地熱電站超遠距離監(jiān)控方案研究

陳小剛

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

超遠距離監(jiān)控的“超遠距離”指的是兩地間接近上百公里甚至更遠。超遠距離監(jiān)控系統(tǒng)意思是由遠端的監(jiān)控系統(tǒng)采用超遠距離通信網(wǎng)絡技術對現(xiàn)場的設備、儀器等進行監(jiān)視和控制，以便解決地域和環(huán)境限制，同時降低維護成本。地熱電站建設取決于地熱能源場，西藏地熱源一般處于荒僻的高海拔無人區(qū)。此地區(qū)長年氣候干燥、寒冷、空氣稀薄，若要在此地區(qū)進行類同于傳統(tǒng)能源電廠的生產(chǎn)運營管理有相當大的難度。遠程集中監(jiān)控對電站的管理有利，工作區(qū)域由電站內(nèi)數(shù)名運行維護人員向片區(qū)內(nèi)只有幾名巡視人員或無人值守轉化。

地熱電站，包括太陽能、風能、分布式能源等其它新能源電站，其電能生產(chǎn)過程相對火電、核電等要簡易很多，監(jiān)控的設備數(shù)量少，操作性降低，這些電站所處環(huán)境的特殊性也對超遠距離監(jiān)控的實現(xiàn)更為迫切。地熱電站實現(xiàn)超遠距離監(jiān)控將突破地域和環(huán)境的限制，降低維護成本，運行人員不用長期處于惡劣的環(huán)境中工作和生活，電站的工作和管理都將更加人性化。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

遠程監(jiān)控是國內(nèi)外研究的前沿課題，國內(nèi)外對遠程監(jiān)控技術的研究，主要集中于遠程實驗研究、遠程控制機器人的研究以及工業(yè)領域應用的研究。信息交換溝通領域從現(xiàn)場設備層到控制、管理的各個層次迅速覆蓋，建立了連接設備、車間、工廠、公司乃至全球各地的網(wǎng)絡。

地熱電站現(xiàn)有的運行管理方式，與傳統(tǒng)火電管理運行方式相似，均是在廠區(qū)內(nèi)或不遠處設置運行人員，通過控制系統(tǒng)進行監(jiān)控。目前國內(nèi)外基于局域網(wǎng)的電廠監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)很成熟，如分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System, DCS)、廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(Supervisory Information System at plant level, SIS)、管理信息系統(tǒng)(Management Information System, MIS)等系統(tǒng)。國際上有幾個DCS廠家開發(fā)了基于瀏覽器/服務器(Browser/Server，B/S)技術的遠程DCS監(jiān)控系統(tǒng)，但仍未得到成熟應用。國內(nèi)有高校、科研所、公司也在積極致力于遠程監(jiān)控技術的開發(fā)。

2 工業(yè)生產(chǎn)超遠距離數(shù)據(jù)通信簡介

在兩地之間傳輸信息要有傳輸信道，根據(jù)傳輸媒介的不同，分為有線數(shù)據(jù)與無線數(shù)據(jù)通信，共同點是都要通過傳輸信道將數(shù)據(jù)終端與計算機聯(lián)結起來，使不同地點的數(shù)據(jù)終端可以實現(xiàn)信息資源的共享。以下介紹幾種工業(yè)中應用的數(shù)據(jù)通信。

2.1 工業(yè)以太網(wǎng)通信

工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)作為傳輸網(wǎng)絡，被廣泛應用到工業(yè)中的各個領域。工業(yè)以太網(wǎng)的應用，為監(jiān)控系統(tǒng)提供了便利的網(wǎng)絡資源，縮短了開發(fā)周期；同時工業(yè)以太網(wǎng)的穩(wěn)定性使監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸更可靠；工業(yè)以太網(wǎng)還有不受地理位置限制優(yōu)勢，在有網(wǎng)線接口的地方就能將工業(yè)設備接入網(wǎng)絡。而且越來越多的工業(yè)設備已集成了網(wǎng)線接口，方便設備接入網(wǎng)絡。

