梯级水电站集控中心智能报警系统设计与应用

许利文，刘 邓，何尧玺，李大领，段尧彬

(1.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

随着中国水电建设的发展，各流域上已形成越来越多的梯级水电站群，梯级电站的管理模式由原来的现场管理逐步转变为“远方集控+现场值守”管理模式[1]，集控中心越来越多地承担电站设备的调度、监视、控制职责。接入集控中心的电站规模越大、数量越多，需要监视处理的信息量越大。利用监控系统高质量地监视报警及事件信号进而为电力突发事故(事件)处理提供决策支持，是集控中心保障梯级电站安全的关键环节。

国内对电站或集控计算机监控系统开展了相关研究。唐杰阳等[2]提出了结合深度学习和规则推理的计算机监控系统综合智能告警方法；高国[3]通过筛选出能够反映水轮发电机组及其辅助设备运行状态和故障现象等的特征数据，进行了设备运行趋势分析、故障分析及故障辅助决策研究；张明君等[4]提出了针对巨型电站“调控一体化”的智能报警技术；张东峰等[5]提出了智能化处理机电设备故障信息、滤掉无效报警、自动快速识别和定位故障的智能报警。但是，此类研究仍存在不足，例如划分信号等级标准不一、综合性虚拟点的对象选择及合成策略需要进一步改进发电计划的报警较少、报警视觉化不强、事故(事件)处置步骤的指导性不强等问题。

本文以乌东德-白鹤滩梯级水电站昆明集控中心监控系统为例，设计了集控中心监控系统的智能化报警功能，可为智慧水电站建设提供一定参考。

1 工程概况

乌东德水电站位于四川省凉山州会东县和云南省昆明市禄劝县交界的金沙江河道上，单机容量世界第二、电站规模世界第七。电站左右岸各6台水轮发电机组，单机额定容量850 MW，总装机容量10 200 MW，多年平均年发电量389.1亿kW·h。乌东德水电站上送到昆明集控中心“四遥”的信号量达近20万个。

白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县交界的金沙江河道上，单机容量世界第一、装机容量世界第二。电站左右岸各8台水轮发电机组，单机额定容量1 000 MW，总装机容量16 000 MW，多年平均年发电量624亿kW·h。白鹤滩水电站上送至昆明集控中心“四遥”的信号量达近30万个。

2 报警实用性分析

当前，各梯级电站的集控中心监视电站设备状态以专位、人工监屏为主，对监屏人员的素质、分析判断能力、精神状态要求很高；客观上也存在信号量大、重要信号容易被淹没等问题，特别是发生应急事件时，易造成监屏人员漏监视现象。即使部分集控中心运用了语音报警功能，但出于对报警全覆盖的考虑，选择的语音报警数量过多，加之报警策略不完善因此未能充分发挥语音报警的作用。在紧急情况下，易出现因缺乏详细的指导而处置不当的现象。

基于上述情况，乌东德-白鹤滩集控中心监控系统按照“全面监视、重点报警、快速响应、应急支持”的原则，提出了优化监控系统智能报警设计思路：对全部报警及事件信号进行分级，将主设备状态变化、发电计划执行作为报警重点，以语音播报、画面推送、动效显示、颜色变化等多种形式呈现报警信号，并提供主设备典型故障应急处置措施。通过一系列合理的设计和组织，使报警等级划分更加合理，播报语音数量更加优化，报警重点更加突出，决策支持更加精准，从听觉、视觉双重感官上传达报警信息，达到智能促安全的目标。

3 智能报警设计

3.1 报警及事件信号等级划分

监控系统通常设置2个信号监视窗口[6]，分别是报警一览表和事件一览表。报警一览表用于监视报警信号，一般设置一、二、三级；事件一览表用于监视全部信号，一般设置一、二、三、四、五级；两表相同级别信号一致，具体级别数可根据实际监视需求，对监控系统进行设置。基于上述级别设置，根据信号的重要性划分等级，级别数值越小，越重要，具体的划分原则如下。

