魏志鵬,萬 元
(五凌電力有限公司,湖南 長沙 410007)
五凌電力有限公司(簡稱五凌電力)先后在沅水流域建成五強溪、凌津灘、洪江、碗米坡、三板溪和掛治六座梯級水電站,在建的白市、托口兩座水電站見表1。沅水流域已建在建電廠的總裝機容量435萬kW,湘江流域已建近尾洲水電廠6.3萬kW,資江流域的馬跡塘、東坪、株溪口水電廠共20.15萬kW。貴州黔東火電廠(2×60萬kW)已于2008年投產(chǎn)發(fā)電,位于長沙市北郊的黑麋峰抽水蓄能電廠(4×30萬kW)于2010年10月投產(chǎn)發(fā)電。公司目前共有13座大壩,14個電廠,已投產(chǎn)容量579.46萬kW,在建裝機容量125萬kW。
沅水全長1 050 km,落差1 035 m,流域面積90 000 km2,多年平均降雨量1 440 mm,年徑流量643億m3,徑流量年際變化大,年徑流量最大達1 012億m3,最小僅363億m3,同時年內來水分配不均,主汛期5~7月來水占全年的50%,月平均流量最大達4 363 m3/s,而最小僅為589m3/s。資江、湘江和澧水流域水文特性與沅水相似,對充分利用水能資源影響很大。

表1 五凌電力流域梯級電站特性表
五凌電力梯級水電站分散分布在湖南、貴州兩省及沅水、資江、湘江流域,大都處于偏遠山區(qū),交通不便,員工回長沙基地路途較遠。為改善員工工作條件,整合人力資源,提高企業(yè)凝聚力,實現(xiàn)流域電廠集中調度,提高經(jīng)濟效益,有必要實行電廠“無人值班、遠程集控”的管理模式。五凌電力集控中心設置在公司總部長沙市,選擇條件較好的碗米坡電廠作為試點,積累經(jīng)驗后再逐步推廣,爭取5年內全部接入。
國內從上世紀90年代中期開始進行“無人值班”(少人值守)水電站的建設與推廣工作至今,經(jīng)過十幾年的建設和發(fā)展,“無人值班”技術已趨于成熟,電站基礎自動化程度得到明顯提高,越來越多的電站已具備按照“無人值班”(少人值守)的運行管理模式運行。近年來,隨著流域電站光纖通信系統(tǒng)的建設,梯級電站與公司總部的電力或電信光纖通信帶寬和可靠性得到了保證。目前,為充分利用水能,提高發(fā)電效益,減輕運行值班人員勞動強度,提高安全可靠運行水平,三峽調度中心、黃河上游、湖北清江、貴州烏江梯級、云南瀾滄江、四川田灣河、國電大渡河等流域水電公司已先后建立了梯級集控中心或梯調中心,實現(xiàn)遠方集中監(jiān)控或調度,電站現(xiàn)場實現(xiàn)“無人值班”(少人值守)。
五凌電力梯級電站(除馬跡塘電廠外)在設計上按“無人值班”(少人值守)進行設計,發(fā)變電設備運行穩(wěn)定,自動化設備運行可靠,從電站投產(chǎn)發(fā)電以來一直實行“機、電、水”一體化運行值班。公司母體電站五強溪水電廠1999年12月通過國家電力公司“無人值班”(少人值守)驗收,2000年9月被命名為“全國一流水電廠”。五凌流域梯級電站具備實施“無人值班、遠程集控”良好的基礎,系統(tǒng)建設借鑒流域水電公司先進的經(jīng)驗,并有一定創(chuàng)新,取得了顯著成效。
五凌電力梯級電站集控中心按照華中網(wǎng)調,湖南省調,衡陽、益陽地調的調度要求以及沅水、資江、湘江多流域梯級電站“無人值班、遠程集控”管理模式進行設計與應用,實現(xiàn)對黔東火電廠遠程安全監(jiān)視;代表公司與水文部門、氣象部門、防汛部門、電信運營商等單位聯(lián)系、協(xié)調;向中電投集團公司報送各類生產(chǎn)運營信息以及各類生產(chǎn)報表。系統(tǒng)建設預留小水電、風電等接入接口。
通過完成集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電廠接入系統(tǒng)等的建設,實現(xiàn)對電廠信息的實時采集與處理、運行監(jiān)視和遠方集中控制,滿足電廠現(xiàn)場“無人值班”,遠方實時安全監(jiān)控、經(jīng)濟運行和日常運行管理需要。2010年11月,碗米坡電廠率先實現(xiàn)了“無人值班、遠程集控”,爭取在三年內公司所屬13座水電廠實現(xiàn)“無人值班、遠程集控”,電站實現(xiàn)少人值守,夜間關門運行。
