基于无线移动技术的低压水电站综合自动化系统

周忠育

（浙江省瑞安市林溪水电站，浙江温州325213）



基于无线移动技术的低压水电站综合自动化系统

周忠育

（浙江省瑞安市林溪水电站，浙江温州325213）

摘要：针对目前很多低压水电站的自动化系统结构复杂、系统技术落后、无法实现“无人值班、少人值守”等问题，开展了基于无线移动技术的设计与研究，将无线移动技术应用到低压农村水电站技术监控、上位机监控、LCU监控等，实现了移动手机与上位机的信息通讯。该系统应用于浙江省瑞安市林溪水电站，取得很好的效果，值得其他农村水电站的远程监控借鉴。

关键词：低压水电站；无线移动技术；综合自动化系统；LCU

1　引言

随着云技术、移动信息化技术、互联网技术等的发展，低压的农村水电站有望首先实现“无人值班、少人值守”的运行模式。实现对小水电的可移动远程四遥（遥测、遥信、遥控、遥调）；可远程对小水电进行发电计划设置；对小水电内部重要信号进行告警，及时通知相关人员进行处理；实现对小水电发电数据的统计和分析，给运维提供指导等。

但是总体设计需要遵循以下一些原则：①遵循小水电监控系统的要求［1］，充分利用现有的工作基础，减少系统建设过程中的工作量。②在远程集中监控运维系统建设过程中，系统平台采用基于统一模式的全局管理，并且在整个分布的通信节点上采用授权方式，丰富系统管理方式，提高系统的易用性和安全性。③按照“全局规划，分步实施”的设计原则，在系统平台设计上充分考虑系统的开放性、可靠性、安全性和可扩展性，采用分层分布式体系结构。④系统数据库模型基于统一信息模型建立，规范化的系统模型为系统信息的提取提供有力的手段，方便在其上进行导入导出工作。系统的功能模块按照组件框架设计，支持在SOA总线之上获取服务及接口。⑤系统按照通用平台的思路设计，将管理层接口和数据获取层接口按照一定的标准开放，使系统的通用性和可接入性大大增强，不再局限于仅能接入某个厂家的小水电监控系统。⑥前置设计了规约基类和通讯设备基类，规约和通讯设备的实现在基类的基础上继承，并以动态接口库的方式给出。系统给出“插槽”，新增设备和规约都可以实现即插即用。⑦使用非常灵活，易于扩展。系统对接入的小水电系统提供了有效的保护，以后所有其他系统同该小水电系统数据交互的需求都通过远程监控和运维系统完成，有效的消除了小水电系统在同其他多个系统进行数据交互时所带来的额外负担和安全隐患。

2　总体构架

本系统主要包含网络通讯管理机、网络、服务器和工作站4个部分（如图1所示）。其中网络通讯管理机是小水电系统到集中监控平台的适配器［2］，他将各个异构的小水电监控系统配到统一的集中监控平台，从而让平台能够屏蔽同各种不同的小水电监控系统的差异，以统一的方式进行管理，提高了系统的效率和安全性。网络部分主要解决以太网传输和通过移动网络（GRPS/CDMA/3G/4G等）进行传输问题，为系统的通信提供一个统一的管理方式，保证数据的可靠传输。服务器是系统的数据核心，具体来说包括前置服务器、通信服务器、SCADA服务器、数据库服务器、报表服务器等，所有的平台采用分布式构架，所有的服务器功能可以部署到一个或者多个物理节点上。工作站是系统平常工作的人机界面，从工作角色上，可划分为维护工作站（对系统本身的运行状态进行信息收集和维护）、管理工作站（对系统进行操作和管理）、报表工作站（制作、生成、打印系统报表）。

图1　总体构架图

3　主要功能

水电站计算机监控的上位机、LCU等传统的功能已有很多文献介绍，本文只介绍一些特色功能。

3.1运行工况监视

主接线图、计算机系统设备运行状态图；电站厂用电、控制电源电气接线图、辅机工况图（机组、进水阀及其油、气、水系统实时状态模拟图）、公用部分监视图、机组开、停机过程状态转换顺序流程图（带转换时间）、机组监控图、实时温度总汇图、报警记录、历史曲线、棒图、电度统计画面、各查询统计表、操作指导画面包括正常操作和事故操作指导，如根据电站主设备运行状态［3］，提出运行操作和调整的指导性意见画面，电站主设备异常或出现事故时，提出对策和操作的指导性意见画面，运行及生产管理方面的显示画面等。

