水電廠集控監控系統及其應用研究

李 欣

（南京南瑞水利水電科技有限公司，江蘇 南京 211106）

1 水電廠集控監控系統概述

集控監控系統主要指利用現代先進計算機系統、網絡技術、無線通信技術、傳感器以及告警設備，對水電廠各生產、管理環節所有電氣設備進行運行狀態的集中化遠程監控[1]。該系統可以對不同生產商的通信協議予以規范化管理，將不同類型的信息匯集在一起，對跨廠商設備進行統一控制和集中監測，從而實現對設備運行狀態數據的測量、參數調節與故障預警。

使用集控監控系統的根本目標在于提高水電廠設備運行管理效率與質量，通過集控監控系統可以及時發現設備運行中所存在的安全故障隱患，由專職人員進行操作記錄，再將具體記錄傳輸至技術部門，由專業技術人員進行設備故障維修。通過集控監控可以及時發現設備運行過程中所存在的異常情況，并進行系統數據的收集與發送，是水電廠設備運行安全有效管理的重要保證。相關設備數據又分為性能數據、告警數據以及告警解除數據，其中告警數據是集中監控系統最主要的監控對象。如果發現存在故障問題或安全隱患，必須及時進行處理，防止引發重大問題而影響水電廠其他設備的正常運行[2]。

由于水電廠的生產環境較為復雜，容易受到多種因素的影響而發生數據信息丟失的問題，因此如何提高集控監控系統的運行穩定性一直是水電廠較為重視的內容。目前，大部分水電廠均采用為提高網絡硬件的安全性和確保數據信息的完整性所設計的數據保護機制[3]。

2 水電廠集控監控系統結構

我國水電廠在進行集控監控過程中，主要采用開放型分層分布式結構，主要分為非控制層、查詢層、控制層以及接入層。各層面集控系統相對應的局域網依次為生產控制網、生產非控制網、生產信息網以及接入網。目前，我國相關電力部門針對各層面局域網安全維護都有著較為明確的規范和標準，水電廠在進行集控監控網絡防護過程中，需要嚴格依據相關規定予以處理，避免產生安全隱患。

局域網是水電廠集控監控系統中極為重要的組成部分，所有控制工作均需要以局域網為根本前提，深入了解集控監控系統中的局域網模式，對于水電廠集控監控系統穩定性的提升有著重要意義。

生產非控制網絡的功能為連接報表工作站、診斷故障、遠程維護。集控系統控制網與非控制網不同，所采用的是以太雙網結構，可以有效提高集控監控系統的抗干擾性能，避免系統中部分設備發生故障隱患而導致整個集控系統出現非正常運轉問題。控制層局域網中，歷史服務器與磁盤陣列可集中存儲集控系統控制范圍內所有水電廠相關數據信息[4]。生產管理信息層局域網專門配置了千兆以太網交換機，主要功能是進行遠程集控監控系統Web發布，與各種服務器和其他層面局域網連接可有效隔離各局域網，確保水電廠集控監控系統的安全操作。接入局域網采用百兆以太網雙網結構，數據信息在局域網中傳遞的過程會設置加密認證，以確保遠程通信數據信息的安全性。以安全系統架構設計為例，如圖1所示。

圖1 某水電廠集控監控系統安全架構

3 水電廠集控監控系統應用

以四川某水電廠為例，其系統結構與功能設計如下文所述。

3.1 系統架構

3.1.1 系統安全分區設計

根據《電力監控系統安全防護總體方案》（國能安全〔2015〕36號），集控中心計算機監控系統主體應屬于安全Ⅰ區，Web信息發布和離線開發測試平臺部署在安全Ⅲ區。

3.1.2 系統網絡結構設計

計算機監控系統采用全開放的分布式結構，由網絡上分布的計算節點組成，包括值班人機節點、運維人機節點、應用服務節點、數據庫服務節點以及Web服務節點等，各節點采用局域網聯結。局域網按IEEE802.3z設計，采用雙星型結構的交換式以太網、全開放的分布式接口以及局域網通信規約TCP/IP，網絡介質采用光纖，網絡傳輸速率為1 000 Mb/s。安全Ⅰ區網絡經電力專用正/反向物理隔離裝置與安全Ⅲ區網絡連接，通過非網絡連接實現數據、應用服務節點與Web服務節點、離線開發測試平臺之間的數據交換，保證生產控制區的安全[5]。