集控中心功能主要包括對流域內各梯級電站的運行進行遠方監(jiān)視、控制和日常運行管理,各電站總負荷的經(jīng)濟分配(站間AGC/EDC功能),水資源的優(yōu)化調度等。
集控中心自動化系統(tǒng)主要包括集中監(jiān)控系統(tǒng)和流域梯級水調自動化系統(tǒng),流域梯級水調自動化系統(tǒng)主要根據(jù)梯級來水情況及防洪、航運等其他要求,實現(xiàn)梯級水庫的水務綜合管理、流域水文預報、水庫聯(lián)合調度、梯級經(jīng)濟運行等。集中監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)流域梯級電站的信息采集與處理、運行監(jiān)視和控制(SCADA)、經(jīng)濟調度EDC、梯級AGC,自動電壓調整(AVC)等,滿足水電站操作控制、生產(chǎn)調度、集中監(jiān)控需要;并滿足有關調度部門通過本系統(tǒng)完成梯級各水電站的五遙(遙信、遙測、遙調、遙控和遙視)功能;接受上級調度下發(fā)的控制指令,實現(xiàn)梯級水電站及水電站群發(fā)電實時優(yōu)化調度。
3.1.1 數(shù)據(jù)采集及處理
(1)直接采集各現(xiàn)地單元級LCU的各類實時數(shù)據(jù),每個電廠側配置兩臺集控接口通信機,集控接口通信機與電廠操作員站配置成一個采集隊列,優(yōu)先級高的負責采集并在局域網(wǎng)內廣播,所有工作站網(wǎng)絡同步接收,保證數(shù)據(jù)采集實時同步。電廠側集控接口通信機通過IEC60870-5-104規(guī)約將采集到的數(shù)據(jù)送至集中監(jiān)控系統(tǒng)遠程通信機,遠程通信機收到數(shù)據(jù)后在局域網(wǎng)內廣播,操作員工作站等同步接收。
(2)自動生成各種實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫。
(3)事件自動記錄處理。對各種事故進行自動辨識與記錄,并將辨識的事故通過報警、報表等方式實時反饋給值班人員。
3.1.2 安全監(jiān)視
能夠對公司所屬水電廠的水輪發(fā)電機組、機組輔助設備、調速器系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、變壓器、斷路器、隔離開關及接地開關、線路保護、公用設備、廠用電、進水口閘門、計算機監(jiān)控系統(tǒng)設備及通信通道等的運行狀態(tài)進行全面監(jiān)視。
3.1.3 控制與調節(jié)
集控中心可實現(xiàn)遠程開停機,負荷調整,開關、刀閘分合及重要輔助設備、AGC/AVC等控制與調節(jié)。
3.1.4 區(qū)域集控
集控中心設置五個操作員站,根據(jù)需要須實現(xiàn)13個電廠(設計達20個以上)監(jiān)控功能,因此采用“區(qū)域集控”模式。考慮上、下游電站水力聯(lián)系及效益最大化、電站裝機臺數(shù)、控制可靠性最高等要求,集控中心對現(xiàn)已建、在建13個水電廠擬分成五個區(qū)域進行集控:
1)三、掛、白區(qū)域:負責三板溪、掛治、白市電廠
2)托、洪區(qū)域:負責托口、洪江電廠
3)五、凌區(qū)域:負責五強溪、凌津灘電廠
4)東、株、馬區(qū)域:負責東坪、株溪口、馬跡塘電廠
5)碗、近、黑區(qū)域:負責碗米坡、近尾洲、黑麋峰電廠
集控中心的“區(qū)域值班員”對“區(qū)域”內的電廠進行遠程集控,實現(xiàn)“一人一席一廠”到“一人一席多廠”的轉換,集中監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互界面、綜合報表、事故顯示及篩選的設計均按照“區(qū)域集控”模式實施,功能上完全滿足“區(qū)域集控”的要求。