3.2电站运行指导

运行指导将电站的一些重要而复杂的操作条件以及进行这些操作形成的专家经验输入计算机系统，当进行这些操作时，计算机根据当前的状态进行条件判断，提出操作指导意见。主要包括：机组开/停机操作指导、主要隔离刀闸操作联锁指导、主要电气操作票、主要事故、故障原因提示及处理指导。

3.3报警

①报警查询：实时报警和历史报警查询。包括模拟量的越限报警、复限提示以及有关参数的趋势报警，事故、故障顺序记录，相关量记录以及监控系统自诊断报警等。②语音报警：发生报警事件时，循环语音播放报警。③短信告警：置外部短信发送模块。

3.4报表

①报表定制：电度年、月、日报表（同时也可按8 h 或12 h以班组为单位统计电度）、温度、日报表、电气报表（电压、电流等）；②报表打印：对监控画面、报表、曲线、各种操作、记录等的打印功能。打印分为：定时打印和召唤打印。

3.5监控系统自诊断

监控系统能进行在线和离线自检计算机和外围设备的故障内容并指出故障模件位置，检测结果应打印记录。可在线和离线诊断自检各种应用软件和基本软件故障，当程序死锁或失控时，能自动启动或发出冗余切换请求，并具备自恢复功能。

3.6数据通信

①数据采集与通讯：监控系统应具有通信工作站与调度实现数据通信［4］。监控系统还应能与水情报系统、电力系统安全自动装置、电量计费系统等之间实现数据通信。②监控系统时钟同步：监控系统具有时钟同步能力，使系统时钟与卫星时钟同步。

3.7运行维护管理

电站监控系统能自动统计电站主设备的运行小时数，主要操作、事故和故障次数，主要设备运行参数或状态等数值，建立历史数据库存档备查。

①操作记录。对电站主要设备发出的手动或自动操作命令，如机组开、停，断路器的分、合等操作均进行记录，并汇总形成当天（或当班）的操作统计记录，可供运行人员查看，汇总记录可自动定时打印，也可随机召唤显示或打印。②主要动力设备运行统计记录。a.机组：统计机组开、停机次数，本次运行小时数，累计运行小时数，检修次数及时间，利用小时数，停机备用小时数，检修小时数等。b.断路器：累计合闸次数，正常跳闸次数，事故跳闸次数，断路器分闸延迟时间的数值等。c.公用设备：排水泵、空压机等启停次数及运行时间。d.事故、故障参数越复限统计记录。对电站的所有事故、故障信号进行记录，并汇总形成当天（或当班）事故、故障统计记录，可供运行人员查看设备运行情况，汇总记录可自动定时打印，也可随机召唤显示或打印。

4　核心技术

4.1水电链路监控器的开发与应用

该设备负责管理同远方小水电系统通讯的整体工作，包括建立、维护和中断同小水电系统的连接。这其中包括所有链路（包括主备节点）状态的监视和控制，同后台节点的通讯，主备节点上监控子系统由于故障发生的切换和正常通讯。链路监控器的主要功能包括：提供一个网络管理界面控制小水电接入的状态，动态的定义或删除一个节点；通知网管代理小水电系统的运行和恢复；提供透明访问远方小水电系统；自动选择变化路径，避免通讯失败，自动选择最优路径；支持点对点通讯和一点对多点的通讯；自动统计小水电系统状态。当发生信息传输故障或通道故障时，它会根据数据采集器传送过来的系统运行状态信息，进行告警或者根据专家库里的经验，进行自动化处理；接收变化模拟量、变化开关量、SOE数据等，经过适当处理形成事件发送给数据系统接口，然后保存到系统参考数据库。接收定时系统信息：电度量、全数据（遥测量、遥信量），经过适当处理形成事件发送给系统接口节点，然后保存到系统参考数据库［5］。

4.2水电站扫描器的开发与应用

电站扫描器负责执行通讯请求并将获得的结果转换后返回到水电监控器，电站扫描器负责通知链路监控器链路状态改变。负责统计每个连接上的状态，包括发送包数目、接收包数目、超时数目、无效包数目、校验和错误的数目，当需要的时候这些状态将通知到网管代理。