(1) 一级信号，定义为可直接导致主设备跳闸的事故报警信号和反应事故情况下主设备状态变化的虚拟信号点，触发时分别进入报警一览表和事件一栏表。这类信号主要包括：引起主设备跳闸的保护动作信号(电气量保护、非电气量保护、水机后备保护等)、安控装置动作信号、解列装置动作信号以及主设备开关跳闸虚拟信号。

(2) 二级信号，定义为不引起主设备跳闸但对主设备正常运行有较大影响的故障报警信号，触发时分别进入报警一览表和事件一栏表。这类信号主要包括：主设备保护、安控、解列等装置异常、闭锁、告警故障报警信号；不引起跳闸的保护动作信号如轻瓦斯保护、轴电流保护、转子一点接地保护，开关低油压、低气压闭锁，刀闸、地刀三相不一致，三部轴承瓦温、油温过高、油位过高/过低开关量信号，调速/励磁系统严重故障，模拟量越上上限、越下下限、复上上限、复下下限信号等。

(3) 三级信号，定义为非主设备故障信号、主设备一般性故障信号以及顺控流程故障信号，触发时分别进入报警一览表和事件一栏表。这类信号主要包括：调速系统、励磁系统一般性故障信号，辅助设备、厂用电、公用系统、泄水设施等故障信号，顺控流程超时退出信号，模拟量越上限、越下限、复上限、复下限信号。

(4) 四级信号，定义为除一、二、三、五级外的其他信号，触发时进入事件一栏表。这类信号主要包括：全部设备的状态正常变化信号，顺控流程正常启动、停止信号等。

(5) 五级信号，定义为备用信号点，触发时进入事件一览表。

遇到比较模糊的信号点时，则需要根据实际情况，对具体信号作具体分析。

3.2 语音报警信号点和报警形式选择

语音报警对值班员监视电站设备信号起辅助作用，语音报警信号点的选择和语音报警形式的选择极为重要。语音报警一般分为警铃和播报语句两种，二者可以结合使用[7]。为不漏监视信号并避免频繁报警，主要选取以下语音报警信号点。

(1) 主设备正常情况下状态变化信号点，比如开关、刀闸、地刀分位/合位信号点，泄水闸门开启/关闭信号点；采用播报语句的报警形式。

(2) 通过逻辑计算获得的故障、异常情况下主设备开关跳闸虚拟信号点；采用关键字命名+播报语句+警铃的报警形式。

(3) 发电计划接收、下达时产生的事件信号点；采用播报语句的报警形式。

(4) 发电计划执行时，用于提醒曲线拐点调整实时出力的信号点，以及计划执行过程中实时出力与计划出力偏差过大的信号点；采用播报语句的报警形式。

(5) 主设备保护装置闭锁、异常、故障、通道异常信号点，以及不引起跳闸的保护动作信号点；采用播报语句的报警形式。

(6) 安控、失步解列装置动作、通道异常信号点；采用播报语句的报警形式。

(7) 调速、励磁系统对发变组正常运行影响较大的点；采用播报语句的报警形式。

(8) 500 kV刀闸、地刀三相不一致的信号点；采用播报语句的报警形式。

(9) 库水位越限、出入库流量、500 kV母线电压/频率越限信号点；采用播报语句的报警形式。

(10)其他信号点，比如顺控流程开机/停机流程超时、紧急/快速停机流程启动或超时，AGC、AVC投入/退出等；采用播报语句的报警形式。

3.3 虚拟报警信号点计算策略

虚拟报警信号点[8]是监控系统暂不存在、需要将已有信号点通过一定的逻辑计算才能获得的点。客观上，对于值班员而言，快速掌握故障或异常情况下的主设备状态变化和确保发电计划正确执行是监视重点，在制作虚拟报警信号点时，应着重制作开关跳闸虚拟信号点和辅助发电计划正确执行的虚拟信号点。

3.3.1 主设备开关跳闸虚拟信号点计算策略

制作主设备开关跳闸虚拟信号点存在2个优点：① 把引起某开关跳闸的信号点通过逻辑计算后，合成为一个信号点，能有效减少语音报警信号数量、提高语音报警质量；② 可作为推送画面和动效定位跳闸开关的触发信号。这两个优点在主设备跳闸应急处置时会传递给值班员更有价值的信息。

