云南普渡河魯基廠梯級集控中心監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

周 彤

(中國水利水電科學(xué)研究院中水科技公司，北京 100038)

0 電站概況

普渡河干流水能規(guī)劃實際開發(fā)利用長度為95 km，可利用落差745 m，河段平均比降為7.8‰，由于該區(qū)域人口和耕地稀少，河谷深切，河床坡降較大，間有險灘和暗礁，梯級電站開發(fā)無灌溉、防洪以及航運要求，下游河段的開發(fā)任務(wù)為單一的水能開發(fā)。普渡河下游梯級分為小蓬租、鐵索橋、克田、江邊、鉛廠、魯基廠、甲巖共七級開發(fā)方案。總裝機容量563 MW，總保證出力98.47 MW，年平均發(fā)電量25.57億kW·h。

魯基廠水電站位于普渡河下游河段，為普渡河下游梯級的第六級水電站，在祿勸縣則黑鄉(xiāng)境內(nèi)，電站距祿勸縣100 km，距昆明公路里程177 km。電站工程規(guī)模為中型引水式電站，安裝3臺32 MW的水輪發(fā)電機組，電站總裝機容量為3×32 MW?？稍谙到y(tǒng)中參與調(diào)峰任務(wù)。

鉛廠水電站位于祿勸縣境內(nèi)普渡河干流上，為普渡河下游梯級開發(fā)水電站的第五級，有省道公路和縣鄉(xiāng)公路與昆明市相連接，交通方便，水電站距祿勸縣100 km，距昆明市公路里程195 km。工程以發(fā)電為主。裝機容量2×57 MW，保證出力19.22 MW，多年平均發(fā)電量50 231萬kW·h。

賽珠水電站是洗馬河干流規(guī)劃中的第二個梯級電站，壩址位于祿勸縣轉(zhuǎn)龍鎮(zhèn)境內(nèi)洗馬河下游瀘溪橋附近，為一混合式開發(fā)電站。首部樞紐位于洗馬河瀘溪橋上游約400 m處，距昆明市168 km。電站總裝機容量3×33 MW，保證出力為11.32 MW，多年平均發(fā)電量4.285億kW·h，裝機年利用小時數(shù)為4 328 h。

甲巖水電站工程位于祿勸縣則黑鄉(xiāng)，是普渡河下游河段七級開發(fā)規(guī)劃中的最后一級，其上游為魯基廠水電站，下游為金沙江干流電站白鶴灘電站。甲巖水電站距祿勸縣150km，距昆明公路里程220 km。甲巖水電站以單一發(fā)電為開發(fā)任務(wù)，無防洪、灌溉、航運、供水等其他綜合利用要求。電站裝機容量240 MW，保證出力58.375 MW，多年平均發(fā)電量10.855億kW·h，年利用小時數(shù)4 575 h。

四個電站均采用全計算機監(jiān)控系統(tǒng)，按“無人值班”(少人值守)方式設(shè)計。

1 工程建設(shè)目標(biāo)

集控中心采用H9000 V4.0系統(tǒng)，實現(xiàn)對各水電站信息的實時采集與處理、運行監(jiān)視和遠(yuǎn)方集中控制，滿足各水電站現(xiàn)場無人值班，遠(yuǎn)方實時安全監(jiān)控、經(jīng)濟運行和日常運行管理需要。爭取在三至五年內(nèi)使流域所屬水電廠均具備“無人值班”條件，實現(xiàn)流域集中控制，廠站分步實現(xiàn)少人值守，夜間關(guān)門運行。初期設(shè)計是完成魯基廠、鉛廠、賽珠和甲巖等四個電站的接入。

1.1 工程范圍

集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)主站端：魯基廠廠站層兼集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)主站建設(shè)，完成水電站接入，并預(yù)留將來接入昆明集控中心及其他水電站的軟/硬件接口。

