巨型梯級水電站群遠程集中監控系統的設計與實現

2013-10-21 02:01:06張明君翟少軍曾旭川

水力發電 2013年11期

關鍵詞：系統

譚華，張明君，劉俊，洪浩，翟少軍，曾旭川，海晨

（三峽梯調通信中心成都調控中心，四川成都 610041）

金沙江河段全長約783 km，落差約729 m，下游河段水量大、落差集中，是金沙江流域乃至長江流域水能資源最豐富的河段，由上至下依次規劃建設烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4個梯級大型水利樞紐，4個梯級樞紐總裝機容量約4000～4600萬kW，年發電量約1960億kW·h，是我國重要的水電能源基地。

通過對國內、外流域梯級水電站調度管理模式的調研、分析、比較，結合溪洛渡、向家壩水電站的調度運行特點及生產管理方式，中國三峽集團公司提出在成都建立遠程集中調控中心，采用 “調控一體化”調度管理模式，實現梯級電站安全、經濟運行和科學管理。如何結合當今先進的科學技術在可靠、安全的前提下，構建好一個創新、高效、全面的超大型梯級水電站群集中監控系統以保障梯級電站 “調控一體化”調度管理模式的順利實施，是需要深入研究的重要課題。

1 成都遠程集控中心系統建設的特點和難點

（1）所轄電站規模龐大，系統地位突出。成都調控中心所調控的金沙江下游梯級樞紐溪洛渡電站設計裝機容量1386萬kW，向家壩電站設計裝機容量640萬kW，均為超大型水電站，其安全、穩定運行直接影響國家電網和南方電網的穩定運行，系統地位極為突出。

（2）數據通信規模龐大。溪洛渡水電站監控系統數據通信測點規模預計為15萬點，向家壩電站監控系統數據通信測點規模預計為5萬點，成都調控中心監控系統（以下簡稱:成都監控系統）數據通信點的規模將超過20萬點，海量的數據通信對系統的實時性、運行監視和歷史數據的存取均提出了全新的挑戰。

（3）“調控一體化”調度管理模式。為了保證“調控一體化”調度管理模式的可靠運行，成都監控系統以 “信息上得來、信號看得住、設備控得穩”的技術要求為主線，全面滿足梯級樞紐電站遠程集中監視、控制、調度對可靠性、實時性、安全性、準確性的高度要求。

（4）復雜的調度運行要求。成都監控系統在滿足 “調控一體化”的基本要求 “調度、監視和重點控制”的同時，還要面對溪洛渡電站 “一廠兩調”、“孤島運行”以及向家壩樞紐苛刻的航運要求等眾多復雜難題。

2 設計與實現

2.1 功能設計

成都監控系統的任務是對梯級樞紐內各電站及泄洪閘等設施的運行情況進行遠方監視及控制，并按照上級調度指令，對梯級樞紐的泄洪、蓄水、發電等進行統一聯合調度，對梯級樞紐實行統一的調度管理。成都監控系統采用全開放的分層分布式網絡結構，全分布式無主對等數據庫管理體系，系統各節點功能應能靈活地分配與調整，即監控系統功能分布在系統不同的功能節點計算機中，每個功能結點嚴格執行指定的任務，并通過局域網（LAN）實現聯結。對于重要的功能節點，計算機采用冗余配置。監控系統結構示意見圖1。

2.2 主要技術實現

成都監控系統的主要功能有:數據采集及處理、安全監視與智能報警、控制與調節、發電調度與經濟運行、系統通信、系統診斷、離線開發與仿真培訓等。

2.2.1 多通道、多規約、多數據源的集群通信技術

成都監控系統與梯級電站面對近20萬個點的數據通信需求，以及近萬點的控制命令的巨型規模要求，結合金沙江梯級巨型電站海量數據的特點，在國內率先提出了 “多通道、多規約、多數據源”集群通信技術，以保證海量數據的安全、高效、可靠地傳輸，在大幅提高通信可靠性的同時，節約了投資成本上百萬元。監控系統集群通信結構見圖2。

