天花板水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仇雅靜，劉書(shū)玉，宋 男

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)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(jí)規(guī)劃的第7級(jí)水電站。電站為混合式開(kāi)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(jī)容量為180 MW （2×90 MW），機(jī)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(shí)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(shè)計(jì)原則

天花板水電站按 “無(wú)人值班” （少人值守），按云南省調(diào)遙控的運(yùn)行管理模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，符合以下設(shè)計(jì)原則：①加強(qiáng)對(duì)主要設(shè)備的安全監(jiān)視，提高水電廠的安全生產(chǎn)水平和運(yùn)行可靠性；②保證供電電能質(zhì)量；③提高水電廠的經(jīng)濟(jì)效益和管理水平；④提高水電廠的自動(dòng)化水平，為實(shí)現(xiàn) “無(wú)人值班”（少人值守）提供保證；⑤在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)梯級(jí)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用開(kāi)放分層分布式結(jié)構(gòu)，主要設(shè)備采用冗余配置，監(jiān)控系統(tǒng)分設(shè)電站控制級(jí)和現(xiàn)地控制單元級(jí)。電站控制級(jí) （簡(jiǎn)稱電站級(jí)）的監(jiān)控通過(guò)工作站實(shí)現(xiàn)，采用南瑞公司的SSJ-3000型水電廠計(jì)算機(jī)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(jī)組輔助設(shè)備及公用控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1。

3.1 電站控制級(jí)

天花板水電站的電站控制級(jí)負(fù)責(zé)電站主要運(yùn)行設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和處理、安全運(yùn)行監(jiān)控、生產(chǎn)控制操作、事件順序記錄、故障報(bào)警等功能；并實(shí)現(xiàn)與電力調(diào)度中心的通信，發(fā)送上行信號(hào)，接受電力調(diào)度中心下行的控制調(diào)節(jié)命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的AGC/AVC控制；實(shí)現(xiàn)對(duì)220 kV開(kāi)關(guān)站的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、重要的接地開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作，是整個(gè)電站的控制核心。電站控制級(jí)主要設(shè)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(tái)套SCADA服務(wù)器 （兼歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器）及光纖磁盤陣列主要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù) （監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的SCADA部分）的數(shù)據(jù)采集與管理；開(kāi)關(guān)量報(bào)警處理、模擬量越限檢查、數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的指定計(jì)算、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳播到其他服務(wù)器和工作站等任務(wù)；實(shí)現(xiàn)電站AGC、AVC運(yùn)行；歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理。兩臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器互為熱備用，存儲(chǔ)相同的實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，并配置光纖磁盤陣列等存儲(chǔ)裝置。

（2）2臺(tái)套操作員工作站主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行人員對(duì)電站的監(jiān)視和控制，如電站運(yùn)行工況監(jiān)視、越限告警、事故告警、控制調(diào)節(jié)、發(fā)電機(jī)啟停和運(yùn)行應(yīng)用軟件并顯示執(zhí)行結(jié)果等。

（3）1臺(tái)套工程師兼培訓(xùn)工作站主要完成對(duì)電站監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)管理與開(kāi)發(fā)，程序下載等工作并兼做電站運(yùn)行人員的培訓(xùn)工作站。

（4）2臺(tái)套調(diào)度通信服務(wù)器主要負(fù)責(zé)與云南省調(diào)及省備調(diào)的調(diào)度通信，2臺(tái)服務(wù)器一用一備。

（5）1臺(tái)套站內(nèi)通信服務(wù)器 （兼生產(chǎn)信息查詢服務(wù)器）主要負(fù)責(zé)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(kù)的生成、轉(zhuǎn)儲(chǔ)等，并為MIS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)；并實(shí)現(xiàn)與電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)、電能量采集系統(tǒng)等之間的數(shù)據(jù)通信。

（6）1臺(tái)套ON-CALL語(yǔ)音報(bào)警服務(wù)器完成電站語(yǔ)音 （在報(bào)警條件下向操作員發(fā)出中文語(yǔ)音報(bào)警信號(hào)）/電話報(bào)警、電話查詢、事故自動(dòng)尋呼（ON-CALL）及手機(jī)短信報(bào)警，并兼做報(bào)表制作等工作。

（7）1套GPS時(shí)鐘裝置。

3.2 現(xiàn)地控制單元級(jí)

天花板水電站共設(shè)5套現(xiàn)地控制單元（LCU），各LCU直接面向生產(chǎn)過(guò)程，相對(duì)獨(dú)立于電站控制級(jí)，能夠獨(dú)立或按電站控制級(jí)的命令實(shí)現(xiàn)各自生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理、被控設(shè)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(guò)程相連，各LCU控制器通過(guò)光口直接與網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)與電站控制級(jí)交換信息。

5套LCU布置為機(jī)組2套，開(kāi)關(guān)站1套，公用1套，壩區(qū)1套。機(jī)組1～2 LCU主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組及其附屬設(shè)備 （勵(lì)磁、調(diào)速等）、主變、發(fā)變組保護(hù)等設(shè)備的監(jiān)視和控制；開(kāi)關(guān)站3 LCU主要實(shí)現(xiàn)對(duì)220 kV出線線路、220 kV開(kāi)關(guān)站GIS、220 kV母線和線路繼電保護(hù)、故障錄波、全廠安自裝置、電能計(jì)費(fèi)等設(shè)備的監(jiān)視和控制；公用4 LCU主要實(shí)現(xiàn)對(duì)主、副廠房?jī)?nèi)公用設(shè)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(zāi)報(bào)警、消防系統(tǒng)及全廠通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等設(shè)備的監(jiān)視和控制；壩區(qū)5 LCU主要實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)水位、大壩滲漏排水系統(tǒng)、閘門啟閉機(jī)控制系統(tǒng)以及壩區(qū)配電樓的電氣柜、柴油發(fā)電機(jī)組、直流電源裝置等設(shè)備的監(jiān)視和控制。

3.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

天花板水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用全分布開(kāi)放式冗余以太網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)主干選用2套MOXA公司的PT7728-S-HV網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，電站級(jí)各工作站直接與2套交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)雙絞線電纜連接。兩臺(tái)主干交換機(jī)分別連接到各LCU，實(shí)現(xiàn)10/100 M光纖雙以太網(wǎng)絡(luò)連接。各現(xiàn)地控制單元以現(xiàn)場(chǎng)總線和串行通信等方式與部分被監(jiān)控設(shè)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(yùn)行，電站控制級(jí)即上位機(jī)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)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(dāng)一路電源消失時(shí)，另一路電源可以無(wú)擾動(dòng)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(shè)備均采用互為熱備用的冗余設(shè)計(jì)。主要措施如下：①上位機(jī)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)如主機(jī)、操作員工作站等均采用雙機(jī)熱備配置；②冗余網(wǎng)絡(luò)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(hù)

根據(jù)國(guó)家電監(jiān)會(huì)的要求，天花板水電站監(jiān)控系統(tǒng)的二次防護(hù)方案如下：

（1）2套主機(jī)工作站共配備2套核心系統(tǒng)防護(hù)產(chǎn)品。

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

（3）站內(nèi)通信服務(wù)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(xì)二次防護(hù)方案見(jiàn)圖2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

2011年2月26日天花板水電站首臺(tái)機(jī)組試運(yùn)行順利結(jié)束，并于2月28日正式進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況良好，監(jiān)控系統(tǒng)操作方便、穩(wěn)定可靠，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖。就裝機(jī)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為例，旨在為中小型水電站的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，為智能化電網(wǎng)的建設(shè)提供技術(shù)上的支持。