廠站端：已建水電站接入系統(tǒng)的建設(shè)，增加或更換相關(guān)接入硬件，以及軟件更新或升級、軟件調(diào)試等工作。

通信系統(tǒng)：建設(shè)和完善流域光纖通信系統(tǒng)，組建和完善流域內(nèi)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)控制專網(wǎng)和綜合信息管理網(wǎng)絡(luò)，滿足水電站遠(yuǎn)方監(jiān)控以及輔助系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)所需數(shù)據(jù)、視頻圖像、電話等多種信息的傳輸通道要求。

1.2 工程內(nèi)容

集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的內(nèi)容包括：集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)中心主站、通信系統(tǒng)、控制專網(wǎng)和綜合信息管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以及完成各水電站無人值班輔助功能的系統(tǒng)，如工業(yè)電視、泄洪閘門控制、生產(chǎn)管理、繼電保護與故障錄波、電能量計量、消防監(jiān)控、流域梯級水調(diào)自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)改造等建設(shè)內(nèi)容。完成與各水電站監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試及試運行，預(yù)留將來接入其他水電站的軟/硬件接口。并完成與網(wǎng)調(diào)、中調(diào)的數(shù)據(jù)通信。

各水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造和接入的內(nèi)容包括：配置相關(guān)接入設(shè)備，完成軟件更新或升級、軟件調(diào)試等工作，滿足集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)的功能、控制模式、通信、接口等技術(shù)要求，并完成與集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試及試運行，確保成功接入集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)各水電站遠(yuǎn)程監(jiān)控，現(xiàn)場無人值班。

2 總體設(shè)計方案

集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)一般包括集控中心電調(diào)自動化系統(tǒng)和電站側(cè)接入設(shè)備，通過通信系統(tǒng)提供的冗余網(wǎng)絡(luò)通道與各電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)連接，實現(xiàn)對電站信息的實時采集與處理、運行監(jiān)視和遠(yuǎn)方集中控制。

集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方式受流域內(nèi)通信通道帶寬、監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)水平的發(fā)展、系統(tǒng)之間的通信協(xié)調(diào)性等因素影響，集控中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用集控中心監(jiān)控系統(tǒng)與電站監(jiān)控系統(tǒng)按分層分布式設(shè)計模式，通過與站級計算機通信實現(xiàn)互聯(lián)。集控中心和站級的監(jiān)控系統(tǒng)分工明確，接線簡單、功能層次分明，相互配合協(xié)調(diào)工作。集控中心通過站級計算機實現(xiàn)對電站的控制。該方式對帶寬的要求較低，系統(tǒng)層次和功能分工明確，設(shè)備配置靈活，可根據(jù)應(yīng)用需要逐步擴充，并充分發(fā)揮了站級計算機的作用，減輕了集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)計算機的工作量，便于將來電站的接入，當(dāng)流域內(nèi)各梯級電站監(jiān)控系統(tǒng)由不同的供應(yīng)商提供時，也比較容易實現(xiàn)系統(tǒng)之間的互聯(lián)，是目前較常采用比較成熟的形式。

3 魯基廠廠站層兼梯級集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.1 集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用開放分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可分為生產(chǎn)信息查詢層、監(jiān)控層和接入層，相應(yīng)的集控中心監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)也由三個局域網(wǎng)區(qū)組成，分別是：生產(chǎn)信息網(wǎng)、監(jiān)控主干網(wǎng)和接入網(wǎng)。

主干網(wǎng)采用千兆以太網(wǎng)雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，配置2臺千兆以太網(wǎng)交換機，傳輸介質(zhì)為超5類雙絞線，采用國際標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP。系統(tǒng)中的服務(wù)器和工作站等設(shè)備通過冗余配置的1000 Mbps以太網(wǎng)交換機連接，以保證計算機監(jiān)控系統(tǒng)的安全運行。