圖1 成都監控系統結構示意

（1）多通道。成都監控系統采用多通道與溪洛渡電站、向家壩電站計算機監控系統進行數據通信:兩條主用通道（即A/B通道）采用金沙江光傳輸環網的兩條完全獨立的傳輸通道，帶寬100 Mb/s光纖通道，信息傳輸采用100 Mb/s以太網接口；備用通道采取租用四川省電力通信網帶寬的方式，且租用電路所使用光纜與金沙江光傳輸網采用不同路由，租用的帶寬獨立于金沙江光傳輸網運行，稱之為C通道，帶寬100 Mb/s光纖通道，信息傳輸采用100 Mb/s自適應以太網接口；應急通道采用集團公司內部組建衛星通信系統，利用該系統，將溪洛渡、向家壩電站和成都調控中心之間的數據信息實時進行傳遞，稱之為D通道，即衛星通道，采用IEC60870-5-104規約，信息通過網口傳輸。正常情況下，值班通道作為主通道傳送數據，備用通道做為主用通道的比較數據，用于和主用通道數據進行校驗糾錯，當主用通道中斷時，該通道數據即升級為主用數據。

（2）多規約。成都監控系統與所屬梯級電站監控系統之間數據通信A/B主用通道采用IEC60870-5-104規約，備用C通道采用TASE.2規約，衛星應急通道采用IEC60870-5-104規約。

（3）多數據源。主通道數據作為成都監控系統的工作數據源，其他通道數據做為備選數據源。

（4）數據采集服務器集群技術。對每一數據源定義一組不同的服務器隊列，正常情況下由隊列中的第一臺服務器完成通信功能。當其故障時，依次由隊列中的服務器接替工作。這樣將同一廠站不同通道和不同廠站的通道動態均分在多臺服務器上以實現負載均衡。各臺服務器同時工作，分擔負荷，相互熱備。

2.2.2 智能監視與報警技術

金沙江梯級電站有效監視點將近20萬，規模巨大，如按傳統做法對事件與報警信息不采取智能措施，出現遺漏重要信息的可能性很大，對梯級電站調控一體化的運行管理將帶來極大的不安全因素。對此，針對遠程監視的安全職責要求，以及對海量數據，特別是重要信號的有效監視要求，同時又滿足減輕值班人員值班監視的勞動強度要求，成都監控系統采取多種技術和措施，如監視分級、自動巡檢、智能報警、智能檢索、動態著色、流程監視、工況識別、事故回放等，來完善值班人員對設備運行的安全監視職能。

（1）運行監視分級。成都監控系統根據值班管理的要求，通過權限的分配設置，將一部分操作員站應用于梯級電站設備的綜合監控與運行管理，另一部分操作員站專用于溪洛渡或向家壩電站設備監控與運行管理，以達到安全、高效的生產管理目標。

（2）自動巡檢功能。值班人員可以根據生產需要，自定義巡檢內容及巡檢周期，主要對值班人員所關心的重要設備故障事故報警、控制調節操作、人工強置數據、測點投退、報警屏蔽等信息進行檢測，并自動生成巡檢記錄。

圖2 成都監控系統集群通信結構示意

（3）智能報警平臺。智能報警平臺根據既定策略對 “前臺報警”信息進行智能化處理，如采用相關量分析與報警控制策略，首先將生產過程按設備單元或系統以及服務對象劃分為組，在組內的設備運行狀態與參數信息具有相關性，這些具有相關性的信息稱之為相關量。相關量分析與報警控制策略即按照設備監控的目的，將相關信息按照源發、伴生和結果進行分類并賦予它們不同的報警控制級別，在一定的時間區間內，報警控制將按照優先級別進行（特別是語音報警），低級別故障信息只進行記錄，從而有效提高報警信息質量。設置專用報警信息窗或報警信息顯示器，僅對值班人員關注的設備故障事故信息進行有效報警。

（4）工況跟蹤。機組特性曲線圖畫面可以實時顯示機組的當前運行區間（禁止運行區、限制運行區和穩定運行區等，自動計算當前機組效率和全廠效率。

目前成都監控系統已接入溪洛渡、向家壩電站總數據的一半左右，40 min內產生監視事件6000條，到梯級電站完全投運時，監視信息量將在目前基礎上翻倍，實際運行效果良好。

