小型梯級(jí)水電站綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

翁獻(xiàn)進(jìn)，許建峰， 李 強(qiáng)

（浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602）

新疆古爾圖河梯級(jí)水電站位于天山北麓古爾圖河畔，規(guī)劃開(kāi)發(fā)的水電站共分7個(gè)梯級(jí)，總裝機(jī)容量約9.25萬(wàn)kW。本期工程建設(shè)的電站有3、6、7級(jí)站，7級(jí)站位于梯級(jí)電站的下游，6級(jí)站距7級(jí)站約6 km，3級(jí)站距7級(jí)站約15 km。

為了提高梯級(jí)水電站系統(tǒng)監(jiān)控和運(yùn)行管理自動(dòng)化水平，確保電站安全可靠運(yùn)行，提高電站經(jīng)濟(jì)效益，除各級(jí)電站內(nèi)部的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)外，還設(shè)計(jì)了一套綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。以下對(duì)梯級(jí)水電站的綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)加以介紹。

1 綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)

綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)總體規(guī)劃如圖1所示。圖中以6級(jí)站為例，3級(jí)站的設(shè)計(jì)原理與6級(jí)站基本一致，而7級(jí)站作為本監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心，其設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。6級(jí)站的綜合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)總體規(guī)劃為3個(gè)信號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)是6級(jí)引水渠，該處信號(hào)需經(jīng)過(guò)光信號(hào)傳輸，信號(hào)類型包含3路RS485信號(hào)、2路視頻信號(hào)以及1路電話音頻信號(hào)；第二個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)是6級(jí)站的前池，包含3路視頻信號(hào)、2路RS485信號(hào)以及1路電話音頻信號(hào)；第三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)是6級(jí)站中控室，中控室內(nèi)包含站內(nèi)5路電話音頻信號(hào)、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)送至梯級(jí)調(diào)度中心的數(shù)據(jù)信號(hào)。

綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是具有電站視頻監(jiān)控、電話音頻傳輸、數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊惑w化綜合系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）各級(jí)電站中控室對(duì)各自站點(diǎn)的監(jiān)視點(diǎn)進(jìn)行視頻監(jiān)控。

（2）各級(jí)電站與梯級(jí)調(diào)度中心之間的電話音頻傳輸。

（3）梯級(jí)調(diào)度中心的數(shù)據(jù)監(jiān)視工作站對(duì)各級(jí)電站的參數(shù)監(jiān)視。

（4）梯級(jí)調(diào)度中心對(duì)各站主要監(jiān)視點(diǎn)的視頻監(jiān)控。

（5）梯級(jí)調(diào)度中心數(shù)據(jù)向電網(wǎng)調(diào)度中心的數(shù)據(jù)傳輸。

2 綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

2.1 電話音頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

音頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基于光端機(jī)傳輸。以6級(jí)電站為例，程控交換機(jī)的7路音頻信號(hào)接入光端機(jī)的音頻接口，經(jīng)光纜傳輸?shù)?級(jí)中控室，其中5路供中控室使用，1路直接接至6級(jí)站前池，另外1路經(jīng)光端機(jī)傳輸至引水渠。3級(jí)站電話音頻 信號(hào)傳輸方式與6級(jí)站相同，而7級(jí)站的音頻傳輸直接使用電話線。

2.2 視頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

3、6級(jí)站各設(shè)有6個(gè)視頻監(jiān)視點(diǎn) （引水渠2點(diǎn)，前池3點(diǎn)，中控室1點(diǎn)），圖1中以6級(jí)站為例。引水渠處有2路攝像機(jī)視頻信號(hào)，一路為節(jié)制閘和引水閘共用的云臺(tái)攝像機(jī)，監(jiān)視主渠道上的節(jié)制閘與引水渠上的引水閘，另一臺(tái)定焦攝像機(jī)用于監(jiān)視引水渠入口處的水位標(biāo)尺，這2路信號(hào)因距離較遠(yuǎn)，通過(guò)1對(duì)光端機(jī)連接至數(shù)字硬盤(pán)錄像機(jī)DVR；前池3點(diǎn)視頻信號(hào)（分別監(jiān)視攔污柵、排冰閘、沖沙閘）與中控室1點(diǎn)視頻信號(hào)直接接至DVR。所有視頻信號(hào)均由DVR經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，由光端機(jī)上傳至電站MIS網(wǎng)，并通過(guò)MIS網(wǎng)傳送至位于7級(jí)站的視頻工作站。