2.2 無線網(wǎng)絡通信

隨著全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication, GSM)、通用分組無線服務技術(General Packet Radio Service, GPRS)、無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks, WLAN)等無線網(wǎng)絡的陸續(xù)出現(xiàn)，促進了工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。此時無線網(wǎng)絡又可分成兩類：無線局域網(wǎng)和無線廣域網(wǎng)。當時的很多工業(yè)企業(yè)采用集中的生產(chǎn)方式，監(jiān)控網(wǎng)絡采用WLAN無線局域網(wǎng)就可實現(xiàn)工業(yè)無線監(jiān)控。在無線廣域網(wǎng)中，基于GPRS的工業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)應用最為成熟。

2.3 4G/3G通信

4G集3G與WLAN技術于一體，且能夠快速傳輸數(shù)據(jù)，如高質量的音頻、視頻、圖像等。4G網(wǎng)絡比3G網(wǎng)絡擁有更高的帶寬，其傳輸速度有了明顯的提高。4G網(wǎng)絡擁有數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾剩瑢崟r性和穩(wěn)定性優(yōu)勢突出。

2.4 衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星和地球站兩部分組成。簡單地說，衛(wèi)星通信就是地球上的多個無線電通信站利用衛(wèi)星作為中繼進行的通信。衛(wèi)星通信的特點主要是：覆蓋范圍廣，只要在衛(wèi)星電波覆蓋范圍內(nèi)，任何兩點間均可通信；同時衛(wèi)星通信不易受陸地災害的影響。

2.5 各通信方式特點對比

將上述通信方式進行特點對比，具體的優(yōu)缺點見表1。

3 遠控方案可行性研究

3.1 超遠距離監(jiān)控系統(tǒng)的要求

地熱電站的監(jiān)控，是通過計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)對地熱井口設備、擴容器及擴容分離系統(tǒng)、汽輪機設備及系統(tǒng)、凝汽器及其輔助設備、輔機冷卻水系統(tǒng)、地熱水回灌系統(tǒng)及設備、化學水處理系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及設備、暖通系統(tǒng)等系統(tǒng)和設備的監(jiān)控和管理。其控制系統(tǒng)和方式的方案是電站全廠采用一套分散控制系統(tǒng)，通過DCS對地熱井和全廠的發(fā)電機組及輔助設備進行監(jiān)控和管理。對于發(fā)電機組和地熱田相距較遠的，一般設置遠程輸入/輸出(Input/Output， I/O)控制站在就地。

表1 通信方式特點對比

分散控制系統(tǒng)對象主要包括廠級控制設備、現(xiàn)場級的設備、電源設備、網(wǎng)絡設備、視頻監(jiān)視 (Closed Circuit Tele Vision， CCTV)等。控制機柜一般就近布置在控制設備間內(nèi)。

由于生產(chǎn)設備通常是連續(xù)工作，因此監(jiān)控系統(tǒng)應具有長時間連續(xù)工作的能力。這樣就應該從系統(tǒng)設計的可靠性、實時性、安全性、可維護性等方面出發(fā)提出要求，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)監(jiān)控系統(tǒng)能夠長時間不間斷運行，即無故障運行的時間要長；(2)系統(tǒng)應能夠提供多種安全保護措施；(3)監(jiān)控系統(tǒng)對信息的傳輸要及時，不能有過大的延時；(4)監(jiān)控系統(tǒng)要有通用性和靈活性；(5)具備豐富的系統(tǒng)功能。

3.2 超遠距離監(jiān)控行業(yè)案例

在電力系統(tǒng)內(nèi)部，電網(wǎng)公司和水電公司已率先實現(xiàn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用。

3.2.1 電網(wǎng)生產(chǎn)監(jiān)控的“四遙”技術

隨著電網(wǎng)四遙技術(遙測、遙信、遙控、遙調(diào)功能系統(tǒng))的應用，電網(wǎng)生產(chǎn)已較早實現(xiàn)了無人值守及遠程監(jiān)控技術。電網(wǎng)公司目前已實現(xiàn)少數(shù)500 kV變電站、全部220 kV變電站的遠程監(jiān)控技術。集控站一般建在調(diào)度中心和變電站之間，在集控站對多個無人值守的變電站進行集中監(jiān)控、管理，它是處于局部電網(wǎng)的層次上，對所管轄的無人值守變電站進行更高層次管控。除數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系 統(tǒng) (Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)控制功能外，還能利用集中得來的細節(jié)信息，作決策分析處理，在地區(qū)調(diào)度自動化系統(tǒng)中起到前級智能信息處理節(jié)點的作用。

