和联合发电的优势。多级电站集中控制可优化负荷分配，合理利用水能，提高水轮机使用效率。

该集控中心在设计的时候，充分考虑了各电站实际情况，采用了集控中心与扩大厂站嵌套的多级集控监控系统结构，既保证了新的集控系统运行的需求，又兼顾了现有电站的运行要求。其系统结构见图6。

图6 新疆某集控中心监控系统结构图

从图中可以看出，电站1通过扩大厂站方式控制电站3，为类型A；电站2上位机与集控中心通讯，为类型B；集控中心通过电站1控制电站3，为类型B嵌套类型A，电站2既受集控中心控制，又受电站1扩站控制，为类型A嵌套类型B，调度通过集控中心“控制”电站2电站则为类型B嵌套类型B。

一张系统结构图几乎囊括了所有的嵌套类型结构。了解了嵌套类型，对于数据传输方式、控制权切换方式自然一目了然了，由于文字关系，在此不再单独表述。

7 结束语

不管多复杂的集控系统体系架构，其基本的逻辑架构都是由以上两种基本类型通过嵌套组合获得，各自的优缺点也一目了然，在实际的多级集控监控系统设计中，在条件允许的情况下建议首选类型A相互嵌套的方式，避免类型B相互嵌套的情况，或至少保证类型A、B相互嵌套的方式。

[1] 王劲夫，林峰.中型梯级水电站实现“无人值班”集控监控的技术讨论［J］.水电站设计，2006，（2）：54-60.

[2] 王德宽，张毅，余江城，等.流域梯级集控中心自动化系统智能化建设总体规划设计［J］.水电站机电技术，2012，35（3）：1-4.

仓义东（1983—），男，工程师，主要研究方向：水电厂自动化。E-mail：cangyidong@sgepri.sgcc.com.cn

刘振龙（1973—），男，高工，主要研究方向：水电厂自动化。E-mail：635lzl@163.com

The Design of Multistage Control System Based on the Nested Model

CANG Yidong1, LIU Zhenlong2
(1. Nanjing NARI Group Corporation, Nanjing, 211106，China; 2. Xinjiang Irtysh River Hydropower Co. Ltd., Beitun,836000,China)

With the continuous hydropower station construction in China, it is often seen. A multistage hydropower station in the same river, centralized control center can give full play to the due to river basin hydropower station resource advantage, these years also in the unceasing development. Centralized control center can give full play to the resource advantage of river basin hydropower station, these years also in constant development,by the conventional set early control to large set now control even whole basin centralized control, centralized control center is constantly building.In the process of establishment of centralized control center, often encounter a large centralized control of a power station control center itself is a small center of control situation.The formation of multi-level set control method.In this paper, from the most basic of centralized control type to analyze, using the design ideas from the shallower to the deeper nested model, discusses the design idea of multilevel centralized control monitoring system.

Multi centralized control system； expand the station； nested model； control