信息查詢網(wǎng)配置1 000 M以太網(wǎng)交換機，主要連接信息查詢層有關(guān)設(shè)備，并通過防火墻與公司生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)連接，實現(xiàn)電站監(jiān)控WEB發(fā)布功能。信息查詢網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)安全隔離設(shè)備與梯級集控中心監(jiān)控網(wǎng)連接。

系統(tǒng)接入網(wǎng)采用100 M以太網(wǎng)雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，傳輸介質(zhì)為超5類線，采用國際標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP。2臺互為備用的通信服務(wù)器分別與監(jiān)控系統(tǒng)的2臺主干網(wǎng)交換機和接入網(wǎng)交換機連接。并通過通信系統(tǒng)提供的冗余通道與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)和上級調(diào)度系統(tǒng)通信。接入網(wǎng)核心層設(shè)在集控中心，采用高性能的核心路由器；接入層在各電站，配置接入路由器。路由器的接口配置及協(xié)議轉(zhuǎn)換功能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)主、備用通道的要求配置相應(yīng)接口和協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，并且路由器具有一定數(shù)量的擴展插槽。

組建集控中心專用數(shù)據(jù)網(wǎng)，實現(xiàn)集控中心系統(tǒng)與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)之間的可靠通信，是集控中心自動化系統(tǒng)實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)和保障。實現(xiàn)電站現(xiàn)地?zé)o人值班，意味著在集控中心必須實時監(jiān)控到電站運行的所有重要信息，數(shù)據(jù)量非常龐大，可靠性和實時性的要求也很高，因此集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)接入網(wǎng)采用主、備用通道傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3.2 集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)與電站監(jiān)控系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)

各電站接入集控中心的方式采用電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)光纖傳輸通道為主通道，租用衛(wèi)星傳輸通道為備有通道，分別與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信，具體通信方式、采用的通信連接結(jié)構(gòu)和通信規(guī)約如下：

光纖傳輸通道通信方式：2套遠(yuǎn)控通信工作站分別通過各自配置的遠(yuǎn)控通信專用網(wǎng)絡(luò)接口與接入網(wǎng)交換機連接，接入網(wǎng)交換機與電力專用縱向加密認(rèn)證裝置內(nèi)網(wǎng)口連接，電力專用縱向加密認(rèn)證裝置與路由器的本地以太網(wǎng)端口連接，經(jīng)路由器接入電力系統(tǒng)光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)，通過1路E1接口形成2 Mbps點對點光纖傳輸通道，與各電站監(jiān)控系統(tǒng)連接進行網(wǎng)絡(luò)通信。通信速率為2 Mbps，通信規(guī)約為IEC60870-5-104(DL/T-634.5104-2002)。

衛(wèi)星傳輸通道通信方式：2套遠(yuǎn)控通信工作站，通過路由器的1個以太網(wǎng)RJ45路由接口接入衛(wèi)星數(shù)字傳輸設(shè)備，經(jīng)2Mbps衛(wèi)星傳輸通道設(shè)在電站的衛(wèi)星數(shù)字傳輸設(shè)備進行連接，實現(xiàn)與各電站監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，通信規(guī)約為IEC60870-5-104(DL/T-634.5104-2002)。

2套遠(yuǎn)控通信工作站采用冗余熱備方式工作，并將光纖傳輸通道作為主通道，衛(wèi)星傳輸通道作為光纖傳輸通道的備用。當(dāng)2Mbps點對點光纖傳輸通道中斷時，2 Mbps衛(wèi)星傳輸通道在設(shè)計時間內(nèi)切換為主運行通道運行，當(dāng)2 Mbps點對點光纖傳輸通道恢復(fù)正常時，2 Mbps衛(wèi)星傳輸通道將自動還原為備用。4臺電力專用縱向加密認(rèn)證裝置分別配置在電站監(jiān)控系統(tǒng)與集控中心的通信通道上，通過裝設(shè)電力縱向加密認(rèn)證裝置，采用認(rèn)證、加密、訪問控制等技術(shù)措施實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)方安全傳輸以及縱向邊界的安全防護，實現(xiàn)雙向身份認(rèn)證、加密、訪問控制。實現(xiàn)電站監(jiān)控系統(tǒng)與集控中心系統(tǒng)(廣域網(wǎng))之間的邊界保護。