引起主设备开关跳闸的直接原因大概分为3类：① 保护(含水机后备保护)动作引起开关跳闸；② 安控装置动作引起开关跳闸；③ 解列装置动作引起开关跳闸。为明显区分这3类跳闸，可在虚拟点名字中加入各动作装置关键字，以便值班员判断。此外，在保护动作引起开关跳闸时，存在一种特殊情况——线路单瞬故障跳单相开关重合闸动作成功。因此，涉及到线路开关跳闸时，还需要分2个子类，分别是开关某相故障跳闸后重合成功和开关故障跳闸(三相跳闸)。

主设备开关跳闸虚拟信号点采用的计算策略：先查看原有保护、安控、失步解列装置配置，分析导致目标开关发生跳闸的直接原因，辅以跳闸出口线圈以及开关、刀闸的位置信号，多层运用与、或、非逻辑，并在虚拟信号点命名时加入关键字，最终产生目标开关跳闸的虚拟报警信号点。

以乌东德水电站电气主接线第一串的目标开关5112为例，其具体接线如图1所示。

图1 乌东德水电站电气主接线第一串Fig.1 First string of electrical main wiring in Wudongde Hydropower Station

图1中，可能引起目标开关5112发生跳闸的相关保护包括发电机出口开关失灵保护、主变保护、 进线短引线保护、中开关保护(目标开关本身保护)、边开关失灵保护、出线T区保护、线路保护、线路失步解列等。若目标开关发生三相跳闸，则虚拟信号点逻辑计算见图2；若发生单相跳闸重合成功，则虚拟信号点逻辑计算可见图3；若发生失步解列装置动作，则虚拟信号点逻辑计算可见图4。

图2 5112开关三相跳闸计算逻辑Fig.2 Calculation logic of three-phase trip 5112

图3 5112开关A相跳闸重合闸成功计算逻辑Fig.3 A phase trip reclosing successful calculation logic of 5112

图4 失步解列装置动作跳5112开关计算逻辑Fig.4 Out-of-step decoupling device action jump 5112 switch calculation logic

同理，按照上述方法，可以获得其他开关跳闸虚拟信号点。制作虚拟信号点时，为避免遗漏或把握不准，尽量采用监控系统现有的一些总信号点，比如上述图中的“主变停机总信号”点，其包括了主变保护能引起跳闸的所有电气量保护和非电气量保护。

3.3.2 辅助发电计划正确执行的虚拟信号点计算策略

及时正确执行发电计划对电网至关重要，也是上级调度考核各电厂的重点。监控系统可设置发电计划接收/下达提醒虚拟信号点、发电计划曲线拐点计划调整提醒虚拟信号点、实时出力与发电计划偏差告警虚拟信号点。

接收/下达提醒虚拟信号点：当监控系统收到/下达最新的发电计划时，由系统自动触发固定语句的虚拟信号点进行播报，提醒值班员及时查看和下发新计划。

曲线拐点计划调整提醒虚拟信号点：通过比较最新发电计划相邻两点数值，若差值不等于0，则触发固定语句的虚拟信号点进行播报，提醒值班员及时调整发电计划。

实时出力与发电计划偏差告警虚拟信号点：比较同时刻的实时出力与计划值形成的偏差值，设定适用于不同时段的单个或多个偏差阈值和报警延时，通过相互间的巧妙配合，满足条件时触发固定语句的虚拟报警信号点进行播报，提醒值班员及时作出处理。

3.4 画面推送和动效报警

为避免值班员漏听语音报警和使报警更加智能化，可采用画面推送和动效的方式进行报警。

(1) 画面推送。当主设备开关发生跳闸时，利用开关跳闸虚拟信号点触发推送功能，将固定画面推送至操作员站指定屏幕。在推送画面的选择上：由于电站电气主接线图基本能够全部反应主设备状态，所以将电气主接线图作为推送对象。