(1)與電力調度通信中心的通信
調度通信中心與集控系統(tǒng)實現(xiàn)信息交互,集控中心將各個電廠的運行信息實時地反饋給電力調度通信中心,并且接受調度通信中心的AGC、AVC及其他控制指令。
(2)與單元級各LCU進行通信
與梯級電站LCU通信,實現(xiàn)“遙測、遙信、遙控、遙調”功能。
(3)與其他系統(tǒng)通信
實現(xiàn)與流域梯級水調自動化系統(tǒng)、繼電保護運行及故障信息管理系統(tǒng)、電能量計量系統(tǒng)、安全穩(wěn)定控制管理系統(tǒng)、發(fā)電及檢修計劃決策系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測及分析系統(tǒng)、集中式生產(chǎn)管理系統(tǒng)等各總站系統(tǒng)通信,實現(xiàn)信息交互與共享。
與視頻監(jiān)控系統(tǒng)通信實現(xiàn)“遙控”與“遙視”智能聯(lián)動。
根據(jù)電網(wǎng)調度機構指令,對集控電廠機組的有功/無功出力進行自動分配,實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)化運行。
集控AGC有三種方式:
(1)調度下達電廠總負荷到集控中心,集控AGC分配負荷至機組,集控系統(tǒng)下發(fā)到電廠機組執(zhí)行。五強溪、三板溪等網(wǎng)調直調電廠采用此方式實現(xiàn)。
(2)調度下達電廠總負荷直接到電廠,電廠AGC分配負荷到機組,集控中心負責電廠AGC的操作(如AGC功能、機組成組的遠程投/退等操作)。碗米坡、掛治等省調直調電廠采用此方式實現(xiàn)。
(3)調度下達流域總有功到集控中心,集控EDC/AGC分配負荷到流域各電廠機組,集控系統(tǒng)將指令下發(fā)到各電廠機組執(zhí)行。遠期擬采用此方式。
集控AVC有如下兩種方式:
1)調度下達電廠母線電壓給定值等指令到集控,集控AVC分配無功值到機組,集控系統(tǒng)下發(fā)到電廠機組執(zhí)行。五強溪、三板溪等網(wǎng)調直調電廠采用此方式實現(xiàn)。
2)調度下達各電廠母線電壓給定值等指令直接到各電廠,電廠AVC計算分配無功值到機組,集控中心負責電廠AVC遠程投/退等操作。碗米坡、掛治等省調直調電廠采用此方式實現(xiàn)。
安全I區(qū)配置兩套歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(采用ORACLE 11g),通過數(shù)據(jù)庫表優(yōu)化設計及數(shù)據(jù)壓縮技術,系統(tǒng)能保存一年以上秒級數(shù)據(jù)量。
安全II區(qū)配置報表工作站,安裝HReport報表軟件及SMA2000狀態(tài)監(jiān)測軟件,通過硬件防火墻安全訪問安全I區(qū)歷史數(shù)據(jù)庫。HReport可快速生成電廠生產(chǎn)報表,并對其進行方便、有效的管理及查閱。SMA2000狀態(tài)監(jiān)測分析系統(tǒng)是一個海量歷史數(shù)據(jù)存儲、管理分析系統(tǒng),實現(xiàn)電站設備運行狀態(tài)的在線監(jiān)測,故障分析與追憶,及時發(fā)現(xiàn)設備可能存在的安全隱患,為檢修決策與故障分析提供依據(jù)。
安全III區(qū)配置WEB數(shù)據(jù)服務器及WEB發(fā)布服務器,實現(xiàn)web發(fā)布功能。系統(tǒng)畫面可自動轉換為SVG格式在WEB站點上展示及動態(tài)縮放,可提供多種動態(tài)效果。