7級(jí)站設(shè)計(jì)有3個(gè)視頻監(jiān)視點(diǎn)，為前池?cái)r污柵、排冰閘、沖沙閘，視頻信號(hào)直接接至DVR。

2.3 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要是為梯級(jí)電站調(diào)度系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)也傳輸距離較遠(yuǎn)的各級(jí)電站需送至綜自系統(tǒng)的部分監(jiān)控信號(hào)。

梯級(jí)電站調(diào)度系統(tǒng)包含電網(wǎng)調(diào)度中心、梯級(jí)電站調(diào)度中心、各級(jí)電站分控中心3級(jí)控制。3、6級(jí)站的數(shù)據(jù)由各自綜自系統(tǒng)的通信工作站經(jīng)RS232由光端機(jī)傳輸至梯級(jí)電站調(diào)度中心的數(shù)據(jù)前置機(jī)（服務(wù)器），7級(jí)站的數(shù)據(jù)由綜自系統(tǒng)的通信工作站經(jīng)RS232直接傳輸至梯級(jí)調(diào)度中心的數(shù)據(jù)前置機(jī)，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)調(diào)度中心對(duì)各級(jí)站數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)視，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳，同時(shí)梯級(jí)電站調(diào)度中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與MIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)廠級(jí)信息的監(jiān)控。

圖1 綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)總體規(guī)劃

部分監(jiān)控信號(hào)的傳輸以6級(jí)站為例。6級(jí)站的引水渠附近安裝了主渠道上的節(jié)制閘以及引水渠上的引水閘，綜自系統(tǒng)需對(duì)這2個(gè)閘門(mén)進(jìn)行監(jiān)控；另外，引水渠的流量信號(hào)也需送至公用就地控制單元LCU并在后臺(tái)顯示。因6級(jí)引水渠與中控室相距較遠(yuǎn)，普通RS485信號(hào)傳輸距離不足，這些監(jiān)控信號(hào)將經(jīng)過(guò)光端機(jī)的RS485口轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后傳輸至公用LCU。

3 綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

古爾圖河水電站綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)包括梯級(jí)電站調(diào)度自動(dòng)化、視頻監(jiān)控和電話語(yǔ)音3個(gè)子系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)一設(shè)計(jì)和實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、視頻和電話音頻的通信網(wǎng)絡(luò)一體化。同時(shí)，邏輯通道的分離保障了子系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立和完整，避免系統(tǒng)之間的干擾，降低了系統(tǒng)實(shí)施的復(fù)雜性和運(yùn)行維護(hù)的難度。

梯級(jí)電站調(diào)度自動(dòng)子系統(tǒng)是綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)了SCADA、PAS的一體化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)分為廠站端和梯級(jí)調(diào)度中心端，采用模塊化的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從支撐平臺(tái)到應(yīng)用功能的各個(gè)組成部分全部按模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展。整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雙16路通道通信，具有全雙工（同步雙向數(shù)據(jù)傳輸功能）、多規(guī)約通信功能，每路通道支持各種類型的通信規(guī)約（如CDT方式、POLLING方式等），同時(shí)可分別對(duì)每路通道設(shè)置通信速率。實(shí)現(xiàn)了梯級(jí)電站機(jī)組運(yùn)行的集中監(jiān)控和生產(chǎn)調(diào)度，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模塊的擴(kuò)展，遠(yuǎn)期可實(shí)現(xiàn)各電站機(jī)組運(yùn)行遠(yuǎn)方操作。

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像獲取與處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與安全技術(shù)，實(shí)時(shí)直觀地獲取和記錄各級(jí)電站重點(diǎn)部位的視頻圖像信息。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的前端信號(hào)接入本地網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)組成統(tǒng)一的視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。系統(tǒng)以電子地圖為平臺(tái)，采用圖形界面，形象直觀。整套系統(tǒng)支持監(jiān)控區(qū)域的分組和分級(jí)別的權(quán)限控制，提供完善的圖像錄像、檢索和回放功能。系統(tǒng)提供本地和遠(yuǎn)端兩種客戶端接入方式，可實(shí)現(xiàn)靈活的監(jiān)控管理。