3.2.2 大型水電站集中控制

以雅礱江流域水電開發(fā)有限公司為例，公司已對水電站實現(xiàn)了成都總部集中控制。該公司擁有多處大型水電站，最遠的水電站距離成都總部約600 km，集中控制中心都可在總部監(jiān)控就地生產(chǎn)情況。同時跟現(xiàn)場控制中心一樣可進行操作，現(xiàn)場和集控中心的監(jiān)控效果一樣。

3.2.3 電網(wǎng)、水電的監(jiān)控特性

電網(wǎng)和水電較早地實現(xiàn)了超遠距離監(jiān)控，發(fā)電廠仍沒有采用，是由其生產(chǎn)過程的差異性所決定的。電網(wǎng)的遠程監(jiān)控以分合、切換變電站斷路器、隔離開關為主，不涉及調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過遠程自動化監(jiān)控系統(tǒng)容易實現(xiàn)。大型水電站監(jiān)控數(shù)據(jù)量大，數(shù)量級同火電廠的數(shù)據(jù)量，但其調(diào)節(jié)系統(tǒng)相對較少，主要是功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、機組壓油裝置綜合自動化系統(tǒng)以及閘門等，水電調(diào)節(jié)系統(tǒng)不用頻繁操作，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。由此可見，遠程監(jiān)控也可適用于操作、監(jiān)控相對簡單的地熱電站。

3.3 通信方式選擇

通過前文對幾種通信方式的介紹以及優(yōu)缺點對比，結合研究對象發(fā)電廠特性(超遠距離數(shù)據(jù)傳輸，傳輸?shù)膶崟r性、安全性、可靠性等)，選擇工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，通道采用光纖通信。

近年來，電網(wǎng)公司利用自有的線路桿塔來架設特種通信光纜發(fā)展電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡。這種特殊通信光纜是光纖復合架空地線(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW)， 具備地線與通信光纜的雙重功能，通常被安裝在桿塔頂部。OPGW是由多個光單元和多層絞合單線共同組成，見圖1。光單元是指能容納光纖的金屬管、骨架槽或塑料管，作用是保護光纖免受外界環(huán)境的影響，例如免受沖擊、縱向收縮、扭轉、彎曲、等損壞。在光單元外側，需要絞制金屬線，形成一定規(guī)模的導電絞線，這樣才能滿足送電線路對架空地線機械方面以及電氣方面的要求。在OPGW中，傳輸通道由光纖提供，鋼成分主要負責機械強度，鋁成分的主要作用是承載短路電流。

圖1 OPGW示意圖

綜上所述，鑒于現(xiàn)有通信技術、設備以及行業(yè)經(jīng)驗，通過城區(qū)集中監(jiān)控的方式，對地熱電站等新能源電站實施超遠距離監(jiān)控方案，技術上可行并且意義深遠。

4 羊易電站超遠距離監(jiān)控預案設計

4.1 電站概況

羊易地熱發(fā)電項目的裝機容量為1×16 MW，兩個站址均位于西藏自治區(qū)拉薩市當雄縣格達鄉(xiāng)南部羊易村，距拉薩市直線距離約75 km。站址區(qū)域地形開闊平緩，植被不發(fā)育，地表高程在4550～4570 m之間，人煙稀少。當雄縣的氣候特點為：夏季雨熱同期，干濕季分明，天氣變化大；冬季寒冷、干燥，晝夜溫差大。從11月至翌年3月份有三個月的土地凍結期，屬高原寒溫帶半干旱季風氣候區(qū)。