五凌電力實現(xiàn)“無人值班、遠程集控”的支撐系統(tǒng)主要包括:通信網(wǎng)絡系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)、流域水庫調度自動化系統(tǒng)、電能量計量系統(tǒng)、安全穩(wěn)定控制管理系統(tǒng)、繼電保護及故障錄波管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、集中式生產(chǎn)管理系統(tǒng)等。各系統(tǒng)按照電力二次系統(tǒng)安全防護要求分屬在不同安全區(qū)域。其總體結構圖見圖1:

圖1 系統(tǒng)總體結構圖
集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用開放分層分布式系統(tǒng)結構,可分為生產(chǎn)信息查詢層、控制層、非控制層和接入層,相應的集控中心監(jiān)控系統(tǒng)也由四個局域網(wǎng)組成,分別是:生產(chǎn)控制網(wǎng)(安全I區(qū))、生產(chǎn)非控制網(wǎng)(安全II區(qū))、生產(chǎn)管理信息網(wǎng)(安全III區(qū))和接入網(wǎng)。網(wǎng)絡安全與設置完全滿足國家經(jīng)貿委與電監(jiān)會“關于電力系統(tǒng)二次安防”的規(guī)定。
生產(chǎn)控制網(wǎng)采用千兆以太網(wǎng)雙網(wǎng)結構,配置2臺千兆以太網(wǎng)交換機,生產(chǎn)控制網(wǎng)內的服務器和工作站等設備采用熱備用冗余配置的方式與兩臺交換機連接。生產(chǎn)非控制網(wǎng)配置1臺1 000 M以太網(wǎng)交換機,用以連接仿真培訓和專家系統(tǒng)站、語音報警及ON-CALL系統(tǒng)工作站、報表管理工作站、遠程維護和診斷服務器及流域梯級水調自動化系統(tǒng)內網(wǎng)交換機等。生產(chǎn)管理信息網(wǎng)配置1臺1 000 M以太網(wǎng)交換機,主要連接WEB發(fā)布服務器、WEB數(shù)據(jù)服務器及流域梯級水調自動化系統(tǒng)外網(wǎng)交換機等有關設備,并通過防火墻與公司管理信息系統(tǒng)連接,實現(xiàn)電站監(jiān)控WEB發(fā)布功能。
為了實現(xiàn)安全隔離與信息安全,生產(chǎn)控制網(wǎng)與生產(chǎn)非控制網(wǎng)配置2套防火墻裝置隔離,生產(chǎn)管理信息網(wǎng)通過網(wǎng)絡安全隔離設備與集控中心生產(chǎn)控制網(wǎng)連接。
接入網(wǎng)包括與調度數(shù)據(jù)網(wǎng)及遠程集控電廠的接入網(wǎng),均采用100 M以太網(wǎng)雙網(wǎng)結構,接入交換機共4套,其中2套與中心站遠程通信機相連,實現(xiàn)與遠程集控電廠的數(shù)據(jù)通信,另外2套分別與遠程調度系統(tǒng)相連,實現(xiàn)與上級調度機構數(shù)據(jù)通信。為了確保遠程通信安全,在集控中心站與通信對側(遠程集控電廠、電網(wǎng)調度)均安裝了縱向加密認證裝置。集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)電站接入網(wǎng)采用主、備用通道傳輸數(shù)據(jù),主用通道采用1×2Mbit/s電力光纖專用通道(E1 G.703接口),備用通道采用1×2 Mbit/s電信光纖專用通道(E1 G.703接口)。
作為遠程集控的核心系統(tǒng),包括實時監(jiān)視子系統(tǒng)、經(jīng)濟安全運行子系統(tǒng)、信息交互子系統(tǒng)等。其中:
(1)實時監(jiān)控子系統(tǒng)--實現(xiàn)對遠程水電廠實時數(shù)據(jù)采集、綜合數(shù)據(jù)計算、開/停機控制、順序控制、負荷調節(jié)、事故追憶等。