电站扫描器通过周期性的问答来得到电站上的当前的遥测和遥信数据，自上次扫描后变化的数据将在下次扫描时上报，扫描的时间间隔可以设定。电站扫描器的主要功能如下：根据需要建立和中断与厂站的通讯连接，进行规约的转换和处理；根据制定的扫描周期通过建立的连接扫描厂站，维护统计链路的状态；提供规约库，支持常用的远动规约（IEC104、SCI 1801、CDT等），通知主机链路状态改变，统计未通过校验的信息字，并做相应的报警处理。

4.3网管代理技术

网管代理模块主要是用来维护实时库，它封装了实时库的管理接口，所有有关集中监控系统的链路、设备、RTU等实时信息都是通过网管代理来进行更新。网管代理主要功能包括：维护和更新系统配置库，并负责将更新后的配置库复制到其他备用服务器上的系统配置库上，保证整个系统中的所有系统配置库的一致性和完整性；负责为系统配置人机界面子系统在线的控制和修改系统配置数据库提供服务接口；负责将从通讯监视器接收到的系统运行状态信息以及远动通道的故障及恢复信息通报给报警和事项子系统，以产生警报；周期性地搜集统计数据并将数据存入到系统配置数据库中；处理数据采集子系统初始化时的下载参数请求。

4.4专家库技术

专家库中包含了当前小水电运维管理过程中的经验信息和专家信息，它被网管代理所完全拥有，所有的管理都是通过网管代理来完成的。专家库是一个标准的内存数据库，分为静态和动态两部分。静态部分描述了系统的组态信息，拓扑信息，资产数据等，还包含了它们之间的关系。动态部分包含着这些对象的当前状态。专家库是由网管代理来更改的，对复制库的传播也是由网管代理来实现的。为了减少传播的数据量，所以分为静态和动态两部分。

5　案例分析

林溪水电站位于瑞安市金潮港支流湖岭镇三十一溪上游，水库集雨面积52.5km2，水库总库容1945万m3（现状规模为1 450万m3），属林溪水库配套工程，是一座低水头混流式坝后电站。电站始建于1958年4月，1965年7月竣工投产，当时总装机为830 kW。2010年9月，正式启动技改，于2011年12月25日完成所有技改项目。该站现装机3台630 kW机组（低压机组），总容量为1 890 kW，设计平均年发电量达450万kW·h。

林溪水电站基于无线移动技术的低压水电站综合自动化系统按照“无人值班，少人值守”原则进行总体设计和系统配置。该系统按全分布开放式系统结构设计，以计算机监控为主、常规控制为辅，计算机监控系统为容错设计，任何一台监控设备发生故障不会引起系统误操作而降低系统其他性能。设备现地控制LCU单元也不会因主控级发生故障而影响设备各自的监控功能。该系统由站级计算机工作站、设备现地控制LCU单元、微机保护装置组成。

6　结束语

本系统综合运用了自动化控制技术、通讯技术，使系统功能齐全、可靠，配置灵活、经济，操作方便，实现了水电站的“无人值班，少人值守”和安全经济运行等，从各方面满足了安全运行的需求。特别是在低压机组的使用，极大的提高了水电站的自动化水平和稳定运行率，为水电站的日常管理、电力调度、设备保护等提供了更多的保障。

参考文献：

[1]方辉钦.现代水电厂计算机监控技术与试验[M].北京：中国电力出版社，2004.

[2]徐金寿，张仁贡.水电站计算机监控技术与应用[M].杭州：浙江科学技术出版社，2007.

[3]徐锦才.小型水电站计算机监控技术[M].南京:河海大学出版社,2005.

[4]胡冬妮,贾剑峰.小型水电站综合自动化控制装置的比较与应用[J].小水电，2009(04）：77-79.

[5]谭云广，谭博元.微机自动化在水电站应用模式及相关设备选型应注意的问题[J].中国水能及电气化,2008（03）：59-63.

作者简介：周忠育（1969-），男，工程师，研究方向：水电站运行与管理。

基金项目：浙江省农村水电安全监管监控系统建设可行性研究（RC1421）

收稿日期：2016-01-18

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.005

中图分类号：TV736

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2016）04-0017-04