小山口梯级水电站集中监控系统设计与实践

赵鹏飞

（江河机电装备工程有限公司，北京 100070）

0 水电站集中监控技术发展及项目背景

水电站计算机监控技术在欧美等一些工业发达国家得到较早和广泛采用。其基本理论是将计算机监控技术与水电站自动控制功能等技术相结合运用到水电站生产管理中，其特点是集成度高，能够提高电站安全运行管理水平，有效降低水电站的运行成本。近年来在国内新建项目上普遍应用，随着技术成熟和设备价格大幅下降，早期建成投产的水电站也逐渐进行改造或升级换代。

自20世纪70年代水电站采用计算机监控系统以来从国内外水电站计算机监控系统几十年的变化情况看，它的系统结构经历了一个从简单到复杂、从低级到高级、从集中式控制向分布式控制发展、从单计算机系统向多计算机系统发展、从单层网络向多层网络发展等。依据当前水电站现状，普遍认为水电站计算机监控系统的网络结构模式主要分为集中式计算机监控、分散式计算机监控和分层分布式计算机监控系统3种形式。因早期计算机比较贵多应用集中式计算机监控系统。一般只能设1台计算机对全厂进行集中监控，称作集中式监控系统。这种系统的基本特点是简单、不分层、不设采用计算机的现地控制级设备，较易于实现。当时，一切计算处理都要在集控机上进行，所有信息都要送到集控机，所有操作、控制命令都要从集控机发出，因此一旦集控机出现故障整个控制系统将面临瘫痪的危险，只能改为手动控制运行。这是集中监控系统的致命弱点。其次，由于所有信息都要送到集控机，现场需要敷设很多电缆，机组台数越多，电缆也越多，这不但增加了投资，而且降低了系统的可靠性，电缆及其接头容易发生故障。现已经不大采用，一般只在机组台数较少、控制功能简单、总装机容量在2 000 kW以下的小型水电站上采用。

第2类为分散式计算机监控。随着计算机价格的下降以及水电站对监控系统可靠性要求的提高，为了克服上述集中式监控系统的缺点，出现了功能分散式监控系统（Decentralized System）。对水电站的全部监控任务不再由1台计算机来完成，而是由多台计算机共同完成。各台计算机只负责完成某一项或一项以上的任务。如数据采集计算机、控制调节计算机、事件顺序记录计算机、通信计算机等。这是一种横向的分散、功能的分散，当某一台计算机出现故障时，只是某一功能受到影响，其他功能仍可以实施，可靠性在某种程度上有所提高。功能分散使得每台计算机的负载可以减少，从而出现了多微机系统，即用多台微机代替原来1台高性能计算机去完成监控任务，经济上也是合算的。但是，功能分散式计算机监控系统仍没有解决集中式监控系统的所有问题，从某种意义上说仍然属于集中式监控系统。如某个功能装置计算机出现故障则全厂的这部分功能均将丧失，影响较大，而且要用电缆将所有信息集中到一处所带来的电缆连接复杂问题仍然没有解决，系统可靠性仍然不是很高，而投资却增加很多。因此功能分散式监控系统目前已经很少采用。

第3类为分层分布式计算机监控。其控制形式是一个典型的正置三角形：中央——地方金字塔式、带有一定程度中央集权性质的系统。从水电站必须执行的操作，如执行网调的调度命令、正常及事故时电站操作员的操作控制、全站各台机组的成组控制以及现地闭环控制等来看，采用分层控制结构是符合水电站的生产特点的。目前广泛应用的为分层分布式计算机监控。分层分布式系统可有效克服危险集中、电缆敷设和连接复杂等缺点。典型的分层分布监控系统结构及网络见图1。

图1

大、中型水电站计算机监控系统多采用分层分布式计算机监控系统，系统基本功能有：数据采集、数据处理、控制调节、人机联系、系统通信、远动、系统自诊断、恢复、运行管理统计及多媒体功能等。需满足实时性、可靠性、安全性、可维护及扩充等性能要求。

