天花板水電站監(jiān)控系統(tǒng)設計

仇雅靜，劉書玉，宋 男

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

1 工程概況

天花板水電站位于云南省昭通市境內(nèi)，是牛欄江中下游梯級規(guī)劃的第7級水電站。電站為混合式開發(fā)，主要由碾壓混凝土攔河拱壩、引水系統(tǒng)、岸邊式電站廠房等組成。電站以發(fā)電為主，總裝機容量為180 MW （2×90 MW），機組型式為混流式，額定水頭89 m，多年平均發(fā)電量8.295億kW·h，年發(fā)電利用小時數(shù)4 608 h。電站主接線為單母線接線，以一回220 kV出線并入云南電網(wǎng)。工程等別為三等工程，工程規(guī)模為中型。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設計原則

天花板水電站按 “無人值班” （少人值守），按云南省調(diào)遙控的運行管理模式進行設計，符合以下設計原則：①加強對主要設備的安全監(jiān)視，提高水電廠的安全生產(chǎn)水平和運行可靠性；②保證供電電能質(zhì)量；③提高水電廠的經(jīng)濟效益和管理水平；④提高水電廠的自動化水平，為實現(xiàn) “無人值班”（少人值守）提供保證；⑤在設計時對梯級電站流域集中控制工況予以考慮。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

天花板水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用開放分層分布式結(jié)構(gòu)，主要設備采用冗余配置，監(jiān)控系統(tǒng)分設電站控制級和現(xiàn)地控制單元級。電站控制級 （簡稱電站級）的監(jiān)控通過工作站實現(xiàn)，采用南瑞公司的SSJ-3000型水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)。各現(xiàn)地控制單元 （LCU）以Quantum系列 PLC為控制核心，機組輔助設備及公用控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，構(gòu)成相對獨立的子系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖1。

3.1 電站控制級

天花板水電站的電站控制級負責電站主要運行設備的數(shù)據(jù)采集和處理、安全運行監(jiān)控、生產(chǎn)控制操作、事件順序記錄、故障報警等功能；并實現(xiàn)與電力調(diào)度中心的通信，發(fā)送上行信號，接受電力調(diào)度中心下行的控制調(diào)節(jié)命令，實現(xiàn)對機組的AGC/AVC控制；實現(xiàn)對220 kV開關(guān)站的斷路器、隔離開關(guān)、重要的接地開關(guān)的遠程監(jiān)控和操作，是整個電站的控制核心。電站控制級主要設備配置及功能如下：

圖1 天花板水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

（1）2臺套SCADA服務器 （兼歷史數(shù)據(jù)服務器）及光纖磁盤陣列主要完成實時數(shù)據(jù)庫 （監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的SCADA部分）的數(shù)據(jù)采集與管理；開關(guān)量報警處理、模擬量越限檢查、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的指定計算、實時數(shù)據(jù)傳播到其他服務器和工作站等任務；實現(xiàn)電站AGC、AVC運行；歷史數(shù)據(jù)的存儲、管理。兩臺數(shù)據(jù)服務器互為熱備用，存儲相同的實時、歷史數(shù)據(jù)庫，并配置光纖磁盤陣列等存儲裝置。

（2）2臺套操作員工作站主要實現(xiàn)運行人員對電站的監(jiān)視和控制，如電站運行工況監(jiān)視、越限告警、事故告警、控制調(diào)節(jié)、發(fā)電機啟停和運行應用軟件并顯示執(zhí)行結(jié)果等。

（3）1臺套工程師兼培訓工作站主要完成對電站監(jiān)控設備的運行維護管理與開發(fā)，程序下載等工作并兼做電站運行人員的培訓工作站。

（4）2臺套調(diào)度通信服務器主要負責與云南省調(diào)及省備調(diào)的調(diào)度通信，2臺服務器一用一備。

（5）1臺套站內(nèi)通信服務器 （兼生產(chǎn)信息查詢服務器）主要負責用于電站生產(chǎn)管理、狀態(tài)檢修用途的數(shù)據(jù)采集、處理、歸檔、歷史數(shù)據(jù)庫的生成、轉(zhuǎn)儲等，并為MIS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)；并實現(xiàn)與電站水情測報系統(tǒng)、電能量采集系統(tǒng)等之間的數(shù)據(jù)通信。