2.2.3 控制與調節

成都監控系統每天的控制操作將達到上百次，這對系統控制與調節功能的安全性、可靠性提出相當苛刻的要求。系統對于所有命令操作，在下發指令前都要進行控制調節權限判斷。電站側增加 “廠控/集控”權限判斷，現地控制單元（LCU）增加“廠站控制/集控控制/調度控制”控制權限及 “廠站調節/集控調節/調度調節”調節權限判斷。當全廠控制權切 “集控”，集控可以對控制權和調節權進行切換。LCU控制權切 “集控”，集控才能對該機組進行控制；機組調節權切 “集控”，集控才能對機組進行調節。控制和調節權滿足后，操作還需進行閉鎖條件判斷，只有閉鎖條件滿足，命令才能下發。

電站側通信服務器接受到集控命令，需進行權限及閉鎖條件判斷，只有滿足條件的命令，才會下發到LCU執行，如果條件不滿足，該命令被丟棄。

成都監控系統以溪洛渡、向家壩梯級電站監控系統的調節控制功能為基礎實施遠程控制和調節。其主要控制范圍包括機電設備中的發變組及其輔助設備、GIS及出線；公用排水系統；水工建筑中的機組進水口閘門、泄水閘門。調節范圍包括全廠負荷、左/右岸電站負荷、單機負荷（包括有功和無功）。

2.2.4 梯級AGC/AVC

梯級AGC的主要任務是根據上級電力調度對梯級電站的發電要求，考慮梯級樞紐各方面綜合利用的要求及梯級各電站的運行情況，在電網允許的負荷變化范圍內，對梯級電站的發電進行優化調度，使梯級發電總功率在梯級各電站間進行經濟合理的分配，給定梯級各電站日發電曲線或當前時段的發電總功率或各機組功率，實現梯級發電的經濟運行。梯級AGC包含兩個部分，一部分將梯級總有功分配至各電廠或將各電廠總有功給定值轉發給電廠，由電廠AGC執行；另一部分是將各電廠總有功給定值分配至機組，通過梯調與電廠通信系統，下發至機組LCU執行。后一部分只有在電廠AGC退出，梯調AGC直接分配至機組時才會啟用。

梯級AVC（自動電壓控制）用于各梯級電站電壓監視節點的自動調節，確保控制點母線電壓在規定的范圍之內。梯級AVC分為兩種方式:①將梯級總無功分配至各廠站或將各廠站總無功（母線控制電壓）轉發給電廠，由電廠AGC執行（全站方式）；②將上述各廠站總無功定值分配至機組或按設定母線電壓控制分配至機組，通過梯調與電廠通信系統下發至機組LCU執行（單機方式）。

成都調控中心梯級AGC所調節的負荷容量巨大，AGC的調節安全性對國家電網以及南方電網的安全穩定影響很大，所以，為了確保安全，采取梯級AGC與電站AGC聯合運行、梯級AGC單獨運行、遠程控制電站AGC運行等多種運行方式，最終將根據試運行后的實際情況選擇運行方式。

2.2.5 水電聯合閘門控制功能

水電聯合閘門控制主要原則:水調自動化系統負責閘門命令單的生成，成都監控系統負責閘門命令的接收、解析、確認、執行與結果反饋。主要功能框架見圖3。

圖3 水電聯合閘門控制功能示意

成都調控中心通過其首創的水電調聯合閘門控制功能設計，成功實現了遠程集控溪洛渡電站7個表孔、8個深孔閘門，向家壩電站12個表孔、10個中孔閘門的能力，通過實際運行效果看，成功率為100%。