(2)經(jīng)濟安全運行子系統(tǒng)--根據(jù)調度機構的要求,實現(xiàn)水電廠遠程自動發(fā)電控制(AGC)與自動電壓控制(AVC);根據(jù)電廠保護信息、機組振動區(qū)等,優(yōu)化機組負荷分配,在確保安全的基礎上,提高經(jīng)濟效益;力爭實現(xiàn)上下游電廠匹配經(jīng)濟運行與流域聯(lián)合經(jīng)濟調度。
(3)信息交互子系統(tǒng)--與流域水調自動化系統(tǒng)通信,實現(xiàn)水電廠及流域經(jīng)濟運行;與集中式視頻監(jiān)控系統(tǒng)通信,實現(xiàn)“遙控”與“遙視”智能聯(lián)動;與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通信,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與集成數(shù)據(jù)分析。
集控中心與電廠之間利用集控數(shù)據(jù)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信。集控數(shù)據(jù)網(wǎng)采用二層結構,核心層設在集控中心,采用兩臺高性能的核心路由器;接入層在各個電站,每個電站配置兩個接入路由器。集控數(shù)據(jù)網(wǎng)絡采用主、備用專用通道傳輸數(shù)據(jù),主用通道采用電力光纖1×2 Mbit/s專用通道(E1 G.703接口),備用通道采用電信光纖1×2 Mbit/s專用通道(E1 G.703接口),電信光纖傳輸通道優(yōu)先級低于電力光纖傳輸通道,當電力專用通道中斷時,電信專用通道在設計時間內切換為主運行通道運行,一旦電力光纖專用通道恢復正常,電信專用通道自動還原為備用。
集控數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸集控中心與各電廠的計算機監(jiān)控系統(tǒng)、泄洪閘門監(jiān)控系統(tǒng)、電能量計量系統(tǒng)、水情及水調自動化系統(tǒng)、繼電保護運行及故障信息管理子站等業(yè)務應用系統(tǒng)。劃分為實時VPN和非實時VPN兩個通道,實時VPN傳輸發(fā)電、泄洪閘門等實時數(shù)據(jù),非實時VPN傳輸水情、水調、電能計量、故障錄波等非實時業(yè)務數(shù)據(jù),優(yōu)先保證實時數(shù)據(jù)傳輸。正常情況下,實時VPN數(shù)據(jù)通過主用電力光纖專用通道傳輸,非實時VPN數(shù)據(jù)通過備用電信光纖專用通道傳輸(見圖2)。

圖2 集控數(shù)據(jù)網(wǎng)結構圖
電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過集控數(shù)據(jù)網(wǎng)主、備通道與集控中心連接,實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡通信。每個電站配置2套遠控通信站(分別為:主用A站與備用B站)、3臺接入網(wǎng)交換機、2臺接入路由器、2臺縱向加密認證裝置、1臺硬件防火墻等設備實現(xiàn)安全接入。其中,縱向加密認證裝置實現(xiàn)實時VPN數(shù)據(jù)的加密認證,硬件防火墻實現(xiàn)非實時VPN數(shù)據(jù)的縱向安全隔離。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕姀S接入系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級依次為:A站電力專用通道、B站電力專用通道、A站電信專用通道、B站電信專用通道。
(1)五凌電力集控中心具有“跨省、跨調度、跨流域、多電源類型”的特點,且電廠數(shù)目眾多(共14個電廠接入),在國內沒有任何先例可以借鑒。