（6）1臺套ON-CALL語音報警服務器完成電站語音 （在報警條件下向操作員發(fā)出中文語音報警信號）/電話報警、電話查詢、事故自動尋呼（ON-CALL）及手機短信報警，并兼做報表制作等工作。

（7）1套GPS時鐘裝置。

3.2 現(xiàn)地控制單元級

天花板水電站共設5套現(xiàn)地控制單元（LCU），各LCU直接面向生產(chǎn)過程，相對獨立于電站控制級，能夠獨立或按電站控制級的命令實現(xiàn)各自生產(chǎn)過程的實時數(shù)據(jù)采集及預處理、被控設備的狀態(tài)監(jiān)視、控制和調(diào)整等功能。各LCU經(jīng)其I/O接口、通信接口與生產(chǎn)過程相連，各LCU控制器通過光口直接與網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)與電站控制級交換信息。

5套LCU布置為機組2套，開關(guān)站1套，公用1套，壩區(qū)1套。機組1～2 LCU主要實現(xiàn)對機組及其附屬設備 （勵磁、調(diào)速等）、主變、發(fā)變組保護等設備的監(jiān)視和控制；開關(guān)站3 LCU主要實現(xiàn)對220 kV出線線路、220 kV開關(guān)站GIS、220 kV母線和線路繼電保護、故障錄波、全廠安自裝置、電能計費等設備的監(jiān)視和控制；公用4 LCU主要實現(xiàn)對主、副廠房內(nèi)公用設備、廠用變壓器、10 kV及400 V配電裝置、廠房220 V直流電源系統(tǒng)、火災報警、消防系統(tǒng)及全廠通風空調(diào)系統(tǒng)等設備的監(jiān)視和控制；壩區(qū)5 LCU主要實現(xiàn)對水庫水位、大壩滲漏排水系統(tǒng)、閘門啟閉機控制系統(tǒng)以及壩區(qū)配電樓的電氣柜、柴油發(fā)電機組、直流電源裝置等設備的監(jiān)視和控制。

3.3 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

天花板水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)為星形網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，采用全分布開放式冗余以太網(wǎng)。網(wǎng)絡主干選用2套MOXA公司的PT7728-S-HV網(wǎng)絡交換機，電站級各工作站直接與2套交換機通過網(wǎng)絡雙絞線電纜連接。兩臺主干交換機分別連接到各LCU，實現(xiàn)10/100 M光纖雙以太網(wǎng)絡連接。各現(xiàn)地控制單元以現(xiàn)場總線和串行通信等方式與部分被監(jiān)控設備連接。

4 系統(tǒng)安全

4.1 電源配置

為保證電站監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運行，電站控制級即上位機和網(wǎng)絡交換機等設備由2套互為熱備用的容量為10 kV·A的不間斷電源 （UPS）供電。現(xiàn)地控制單元采用交、直流雙路供電方式，當一路電源消失時，另一路電源可以無擾動切換。

4.2 冗余配置

為提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，監(jiān)控系統(tǒng)各關(guān)鍵設備均采用互為熱備用的冗余設計。主要措施如下：①上位機各關(guān)鍵節(jié)點如主機、操作員工作站等均采用雙機熱備配置；②冗余網(wǎng)絡配置；③各現(xiàn)地控制單元 （LCU）均配置雙CPU、雙電源、雙通信模塊。

4.3 二次安全防護

根據(jù)國家電監(jiān)會的要求，天花板水電站監(jiān)控系統(tǒng)的二次防護方案如下：

（1）2套主機工作站共配備2套核心系統(tǒng)防護產(chǎn)品。

（2）調(diào)度通信服務器配置兩套縱向加密認證裝置，分別作為與省調(diào)和省備調(diào)的通信安全防護。

（3）站內(nèi)通信服務器配置2套硬件防火墻和2套電力專用安全隔離裝置 （正向單比特、反向單比特各1套），用于與電站MIS系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的安全隔離。

詳細二次防護方案見圖2所示。

5 結(jié)語

2011年2月26日天花板水電站首臺機組試運行順利結(jié)束，并于2月28日正式進入商業(yè)運行，現(xiàn)場運行情況良好，監(jiān)控系統(tǒng)操作方便、穩(wěn)定可靠，基本實現(xiàn)了設計意圖。就裝機容量而言，天花板水電站是典型的中型常規(guī)水電站，本文以天花板水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計方案為例，旨在為中小型水電站的監(jiān)控系統(tǒng)設計提供參考，為智能化電網(wǎng)的建設提供技術(shù)上的支持。