4.2 現(xiàn)有的監(jiān)控方式

現(xiàn)有的監(jiān)控方式通過現(xiàn)場集中控制實現(xiàn)，具體情況如下：

(1)地熱發(fā)電機組、地熱機組外圍輔助系統(tǒng)、電廠輔助系統(tǒng)(Balance of Plant, BOP)及地熱井井口加藥系統(tǒng)，通過一套分散控制系統(tǒng)對其控制和管理，用遠程I/O控制站實現(xiàn)對地熱田的遠程監(jiān)視和控制，整體采用集中控制方式。操作員站均布置在全廠就地集中控制室內(nèi)。現(xiàn)有控制系統(tǒng)主要包括電廠級的控制設備、現(xiàn)場級控制設備、電源設備、網(wǎng)絡設備、視頻監(jiān)控等。

(2)在就地集中控制室內(nèi)，運行人員實現(xiàn)對機組監(jiān)視、調(diào)整以及機組異常工況時的緊急處理或停機，在少量就地人員巡檢和操作的配合下，完成機組的啟動和正常停機。同時在就地集控室操作臺上通過硬手操按鈕可實現(xiàn)對有機工質朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle, ORC)地熱發(fā)電機組的緊急停機。

(3)設置生產(chǎn)視頻監(jiān)視系統(tǒng)。在全廠就地集中控制室內(nèi)設置監(jiān)視器對地熱發(fā)電機組、地熱機組外圍輔助系統(tǒng)BOP及地熱田生產(chǎn)井等重要區(qū)域進行監(jiān)視。

4.3 超遠距離監(jiān)控預案規(guī)劃

本次羊易地熱電站實施內(nèi)容分為三個方面：拉薩遠程集控中心建設、通道建設、羊易地熱電站通訊及監(jiān)控系統(tǒng)建設。

4.3.1 遠程集控中心建設

建設遠程集控中心基礎支撐平臺，主要包括發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)、電氣監(jiān)控系統(tǒng)、輔助監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡交換系統(tǒng)、大屏顯示系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、交直流配電系統(tǒng)、安防報警系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)。設置遠程集控中心的總體目標主要分為三個方面：生產(chǎn)監(jiān)控、運行監(jiān)視、生產(chǎn)管理，從而實現(xiàn)對羊易地熱電站的管、監(jiān)、控一體化目標。

4.3.2 通道建設

租用國網(wǎng)西藏電力公司佳木110 kV變電站到羊易地熱電站2條200 M帶寬的通信通道，即OPGW通訊；建設從佳木110 kV變電站到拉薩集控中心雙光纜通道；在佳木110 kV變電站原通訊設備里新增加通訊板，并配置通道。

4.3.3 羊易地熱電站建設

將原工作站移裝至拉薩集控中心；增加以太網(wǎng)光口通訊板卡和千兆網(wǎng)交換機，使羊易地熱電站和拉薩集控中心通訊暢通。

4.3.4 電站遠程集控系統(tǒng)拓撲圖

根據(jù)以上所述，形成預案拓撲圖，見圖2。

4.4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)各子系統(tǒng)技術規(guī)范

為實現(xiàn)拓撲圖中所示的遠程監(jiān)控，除了利用成熟的地熱機組、輔助系統(tǒng)及電氣監(jiān)控系統(tǒng)外，還需要對視頻監(jiān)控系統(tǒng)、光傳輸設備、數(shù)據(jù)網(wǎng)及二次防護等主要設備和系統(tǒng)提出技術規(guī)范要求。

圖2 羊易地熱電站遠程集控系統(tǒng)拓撲圖

以視頻監(jiān)控系統(tǒng)為例，系統(tǒng)采用數(shù)模結合的方式，系統(tǒng)設備采用模塊化結構，系統(tǒng)主要設備應有結構和功能冗余。系統(tǒng)局部的故障不會影響到整個監(jiān)控系統(tǒng)的正常工作。系統(tǒng)應采用穩(wěn)定、成熟的技術方案，充分保證系統(tǒng)的響應速度快，可靠性和可用率高，可維護性好，且便于擴充。在數(shù)據(jù)網(wǎng)及二次防護技術規(guī)范中對網(wǎng)絡技術提出要求，如在網(wǎng)絡最大忙時，端到端時延、抖動、丟包率等具體要求，以及當采用縱向加密裝置技術時的要求等。此要求主要從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、實時性和安全性等方面提出，以便更好在現(xiàn)有控制方式和通訊方式下實現(xiàn)超遠程監(jiān)控。