2.2.6 應急補水控制功能

向家壩樞紐下游航運要求水位小時變幅不能超過1 m，這對向家壩水電站機組負荷大幅變化時如何及時保證下游航運的安全提出了更高的要求。成都監控系統為此專門開發了向家壩水電站機組負荷大幅變化時自動應急補水控制功能，即:控制程序平時運行在監視狀態，實時跟蹤電站總出力，根據出力、耗水率與流量的換算公式計算出電站總發電流量，并加上閘門的出庫流量計算出電站總出庫流量，再根據下游流量-水位曲線換算成下游當前計算水位，最后統計出當前30 min內最大的出庫流量及對應的下游計算水位作為基準流量和下游基準水位。若當前下游計算水位相對于基準水位的下降幅度超過了設定閾值，或當前出庫流量低于因航運要求需要保障的下游最小流量，即認為需要進行補水操作，程序進入到補水狀態，計算出補水流量，根據補水流量和當前閘門狀態以及一系列閘門分配原則推算出閘門操作預案（參與補水的閘門、設定開度），并自動推出應急補水聯控畫面，將相關信息和操作預案等顯示在補水聯控畫面上，等待運行人員進行修改、確認或取消。

補水程序在收到 “確定令”后根據閘門啟閉約束條件逐一下發閘門操作命令，并在所有閘門操作結束后退出補水操作狀態，清除閘門操作建議，恢復監視狀態。補水程序在收到 “取消令”后退出補水操作狀態，清除閘門操作建議，恢復監視狀態。

2.2.7 一體化維護管理工具

成都監控系統創新地提出了基于網絡的、跨平臺的、一體化的管理工具，通過該工具的實現，維護人員不再需要記憶大量的系統命令，通過統一的人機界面，可交互式完成巡檢及維護工作，也可根據維護人員自定義巡檢內容模板完成系統自動巡檢，降低了人為疏忽因素造成的故障，大大地降低了人力成本，使巡檢與維護變得簡單且全面深入，在節約資源消耗的同時，大大提高了計算機監控系統維護工作的可靠性、科學性、簡便性及全面性。實現了對整個計算機監控系統局域網內設備（包括主機、交換機、路由器等)的實時監控、遠程管理與診斷、操作系統的報警及錯誤日志信息管理及分析、應用程序報警及錯誤日志信息管理及分析、數據庫報警及錯誤日志管理及分析、應用程序的遠程啟動與終止、UPS電源系統的運行狀態監視、UPS電源系統報警及錯誤日志管理及分析、文本及畫面文件的同步、自動巡檢功能等系統維護管理工作，最終達到在局域網內任意一臺工作站或服務器上就能夠完成對整個系統的管理。

3 結語

2012年8月，成都監控系統與向家壩電站監控系統通過IEC104規約實現了數據通信，并實現了與水調自動化系統數據交換、閘門控制、發電計劃等功能。2012年9月，成都監控系統成功完成了對向家壩電站GIS斷路器、隔離刀閘、接地刀閘的遠方分合試驗以及8F的遠方聯控試驗。2012年10月成都監控系統實現了與國家調控中心等多個電網調度機構的數據交換功能。從2012年11月至2013年7月，成都監控系統總共執行近2萬次的GIS控制、閘門控制、機組開停機、機組輔助設備控制以及機組有功、無功調節操作等各類操作，期間，沒有出現一起通信數據完全中斷、事故情況下數據記錄丟失、控制操作錯誤動作等重大事故。

2013年成都監控系統還將實現對溪洛渡電站10臺機組、向家壩電站3臺機組的遠方集中監控的功能，2014年將全面完成對溪洛渡、向家壩電站的監視、控制與調度功能。

通過對成都監控系統的開發、調試、運行的成功實踐與總結，對超大型梯級水電站群集中監控技術的發展有了更深的認識和體會:

（1）建立規范的國際或國家的流域梯級樞紐集中監控技術的標準，將會有利于減少或消除當前流域梯級樞紐集中監控技術中安全性、實時性、可靠性的瓶頸。

（2）流域梯級樞紐集中監控技術的發展將大大提高流域梯級樞紐的綜合效益，同時，也會促進流域梯級樞紐運行管理模式的科學創新，促進人力資源高效、合理的分配與利用。

（3）積極推動流域梯級樞紐集中控制中心各自動化系統以及與各電站自動化系統之間的一體化系統集成技術的發展，是未來流域梯級樞紐集中控制技術的可行方向。