水電廠電氣工程自動化監控系統安全防護探討

華電四川發電有限公司寶珠寺水力發電廠 任 棖

近年來，由于信息技術和智能控制技術的不斷發展，水電廠的自動化水平不斷提升，一些水力發電廠都采用了電力自動化控制系統，節約了大量的人力、物力，使水力發電廠的運行效率得到了明顯的改善。為保證電力自動化系統運行的安全性和能源效率，通常會在系統中添加一個全過程監測模塊，也就是監測系統。

但整個系統的運行都是基于信息技術與智能技術，因此監測系統不可避免地要面對相應的安全問題，為了提高監測系統運行的安全性和可靠性，必須根據監測模塊的特點，制定一種新型的安全防范措施。

1 水電廠電氣自動化監控系統概述

1.1 結構模式分析

現代變電站的自動化系統以太網、現場總線最為常用，隨著科學技術的進步，電力設備創新以及電力系統的完善，為自動化控制提供了堅實的基礎。系統的計劃是按照現場總線的安排來進行的，計劃可以根據時間的不同而進行，不同的時間間隔，相應的表現也不同。相比現場總線的監控控制方式，遠程監控控制系統不僅要做到這一點，而且還要將隔離設施、終端柜、仿真設備等減少。另外，還可以在現場安裝自動化設備，通過通信線路和監控設備進行連接，從而降低控制線路和相關設備的維護成本，切實有效地減少系統構成的成本。

1.2 構建分析

在水力發電廠的電力一體化自動化控制系統中，采用分層、分散、多CPU 的方式，由多個設備和子系統構成不同的結構層次，以完成相應的功能。從整體上看，其二次裝置可分成兩個層次：站控層和單元層。站控層是以太網，主要功能是實現主機與顯示器與單元層的數據交換，具體包括運行工作站、遠程工作站、操作工作站、通信工作站和工程師工作站。

其中，運行工作站的功能主要是對電力系統的實時監測；操作臺的主要功能是對下級測控設備的電氣參數進行遠程控制；通信工作站的主要功能是與水力發電廠的其他系統進行互聯和信息交流；工程師工作站的主要功能是對數據庫、操作界面、報表等進行系統的修改、維護以及網絡監控設備的維護。同時，工程師工作站也可以作為技術人員的培訓工作站，在此平臺上進行操作過程的模擬演練，以及對操作人員進行仿真培訓等。

2 設計思路

2.1 電源要求

電源是整個系統中的重要組成部分，其供電方式應能滿足系統中各個裝置的供電負荷。I 級電力系統若有UPS，則可采用輻射型或樹干型供電；在II級電力系統中，可以采用接近電力的方式進行供電；采用CPU 控制的電源，應保持72h 以上的工作時間，以支持各種控制器的工作，并能滿足特定條件下的長期需要。

2.2 布線要求

在進行布線時要滿足相應的裝配要求，嚴格選擇信號線路的控制電纜，為確保其工作的獨立性和可靠性，可以采用分槽、分岔的方式。在配線時，應保證其工作地與其他弱電項目的公用接地線保持良好連接，此外為了確保系統的工作穩定，在某些線路上必須有專用的導線。

3 電氣自動化體系的監控模塊

3.1 自動化監控系統的數據采集特征

電力自動化監測控制系統的主要工作是采集、分析和處理各種數據。由于該過程的動態特性，不同的數據采集的準確度要求也會有所差別，因此監測系統的這一功能更為復雜。一般需要收集各種模擬量、脈沖量、狀態量等，有些狀態量與報警功能有直接關聯，與安全保護密切相關。

3.2 自動化監控系統的畫面顯示特征

監測系統的屏幕顯示可分成三大類：一是對上述各種采集數據進行顯示；二是對視頻進行實時的多媒體監測；三是為全電站自動控制系統的仿真圖像，用以反映電路的開斷、電流、電壓等操作。一旦對監測系統進行了攻擊，三類圖像都會出現顯示誤差，甚至不能顯示，造成整體監測功能失效。

3.3 自動化監控系統的操作控制特征

作為電力監控系統的一個重要組成部分，其運行控制采用了遠距離控制和現場控制相結合的方式。盡管監控模塊是自動化系統中的一部分，具有一定的智能特性，但其對人工的要求較高，很多控制功能都是人工完成的，因此在安裝安全保護裝置時，必須考慮到其與人工控制的適應性。

3.4 自動化監控系統的效率監測特征

與常規電力自動化系統中的監控模塊相比，這樣的系統模塊必須具有實時的運行效率監測功能。這類監測系統長時間持續地進行，要求系統具備及時性和穩定性，因此必須確保監控系統具有以上兩個特點。

3.5 自動化監控系統的事件記錄特征

在電力自動化系統中，不能完全避免操作故障和操作事故，因此監測系統必須能對故障和事故進行詳細的記錄。但因為這些記錄有時會被系統自身的原因所干擾，因此必須在一定程度隔離功能，將故障記錄與故障本身分開，并在必要時提供外部備份。

回顧城鄉規劃專業的發展歷史，從過去從屬于土木工程學科到今天的獨立學科，城鄉規劃的教學改革變化不大，雖然有來自德國的金經昌教授、英國的朱泰信教授、美國梁思成教授等教育先驅引入各國教育理念，但主要沿襲1952年按照蘇聯模式建立起來的框架（侯麗2013），傳統城鄉規劃院校教學模式依舊是以建筑學為背景，除了新增城市社會學、經濟學等選修課，引入計算機輔助設計軟件教學，整體教學框架變化不大，無法滿足廣州城鄉管理發展需求。