近年来，新开发的水电站项目多在老、少、边穷的地方，随着社会进步，人们工作、生活观念发生了巨大的变化。传统的单一水电站管控模式的弊端日益突出。①电站生产管理队伍不稳定,直接影响安全发电；②监督保护手段落后和维护检修及时性不够；③每个电站配齐相应人员管理成本较高。随着计算机控制技术、通讯技术和管理要求的发展，探索实践电站群集中控制的建设和应用已经成为电力企业发展的必然选择。实施水电站集群监控，可在各分电站项目建设初期对计算机监控系统、电力调度系统、办公区建设等方面进行统一规划，将各个分散的电站监控系统集中起来进行有效的资源整合，大大降低投资成本。目前电力市场已经实施峰谷、丰枯分段电价和竞价上网的电力市场机制，多元投资主体（混改）的改革也在电力行业先行先试，向管理要效益的形势在全社会正在推进。

因此通过流域（区域）集中调度，合理利用水资源，可以有效提高水能利用效益。通过采用集中监控，可以提高自动控制水平，实现优化调度和减人增效、稳定队伍的目标。

新疆巴州新华水电开发有限公司（以下简称：巴州新华公司）已投产水电站项目有4个：分别为小山口水电站、小山口二级水电站、小山口三级水电站和哈尔莫墩水电站，4座电站均位于开都河流域，巴音郭楞蒙古自治州和静县境内。电站相邻之间距离在4～10 km内，为了充分利用小山口梯级电站特有的地理优势和水文特点，降低运行成本、提高发电效益，提高员工归属感和队伍的稳定，公司申请提出了对流域4座电站进行集中监控的需求，并得到上级公司批准。该项目《新疆小山口梯级水电站集中控制系统设备采购及安装工程》主要分为计算机监控系统、微机五防系统、继电保护与故障分析系统、电能量计量系统、视频监控系统、生产运行管理系统及网络通道建设7大部分。该工程于2012年开始进行可行性研究及设计工作，于2014年11月8日签订合同。2015年12月20日整个项目完工，历时3年余。

1 建设目标

项目建设初期规划在新疆小山口水电站建立集中运行管理中心，对4座电站实行集中监控和管理，达到“无人值班、少人值守、网络控制、统一调度”建设目标。初期系统建成后，通过逐步完善，远期实现在库尔勒远程集中控制的目标。通过不断优化完善集控运行方案，最大限度地发挥工程投资效益，稳定队伍，提高管理水平和管理效率，为地方电网的安全、经济、运行服务。同时为集团公司对各区域公司所属电站，特别是对偏远电站实现远程管理、集中控制提供经验借鉴。

2 系统总体设计

小山口水电厂共管理小山口梯级4座电站，4座电站首尾相连，一级站距四级站13 km，共装机11台水电机组，总装机容量163.5 MW。电厂管理为总厂管理，一厂管4站。一期系统工程设计主要实现将哈尔莫墩水电站（2×7.5 MW）、小山口三级水电站（3×16.5 MW）、小山口二级水电站（3×16.5 MW）以及小山口水电站（3×16.5 MW）各大系统接入小山口水电站集控中心，实现对4个电站的集中监控。

其主要内容包括网络通道、系统结构以及扩大的厂站模式设计等。远期实现在库尔勒市对4座电站及周边电站的集中监控、遥控。根据小山口“一库四站”独特的地理位置优势、各站之间距离在4～10 km内等特点，系统通讯网络通道设计，优先选用了开放式双环网结构设计，双环网结构是目前工业应用中非常先进、安全可靠的网络结构之一，为保证数据高效的传输，各电站配置2台千兆三层骨干网交换机，分别通过光纤连接，数据传输速率≥1 000 Mb/s，其中一路光纤是沿10 kV施工变线路自架的24芯ADSS光纤通道，该电缆是一种全绝缘介质的自承式架空光缆，它的结构中不含任何金属材料；热膨胀系数较小，在新疆地区温度变化很大时，光缆线路的弧度变化较小，且其重量轻，履冰和风荷也较小。另一路是选用原110 kV线路OPGW光缆备用芯，两路光纤通道互为备用，构成了具有高冗余、高可靠、高安全等特性的双环网结构，如图2所示。