(2)采用“區(qū)域值班員”的概念,系統(tǒng)共設5個“區(qū)域值班員”,單個值班員可監(jiān)控隸屬不同調度關系的2-3個電廠。
(3)集中監(jiān)控系統(tǒng)與電站監(jiān)控系統(tǒng)、泄洪閘門控制系統(tǒng)統(tǒng)一采用IEC60870-5-104規(guī)約通信,解決不同電站監(jiān)控系統(tǒng)(南瑞自控公司EC2000系統(tǒng)、奧地利ELIN公司SAT250系統(tǒng)、西門子SPA-3000系統(tǒng)、ABB公司AdvantOCS控制系統(tǒng)等)及泄洪閘門控制系統(tǒng)的兼容性問題。利用集中監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)電廠泄洪閘門的遠程監(jiān)控。
(4)系統(tǒng)硬件平臺建立完全遵循國家經(jīng)貿委及電監(jiān)會關于“電力系統(tǒng)二次安防”的規(guī)定,并以“安全分區(qū),網(wǎng)絡專用,橫向隔離,縱向認證”為原則,核心服務器加裝了UNIX操作系統(tǒng)核心加固軟件,利用硬件防火墻實現(xiàn)安全Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的隔離,利用正反向物理隔離裝置實現(xiàn)安全Ⅰ、Ⅱ區(qū)與安全Ⅲ區(qū)的隔離,利用縱向加密認證裝置實現(xiàn)與電網(wǎng)調度和電廠通信的信息加密,提高了系統(tǒng)病毒免疫力,并加上系統(tǒng)本身安全可靠的操作控制策略,從硬件及軟件上保證了系統(tǒng)的安全可靠性。
(5)系統(tǒng)采用多TCP/IP連接并行工作模式及主進程+多子進程+多線程等多種技術,具有強大的SCADA數(shù)據(jù)采集功能、安全可靠的操作控制策略與完善的系統(tǒng)應用功能,滿足電網(wǎng)以及電廠各種需求;擁有靈活的智能報警功能與完善的重復報警處理機制,所有系統(tǒng)內計算機間通過通信協(xié)調完成系統(tǒng)全部任務,降低了單個計算機設備軟件維護與管理的復雜度。
(6)集控中心操作員站采用高可靠性的無主對等模式,集控中心與電站通信機采用雙機冗余熱備用及電力、電信雙冗余專網(wǎng)通道;全冗余的雙光網(wǎng)絡通信,通過自動冗余切換實現(xiàn)主備設備間安全無縫切換,保證集控任何節(jié)點只要有一個網(wǎng)絡正常即可實時收到全部數(shù)據(jù)和控制,確保了整個集中控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
(7)首次采用粒子群人工智能模型進行AGC/EDC有功優(yōu)化分配及采用自適應自學習算法求解有功頻率調差系數(shù)和無功電壓調差系數(shù)等方法,提高發(fā)電效率3%以上。
五凌電力多流域梯級電站集中監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結構,易于擴充與維護,與多個生產(chǎn)信息系統(tǒng)通信,實現(xiàn)信息共享與集成。采用高可靠性無主對等集成模式,確保單個系統(tǒng)發(fā)生故障時其他系統(tǒng)不受其影響。系統(tǒng)具有“跨省、跨調度、跨流域、多電源類型”的特點,2010年4月,完成集控中心站軟硬件系統(tǒng)安裝調試,2010年5月至8月,相繼完成碗米坡、三板溪、掛治、五強溪等電廠接入設備安裝與初步調試工作。碗米坡、掛治、三板溪水電廠分別于2010年11月、2011年4月、2011年5月實現(xiàn)“無人值班、遠程集控”試運行。預計2012年五凌電力所屬13個水電廠全部實現(xiàn)遠程集控功能后,共可減人130余人,在實際應用過程中將取得了良好的運行效果。
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