3.3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的接口

與集控中心水調(diào)自動化系統(tǒng)通過硬件防火墻設(shè)備互連，并通過水調(diào)系統(tǒng)中間數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)主干網(wǎng)與WEB信息發(fā)布網(wǎng)連接采用可靠的網(wǎng)絡(luò)物理隔離裝置 (正/反向)。WEB信息發(fā)布網(wǎng)通過硬件防火墻設(shè)備與公司生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)(MIS)相連。并可通過公司MIS網(wǎng)與Internet相連。計算機監(jiān)控系統(tǒng)考慮預(yù)留與電能量計量系統(tǒng)(EMS)等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換接口，保證系統(tǒng)與這些系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。

3.4 控制與調(diào)節(jié)方式

3.4.1 電網(wǎng)調(diào)度控制

電網(wǎng)調(diào)度對電站的控制保持原有方式不變，電網(wǎng)與電站的通信連接不變，仍采用電網(wǎng)對電站現(xiàn)地計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行直采直控，集控中心建成后，僅將受令轉(zhuǎn)移至集控中心，集控中心與電網(wǎng)的通信數(shù)據(jù)可與電站通信數(shù)據(jù)相互冗余。

3.4.2 集控中心控制

集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備對電站進行“集控中心控制”或“電網(wǎng)調(diào)度控制”方式的切換功能。操作控制權(quán)正常情況下設(shè)在集控中心，特殊情況下切換至電站層，操作控制權(quán)限控制點設(shè)在電站現(xiàn)場。當(dāng)電站控制方式為“集控中心控制”時：

(1)在集控中心根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)的指令，負(fù)責(zé)各機組啟停、工況轉(zhuǎn)換、負(fù)荷調(diào)整、開關(guān)站的常規(guī)操作，指揮電站進行事故處理；

(2)負(fù)責(zé)主設(shè)備(主機、主變、升壓站開關(guān))運行參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視；

(3)負(fù)責(zé)主設(shè)備繼電保護、安全自動裝置事故(故障)信號、主要輔助設(shè)備的異常狀態(tài)監(jiān)視；

(4)由集控中心監(jiān)控系統(tǒng)值班員工作站，對各電站設(shè)備實現(xiàn)與各電站現(xiàn)場操作員工作站相同的實時控制、安全監(jiān)視及控制管理。

(5)集控中心應(yīng)具備AGC/AVC控制功能。在電網(wǎng)調(diào)度授權(quán)下，計算機監(jiān)控系統(tǒng)可接收電網(wǎng)調(diào)度給定的流域或電站總負(fù)荷，或下達(dá)的日負(fù)荷曲線、電壓曲線以及AGC、AVC命令，根據(jù)電站水文動能條件、實時運行工況、在滿足電網(wǎng)正常調(diào)度要求前提下，對電站參與聯(lián)合控制的機組自動分配有功和無功負(fù)荷，實現(xiàn)對電站機組的遠(yuǎn)方自動控制。

4 結(jié)束語

梯級集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)，減少了現(xiàn)場值守人員的勞動強度，同時發(fā)揮出集中控制的優(yōu)越性，極大提高了電站的發(fā)電效益，合理地利用了水能資源，取得了電站經(jīng)濟效益的最大化。

[1]方輝欽．現(xiàn)代水電廠計算機監(jiān)控技術(shù)與試驗[M]．中國電力出版社，2004.

[2]張毅，李建輝，姚維達(dá)，等．水電站通信運行狀況及特性分析研究[A]．中國水利發(fā)電工程學(xué)會信息化專委會2009年學(xué)術(shù)交流會論文集[C]，2009.