2.1 系统结构设计

根据小山口流域梯级水电站的设备情况，为小山口集控中心设计建设6个应用系统，即计算机监控系统、微机五防系统、电能量计量子系统、保护信息管理与故障分析子系统、生产运行管理系统以及视频监控系统，网络通道建设7大系统相辅相成，构成流域公司集中监控的生产管理和信息化建设管控平台。

各电站系统之间以流域骨干网为核心，流域骨干网以4个电站为节点，每个电站配置2台华为S7703千兆以太网三层交换机，集控中心配置2台华为S7706千兆三层核心交换机，组成双通道冗余环网结构，4个电站视为地理位置扩大的一个电厂(即扩大厂站的理念)，各个电站根据机组台数、公用设备和开关站、闸首的设备分布等情况设置现地控制单元LCU，LCU具备其监控范围内的完整功能，可脱网独立运行。

2.2 系统组网模式设计

梯级集控中心（以下简称集控中心）与各子站的组网方式，受流域内通信通道带宽、电站自动化水平、厂内监控系统结构以及各设备供应商之间的通信协调性等因素影响，通常有以下几种模式：

（1）集控中心监控系统直接控制到梯级电站的机组（即扩大厂站模式），此模式的主要特点是流域上距离较近的几个水电站作为一个独立的整体电站，单独设置一套计算机监控系统，通过网络通道与各梯级水电站的现地LCU单元直接连接。此模式主要适用于水电站位置相对集中，数量不多，可视为同一节点，可方便快速的进行现场维护的电站。

（2）集控中心监控系统通过远动装置控制到梯级电站的机组，通常不设或简化站级计算机，电站内设置有微机远方终端，通过RTU采集电站的信息上送梯级集控中心监控系统，并将接收到的命令直接下发到各LCU，此种模式因网络结构复杂、操作繁琐且通讯传输效率低下通常已不采用。

（3）集控中心监控系统与流域梯级各电站监控系统站级计算机通信。采用此方式时集控中心和站级的监控系统分工明确、接线简单、功能层次分明，需上下级配合协调工作。集控中心通过站级计算机实现对电站的控制，此种模式当水电站脱离集控后，厂站监控系统仍可独立运行，适用于相对分散、数量较多、距离较远、交通不便且不易快速到达现场的梯级水电站，但此模式投资较高，调度审批繁琐。

上述3种方式均有一定的特点，各自适应于一定的地域和电站特点。本系统工程采用第1种方式即扩大厂站模式，各LCU直接受控于流域集控中心计算机监控系统，厂内计算机监控系统和集控中心计算机监控系统同时与现地LCU进行通信，彼此相互独立又可相互关联。这种方式既能保证数据传输的快速、安全、可靠，又能节约成本，减少数据中间流转环节。各站数据流示意图如图3所示。

图3 通讯数据流向示意图

为较好的发挥扩大厂站模式在该流域梯级集中监控系统的作用，早先在最初的一、二、三级水电站监控系统的设计中，就考虑了现地LCU单元的配置，各电站现地LCU单元皆选用互为双冗余结构的PAC 3I系统PLC，为适应集控要求，哈尔莫墩水电站建设较早，其原单网GE 9030系列PLC本次改造为双冗余结构的PAC 3I系列PLC，实现4个电站现地LCU单元控制器的一致，为小山口流域梯级集控扩大厂站模式的应用提供了强有力的硬件基础，集控中心直接控制到各站现地LCU单元示意图如图4所示。

另一方面，为避免各电站与集控中心计算机监控系统出现数据不一致，不同步等问题，保证各项参数指标的统一性，采取了以下措施：

（1）哈尔莫墩水电站原YBK-2000工控组态软件监控系统升级更换为江河股份公司Jtech工控组态软件V1.0产品；

（2）小山口三级水电站直接采用江河股份公司Jtech工控组态软件V1.0产品；

小山口水电站和小山口二级水电站原IFIX5.5监控软件进行程序升级，满足与梯级集控中心计算机监控系统软件及数据的同步刷新和一致；

（3）各电站LCU单元根据规划设计的IP地址和划分的VLAN区重新进行设定，将PLC程序进行统一升级优化，为实现厂站和集控中心计算机监控系统同时与PLC进行通信建立数据缓冲区，站级监控和集控中心计算机监控系统与PLC通信缓冲区通过国际标准规约TCP/IP通讯方式实现互联。