電話音頻管理子系統(tǒng)所使用的數(shù)字電話交換機(jī)采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)采用了無(wú)阻塞數(shù)字式交換網(wǎng)絡(luò)，提供了豐富的程控交換功能，支持多種中繼和信令接口，易于安裝、擴(kuò)容、管理和維護(hù)。系統(tǒng)具有強(qiáng)大的Web網(wǎng)管功能，可通過(guò)IE瀏覽器登錄在線錄音系統(tǒng)及語(yǔ)音信箱進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)與管理。通過(guò)模塊的擴(kuò)展，系統(tǒng)還可以支持標(biāo)準(zhǔn)的IP電話。

為了提高綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，還設(shè)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)對(duì)全網(wǎng)光端機(jī)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。該監(jiān)控子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)光端機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、各子系統(tǒng)通道狀態(tài)、設(shè)備異常告警和通道異常告警等的監(jiān)控，提高了基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)水平，保障了系統(tǒng)的整體安全。

4 綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)主要設(shè)備的選配

由于水電站所處環(huán)境較為惡劣，風(fēng)沙大、極限溫度低，且各站地域分布廣，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須從客觀條件和經(jīng)濟(jì)上充分考慮系統(tǒng)設(shè)備的選擇與配置。

4.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端設(shè)備

視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端設(shè)備負(fù)責(zé)完成圖像的采集、編碼、傳輸以及云臺(tái)控制等工作，擔(dān)負(fù)著視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制命令的執(zhí)行，是系統(tǒng)重要的組成部分。系統(tǒng)選用一體化彩色轉(zhuǎn)黑白攝像機(jī)、紅外一體攝像機(jī)、高清晰度彩色攝像機(jī)等。各種類型的攝像機(jī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要進(jìn)行合理布置。

在視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備中，一體化彩色轉(zhuǎn)黑白攝像機(jī)采用了高變倍光學(xué)變焦的日夜轉(zhuǎn)換型攝像機(jī)，配備紅外濾光器自動(dòng)開(kāi)關(guān)。當(dāng)光源照度在3 lx以下時(shí)，彩色圖像自動(dòng)轉(zhuǎn)成黑白影像，使圖像監(jiān)控效果更清晰，而當(dāng)光源照度回復(fù)到5 lx時(shí)，圖像又可以由黑白轉(zhuǎn)成彩色，彩色最低照度可達(dá)到0.1 lx，黑白時(shí)可達(dá)到0.01 lx。數(shù)字圖像以MPEG4或H.264制式壓縮。

4.2 通信傳輸設(shè)備

監(jiān)控系統(tǒng)除了使用同軸電纜、雙絞線等常用信號(hào)傳輸介質(zhì)外，由于各級(jí)電站之間距離較遠(yuǎn)，還采用了光纖傳輸系統(tǒng)。7級(jí)站至3級(jí)站采用1條24芯的單模光纜，用于3級(jí)站、6級(jí)站與7級(jí)站之間的信號(hào)傳輸，同時(shí)考慮了后續(xù)工程4、5級(jí)站需使用的光纖用量，并預(yù)留10芯左右的光纖備用量。

為了節(jié)省投資，綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)在光纖傳輸設(shè)備中采用了一種復(fù)合型光端機(jī)。其物理接口包括1路以太網(wǎng)接口、多路RS232/RS485接口、多路電話音頻接口。以太網(wǎng)信號(hào)、電話音頻信號(hào)以及串口數(shù)據(jù)信號(hào)可由光端機(jī)通過(guò)光纖進(jìn)行無(wú)失真、遠(yuǎn)距離的傳輸，各個(gè)接口之間互不影響，其中電話音頻接口與RS232/RS485接口的數(shù)量可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要靈活配置，可有效減少投資。這種復(fù)合型光端機(jī)工作在物理層，對(duì)各種信號(hào)流采取時(shí)分復(fù)用后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換通過(guò)光纖傳輸，并在另一端進(jìn)行反向操作，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的透明傳輸，避免了協(xié)議和通信規(guī)約的轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)語(yǔ)

古爾圖河梯級(jí)水電站的綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)綜合了視頻監(jiān)控、電話音頻傳輸、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽嵘怂娬镜淖詣?dòng)化水平，在保證水電站機(jī)組安全運(yùn)行的同時(shí)，也具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]宋遠(yuǎn)超，高光華.高壩洲水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].人民長(zhǎng)江，1999，30（8）:40-41.