4.5 緊急操作方案

發(fā)電廠現(xiàn)有的運行模式中，是在現(xiàn)場集中控制室操作臺設有按鈕通過硬接線到主要設備，即發(fā)生緊急情況時通過“按鈕+硬接線”方式控制設備的啟、停等操作。顯然，當采用了遠程監(jiān)控方案時，“按鈕+硬接線”方式無法實施。但現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范要求跳閘指令直接硬接線接至驅動回路中，機組跳閘指令不能通過通訊總線方式傳輸。如此遠距離的監(jiān)控，通訊只能是唯一的解決方案，其潛在的安全風險尚需進一步評估。現(xiàn)列出兩種獨立于正常通訊方式的緊急操作通道供參考。

(1)采用移動通訊的接入點名稱(Access Point Name, APN)專線

使用專用的APN連接上無線傳輸網(wǎng)絡，通過移動的網(wǎng)關GPRS支持節(jié)點(Gateway GPRS Support Node, GGSN)網(wǎng)關連接就地設備或就地緊急停機系統(tǒng)，實現(xiàn)信息的實時發(fā)送和接收。專用APN以專網(wǎng)的形式，形成一個相對獨立的網(wǎng)絡環(huán)境，使網(wǎng)絡具有很高的安全性。如果發(fā)現(xiàn)緊急情況，運行人員可在遠程集中控制室通過特定的手持終端裝置，如可通過通訊平板電腦進行緊急停機處理，結合控制系統(tǒng)，實現(xiàn)雙重冗余可靠處理。

(2)采用光纖專線

在集中控制室設置常規(guī)按鈕，在按鈕被按動時，回路中的電信號經(jīng)光發(fā)射機轉換成光信號，將經(jīng)過調(diào)制的光信號耦合入光纖；光信號經(jīng)過一段距離的傳輸后到達光接收機；光接收機將被調(diào)制過的光信號轉換成電信號，該電信號可接入緊急停機回路中，以實現(xiàn)緊急操作的功能。

4.6 運行管理方式

拉薩集中控制室人員負責監(jiān)視、遙控操作，需要統(tǒng)計監(jiān)控裝置、自動裝置異常及故障情況，及時將運行中發(fā)現(xiàn)的異常和問題反饋給現(xiàn)場值守運行人員，及時消除缺陷。發(fā)電廠根據(jù)實際情況，現(xiàn)場可無人，也可保留少量值守人員，用于處理通訊中斷、設備突發(fā)故障等機組的緊急操作，也用于安防、消防的現(xiàn)場值班。維護人員需定期(如每月)對就地設備進行巡視，做好巡視記錄，對存在異常的設備適當增加巡視次數(shù)，具體運行管理方式可根據(jù)實際運行需要以及公司管理規(guī)定提出。

5 結語

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，遠程監(jiān)控將被用到工業(yè)生產(chǎn)各種現(xiàn)場的設備和參數(shù)，大量節(jié)省人力、物力和財力。本文的研究內(nèi)容是在查閱了大量國內(nèi)外科技文獻的基礎上，對國內(nèi)外現(xiàn)有遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實際案例進行了分析，并結合地熱電站進行遠程監(jiān)控時所涉及的關鍵性技術進行了探討。對電站實施遠程監(jiān)控，將是一個復雜而龐大的工程，明確涉及到控制網(wǎng)絡、信息網(wǎng)絡、計算機軟硬件等方面內(nèi)容，充分它充分體現(xiàn)了自動化技術、計算機技術、通信技術的綜合與滲透。本文的研究思路可供以后的地熱電站實現(xiàn)遠程監(jiān)控時借鑒使用，同時也可為太陽能光熱、風電等新能源電站實現(xiàn)超遠距離監(jiān)控提供參考。

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