同时，站级监控和集控中心计算机监控系统同时监控现地LCU单元，彼此相互独立又互相关联，通过软硬结合的方式实现三级控制权限的切换操控模式，现地LCU单元具有最高控制权限，其次是站级、集控级。当现地级将权限切换至厂站级后，厂站级可将权限切换至集控中心，此时集控中心可进行操控，直接下发命令至现地LCU单元，厂站级不能进行控制操作，但可将控制权限切回厂站，而当控制权限切回至厂站级时，集控中心只能进行数据监视不能进行操控，也不能对控制权限进行切换，厂站级可进行操控。同时在任何情况下，无论在集控级、厂站级、现地级，现地LCU单元都可直接将控制权限切回现地级，由现地LCU单元进行独立操作，以实现高安全、高可靠的控制方式。

图4 集控中心直接控制到现地LCU单元示意图

图5 控制权限示意图

集控中心计算机监控系统直接与各电站层LCU通信，直接读取电站各套LCU缓冲区中的数据，并直接将控制命令下达到LCU缓冲区中，完成对受控电站的监控，通信协议采用电力标准MODBUS TCP/IP通信协议，实现电力监控系统的“四遥”功能，同时各子系统也与各电站层对应设备直接通讯，可读取和修改站内各子系统的数据，集控中心各系统都是直接作用到对应设备单元，与站内监控系统互不干扰，皆可独立运行。

3 系统实践及经验

该系统工程的实施按照“统筹规划，分步实施”的原则进行，基本没有影响电厂的正常安全生产。各电站根据发电计划，合理安排具有针对性的系统实施方案，同时依据不断发生变化的电站发电计划，在满足正常生产前提下及时修正工程实施措施和方案，确保了安装调试任务高效优质的完成，工程建设中，没有发生影响电厂安全生产的事件，项目实施安全圆满完成。

该工程总体划分为5个部分：

（1）系统网络通道规划设计、建设，集控中心平台搭建；

（2）小山口水电站以及哈尔莫墩水电站设备升级改造及接入集控中心；

（3）小山口二级水电站升级改造和小山口三级水电站接入集控中心；

（4）各站与集控中心设备联合试验、联调和试运行；

（5）系统试运行及工程验收。

网络通道完成建设和测试后，将4个电站各系统按划分的VLAN（IP规划）分配到各站连接到集控中心对应的终端设备上，集控中心监控系统及各子系统网络可直接与电站计算机监控网络集联，构成兼有双星型和双环型网络结构。2015年12月，小山口集控中心已完成建设，系统试运行安全、稳定、可靠，2016年9月通过验收。该项目的实施，为后期规划建设库尔勒远程集控中心奠定了坚实的基础。

总结项目实践经验，为未来同类项目优质、高效开展工作，以下几点供同行借鉴：①应尽早排查各电站自动控制元件、系统软硬件兼容性并进行深度调查研究，对不符合控制要求的设备等提前进行优化、改造，满足集控中心对电站现地控制设备的性能要求，可以有效缩短项目建设时间；②此类项目多数地处偏远，应重视厂内调试和验收，严格按试验大纲中的项目和标准进行，减少电站现场调试时间；③重视设计咨询和选择可靠、稳定的GPS网络校时系统，集中监控系统结构复杂、电力系统对系统时钟的一致性要求很高，保证保护、监控（含视频监控）、故障录波等控制单元时钟一致性对保障系统设备安全运行和故障分析准确尤为重要。

4 结束语

新疆小山口流域梯级集中监控系统工程的计算机监控系统采用了江河股份公司自主研发的梯级集控Jtech 2.0工控组态监控软件，该软件满足用户“无人值班、少人值守、网络控制、统一调度”的要求。项目的实施，大大的减轻了电站运行人员的劳动强度,优化了电站人力资源配置。通过梯级集中调度，有效的挖掘了发电潜力，稳定了队伍，提高了劳动生产率。同时为电站安全生产打下坚实的基础，项目的实施具有一定的经济和社会效益，对国内中、小水电站规划和建设集控中心具有一定的借鉴意义。

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