4 水電廠電氣監控系統的具體功能

4.1 數據的采集及處理

監控和控制系統主要負責收集相關的數據，包括活動、系統運行、信號變化、事故情況、模擬量、超限制數據等，以及其他的數據處理和數據庫中的數據更新。主要的數據類別有狀態量、脈沖量和模擬量，這里主要是模擬溫度、功率系數、有功功率、無功功率、電流電壓和頻率。狀態量指的是斷路器、隔離調節設備、接地調節設備的部分信號、繼電保護設備的安裝、自動設備的設置、警報功能以及運行監測信號等。脈沖功率是指有功功率和無功功率的功率。

4.2 畫面顯示

系統畫面可以實時地顯示出一臺設備的運行狀態，系統中的電壓、隔離設施的開關以及電路的開關、計算、維修等情況，都可以實時地顯示出來，并且還可以對系統的運行情況進行分析。

4.3 操作控制

其運行控制方式可分為現場控制和PC 或DCS兩種。對運行指令進行優先權設定，可按先在現場進行，后由PC 或DCS 進行，確保現場設備與遠程監視相互融合、相互配合，使遠程監視與現場常規監視相協調，保障運行控制的安全與連貫性。

4.4 事件記錄

如果設備在運行中出現了故障，系統可記錄繼電器的開關狀態、斷路設施的信息以及相關的安裝情況，可以將信息的種類、數量、運動情況、信號情況、運動時間等信息進行詳細的記錄，并且將這些信息以不同的順序進行記錄，通過顯示屏將其顯示出來，然后保存在硬盤中[1]。之后，可以根據設備故障的原因，以及故障的診斷來確定故障。

4.5 效率監測

實時監控機組的效率，是電廠經濟運行的關鍵。水輪發電機的在線監控，可以作為水力發電廠在完成檢修后進行的現場驗收測試，這樣既可以檢驗設計、制造、安裝、檢修的質量，又可以長期持續地監測機組的工作狀態，通過對各種工況下的水輪機性能的實時監測，可為合理確定啟動臺數、優化負荷配置、設備狀態維修等決策提供依據。

4.6 狀態檢修

設備狀況的檢驗和維護以及使用期評估，是設備維護工作發展的必然模式。要采用先進的檢測設備和分析方法，在水力發電廠的主要設備的關鍵部位參數，定子放電、變壓設施的絕緣狀況等進行及時的在線收集、監測，通過收集運行、檢查、試驗等數據，結合專家經驗，分析設備的運行規律和可能存在的問題，盡快找出設備的缺陷和故障，并對設備進行針對性的檢查和維修[2]。在實踐中，可以將其視為一個獨立的系統，但國內的許多水力發電廠，都擁有完善的計算機監控系統，擁有大量的監控設備。從節省資金和使用的角度來說，設備狀態檢查維護系統和監控系統是需要共享的，在進行設備檢修的時候，必須考慮到已經建成的監控系統，將兩者結合在一起，既可以節省資金，還可使操作控制人員在監督和控制生產過程中及時發現問題，并合理地分配設備的工作量[3]。同時，還可以通過生產計劃來自動設置設備的工作負荷，在此過程中，要考慮到設備的正常運行所能承擔的負荷，從而保證生產計劃的可靠性。

5 電氣自動化體系的監控防護

5.1 通過硬件手段實現監控模塊的防護

對于自動控制系統中的監測模塊而言，其安全性主要來源于其自身的硬件性能。特別是電力自動化系統中的監測系統，技術指標和準確度均較高，若不能達到這些指標，將導致監測系統自身運行效率低下，從而造成安全隱患[4]。在建立監測系統時，要慎重地選用系統的硬件，以確保采集元件、畫面顯示元件等達到指標，并與相應的安全保護方案相結合，預先做好相應的安全保護，如隔離轉換裝置、系統故障時的后備設備等。

5.2 通過軟件手段實現監控模塊的防護

5.3 通過制度手段實現監控模塊的防護

制定一套合理、完整的管理和保護體系，以確保監測系統的軟、硬件保護措施的有效運行。防護體系的制定不能脫離實際的防護措施，所以在制定防護措施前，應研究現有的防護措施、防護條件等，以制定具有清晰職責的防護計劃。一般的安全保護計劃應包含下列條款：操作、維護和升級的規定；關于保護措施的文件和備份；有關場地的進出規則；負責各保護區塊的職責；關鍵界面的口令許可；執行條例，以管理計劃本身為目標[5]。

5.4 通過人力手段實現監控模塊的防護

就目前而言，水力發電廠無論是硬件保護，還是軟件保護，都缺少專業的技術人員，通常都是從國外引進專業的技術人員來維護、升級、改進。雖然提升了保安系統的專業性，但是在日常運行和維護方面卻出現了滯后的情況。為此，水力發電廠在其自動化監測系統中，必須配備專職的安全技術人員，進行日常的維修和突發事件的應急處理。

5.5 通過聯動手段實現監控模塊的防護

目前的監控系統和安全保護系統幾乎是兩個獨立的系統，這樣可以確保各自的安全和獨立，但在響應速度上卻不可避免地會有延遲。另一方面，兩者之間的聯系還不夠完美，保安系統沒有與監控系統的智能控制中心相連通，當出現安全風險或者無法防御外來攻擊時，只能對控制臺發出報警，讓操作員進行人工處理，而不能通過智能控制設備進行必要的“緊急剎車”。所以，增強監測和安全保護系統之間的聯系，增強兩者的整體性能，可以進一步增強安全保護的能效。

綜上，和傳統的控制方式不同，水力發電廠的自動控制系統升級的速度較快，同時為保證自動化，水力發電廠的監控系統也會隨之升級。在此背景下，要科學掌握安全保護體系的升級與更新速度，在監控系統更新過程中，相關工作人員要根據具體的更新狀況進行分析，以避免不必要的升級和消耗。