3.1.3 時鐘同步

部署一套北斗/GPS雙主鐘同步時鐘系統，作為集控中心統一對時信號源。對時方式支持B碼對時和網絡時間協議（Network Time Protocol，NTP）對時等。

3.1.4 大屏展示

集控大廳安裝55英寸液晶拼接屏1套，集控監控系統操作員工作站根據圖像源信號將其輸出至大屏，輸出接口采用顯示接口（Display Port，DP）或數字視頻接口（Digital Visual Interface，DVI）。

3.1.5 與電站通信

集控監控系統與所轄電站監控系統互聯，主要通過兩級系統的通信網關機實現，內部網絡相互隔離。互聯通道采用岷江公司自建調度數據網，通信協議采用IEC 60870-5-104。初期實現與下莊、銅鐘、草坡以及沙牌電站的接入，預留其他上網電站的集控接入接口[6]。

3.2 系統應用軟件功能設計

3.2.1 集控監控系統數據采集

集控監控系統數據采集功能包括：自動進行各梯級電站相關監控所需信息的收集，并將各梯級電站信息予以匯總，主要涵蓋實時運行數據、實時計算數據、歷史記錄數據；針對電網調度機構所傳輸的各梯級電站調度計劃（水庫調度、發電控制、防洪調度等）及多種指令相關信息予以接收；對優化調度系統所制訂各梯級電站調度計劃（水庫調度、發電控制、防洪調度等）及各項指令進行自動收集；自動進行操作員手動輸入數據信息的收集；通過數據接口方式與外部系統實現數據交互。未來數據交換平臺建成后，能通過數據交換平臺實現與外部系統的數據共享[7]。

3.2.2 集控監控系統數據處理

集控監控系統數據處理功能包括：針對所采集的數據信息予以有效性檢測，更新實時數據庫；進行數據存盤，保存歷史數據，更新原有各類歷史記錄數據，以確保數據連續性和完整性，可采用存儲載體進行各數據的備份；根據數據信息對比生成不同安全事故預警記錄信息，并發出語音報警等；記錄趨勢分析量；進行事件順序相關信息的記錄和匯總處理；記錄事故追憶及相關量數據；準確計算數據；統計并完整記錄各梯級電站主/輔設備、繼電保護與自動設備運行相關狀態參數數據、生成各梯級電站各類運行報表、各梯級電站分時電量記錄和各梯級電站有功功率、無功功率記錄，生成詳細的數據信息報表[8]。

3.3 安全運行監視

備用集控中心操作人員可運用集控監控系統人機交互接口設備，針對各設定監控對象開展監視工作。監控主要設備、開關站設備、主要輔助設備以及公用設備的運行狀態與具體參數，如母線電壓、頻率、有功功率、無功功率、輸電線路潮流、有過負荷可能的線路電流、部分重要的非電量、水位以及越限報警等。狀態變化分為兩類，一類為自動狀態變化，主要是由于自動控制或保護裝置動作而發生狀態改變；另一類為受控狀態變化，主要是因計算機監控系統指令執行而引發的狀態變化。對于這兩類變化都要做到詳細記錄，且需要顯示、打印并明確區分[9]。

計算機監控系統應能監視通信通道，包括交換機、路由器、光纖等，對冗余通道應能自動切換或手動切換[10]。此外，還要對閘門進行監視，包括閘門控制系統運行狀態監視和閘門運行狀態監視。監視手段不可拘泥于單一模式，要采取多種不同方法，如屏幕顯示、語音播報等[11]。

4 結 論

隨著現代科技的進步和信息技術、互聯網技術以及大數據技術的更新，我國水電廠的監控技術也在不斷發展，尤其是在集控監控系統方面。我國水能資源分布有著區域性特點，不同地區水電基地開發與設備應用也有著不同的標準要求，加上目前經濟效益較好的水電資源基本被開發完畢，預計未來新增水電裝機容量增速有限，這些都需要通過持續的技術優化研究來解決。