(2) 动效报警。在电站电气主接线图中各开关处嵌置动效图标。正常情况下，动效图标隐藏不可见；当主设备开关发生跳闸时，开关跳闸虚拟信号点触发隐藏的动效图标，与推送的电气主接线图共同显现在操作员站指定屏幕上，提醒值班员具体的跳闸开关和设备。

3.5 典型主设备故障跳闸应急处置步骤

主设备故障跳闸时，需要考虑的细节多，处置的过程较复杂，值班人员相对紧张，特别是值班人员还在开展其它工作时，可能会出现处置不当的现象，因此设置典型事故(事件)处置步骤指导画面非常有必要。处置步骤可根据电网、电站规程规定以及历史经验拟定。典型事故(事件)处置步骤指导画面主要包括发电机保护动作跳闸处置、安控装置动作切除发电机处置、主变跳闸处置、母线跳闸处置、高抗跳闸处置、线路跳闸处置、开关跳闸处置、突发事件信息报送要求画面等。除上述画面外，还可将与其相关的异常、故障处置的周边画面组织起来，在后期的不断完善过程中形成应急处置参考资料库。

3.6 画面组织设计

在实现流域梯级水电站智能报警的过程中需要制作监控画面，主要包括开关跳闸虚拟信号点计算逻辑画面和主设备典型故障跳闸应急处置步骤画面。前者可以帮助值班员快速查找出双套或多套配置的保护是否均动作，也有利于后续对策略的维护和完善；后者可以为值班员提供故障应急处置参考，帮助其准确快速并且周全地进行应急处置。在监控系统中进行画面具体组织时，可将画面分为两层——索引画面和下一层级子画面。索引画面包含各开关跳闸虚拟点名称按钮(按钮带链接以及动作时点亮功能)和处置步骤名称(按钮带链接功能)，在索引画面中点击相应按钮可跳转至对应子画面，子画面也需设计返回索引画面或其他子画面的快速链接。

4 应用案例

2021年10月26日11：02，乌东德右岸电站10号发电机组跳闸。

听觉方面。监控系统播报的具体语句包括：“乌东德10F∶GCB分位，动作”“乌东德12F∶210开关跳闸，动作”“乌东德右岸3号母线电压，越下限”“乌东德右岸3号母线频率，越下限”“乌东德右岸出力偏差过大”，根据设定的播报速度，整个播报事件约25 s。

视觉方面。监控系统推送梯级电站主接线图至操作员站指定屏幕，并水波纹动效定位发生跳闸的210开关；此外，梯级电站发电棒图右岸偏差值超过下下限值变成红色，详见图5～6。

图5 电站电气主接线图局部Fig.5 Partial main electrical wiring diagram of the power station

图6 电站发电棒图局部Fig.6 Partial power generation bar diagram of the power station

故障处置方面。发生故障后，值班员调出事先预录进监控系统的典型事故处置步骤进行处置。

通过听觉、视觉上的提醒和根据事故(事件)处置步骤，值班员快速定位故障设备、确定损失出力、按步骤处理事故。该智能报警设计在整个事故(事件)处理中发挥主导作用，助力电站、电网的安全稳定运行。

5 结 语

该智能报警设计在乌东德-白鹤滩梯级水电站昆明集控中心监控系统中已投入使用，获得了较好效果。

这项设计相对于原监控系统报警有了极大改善，通过优化报警及事件信号等级划分，使繁杂的报警信号更加清晰明了；合理的报警点和报警形式选择，更能引起值班人员的警觉；虚拟报警计算策略的设计能极大减少故障设备跳闸的语音报警信号数量，定位故障跳闸设备；处置步骤指导画面的设置，为值班员快速周全处置故障、保障电网、电站安全提供了帮助，后续也将在实践过程中不断对其进行优化升级。

该集控中心监控系统智能报警设计不仅提高了故障处置效率，降低了人员劳动强度，提升了生产力，同时也对其他流域梯级水电站集控中心智能报警建设具有一定借鉴作用，并推动智慧水电站建设。